Univerzální modul wattmetru a PSV metru

Úvod:

Po několika poruchách měřiče výkonu a PSV v našem EME PA jsem se rozhodl pro radikální řez a nahradit současnou nepříliš povedenou konstrukci novým řešením. Rozhodl jsem se, že již nechci pouhý indikátor ale opravdový měřič který ukáže přesnou hodnotu výkonu i PSV. Protože se v současnosti učím programování procesorů bylo nasnadě, že zpracování naměřených výsledků a zobrazení bude prováděno procesorem. Toto řešení umožňuje některé nadstandardní funkce jako alarm při překročení PSV, Odstavení PA při překročení PSV a zasílání naměřených hodnot do PC sériovou linkou. Rozhodl jsem se měřič zpracovat jako univerzální modul u kterého je možné nakonfigurovat maximální měřený výkon a PSV při kterém je vyhlášen alarm. Díky tomu je možné jej využít ve velkém množství různých aplikací.

Popis funkce:

Na obrázku vidíme schéma zapojení popisovaného modulu. Skládá se z analogové části která obsahuje dva VF Voltmetry a digitální části která vyhodnocuje naměřená napětí a zobrazuje výsledky na displeji. Analogová část se skládá ze dvou identických VF voltmetrů. Jeden voltmetr je pro přímý signál a druhý pro signál odražený. Hlavní výhodou těchto voltmetrů je že na rozdíl od diodových detektorů odpovídá jejich výstupní napětí lineárně vstupnímu VF napětí. Někomu se jejich konstrukce může zdát zbytečně komplikovaná ale jejich výborné vlastnosti jsou základem kvalitního měřiče. Princip jejich činnosti je popsán v [1]. Voltmetry měří VF napětí na vstupní zátěži 50Ω. Vstupní výkon pro plné napětí převodníku pro oba vstupy může být v rozmezí cca -15dBm až +25dBm. Může tedy být použita celá škála různých směrových odbočnic které jsou k dispozici.

Dále budu popisovat kanál pro přímý signál. Měřič pro odražený signál je identický. Vsupní signál je přiváděn na zatěžovací odpory R1 a R2. Jejich paralelní kombinace tvoří vstupní zatěžovací impedanci 50Ω. Voltmetr pracuje na kompenzačním principu. Vstupní signál je detekován jednou polovinou dvojice diod D1. Na druhé diodě se detekuje NF signál přiváděný z interního oscilátoru. Amplituda tohoto signálu je řízena tak aby se detekovaná napětí na diodách vzájemně odečetla. Takže v ustáleném stavu je na kondenzátoru C5 nulové napětí. Toto napětí je snímáno OZ IC1. Pokud se napětí na C5 odchýlí od 0V IC1 zvýší nebo sníží napájecí napětí pro oscilátor tak aby se obě napětí opět vyrušila a na kondenzátoru C5 bylo zase 0V. Oscilátor je tvořen Tranzistorem T1 a okolními součástkami - L1, C11, R13 a R14. Tento typ oscilátoru má výborné vlastnosti. Dobře nasazuje již při několika mV výstupního napětí. Napájen je z IC1 přes odpor R11. Signál z oscilátoru je odebírán přes C18, R24, R25 a C3 a přiveden na detekční diodu. Kmitočet oscilátoru je nastaven indukčností L1 a kondenzátorem C16 přibližně na 100 až 200kHz. Na přesném kmitočtu příliš nezáleží. Trimrem R25 se nastavuje výstupní napětí z oscilátoru které je potřeba na kompenzaci vstupního napětí. Signál z oscilátoru je dále detekován detekční germaniovou diodou a výstupní napětí z této diody je po oddělení v OZ IC3B veden k dalšímu zpracování do procesoru.

Zastavím se u detekční diody D8. Zde je nejlepší použít detekční germaniovou diodu TESLA GAZ51 nebo OA9. To jsou diody které mám vyzkoušené já. Jistě existují i podobné germaniové diody západní provenience které by bylo možné použít. Kdysi když jsem stavěl první voltmetr na tomto principu jsem vyzkoušel řadu diod a jako nejlepší se ukázaly zde uváděné typy. Trochu horší byly detekční shottky diody a nejhorší pak pochopitelně byly běžné křemíkové diody. Šlo o linearitu při velmi nízkých napětích. Při vyšších napětích nad cca 0,5V výstupního napětí už mezi nimi rozdíly nebyly.

Další důležitá věc je správné vinutí civky oscilátoru. U prvních voltmetrů jsem používal hrníčková jádra o Průměru 18mm z materiálu H22 s AL cca 100 až 400. S nimi jsem nikdy neměl žádné problémy a oscilátory kmitaly dokonale. Pak se mi ale dostaly do rukou hrníčky o průměru 14mm z neznámé hmoty které používám v této konstrukci a nastaly problémy. Oscilátor sice kmital ale kmity neustále nasazovaly a vypadávaly s periodou řádově jednotek Hz. Po snížení hodnoty odporů R13 a R14 na cca 300k se situace zlepšila ale oscilátory při malých napětích velmi pomalu nasazovaly. Bylo to způsobeno tím že jsem použil původní vinutí velmi tenkým drátem které jsem pouze odmotal na potřebnou indukčnost. Nakonec jsem cívku namotal tlustším drátem a oscilátor se začal chovat korektně - tak jak jsem byl zvyklý z dřívějška. Takže doporučuji použít co nejtlustší drát tak aby se vinutí ještě vešlo na cívky. Pravděpodobně záleží na co nejvyšším Q cívky které se s průměrem použitého drátu zvyšuje. Vazební vinutí má asi desetinu počtu závitů hlavní cívky. U mnou navinutých cívek nakonec vyšla indukčnost hlavní cívky cca 500uH a indukčnost vazby cca 40uH. Na přesných hodnotách příliš nezáleží.

Za oddělovači IC3 jsou vyvedena naměřená analogová napětí přes nastavitelné odporové děliče na výstupní svorky. Tato napětí je možné použít pro analogové měřiče. Pokud je nechceme můžeme je vynechat.

Maximální detekované napětí z oscilátoru je cca 10V. Maximální napětí převodníku v procesoru je 2,5V (odpovídá referenčnímu napětí z IC6). Proto je napětí upraveno děličem R34, R35 a pro jistotu je vstup procesoru před přepětím chráněn zenerovou diodou D10.

Tím jsem se dostal k popisu digitální části. Ta je celkem primitivní, není na ní nic neobvyklého. Jádrem je mikroprocesor ATMEGA8A. Ten svými A/D převodníky zpracovává napětí z obou voltmetrů a přepočítává je na výkon a PSV. K procesoru je standardním způsoben připojen LCD displej 2x16 znaků který vhodným způsobem zobrazuje naměřené výsledky. Dále jsou připojená 2 tlačítka na ovládání funkcí, Červená LED D11 pro indikaci překročení PSV a pískátko SG1 pro akustickou signalizaci. Výstupy TXD a RXD slouží ke komunikaci procesoru s PC. Na sériový port se periodou cca 0,5s odesílají naměřené hodnotu a je možné je použít třeba při vzdáleném ovládání PA k monitorování stavu PA. Výstup je v úrovních TTL. Pro spojení s PC je nutné připojit převodník na RS232 nebo v dnešní době lépe převodník na USB. Výstup Alarm je normálně v úrovni LOG.0. Při překročení PSV přejde do LOG.1 a setrvá v tomto stavu dokud není tlačítkem poruchový stav vynulován. Tento výstup je tak možné využít pro vypnutí PA při překročení nastaveného PSV. Vstup PTT jsem původně chtěl také využít ale nakonec se ukázalo že to není nutné a nemá tedy žádný význam. Můžete ho vynechat. Všechny vstupy i výstupy jsou opatřeny ochrannými odpory a zenerovými diodami proti přepětí na vstupu. Jako referenční napětí je použito napětí 2,5V vytvářené obvodem IC6. TL431 má pro náš účel dostatečnou stabilitu a hlavně vždy v šuplíku nejaký najdeme :-). K naprogramování procesoru je použit ISP konektor. Je použit šesti kolíkový konektor v obvyklém zapojení. Díky tomu jde procesor naprogramovat běžnými ISP programátory.

Nakonec je potřeba popsat napájecí obvody. Protože mám v EME PA k dispozici pouze 22V střídavých z transformátoru použil jsem pro převod na 12V které napájí analogovou část levný čínský modul snižujícího měniče. Kdybych použil obvyklý lineární stabilizátor musel bych řešit chlazení a odvést poměrně značný ztrátový výkon. Použité měniče pracují s maximálním vstupním napětím 35V a na výstupu s regulovatelným napětím poskytují přes 2A proudu. Na e-bay jsem je pri odběru 10ks koupil pod 20kč/kus. Mám tyto měniče použité na více místech a jsem s nimi velmi spokojený. Původně jsem se obával rušení. Proto ještě vstupy a výstupy měniče blokuji dodatečnými kapacitami. Ale žádné rušení (na VKV) se neprojevilo. Nakonec kdo má k dispozici napájecí napětí 12V může tento modul klidně vynechat.

Analogové obvody jsou napájené kladným napětím 12V z uvedeného měniče. Pro získání záporného napětí je použita nábojová pumpa IC5 (ICL7662) na jejímž vývodu 6 je záporné napětí pro napájení OZ a oscilátoru. Napětí 5V pro napájení digitální části se vyrábí stabilizátorem IC7 (78L05). Za zmínku stojí napájení podsvětlení displeje které trochu netypicky napájím přes srážecí odpor z 12V. Snadněji se tak přesně nastaví proud pro podsvětlení a tento proud nezatěžuje IC7 takže nemám problémy s jeho chlazením.

Konstrukce přístroje:

Celý modul je vyroben na jednostranné DPS. Osazen je smíšenou technologií - část součástek je SMD a část je osazena součástkami s drátovými vývody. SMD součástky jsou osazeny ze strany spojů, drátové součástky z druhé strany. Celá DPS je zapájena do ohrádky z pocínovaného plechu. Plechová ohrádka zároveň tvoří distanční rozpěrku mezi DPS a čelním panelem. Je tedy nutné ji připájet v přesné poloze tak aby byl displej zasazen do čelního panelu. Ze strany spojů je modul krytý a stíněný plechovým víčkem, stranou součástek a displeje je přišroubovaná k čelnímu panelu. V čelním panelu jsou vyvrtány otvory pro displej, tlačítka, LED a nastavovací trimry. Navíc jsem na čelní panel navrhl a 3D tiskárnou vytisknul masku, která celý modul překrývá. Na obrázku je pohled na tuto masku ze zadní strany. Vytištěné trubičky mají za úkol navádění šroubováku na šrouby nastavovacích trimrů, upevňovacích šroubů a LED diody. V trubičkách nad tlačítky jsou vedené hmatníky tlačítek které jsem vytočil na soustruhu z duralu.

Všechny signály z modulu jsou vyvedeny přes průchodkové kondenzátory. U většiny vývodů je poslední odpor nebo jiná součástka mezi DPS a průchodkovým kondenzátorem vedena vzduchem a chybí tedy na DPS. Tímto opatřením se snažím minimalizovat případné pronikání rušení z PA do modulu. Vstupní SMA konektory v úhlovém provedení procházejí stěnou plechové ohrádky.

LCD displej je do DPS připojen přes řadovou lámací pinovou lištu a v DPS je protikus s dutinkami. Protože je displej poměrně vysoko nad deskou je nutné použít pinovou lištu s delšími piny. Aby byl displej pevně fixován ve své poloze je přišroubován k DPS přes 2 distanční sloupky.

Oživení modulu:

Nejprve osadíme všechny součástky napájecích obvodů a zkontrolujeme potřebná napájecí napětí +12V za měničem, +5V za stabilizátorem 78L05 a -12V za nábojovou pumpou ICL7662. Toto napětí se po zatížení obvody modulu sníží na cca 11,5V. Zde doporučím jednu věc. Osaďte kondenzátory C18 a C45 co nejrobustnějším provedením. Já původně osadil kondenzátory v provedení 1206 zakoupené v GM a ty velmi nepříjemně a pronikavě pískaly. Kmitočet na kterém pracuje ICL7662 je bohužel v akustickém pásmu. Po výměně uvedených kondenzátorů za větší se pískání snížilo na snesitelnou mez. Osadíme rovněž referenci IC6 a zkontrolujeme referenční napětí 2,5V.

Dále osadíme procesor IC4 a okolní obvody. Do patice připojíme LCD. Po zapnutí by na LCD měla být vidět čára se segmentů. Může se ale stát že je LCD buď zcela prázdný nebo naopak zcela plný. To obvykle bývá způsobeno špatným nastavením kontrastu. Kontrast nastavíme trimrem R40 tak aby byly jasně zřetelné jednotlivé body segmentů. Pokud je vše v pořádku nahrajeme do procesoru firmware a nastavení "pojistek". Jejich nastavení je vidět na obrázku.

Programátor s ISP výstupem připojíme do ISP konektoru a nahrajeme program. To je u každého programátoru trochu jiné a proto se musíte řídit manuálem k Vašemu programátorem. Můžete rovnou nahrát i konfiguraci do EEPROM, nebo ji nahrát dodatečně - záleží na Vašem programátoru. Na LCD by se po spuštění programu měl zobrazit na 1s nadpis a verze programu, pak se na 2s zobrazí konfigurační hodnoty výkonu a PSV a potom už modul přejde do měřícího režimu. Měl by v této chvíli zobrazovat výkon = 0W a PSV = 1,0.

Modul jsem koncipoval jako univerzální. Každý si tedy do něj může uložit vlastní nastavení maximálního výkonu a PSV při kterém dojde k alarmu. Konfigurační data jsou uložena v EEPROM procesoru a zapíšeme je tam programátorem. Na obrázku vidíte výpis počátku EEPROM s konfiguračními daty. První byte je prázdný, Další dva byte tvoří Word hodnotu ve které je uložen maximální výkon. V prvním byte je uložen nižší byte a v druhém vyšší. Maximální hodnota výkonu kterou můžeme zapsat je 65534W. Na obrázku vidíme v prvních dvou bytech zapsáno "A4 06" což představuje hex hodnotu 06A4 tedy v dekadické soustavě 1700W. To je vhodná hodnota pro náš PA o výkonu 1500W. Do konfigurace vždy zadejte o něco větší hodnotu než je maximální výkon PA. Jinak by wattmetr nezobrazil případné přebuzení PA - převodník by byl v limitaci. V dalším Byte je zapsána hodnota PSV při kterém je vyhláčen alarm. Maximální hodnota smí být 3,0. Hodnota se udává bez desetinné čárky takže pokud chceme uložit např PSV = 1,7 uložíme dekadické číslo 17 v HEX formátu tedy 11. Ve čtvrtém Byte je zapsán režim zobrazení displeje - číselné hodnoty nebo páskové zobrazení. Tato hodnota se přepíše pokaždé když přepneme režim zobrazení takže si modul aktuální nastavení pamatuje a použije ho i při příštím zapnutí. Pokud režim v konfiguraci nezadáme nastaví se automaticky režim 0 = zobrazení číselných hodnot. Pokud zadáme hodnotu 01 bude nastaveno zobrazení v páskovém režimu.

Pokud vše funguje můžeme pokračovat analogovou částí. Osadíme všechny součástky v analogové části modulu s vyjímkou IC1 a IC2. Na volný vývod odporů R11 a R12 připojíme napětí +12V z externího regulovatelného zdroje. Za kondenzátory C18 a C20 připojíme osciloskop. Měli bychom vidět čistý sinusový signál o kmitočtu mezi 100 až 200kHz. Pokud oscilátor nekmitá prohoďte vývody vazebního vinutí mezi sebou. Pak se oscilátor rozkmitá. Přepněte osciloskop na dlouhou časovou základnu a zkontrolujte že oscilátor periodicky nevypadává nebo není namodulovaný NF průběhem. Pokud je vše v pořádku snižujte napětí ze zdroje a sledujte jak se mění amplituda kmitů až do vypadnutí oscilátoru. Oscilátor kmitá ještě při amplitudě několik mV. Nesmí docházet k žádným výpadkům, zákmitům a podobně. Pokud je vše v pořádku osaďte IC1 a IC2. Po zapnutí napájecího napětí by mělo být výstupní napětí 0V. Stalo se mi ale že jsem koupil levné OP07 u některého běžného distributora a ty měly tak vysoký napěťový ofset že se v tomto zapojení otevřely skoro do saturace. Musel jsem u nich zavést kompenzaci abych je vůbec mohl používat. Po výměně za kvalitní OZ vše fungovalo bez problému. OP07 jsem použil proto že je mám rád :-). Nic nebrání v použití lepších (a dražších) OZ jako OP27, OP37 a pod. U nich byste se takovýchto překvapení nemměli dočkat. Pokud je vše v pořádku připojte na konektor X2 signál z generátoru. Přístroj by měl ukázat nějaký výkon. Pokud znáte útlum Vámi používané odbočnice můžete již na generátoru nastavit odpovídající vykon a odporem R25 nastavit hodnotu naměřeného výkonu odpovídající vstupnímu výkonu. Do vstupu X1 připojte druhý generátor jemuž nastavíte výkon o několik db nižší. Na displeji by se měla ukázat nějaká hodnota PSV. Přidávejte výkon generátoru až překročíte konfigurací přednastavenou hodnotu PSV. Měla by se rozsvítit červená dioda a začít pípat bzučák. Na výstupu Alarm by se mělo objevit napětí +5V. Stáhněte výkon generátoru a stiskněte levé tlačítko. Alarm by se měl zrušit. Opět zvyšte výkon generátoru a po vybavení alarmu stiskněte tentokrát pravé tlačítko a držte ho. Po několika sekundách se ozve trojí pípnutí které signalizuje vypnutí ochrany. V této chvíli je v modulu vypnutá ochrana proti vysokému PSV. Používejte tuto funkci velmi obezřetně !!!. Dalším stiskem pravého tlačítka se ochrana opět zapne. Snižte výkon generátoru tak aby nevybavila ochrana PSV. Stiskem levého tlačítka teď můžete přepnout do páskového zobrazení naměřených údajů. Horní pásek představuje výkon, spodní pak PSV. Pokud je vše v pořádku můžete pokračovat zabudováním do PA a konečným nastavením přístroje.

Nastavení modulu:

V EEPROM procesoru byste měli mít konfigurační data pro Vámi požadovaný maximální výkon a PSV při kterém vybaví ochrana. Přístrojem obvykle měříme postupnou a odraženou vlnu ze směrové odbočnice. Například já používám v našem EME PA odbočnici Kathrein v provedení s 7/16" konektory. Ta bývá za rozumnou cenu k dostání na radioamatérských setkáních. Vybuďte PA na plný výkon a trimrem R25 nastavte naměřený výkon stejný jako na kontrolním wattmetru. Tím máme nastavené měření výkonu. Odpojte konektor X2 od odbočnice a připojte do něj generátor. Generátorem nastavte stený naměřený výkon jaký jste měli předtím při plně vybuzeném PA. Odpojte generátor, snižte jeho výkon o 6dB a připojte ho do konektoru X1. Do konektoru X2 připojte opět výstup postupné vlny z odbočnice. Pa opět vybuďte na stejný výkon jako předtím. Na vstupu X1 teď máme signál přesně o 6dB slabší. To odpovídá PSV 1:3. Proto trimrem R26 nastavte naměřenou hodnotu PSV na 3. Pavděpodobně Vám při tom vybaví PSV ochrana a proto ji vypněte dlouhým stiskem pravého tlačítka. Pokud Vám naměřený výkon zobrazuje stejnou hodnotu jako předtím a PSV = 3 máte modul nastavený a můžete jej používat.

Pohodlněji můžete modul nastavit pokud máte k dispozici 2 generátory. Pak můžete místo vybuzení PA na plný výkon použít jeden generátor a druhý generátor použít pro simulaci odraženého signálu.

Použití modulu:

Modul je určen k zabudování do libovolného PA nebo PSV metru. Snažil jsem se ho udělat co nejvíc univerzální aby byla jeho využitelnost co největší. Pokud narazíte na nějaké chyby v SW modulu budu rád když mi dáte vědět. Pokud to bude možné budu se snažit chyby opravit v historicky krátké době a vystavím novou verzi firmware.

Modul při svém zapnutí krátce zobrazí nadpis a verzi SW. Pak o něco déle pro kontrolu nastavení konfiguračních dat. Potom už měří a zobrazuje Výkon a PSV naměřené externí směrovou odbočnicí. Přístroj umožňuje přepínat režim zobrazení mezi textovým zobrazením a páskovým indikátorem. Režim zobrazení se přepíná stiskem levého tlačítka. Horní pásek představuje výkon a spodní pásek PSV. Nastavený režim zobrazení si přístroj pamatuje i po vypnutí.

Pokud se aktivuje PSV ochrana je to signalizováno červenou LED a pípáním bzučáku. Na výstupu Alarm je v té chvíli napětí +5V které můžeme použít k zablokování PA. Po snížení PSV můžeme ochranu deaktivovat stiskem levého tlačítka. Ochrana je stále aktivní a pokud bude PSV stále vysoké opět vybaví ochranu. Ochranu můžeme rovněž zcela vypnout dlouhým stiskem pravého tlačítka. Toto je ale velmi nebezpečná funkce pro život vašeho PA a proto ji doporučuji používat velmi uvážlivě. Vypnutí ochrany je indikováno třemi pípnutími. Ochranu můžeme opět zapnout stiskem pravého tlačítka. Ochrana proti vysokému PSV je funkční pokud je výkon větší než 1/10 nominálního výkonu. Při nižším výkonu je ochrana deaktivovaná. Je to z toho důvodu že při nízkém výkonu a dobrém PSV již se dostáváme na hranici dynamického rozsahu voltmetru a převodníku procesoru. Když k tomu přidáme šum převodníku a případné rušení mohlo by při nízkém nastaveném PSV pro aktivaci ochrany dojít k falešným zásahům ochrany. Při tak nízkém výkonu již zpravidla nehrozí poškození PA ani při odpojení zátěže. Proto jsem postupoval tímto způsobem.

Na výstupu sériové linky (signály RXD a TXD) jsou k dispozici naměřená data pro vnější použití. Tato data jsou v úrovních TTL. Pro další použití tedy musíme použít převodník na RS232 nebo USB. Možné je použít i převodník na LAN. To už záleží na fantazii uživatelů. Na obrázku vidíme dekódovaný výpis sériové linky v logickém analyzátoru. Modul v té chvíli naměřil výkon 1563W, PSV 1,81 a signalizoval že je ve stavu Alarm - to je to A na konci výpisu. Jednotlivé hodnoty jsou oddělené středníkem.

Na analogové výstupy přímého i odraženého signálu můžeme připojit analogová měřidla a používat je současně s digitálním zobrazením.

Doplněk popisu z 6/2021:

Po několika letech bezproblémového provozu popisovaného modulu jsem jej nahradil jiným který je funkčně velmi podobný, ale má pěkný grafický displej a líbil se mi natolik že jsem ho postavil a nahradil jím popisovaný modul. Nový grafický modul je popisovaný zde. Jen si dejte pozor odkud kupujete detektory AD8307. Neudělejte stejnou chybu jako já a nekupujte je v Číně. Obvody nakoupené na ebay sice fungovaly ale byly silně nelineární. Na rozsahu 10dB dokázaly udělat chybu až 2dB. Patrně šlo o padělky nebo nějaký výmět. Nakonec jsem našel kus dynamického rozsahu kde byly jakž takž lineární a přizpůsobil tomu vstupní úroveň. Měřené hodnoty jsem nastavil při plném výkonu PA. Při výkonech o pár decibel nižších už mě nějaká linearita netrápula. Přesto bude ale lepší koupit kvalitní originální obvod od solidního prodejce. Obvody AD8307 jsem v minulosti několikrát použil a linearita byla vždy kolem 0,1dB na rozsahu cca 60dB. To odpovídá i katalogovým údajům.

Tento nový modul s grafickým displejem již používám několik let k plné spokojenosti. Naměřené údaje jsou krásně čitelné přes celou místnost a mám tak neustále nad PA plnou kontrolu.

Soubory ke stažení

• Firmware v binárním formátu.
• Firmware ve formátu Intel hex.
• Klišé pro výrobu DPS.
• 3D model čelní masky ve formátu stl.

Použitá literatura:

• [1] – ing. Petr Zeman – VF milivoltmetr – Amatérské rádio 11/1987
• [2] – VF milivoltmetr mV3 – Ročenka AR 1987
• [3] – B. Novotný a kol. – VF milivoltmetr 300M85 - Ročenka AR 1990
• [4] - VF milivoltmetr