mit Digitalanzeige basierend auf ARDUINO-Boards
24. April 2014
Simple RF-Powermeter using digital readout based on ARDUINO boards Automatic translation by GOOGLE:
http://translate.google.de/translate?sl=de&tl=en&js=y&prev=_t&hl=de&ie=UTF-8&u=http%3A%2F%2Fwww.kh-gps.de%2Fpwr.htm&edit-text=&act=url
Angefangen hatte es mit einem Artikel von W7ZOI, der in der Juni-Ausgabe der US-Zeitschrift "QST" im Jahre 2001 erschien [1], [2]. Der Autor beschrieb darin den Aufbau einer einfachen HF-Leistungsmessanordnung für Frequenzen bis etwa 500 MHz. Das Konzept basierte auf dem Chip "AD8307" von Fa. Analog Devices. Näheres zu diesem Bauteil kann dem zugehörigen Datenblatt [3] entnommen werden. Inzwischen gibt es eine Vielzahl weiterer Beschreibungen von Leistungsmessern unter Verwendung genannten Bausteins. Interessant war für mich dabei besonders eine kleine Platine ( Abb.1 ), die einen Teil des sog. "Pour Ham's Scalar Network Analyzers (PHSNA)" [4], [5] darstellt. Zusammen mit einem OP-Amp "AD820" arbeitet der "AD8307" hierbei als Einheit zur Erfassung der zu analysierenden Hochfrequenzenergie. Abb.2 zeigt das Schaltbild dieses von Jim Giammanco, N5IB stammenden Konzeptes.
Abb.1 N5IB-Baugruppe zur HF-Leistungserfassung mit AD8307 und AD820 Op-Amp.
Dabei basiert er im
Wesentlichen auf den bereits in [1] zu findenden Angaben. Hinzugekommen
ist aber noch eine Möglichkeit zur Justage des Ausgangspegels.
Da
vorgesehen ist, dieses Signal über den Analogeingang eines mit 5V
Versorgungsspannung betriebenen Microcontrollers auszuwerten, sollte
der an diesem Punkt maximal auftretende Spannungswert auch nicht
wesentlich über der benutzten Betriebsspannung liegen.
Abb.2 Schaltbild des HF-Bausteins zur Leistungsmessung ( nach N5IB )
Während das
ursprüngliche Konzept von W7ZOI nur eine Leistungsanzeige
über
Drehspulinstrument vorsah, kam mir während der Beschäftigung
mit dem PHSNA-Projekt der Gedanke zur Realisierung einer einfachen
digitalisierten Anzeigeeinheit, die auf fertig erhältlichen
ARDUINO-Bausteinen basieren sollte. Neben dem weit verbreiteten
Standard-Prozessor-Board "UNO" sollte als Anzeigeeinheit dabei ein
aufsteckbares sog. LCD Keypad Shield [7], [8], [9] zum Einsatz kommen.
Als "Clone" sind Board und Shield dabei ggf. auch aus Fernost
beziehbar.
Abb.3 Zusammenschaltung von Board zur HF-Leistungserfassung, sowie dem
ARDUINO-Prozessor-Board mit aufgestecktem LCD Keypad Shield
Die Zusammenschaltung
des Boards zur Leistungserfassung mit der Prozessor/Anzeigeeinheit ist
aus
Abb.3 ersichtlich. Eine zusätzlich erkennbare 5.6V-Zenerdiode
dient
dabei dem Schutz des verwendeten Analogeingangs "A1" gegen
Überspannung
bei möglichen höheren Eingangspegeln.
Zur Anzeige kommen DBM-Pegelwerte im Bereich von etwa -70dBm bis etwa +10dBm. Weiterhin erfolgt eine Ausgabe der Messwerte in den Einheiten WATT, MILLIWATT, MICROWATT , NANOWATT und PICOWATT, wobei eine automatische Anwahl der jeweils günstigsten Masseinheit erfolgt.
Die Tasten "UP" und "DOWN" erlauben die Anwahl einer Vordämpfung bezogen auf die angezeigten Werte ( A= Attenuation= Abschwächung ). Diese Einstellung erfasst den Bereich von 0db bis 60db und ist ggf. entsprechend einer im HF-Eingangszweig eingefügten Vordämpfung zu wählen.
Zur Anzeige kommen DBM-Pegelwerte im Bereich von etwa -70dBm bis etwa +10dBm. Weiterhin erfolgt eine Ausgabe der Messwerte in den Einheiten WATT, MILLIWATT, MICROWATT , NANOWATT und PICOWATT, wobei eine automatische Anwahl der jeweils günstigsten Masseinheit erfolgt.
Die Tasten "UP" und "DOWN" erlauben die Anwahl einer Vordämpfung bezogen auf die angezeigten Werte ( A= Attenuation= Abschwächung ). Diese Einstellung erfasst den Bereich von 0db bis 60db und ist ggf. entsprechend einer im HF-Eingangszweig eingefügten Vordämpfung zu wählen.
Alternativ verwendbares
Board zur HF-Leistungserfassung
Zu günstigem
Preis bietet auch Makis Katsouris aus Athen, SV1AFN fertig
bestückte HF-Leistungserfassungsboards an [10]. Hierbei kommt
ebenfalls der Chip "AD8307" zum Einsatz. Der Verstärkungsgrad des
zusätzlich auf der Platine bestückten OP-Amp's kann
allerdings nicht verändert werden. Stattdessen stehen nur die sich
nach mehreren fixen Verstärkungswerten ergebenden Ausgangspegel
zur Verfügung, so dass eine auswertende Einheit daran entsprechend
angepasst werden muss.
Abb.4 Fertigboard von SV1AFN
Abb.5 Schaltbild des Boards von SV1AFN ( Bild zur Grossdarstellung anklicken )
Abgleich
Tabelle1 zeigt die
Pegelverhältnisse rund um den "AD8307". Wie man hier erkennen
kann, bewirkt ein Eingangssignal von beispielsweise +10dBm, dass sich
an seinem Pin4 eine Gleichspannungswert von 2.35V einstellt. Das
PHSDN-Konzept und
damit auch das gem. Abb.1-3 verwendete Board sehen vor, dass dieser
Wert mithilfe des Op-Amp's "U3" noch einmal um den Faktor 2.1276
angehoben wird, so dass sich an dessen Ausgang ein Wert von hierbei
5.0V ergibt. Der genaue Abgleich erfolgt dabei mithilfe von "R10".
Tabelle1 Pegelverhältnisse rund
um den "AD8307" ( nach N5IB )
Wer keine Möglichkeit besitzt, dem
Messeingang ein Signal mit definiertem +10dBm-Pegel zuzuführen,
der
kann zum Abgleich auch eine zwischen den Pins 1 und 8 des "AD8307"
angelegte ( massefreie ) Gleichspannung verwenden. Gemäß
Tabelle1 lassen sich identische Ausgangspegelwerte hierbei durch
Anlegen einer ( möglichst genau einzuhaltenden ) Spannung von 1.0V
erreichen. Abb.6 zeigt eine dabei mögliche
Eingangsbeschaltung unter Verwendung einer 1.5V AA-Zelle als
Spannungsquelle.
Abb.6 Mögliche
Eingangsanordnung zum Pegelabgleich am AD8307 ( nach N5IB )
Mehr
zu Abgleichprozeduren findet man auch in [6] wozu allerdings ggf. eine
Registrierung im YAHOO-Forum für das PHSNA-Projekt erforderlich
ist.
Bei Verwendung des AD8307-Boards von SV1AFN ist der Ausgang "J1" Pin4 zu verwenden. Der OP-Amp verstärkt hierbei um den Faktor 2.0, so dass sich an seinem Ausgang Gleichspannungswerte einstellen, die dem Doppelten der in Tabelle1 für Pin4 "AD8307" gelisteten Werte entsprechen. Bei Eingangssignalen mit +10dBm Pegelwert bzw 1V Gleichspannung wird somit eine Ausgangsspannung von 2x2.35= 4.7V erreicht, was die Verwendung eines hierfür geringfügig modifizierten Softwarecodes für die Auswerteinheit erfordert.
Bei Verwendung des AD8307-Boards von SV1AFN ist der Ausgang "J1" Pin4 zu verwenden. Der OP-Amp verstärkt hierbei um den Faktor 2.0, so dass sich an seinem Ausgang Gleichspannungswerte einstellen, die dem Doppelten der in Tabelle1 für Pin4 "AD8307" gelisteten Werte entsprechen. Bei Eingangssignalen mit +10dBm Pegelwert bzw 1V Gleichspannung wird somit eine Ausgangsspannung von 2x2.35= 4.7V erreicht, was die Verwendung eines hierfür geringfügig modifizierten Softwarecodes für die Auswerteinheit erfordert.
Nachbau
Während der Op-Amp "AD820" im
benötigten DIP-Gehäuse z.B. bei Fa. Reichelt verfügbar
ist, wird der "AD8307" dort offenbar nur in gleichem Gehäuseformat
offeriert und ist damit zumindest zur Bestückung auf oben
gezeigter Platine ungeeignet. Geeignete "AD8307AR" gibt es aber
z.B. auch bei SV1AFN [11] und das zu einem sehr attraktiven Preis.
Anfragen hinsichtlich der Verfügbarkeit der Platine von N1IB sind direkt an Jim zu richten ( n5ib@juno.com ).
Von hier werden in
Kürze ARDUINO-Softwareversion für die unterschiedlichen
Versionen von HF-Eingangsteilen bereitgestellt werden. Anfragen hinsichtlich der Verfügbarkeit der Platine von N1IB sind direkt an Jim zu richten ( n5ib@juno.com ).
Linkliste
[1] http://www.qsl.net/sz1a/download/build%20an%20rf%20power%20meter.pdf
[2] http://w7zoi.net/Power%20meter%20updates.pdf
[3] http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8307.pdf
[4] http://www.cwtd.org/Dec10-2013.html
[5] https://groups.yahoo.com/neo/groups/PHSNA/info
[6] https://groups.yahoo.com/neo/groups/PHSNA/files/AD8307%20RF%20Power%20Meter/
[7] http://www.dfrobot.com/index.php?route=product/product&product_id=51#.U1e3H1V_uwQ
[8] http://www.dfrobot.com/wiki/index.php?title=Arduino_LCD_KeyPad_Shield_(SKU:_DFR0009)
[9] http://www.komputer.de/zen/index.php?main_page=product_info&cPath=0&products_id=33
[10] https://www.sv1afn.com/ad8313pmh-1.html
[11] https://www.sv1afn.com/shop.html
[2] http://w7zoi.net/Power%20meter%20updates.pdf
[3] http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8307.pdf
[4] http://www.cwtd.org/Dec10-2013.html
[5] https://groups.yahoo.com/neo/groups/PHSNA/info
[6] https://groups.yahoo.com/neo/groups/PHSNA/files/AD8307%20RF%20Power%20Meter/
[7] http://www.dfrobot.com/index.php?route=product/product&product_id=51#.U1e3H1V_uwQ
[8] http://www.dfrobot.com/wiki/index.php?title=Arduino_LCD_KeyPad_Shield_(SKU:_DFR0009)
[9] http://www.komputer.de/zen/index.php?main_page=product_info&cPath=0&products_id=33
[10] https://www.sv1afn.com/ad8313pmh-1.html
[11] https://www.sv1afn.com/shop.html
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