VF anténní analyzátor s modulem Arduino a DDS: 6 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Ahoj

V tomto Instructable vám ukážu, jak jsem postavil levný anténní analyzátor, který dokáže změřit anténu a zobrazit její VSWR v jakémkoli nebo ve všech VF frekvenčních pásmech. Najde minimální VSWR a odpovídající frekvenci pro každé pásmo, ale také zobrazí VSWR v reálném čase pro uživatelsky zvolenou frekvenci, aby se usnadnilo nastavení antény. Pokud zametáte jedno frekvenční pásmo, zobrazí se graf VSWR versus frekvence. Má také USB port na zadní straně pro výstup frekvence a dat VSWR, což umožňuje jemnější vykreslování grafů na PC. Port USB lze v případě potřeby použít také k obnovení firmwaru.

Nedávno jsem se dostal k amatérskému rádiu (protože se mi líbila myšlenka komunikace peer-to-peer na velké vzdálenosti bez infrastruktury) a rychle jsem učinil následující pozorování:

1. Veškerá celosvětová komunikace, která mě zajímala, probíhá v pásmech KV (3-30 MHz)

2. VF transceivery jsou velmi drahé a rozbijí se, pokud je nenajedete do přiměřeně sladěné antény

3. Obecně se od vás očekává, že si vybavíte vlastní vysokofrekvenční anténu z kousků drátu navlečených přes zahradu (pokud nechcete utratit ještě více peněz, než jste utratili za 2).

4. Vaše anténa může být špatná, ale nebudete to vědět, dokud to nezkusíte.

Nyní by purista pravděpodobně řekl, že by člověk měl nejprve vyzkoušet anténu na velmi nízkém výkonu na frekvenci zájmu a zkontrolovat VSWR na měřiči soupravy, aby vyhodnotil kvalitu zápasu. Opravdu nemám čas zabývat se takovými věcmi pro každou frekvenci, kterou bych chtěl použít. To, co jsem opravdu chtěl, byl analyzátor antény. Tato zařízení mohou testovat kvalitu shody antény na jakékoli frekvenci v pásmech HF. Bohužel jsou také velmi drahé, a tak jsem začal zvažovat, zda bych si mohl vyrobit vlastní. Narazil jsem na vynikající práci K6BEZ (viz https://www.hamstack.com/project_antenna_analyzer.html), který zkoumal použití Arduina k ovládání levného přímého digitálního syntetizačního modulu (DDS). Brzy opustil Arduino z důvodů nákladů, raději použil PIC. V roce 2017 si můžete koupit Arduino Nano za přibližně 3,50 GBP, a tak jsem si řekl, že je načase se znovu vrátit k jeho práci, pokračovat tam, kde skončil, a zjistit, na co bych mohl přijít (všimněte si, že nejsem jediný kdo to udělal: na internetu lze najít několik velmi pěkných příkladů).

Aktualizace (29. 7. 2018) - na tuto práci výrazně navázal bi3qwq z Číny, který provedl opravdu pěkná vylepšení uživatelského rozhraní, které laskavě sdílel. Navrhl velmi profesionální desku plošných spojů (se skvělou funkcí kalibračního odporu) a udělal opravdu dobře vypadající sestavení. Aby toho všeho dosáhl, připravil schéma, které, jak vím, potěší mnoho z těch, kteří již dříve komentovali. Další informace najdete v sekci komentáře.

Aktualizace - Nedávno jsem se dostal na 60 m, což původní skica nepokrývala. Nyní jsem tedy nahrál firmware verze 7, který přidává pásma 160 ma 60 m. Nejedná se o doplňky; jsou plně integrovány do provozu analyzátoru. Bylo štěstí, že jsem našel písmo u8glib, které bylo stále čitelné, ale umožnilo mi zobrazit na té malé obrazovce současně deset pásem (i když to nebyl monospace, což způsobilo nějaký smutek). Odhadl jsem kalibrační hodnoty pro nová pásma na základě interpolace / extrapolace stávajících kalibračních hodnot. Pak jsem je zkontroloval pomocí pevných odporů a dávají docela dobré výsledky.

Aktualizace - jak se několik lidí ptalo na schémata, základní můstkový obvod Arduino / DDS / VSWR je do značné míry nezměněn oproti původní práci K6BEZ. Podívejte se prosím na výše uvedenou adresu URL pro jeho původní schéma, na kterém jsem tento projekt založil. Přidal jsem kodér, obrazovku OLED a plně vyvinutý firmware, aby byl uživatelský komfort snadný.

Aktualizace - Tento systém používá zdroj signálu DDS s velmi nízkým napětím ve spojení s odporovým můstkem obsahujícím diodové detektory. Diody tedy pracují ve svých nelineárních oblastech a moje první verze tohoto systému měla tendenci podčíst VSWR. Například impedanční zátěž 16 ohmů nebo 160 ohmů by měla vykazovat VSWR přibližně 3 v systému 50 ohmů; tento měřič indikoval VSWR blíže 2 v této situaci. Proto jsem provedl softwarovou kalibraci pomocí známých zátěží, která se zdá být účinnou opravou tohoto problému. Toto je popsáno v předposledním kroku tohoto pokynu a byl nahrán revidovaný náčrt.

Aktualizace - integrovaná grafická funkce přidaná k jednotlivým zatáčkám, protože bylo příliš užitečné ji vynechat, zvláště při ladění délek antén pro minimální VSWR: graf vám dává okamžitě viditelný trend.

Krok 1: Kupte si věci

Budete potřebovat následující položky. Většinu z nich lze levně získat na Ebay. Nejdražší jednotlivou položkou byla krabice, za 10 liber! Může být možné nahradit některé položky (použil jsem například 47 Rs místo 50 Rs). Diody byly poměrně neobvyklé (musel jsem koupit 5 z Itálie) a stálo by za to nahradit snadněji dostupné položky, pokud víte, co děláte.

• Arduino Nano
• Modul DDS (modul generátoru signálu DDS AD9850, modul HC-SR08, sinusová obdélníková vlna 0-40 MHz)
• 1,3 "OLED displej i2c
• Operační zesilovač MCP6002 (8 pinů)
• 2 vypnutá dioda AA143
• Keramické kondenzátory: 2 vypnuto 100 nF, 3 vypnuto 10 nF
• 1 uF elektrolytický kondenzátor
• Rezistory: 3 vypnuto 50 R, 2 vypnuto 10 K, 2 vypnuto 100 K, 2 vypnuto 5 K, 2 vypnuto 648 R
• Svorkovnice s roztečí 2,54 mm: 3 vypnuté 2pinové, 2 vypnuté 4pinové
• Jednožilový propojovací drát
• 702 nebo podobný propojovací drát
• Stripboard
• Čtvercová lišta (samice) pro připojení Arduina a DDS do - nekupujte kulaté zásuvky omylem!
• Zásuvka pro montáž na šasi SO-239
• Rotační kodér (15 pulsů, 30 aretací) s tlačítkem a knoflíkem
• Levný „modul“rotačního kodéru (volitelně)
• Krabice projektu
• Přepnout spínač
• Pravoúhlý mini-USB na USB B přepážkový montážní kabel (50 cm)
• PP3 a držák baterie
• Samolepicí montážní sloupky / distanční podložky do DPS

Budete také potřebovat páječku a elektroniku. 3D tiskárna a pilířová vrtačka jsou užitečné pro skříň, i když pokud byste chtěli, pravděpodobně byste mohli celou věc sestavit na stripboard a neobtěžovat se s krabicí.

Přirozeně tuto práci provádíte a využíváte výsledky generované na vlastní riziko.

Krok 2: Rozložte Stripboard

Naplánujte si, jak uspořádáte součásti na tabuli. Můžete to udělat sami podle původního schématu K6BEZ (bez kodéru nebo obrazovky - viz strana 7 na adrese https://www.hamstack.com/hs_projects/antenna_analyzer_docs.pdf), nebo můžete ušetřit spoustu času a zkopírujte mé rozložení.

Tato rozvržení dělám jednoduchým způsobem pomocí čtvercového papíru a tužky. Každá křižovatka představuje lištu. Měděné koleje jdou vodorovně. Kříž představuje rozbitou stopu (použijte 6 mm vrták nebo vhodný nástroj, pokud jej máte). Řádky kruhů s rámečkem kolem nich představují záhlaví. Velké krabice se šrouby označují bloky konektorů. Všimněte si, že v mém diagramu je další čára, která vodorovně prochází středem desky. Při sestavování to vynechejte (je to označeno „vynechat tento řádek“).

Některé součásti se mohou zdát podivně rozložené. Je to proto, že design se vyvinul, jakmile jsem dostal základní hardware funkční (zvláště když jsem si uvědomil, že kodér například potřebuje přerušení hardwaru).

Při pájení součástek na desku používám Blu-Tak, abych je pevně držel na místě, zatímco desku obracím, abych pájel nohy.

Pokusil jsem se minimalizovat množství drátu, který jsem použil, srovnáním modulu Arduino a DDS a pouze pomocí stripboardu pro připojení klíčových pinů. V té době jsem si neuvědomil, že hardwarová přerušení potřebná ke čtení kodéru fungují pouze na pinech D2 a D3, takže jsem musel přesunout DDS RESET z jeho původního připojení D3 trochou drátu:

RESET DDS - Arduino D7

DDS SDAT - Arduino D4

DDS FQ. UD - Arduino D5

DDS SCLK - Arduino D6

Arduino D2 a D3 se používají pro vstupy kodéru A a B. D11 se používá pro vstup spínače kodéru. D12 se nepoužívá, ale myslel jsem si, že pro něj stejně udělám šroubový terminál pro budoucí rozšíření.

Arduino A4 a A5 poskytují signály SDA a SCL (I2C) pro obrazovku OLED.

Arduino A0 a A1 přebírají vstupy z můstku VSWR (přes OPAMP).

Krok 3: Nainstalujte moduly, připojte periferní zařízení a načtěte kód

Stojí za to otestovat desku, než se dostanete do problémů s montáží do skříně. Následující součásti připevněte pomocí flexibilních vodičů k desce pomocí šroubových svorkovnic:

• 1,3 "OLED displej (SDA a SCL jsou připojeny k pinům Arduino A4 a A5; zem a Vcc jdou samozřejmě na Arduino GND a +5V)
• Rotační kodér (to vyžaduje uzemnění, dvě signální vedení a spínací linku - pokud kodér pracuje špatně, budete možná muset přepnout přepínací vedení - připojte je k uzemnění Arduino, D2, D3 a D11). Všimněte si, že pro svou prototypovací práci jsem namontoval kodér 15/30 na modul modulu kodéru KH-XXX, protože kolíky na holých kodérech jsou velmi tenké. Pro závěrečnou práci jsem připájel dráty přímo na kodér.
• 9V baterie
• Zásuvka SO -239 - připájejte středový kolík k signálovému vedení antény a použijte prstencový terminál M3 a šroub pro uzemnění antény

Naskenujte následující náčrt na Arduino. Také se ujistěte, že jste zahrnuli velmi dobrou knihovnu ovladačů OLED od Oli Kraus, jinak komplikace spadne a vypálí:

Pokud se váš OLED displej mírně liší, možná budete potřebovat jiné nastavení konfigurace v u8glib; to je dobře zdokumentováno v ukázkovém kódu Oli.

Krok 4: Dát vše do pěkné krabice (volitelně)

Vážně jsem zvažoval ponechání analyzátoru jako holého prkna, protože byl pravděpodobně používán jen příležitostně. Při odrazu jsem si však myslel, že pokud dělám hodně práce na jediné anténě, může dojít k poškození. Všechno tedy šlo do krabice. Nemá smysl se zabývat podrobnostmi o tom, jak to bylo provedeno, protože váš box bude pravděpodobně jiný, ale některé klíčové funkce stojí za zmínku:

1. K montáži lišty použijte samolepicí distanční podložky na DPS. Opravdu usnadňují život.

2. Pomocí krátkého kabelu USB adaptéru vytáhněte USB port Arduino do zadní části skříně. Pak je snadné přistupovat k sériovému portu a získat údaje o frekvenci vs. VSWR a také znovu zapnout Arduino, aniž byste museli sundávat víko.

3. Vyvinul jsem vlastní 3D vytištěnou část na podporu OLED displeje, protože jsem na webu nic nenašel. Toto má vybrání, které umožňuje vložit 2 mm kus akrylu na ochranu křehké obrazovky. Lze jej namontovat pomocí oboustranné pásky nebo samořezných šroubů (s jazýčky na obou stranách). Jakmile je displej namontován, můžete pomocí horkého drátu (přemýšlejte o kancelářské sponce a foukací lampě) roztavit kolíky PLA na zadní stranu desky plošných spojů, abyste vše zajistili. Zde je soubor STL pro kohokoli, koho to zajímá:

Krok 5: Kalibrace

Původně jsem neprováděl žádnou kalibraci, ale zjistil jsem, že měřič VSWR trvale ukazuje nízkou hodnotu. To znamenalo, že ačkoliv se zdálo, že je anténa v pořádku, autotuner mé soupravy se jí nedokázal přizpůsobit. K tomuto problému dochází, protože modul DDS vydává signál s velmi nízkou amplitudou (asi 0,5 Vpp při 3,5 MHz, klesá s rostoucí frekvencí). Detekční diody v můstku VSWR proto pracují ve své nelineární oblasti.

K tomu existují dvě možné opravy. Prvním je připojení širokopásmového zesilovače na výstup DDS. Potenciálně vhodná zařízení jsou k dispozici levně z Číny a zvýší výkon asi na 2 V str. Objednal jsem si jedno z nich, ale zatím to nezkouším. Mám pocit, že i tato amplituda bude trochu okrajová a nějaká nelinearita zůstane. Druhá metoda je dát známé zátěže na výstup stávajícího měřiče a zaznamenat zobrazené VSWR v každém frekvenčním pásmu. To vám umožní sestrojit korekční křivky pro skutečné versus hlášené VSWR, které pak lze vložit do skici Arduina a použít opravu za běhu.

Přijal jsem druhou metodu, protože to bylo snadné. Stačí sehnat následující odpory: 50, 100, 150 a 200 ohmů. Na tomto 50 ohmovém nástroji budou podle definice odpovídat VSWR 1, 2, 3 a 4. V náčrtu je přepínač 'use_calibration'. Nastavte toto na NÍZKOU a nahrajte skicu (která na úvodní obrazovce zobrazí varování). Poté proveďte měření ve středu každého frekvenčního pásma pro každý odpor. Pomocí tabulky vykreslete očekávané a zobrazené VSWR. Potom můžete vytvořit logaritmickou křivku vhodnou pro každé frekvenční pásmo, která poskytne multiplikátor a zachycení tvaru TrueVSWR = m.ln (MeasuredVSWR)+c. Tyto hodnoty by měly být načteny do pole swr_results v posledních dvou sloupcích (viz předchozí prohlášení komentáře v náčrtu). Je to zvláštní místo, kam je umístit, ale já jsem spěchal a jak se toto pole obchodů vznáší, vypadalo to tehdy jako rozumná volba. Poté přepněte přepínač use_calibration zpět do polohy HIGH, znovu zapněte Arduino a můžete vyrazit.

Pamatujte si, že při měření spotové frekvence je pro počáteční volbu pásma použita kalibrace. Toto nebude aktualizováno, pokud provedete hrubé změny frekvence.

Měřič nyní čte podle očekávání u pevných zátěží a zdá se, že dává smysl při měření mých antén! Mám podezření, že se nemusím obtěžovat vyzkoušet ten širokopásmový zesilovač, až dorazí …

Krok 6: Použití analyzátoru

Připojte anténu pomocí kabelu PL-259 a zapněte zařízení. Zobrazí úvodní obrazovku a poté automaticky provede zatažení všech hlavních KV pásem. Displej zobrazuje testovanou frekvenci, aktuální hodnotu VSWR, minimální hodnotu VSWR a frekvenci, na které k ní došlo. Aby se snížil hluk z měření, provede se pět měření VSWR v každém frekvenčním bodě; střední hodnota těchto pěti naměřených hodnot se poté předá přes devítibodový filtr klouzavého průměru s ohledem na frekvenci, než se zobrazí konečná hodnota.

Pokud chcete toto rozmítání všech pásem zastavit, stačí stisknout knoflík kodéru. Tažení se zastaví a zobrazí se souhrn všech shromážděných údajů o pásmu (s nulovými hodnotami pro tato pásma, která ještě nebyla zametena). Druhým stisknutím se zobrazí hlavní nabídka. Volby se provádějí otáčením kodéru a jeho stisknutím v příslušném bodě. V hlavní nabídce jsou tři možnosti:

Sweep all pásma restartuje sweep všech hlavních KV pásem. Po dokončení se zobrazí souhrnná obrazovka popsaná výše. Zapište si to nebo vyfoťte, pokud si to chcete nechat.

Sweep single band vám umožní vybrat jedno pásmo kodérem a poté jej zamést. Při výběru se zobrazuje vlnová délka i frekvenční rozsah. Když je rozmítání dokončeno, druhé stisknutí kodéru zobrazí jednoduchý graf VSWR versus frekvence právě zametaného pásma s číselnou indikací minimálního VSWR a frekvence, ke které došlo. To je velmi užitečné, pokud chcete vědět, zda zkrátit nebo prodloužit dipólová ramena, protože ukazuje trend VSWR s frekvencí; toto je ztraceno jednoduchou numerickou zprávou.

Jedna frekvence vám umožňuje vybrat jednu pevnou frekvenci a poté průběžně aktualizovat živé měření VSWR pro účely ladění antény v reálném čase. Nejprve vyberte příslušné frekvenční pásmo; displej pak zobrazí střední frekvenci zvoleného pásma a živé čtení VSWR. V tomto okamžiku je použita příslušná kalibrace pásma. Jedna z číslic frekvence bude podtržena. To lze pomocí kodéru přesouvat doleva a doprava. Stisknutím kodéru se linka zvýrazní; potom otáčením kodéru se číslice sníží nebo zvýší (0-9 bez zalomení nebo přenášení). Opětovným stisknutím kodéru číslici opravíte, poté přejděte na další. Pomocí tohoto zařízení můžete získat přístup k téměř jakékoli frekvenci v celém spektru KV - výběr pásma na začátku vám pomůže dostat se blíže tam, kde pravděpodobně chcete být. Existuje však upozornění: kalibrace pro vybrané pásmo se načte na začátku. Pokud se změnou číslic vzdálíte příliš daleko od vybraného pásma, bude kalibrace méně platná, zkuste tedy zůstat ve zvoleném pásmu. Když jste s tímto režimem skončili, přesuňte podtržítko úplně doprava, dokud nebude pod 'exit', poté stiskněte kodér pro návrat do hlavní nabídky.

Pokud připojíte počítač k zásuvce USB na zadní straně analyzátoru (tj. K Arduinu), můžete pomocí sériového monitoru Arduino sbírat frekvence oproti hodnotám VSWR během jakékoli operace rozmítání (aktuálně je nastavena na 9600, ale můžete to změnit snadno úpravou mé skici). Hodnoty lze poté vložit do tabulky, takže můžete vykreslit trvalejší grafy atd.

Snímek obrazovky ukazuje souhrn VSWR pro moji 7,6 m vertikální anténu s rybářským prutem s UNUN 9: 1. Moje souprava dokáže pojmout maximální SWR 3: 1 s vnitřní jednotkou automatického tuneru. Vidíte, že to budu moci naladit na všechna pásma kromě 80 m a 17 m. Takže teď mohu relaxovat s vědomím, že mám průchodnou vícepásmovou anténu a nechystám se při vysílání na většině pásem rozbít nic drahého.

Hodně štěstí a doufám, že vám to bude užitečné.