Meting doorlaatcurve Low-Pass filter voor HF-banden
In het domein van filters en verzwakkers voor HF zijn we dikwijls ondermaats gesteld qua meetapparatuur omdat een analyzer in dat gebied heel wat kost voor ons sporadisch gebruik. Ook het gebruik van een echte netwerk-analyzer (VNA of VNWA) is niet alleen beperkt voor vele amateurs door zijn kostprijs , maar ook door zijn ingewikkelde instellingen om een meting te maken.
Aldus stelde ik me voor om een meetapparaat te maken dat een visuele voorstelling kan maken van een verzwakking, en een volledige doorlaatcurve kan maken van een passief filter in welke uitvoering ook.
Het grote verschil met een VNA is dat in dit meetapparaat alleen frequentie en amplitude wordt weergegeven en dus helemaal geen fasemetingen. Door deze beperking kan je dus hiermee geen impedanties meten.
De actuele prijzen van componenten als performante micro-processors, digitale mini-schermen en chips voor amplitude metingen, laten toe dit concept als zelfbouw voor een gunstige prijs te bouwen.
Aangezien we bij sectie WLD toch in een reeks van workshops zaten over metingen met een digitale scoop, kon dit niet ontbreken als bijkomend project.
Voorop gezet werd dat de visualisatie praktisch “in real time” moest plaats vinden zodat een instelwijziging van bijvoorbeeld een filter onmiddellijk gezien kan worden op het beeldscherm.
- In het proefmodel was een uitgang voor scoop voorzien maar gezien daarbij geen schaaluitlezing mogelijk is werd dit verworpen.
- Een tweede vereiste was dat de gemeten attenuatie tot minstens -60 dB moest gevisualiseerd kunnen worden.
- En een derde vereiste was dat dit apparaat moest geijkte schalen hebben in frequentie lineair en in verzwakking logaritmisch.
- En een vierde vereiste was dat het frequentiebereik zou minstens de HF-banden moeten dekken.
Na de bouw van het toestel in een tiental exemplaren ziehier het resultaat:
- realtime visualisatie : 3 beeldschermen / seconde ( scans van startfrequentie tot eindfrequentie) maximum meetbare attenuatie tot -65 dB
- frequentie-uitlezing tot op 1/300ste van de spanfrequentie met aanduiding tot op 0,01 kHz
- amplitude-demping uitlezing tot op 1 dB na over heel de schaal
- frequentiebereik van nagenoeg 5 kHz tot 60 MHz
Pluspunten:
- zeer eenvoudige bediening
- apparaat met volledige autonomie via power pack van 5V DC
- kan ook als generator gebruikt worden met interval van 1 kHz
- kan ook gebruikt worden om coax lijnen te meten in lengte en op onregelmatigheden
- relatief goedkoop project
- eenvoudig na te bouwen , geen kalibratie
Gebruikte technologie:
- Micro-controller ESP32
- Meet-input 2 x AD8307
- Interne sinus generator AD9851 module
- Display TFT 320 x 240 punten met resistieve touch controle , dus met kunststof stift te bedienen
- Bidirectionele levelconverter 3V3 < >5V
Meetprincipe met beschrijving van het blokschema:
De DUT is de Device Under Test , is het uit te meten object.
De AD8307 zijn de logaritmische inputversterkers en hebben een bereik van +10 tot -80 dBm.
De AD9851 is de sinusgenerator module met een klok van 180 MHz. Deze kan zuivere sinussignalen verwekken tot één derde van zijn klok, met het opgebouwd filter, dus tot 60 MHz.
We starten bij de laagste frequentie van onze SPAN ( gewenst meetbereik).
We sturen een signaal uit de DDS9851 die door de DUT gaat en meten voor de DUT zijn amplitude met de AD8307 en sturen dit naar de microcontroller ESP32.
Het signaal van de AD9851 loopt ook doorheen ons meetobject DUT en de amplitude hiervan wordt gemeten door een identieke AD8307 en ook naar de microcontroller ESP32 gestuurd.
Het verschil in amplitude aan beide logaritmische versterkers AD8307 is dus een logaritmische maat van verzwakking door de DUT, en er dient geen compensatie of kalibratie te gebeuren ook niet voor afwijking in amplitude van de AD9851 in functie van de frequentie.
Nu maken we een stap in frequentie naar boven en herhalen dit tot het einde van onze SPAN.
In ons geval is het TFT-scherm de beperking met zijn 320 punten, waarvan nog 20 punten af vallen voor de schaalaanduiding.
Onze Span van 300 meetpunten wordt aldus gememoriseerd en getoond, alhoewel er nog een
schaalaanpassing zal gebeuren op verticaal vlak voor de dB uitlezing.
Om het proces niet te vertragen en geen flikkeringen te krijgen zullen alle wijzigingen in het scherm slechts uitgevoerd worden op het eind van de scan en dit in blokvorm, hetgeen bij deze combinatie van hardware, “SPRITE” genoemd wordt .
Het is dus een kwestie van snel verwerken , maar met de ESP32 en een SPI-interface die aan 40MHz draait is dit geen probleem voor de gekozen display! De rest is spelen met de software van Arduino voor ESP32.
Voor de input van de meetparameters is een soort rekenmachine toetsenbord gebruikt met volgende inputmogelijkheden:
- Twee seconden na de start kan je pas beginnen , zodat je de tijd krijgt de softwareversie op het TFT-scherm te lezen.
- Dan wordt je gevraagd de startfrequentie van je SPAN in te geven in kHz, valideer dit met de toets SEND op het einde. Indien de input niet juist is druk je DEL zoveel maal dat je een cijfer wil wissen , vervolgens herhaal je de gewenste cijfers en druk nadien op SEND. Dit verzend de input naar de micro-controller en ledigt de input zone.
- Nu breng je de SPAN in kHz in met dezelfde mogelijkheid van wissen zoals bij de Startfrequentie en eindig met SEND op het einde.
- Nu druk je op NEW, automatisch kun je dan de ingegeven startfrequentie en het SPAN teruglezen waarna het toestel zijn raster en schalen bouwt conform uw Startfrequentie en Span .
- Zonder aangesloten input zal je een groene 0 dB-lijn zien , de frequentie in de rechterbenedenhoek die de frequentieaanduiding is waar de zwarte stip op de meetcurve staat en zie je een ruwe frequentieschaal aan de bovenzijde en een dB-schaal aan de linkerzijde van het scherm.
- Het aantikken met de drukstift in de bovenhelft van het scherm zal de aangeduide frequentie laten stijgen samen met het opschuiven van de zwarte stip. Het aantikken met de drukstift in de onderste helft zal de frequentie laten dalen en de zwarte stip volgt naar een lagere frequentie.
Eigenlijk heb je hiermee de bediening reeds onder de knie .
Wil je uit deze meting komen dan druk je op de RESET-SWITCH en het programma herstart vanaf het begin .
In een scan met SPAN > | = 1 kHz wordt boven de frequentieschaal als eerste informatie het punt van maximum demping aan gegeven in dB en de frequentieaanduiding hiervan.
Een speciale mode van de generator is het uitbrengen van 1 enkele vaste frequentie. Hiervoor stel je gewoon in , maar bij de SPAN in kHz geef je 0 (nul) in, er zal dan geen grafische voorstelling gegeven worden , maar een eventuele attenuatie zal continu leesbaar zijn.
Het PCB
Het PCB werd gemaakt door François, ON4AUB, net als het uitfrezen voor de inbouw van de TFT in de aluminiumdoos . Tevens actualiseerde hij het schema dat je op volgende bladzijde vindt.
Hij is bereid op basis van een mail je de Gerber-bestanden te leveren nodig voor het laten fabriceren van het PCB.
Bij dit deel van de ontwikkeling van het project heeft hij tevens het schema herwerkt in Kicad 6 Het resultaat vinden jullie onderaan samen met reeds een beeld van het PCB en inplanting van de componenten.
Inplanting van de componenten:
Koperzijde onderaan:
De praktische bouwbeschrijving en het gebruik van de software zullen verschijnen in een tweede beschrijving van deze Tracking Generator .
Nog een dankwoord aan de leden van de sectie WLD voor de groepsbouw tijdens onze workshops.
ON5KN Willy