VF antenski analizator z modulom Arduino in DDS: 6 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Živjo

V tem navodilu vam bom pokazal, kako sem zgradil poceni antenski analizator, ki lahko meri anteno in prikaže njeno VSWR na katerem koli ali vseh frekvenčnih pasovih VF. Našel bo najmanjšo VSWR in ustrezno frekvenco za vsak pas, prikazal pa bo tudi VSWR v realnem času za frekvenco, ki jo izbere uporabnik, da olajša nastavitev antene. Če pometete en frekvenčni pas, bo prikazal graf VSWR v primerjavi s frekvenco. Na hrbtni strani ima tudi vrata USB za oddajanje podatkov o frekvenci in VSWR, kar omogoča bolj izpopolnjeno risanje grafov na osebnem računalniku. Vrata USB se lahko po potrebi uporabijo tudi za ponovni zagon vdelane programske opreme.

Pred kratkim sem se začel ukvarjati z radioamaterji (ker mi je bila všeč ideja medsebojne komunikacije na velikih razdaljah brez infrastrukture) in hitro opazil:

1. Vsa komunikacija po vsem svetu, ki me zanima, poteka na VF pasovih (3-30 MHz)

2. VF oddajniki so zelo dragi in se lahko pokvarijo, če jih ne pripeljete v primerno dobro usklajeno anteno

3. Na splošno pričakujete, da boste iz kosov žice, nanizanih po vrtu, namestili svojo VF anteno (razen če želite porabiti še več denarja, kot ste ga porabili v 2).

4. Vaša antena se morda slabo ujema, vendar ne boste vedeli, dokler je ne poskusite.

Zdaj bi purist verjetno rekel, da bi morali najprej preizkusiti anteno pri zelo nizki moči na frekvenci, ki jo zanima, in preveriti VSWR na merilniku ploščadi, da bi ocenili kakovost ujemanja. Nimam časa, da bi se ukvarjal s takšnimi stvarmi za vsako frekvenco, ki bi jo morda želel uporabiti. V resnici sem si želel antenski analizator. Te naprave lahko preizkusijo kakovost ujemanja antene pri kateri koli frekvenci v VF pasovih. Žal so tudi zelo dragi, zato sem se odločil, ali bi lahko naredil svojega. Naletel sem na odlično delo, ki ga je opravil K6BEZ (glej https://www.hamstack.com/project_antenna_analyzer.html), ki je raziskal uporabo Arduina za nadzor poceni modula za neposredni digitalni sintetizator (DDS). Kmalu je iz stroškovnih razlogov opustil Arduino in raje uporabil PIC. No, leta 2017 lahko kupite Arduino Nano za približno 3,50 funtov, zato sem mislil, da je čas, da ponovno pregledam njegovo delo, nadaljujem, kjer je končal, in vidim, kaj bi lahko prišel (upoštevajte, da nisem edini kdo je to storil: na internetu je nekaj zelo lepih primerov).

Posodobitev (29. 7. 2018) - to delo je precej nadgradil bi3qwq iz Kitajske, ki je zelo lepo izboljšal uporabniški vmesnik, ki ga je prijazno delil. Oblikoval je zelo profesionalno tiskano vezje (z odlično funkcijo kalibracijskega upora) in naredil res lepo oblikovano. Za povrh vsega je pripravil shemo, za katero vem, da bo razveselila mnoge tiste, ki so že komentirali. Za več informacij si oglejte razdelek s komentarji.

Posodobitev - Pred kratkim sem prišel na 60 m, kar prvotna skica ni zajela. Zdaj sem naložil različico vdelane programske opreme 7, ki doda pasove 160 m in 60 m. To niso dodatki; so v celoti vključeni v delovanje analizatorja. Na srečo sem našel pisavo u8glib, ki je bila še vedno čitljiva, vendar mi je omogočila, da sem na tem malem zaslonu hkrati prikazala deset pasov (čeprav ni šlo za enoprostor, kar je povzročilo nekaj žalosti). Ocenil sem vrednosti umerjanja za nove pasove na podlagi interpolacije / ekstrapolacije obstoječih kalibracijskih vrednosti. Nato sem jih preveril s fiksnimi upori in dajejo precej dobre rezultate.

Posodobitev - ker se je več ljudi spraševalo o shemah, je temeljno vezje Arduino / DDS / VSWR v veliki meri nespremenjeno glede na prvotno delo K6BEZ. Oglejte si zgornji URL za njegovo prvotno shemo, na kateri sem zasnoval ta projekt. Dodal sem kodirnik, zaslon OLED in popolnoma razvito vdelano programsko opremo, ki omogoča enostavno uporabniško izkušnjo.

Posodobitev - Ta sistem uporablja zelo nizkonapetostni vir signala DDS v povezavi z uporovnim mostom, ki vsebuje detektorje diod. Tako diode delujejo v svojih nelinearnih regijah in moja prva različica tega sistema je ponavadi premalo brala VSWR. Na primer, impedančna obremenitev 16 ohmov ali 160 ohmov mora prikazati VSWR približno 3 v sistemu 50 ohmov; ta merilnik je v tem primeru pokazal VSWR bližje 2. Zato sem izvedel programsko kalibracijo programske opreme z uporabo znanih obremenitev, ki se zdi učinkovita rešitev za to težavo. To je opisano v predzadnjem koraku tega navodila in naložena je bila spremenjena skica.

Posodobitev - vgrajeni grafični pripomoček je bil dodan enojnim pregledom, saj je bil preveč koristen, da bi ga izpustil, zlasti pri nastavljanju dolžin anten za najmanjšo VSWR: graf vam daje takojšen viden trend.

1. korak: Kupite svoje stvari

Potrebovali boste naslednje predmete. Večino jih je mogoče poceni kupiti na Ebayu. Najdražji posamezen izdelek je bila škatla, blizu 10 funtov! Morda bi bilo mogoče zamenjati nekatere izdelke (na primer sem namesto 50 Rs uporabil 47 Rs). Diode so bile precej nenavadne (od Italije sem jih moral kupiti 5) in bi jih bilo vredno zamenjati za lažje dostopne izdelke, če veste, kaj počnete.

• Arduino Nano
• Modul DDS (Modul generatorja signalov DDS AD9850 HC-SR08 Signalni sinusni kvadratni val 0-40 MHz)
• 1,3 -palčni zaslon i2c OLED
• Op-amp MCP6002 (8 polni)
• 2 off dioda AA143
• Keramični kondenzatorji: 2 off 100 nF, 3 off 10 nF
• 1 uF elektrolitski kondenzator
• Upori: 3 off 50 R, 2 off 10 K, 2 off 100 K, 2 off 5 K, 2 off 648 R
• 2,54 mm vijačni spojni sponki: 3 off 2-pin, 2 off 4-pin
• Enožilna priključna žica
• 702 ali podobna priključna žica
• Stripboard
• Kvadratni trak (ženski) za priključitev Arduina in DDS -a - ne kupujte po pomoti okrogle vtičnice!
• SO-239 vtičnica za ohišje
• Rotacijski dajalnik (15 impulzov, 30 zadržkov) s potisnim stikalom in gumbom
• Poceni "modul" rotacijskega dajalnika (neobvezno)
• Škatla za projekt
• Preklopite stikalo
• Pravokotni mini-usb kabel za pritrditev pregrade USB B (50 cm)
• PP3 in sponka / držalo za baterijo
• Samolepilne plošče za pritrditev na PCB

Potrebovali boste tudi spajkalnik in elektronska orodja. 3D -tiskalnik in vrtalni steber sta v pomoč pri ohišju, čeprav bi, če bi želeli, verjetno lahko celotno stvar sestavili na traku in se ne obremenjujete s škatlo.

Seveda se lotite tega dela in izkoristite rezultate, ki ste jih ustvarili na lastno odgovornost.

2. korak: Postavite trak

Načrtujte, kako boste komponente razporedili na trak. To lahko storite sami, pri tem pa upoštevate izvirno shemo K6BEZ (ki nima kodirnika ali zaslona - glejte stran 7 na naslovu https://www.hamstack.com/hs_projects/antenna_analyzer_docs.pdf), ali pa prihranite veliko časa in kopiraj mojo postavitev.

Te postavitve naredim na preprost način, z uporabo kvadratnega papirja in svinčnika. Vsako križišče predstavlja luknjo za trak. Bakrene steze gredo vodoravno. Križ predstavlja zlomljeno stezo (uporabite 6 -milimetrski vrtalnik ali ustrezno orodje, če ga imate). Črte krogov s škatlo okoli njih predstavljajo glave. Velike škatle z vijaki označujejo priključne bloke. Upoštevajte, da je v mojem diagramu dodatna črta, ki poteka vodoravno skozi sredino plošče. Ko to sestavljate, tega ne pustite (označeno je z "izpusti to vrstico").

Morda se zdi, da so nekatere komponente nenavadno razporejene. To je zato, ker se je zasnova razvila, ko sem začel delati osnovno strojno opremo (še posebej, ko sem na primer spoznal, da dajalnik potrebuje strojne prekinitve).

Pri spajkanju komponent na ploščo uporabljam Blu-Tak, da jih trdno pritrdim, medtem ko obrnem ploščo, da spajkam noge.

Poskušal sem zmanjšati količino porabljene žice, tako da sem poravnal Arduino in modul DDS ter samo uporabil trak za povezavo ključnih zatičev. Takrat se nisem zavedal, da strojne prekinitve, potrebne za branje kodirnika, delujejo samo na zatičih D2 in D3, zato sem moral DDS RESET premakniti iz prvotne povezave D3 z malo žice:

DDS RESET - Arduino D7

DDS SDAT - Arduino D4

DDS FQ. UD - Arduino D5

DDS SCLK - Arduino D6

Arduino D2 in D3 se uporabljata za vhode dajalnika A & B. D11 se uporablja za vhod stikala dajalnika. D12 se ne uporablja, vendar sem mislil, da bom zanj vseeno naredil vijačni terminal za prihodnjo širitev.

Arduino A4 in A5 zagotavljata signale SDA & SCL (I2C) za zaslon OLED.

Arduino A0 in A1 sprejemata vhode z mostu VSWR (prek OPAMP).

3. korak: Namestite module, pritrdite periferne enote in prebrišite kodo

Preden se lotite težav z namestitvijo v ohišje, je vredno preizkusiti ploščo. Na ploščo s pomočjo vijačnih sponk pritrdite naslednje komponente s prilagodljivo žico:

• 1,3 -palčni zaslon OLED (SDA in SCL sta povezana z Arduino pin A4 oziroma A5; ozemljitev in Vcc gresta očitno na Arduino GND in +5V)
• Rotacijski dajalnik (za to potrebujete ozemljitev, dve signalni liniji in stikalno linijo - morda boste morali obrniti stikalne črte, če dajalnik deluje na napačen način - povežite jih z ozemljitvijo Arduino, D2, D3 in D11). Upoštevajte, da sem za izdelavo prototipov dajalnik 15/30 namestil na ploščo modula kodirnika KH-XXX, saj so zatiči na golih kodirnikih zelo šibki. Za končno delo sem žice spajkal naravnost na dajalnik.
• 9V baterija
• Vtičnica SO -239 - spajkajte sredinski zatič na signalno linijo antene in uporabite obročni priključek M3 in vijak za ozemljitev antene

Naslednjo skico prilepite na Arduino. Poskrbite tudi, da ste vključili zelo dobro knjižnico gonilnikov OLED Oli Krausa, sicer se bo kompilacija zrušila in zažgala:

Če je vaš OLED zaslon nekoliko drugačen, boste morda potrebovali drugačno konfiguracijsko nastavitev v u8glib; to je dobro dokumentirano v Olijevi kodi primera.

4. korak: Vse skupaj položite v lepo škatlo (neobvezno)

Resno sem razmišljal, da bi analizator pustil kot golo ploščo, saj ga je verjetno uporabljal le občasno. Če pomislim, sem pomislil, da bi se lahko, če bi veliko delal na eni sami anteni, poškodoval. Tako je šlo vse v škatlo. O tem, kako je bilo to storjeno, ni smiselno, saj bo vaša škatla verjetno drugačna, vendar velja omeniti nekatere ključne lastnosti:

1. Za pritrditev lesene plošče uporabite samolepilne stojala za PCB. Olajšajo življenje.

2. S kratkim kablom USB adapterja izvlecite vrata USB Arduino na zadnji strani ohišja. Potem je enostavno dostopati do serijskih vrat za pridobivanje podatkov o frekvenci v primerjavi z VSWR in tudi za ponovni zagon Arduina, ne da bi morali odstraniti pokrov.

3. Za podporo OLED zaslona sem razvil del po meri 3D-natisnjen, saj na spletu nisem našel ničesar. Ta ima vdolbino, ki omogoča vstavljanje 2 -milimetrskega kosa akrila za zaščito krhkega zaslona. Lahko se pritrdi z dvostranskim trakom ali samoreznimi vijaki (z jezički na obeh straneh). Ko je zaslon nameščen, lahko z vročo žico (pomislite na sponko in žaromet) stopite zatiče PLA na zadnji strani tiskanega vezja, da vse pritrdite. Tu je datoteka STL za vse, ki jih zanima:

5. korak: Umerjanje

Sprva nisem kalibriral, vendar sem odkril, da merilnik VSWR stalno odčitava nizko. To je pomenilo, da čeprav se je z anteno zdelo, da je v redu, se avtotuner moje naprave ne more ujemati z njo. Ta težava nastane, ker modul DDS oddaja signal zelo nizke amplitude (približno 0,5 Vpp pri 3,5 MHz, ki se odteče z naraščanjem frekvence). Detektorske diode v mostu VSWR torej delujejo v svojem nelinearnem območju.

Za to obstajata dve možni rešitvi. Prvi je namestitev širokopasovnega ojačevalnika na izhod DDS. Potencialno primerne naprave so na voljo poceni iz Kitajske in bodo povečale izhod na približno 2 V pp. Eno od teh sem naročil, a je še nisem preizkusil. Imam občutek, da bo tudi ta amplituda nekoliko obrobna in bo ostala nekaj nelinearnosti. Druga metoda je, da na izhod obstoječega števca naložite znane obremenitve in zabeležite prikazano VSWR v vsakem frekvenčnem pasu. To vam omogoča, da sestavite korekcijske krivulje za dejanski VSWR glede na poročilo, ki ga lahko nato vnesete v skico Arduino, da popravke sproti uporabite.

Drugo metodo sem sprejel, saj je bila enostavna. Pridobite samo naslednje upore: 50, 100, 150 in 200 ohmov. Na tem instrumentu s 50 ohmi bodo po definiciji ustrezali VSWR 1, 2, 3 in 4. Na skici je stikalo 'use_calibration'. Nastavite to na LOW in naložite skico (ki bo na začetnem zaslonu prikazala opozorilo). Nato izvedite meritve v središču vsakega frekvenčnega pasu za vsak upor. Uporabite preglednico za načrtovanje pričakovanega v primerjavi s prikazanim VSWR. Nato lahko naredite logaritmično krivuljo, ki ustreza vsakemu frekvenčnemu pasu, kar daje množitelj in prestrezanje oblike TrueVSWR = m.ln (MeasuredVSWR)+c. Te vrednosti je treba naložiti v matriko swr_results v zadnjih dveh stolpcih (glej prejšnjo izjavo o komentarju v skici). To je čudno mesto, kjer bi jih lahko postavili, a sem se mudilo in ker ta trgovina s številkami plava, se mi je takrat zdelo smiselna izbira. Nato nastavite stikalo use_calibration nazaj na HIGH, znova zaženite Arduino in pojdite.

Upoštevajte, da se pri meritvah točkovne frekvence kalibracija uporablja za začetno izbiro pasu. To ne bo posodobljeno, če pogosto spreminjate pogostost.

Zdaj se števec po fiksnih obremenitvah odčita po pričakovanjih in zdi se mi smiselno pri merjenju mojih anten! Sumim, da se morda ne bom potrudil s tem širokopasovnim ojačevalnikom, ko pride …

6. korak: Uporaba analizatorja

Priključite anteno prek kabla PL-259 in vklopite napravo. Prikazal se bo začetni zaslon, nato pa samodejno izvede brisanje vseh glavnih pasov VF. Na prikazovalniku so prikazane testirana frekvenca, trenutni odčitek VSWR, najmanjši odčitek VSWR in frekvenca, pri kateri je prišlo. Za zmanjšanje merilnega hrupa se na vsaki frekvenčni točki izvede pet meritev VSWR; srednja vrednost teh petih odčitkov se nato predloži skozi filter devetih točk drsečega povprečja glede na frekvenco, preden se prikaže končna vrednost.

Če želite ustaviti to pometanje vseh pasov, samo pritisnite gumb dajalnika. Pometanje se bo ustavilo in prikazal se bo povzetek vseh zbranih podatkov o pasu (z ničelnimi vrednostmi za tiste pasove, ki še niso pometani). Z drugim pritiskom se prikaže glavni meni. Odločite se tako, da zavrtite kodirnik in ga nato pritisnete na ustrezni točki. V glavnem meniju so tri možnosti:

Sweep all bands bo znova zagnal pometanje vseh glavnih HF pasov. Ko konča, se prikaže zgornji povzetek zaslona. Zapišite to ali posnemite fotografijo, če jo želite obdržati.

Sweep single band vam bo omogočil, da izberete en pas z dajalnikom in ga nato pometete. Med izbiro sta prikazana tako valovno dolžino kot frekvenčno območje. Ko je pometanje končano, bo drugi pritisk dajalnika prikazal preprost VSWR v primerjavi s frekvenčnim grafom ravnokar premetanega pasu, s številčno oznako najmanjšega VSWR in frekvence, ki se je pojavila. To je zelo priročno, če želite vedeti, ali skrajšate ali podaljšate dipolne roke, saj pogosto prikazuje trend VSWR; to se s preprostim številskim poročilom izgubi.

Posamezna frekvenca vam omogoča, da izberete eno samo fiksno frekvenco in nato nenehno posodabljate merjenje VSWR v živo za namene antene v realnem času. Najprej izberite ustrezen frekvenčni pas; zaslon bo nato prikazal osrednjo frekvenco izbranega pasu in odčitavanje VSWR v živo. Na tej točki se uporabi ustrezna kalibracija pasu. Ena od številk frekvence bo podčrtana. To lahko s kodirnikom premaknete levo in desno. S pritiskom na kodirnik črtamo črto; potem vrtenje kodirnika zmanjša ali poveča številko (0-9 brez ovitka ali prenašanja). Ponovno pritisnite kodirnik, da popravite številko, nato pojdite na naslednjo. S tem pripomočkom lahko dostopate do skoraj vseh frekvenc po celotnem HF spektru - izbira pasu na začetku vam samo pomaga, da se približate mestu, kjer bi verjetno želeli biti. Obstaja pa opozorilo: kalibracija za izbrani pas se naloži na začetku. Če se s spreminjanjem števk preveč oddaljite od izbranega pasu, bo umerjanje manj veljavno, zato poskusite ostati znotraj izbranega pasu. Ko končate s tem načinom, podčrtajte do konca v desno, dokler ni pod "exit", nato pritisnite kodirnik, da se vrnete v glavni meni.

Če računalnik priključite v vtičnico USB na zadnji strani analizatorja (tj. V Arduino), lahko uporabite serijski monitor Arduino za zbiranje vrednosti frekvence v primerjavi z VSWR med katero koli operacijo pometanja (trenutno je nastavljena na 9600, vendar jo lahko spremenite enostavno z urejanjem skice). Vrednosti lahko nato vnesete v preglednico, tako da lahko narišete trajnejše grafikone itd.

Posnetek zaslona prikazuje povzetek VSWR za mojo 7,6 m navpično anteno z ribiško palico z 9: 1 UNUN. Moja naprava lahko sprejme največji SWR 3: 1 z notranjo enoto za samodejno uglaševanje. Vidite, da ga bom lahko nastavil na vseh pasovih, razen na 80 m in 17 m. Tako se lahko zdaj sprostim, ko vem, da imam prehodno večpasovno anteno in pri oddajanju na večini pasov ne bom zlomil ničesar dragega.

Vso srečo in upam, da vam bo to koristilo.