VF anténny analyzátor s modulom Arduino a DDS: 6 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Ahoj

V tomto návode vám ukážem, ako som zostrojil nízkonákladový analyzátor antény, ktorý dokáže merať anténu a zobrazovať jej VSWR v ktoromkoľvek alebo všetkých VF frekvenčných pásmach. Nájde minimálny VSWR a zodpovedajúcu frekvenciu pre každé pásmo, ale tiež zobrazí VSWR v reálnom čase pre frekvenciu zvolenú používateľom, aby sa uľahčilo nastavenie antény. Ak rozmetáte jedno frekvenčné pásmo, zobrazí sa graf VSWR oproti frekvencii. Má tiež port USB na zadnej strane na výstup frekvencie a údajov VSWR, čo umožňuje presnejšie vykresľovanie grafov na počítači PC. Port USB je možné v prípade potreby použiť aj na aktualizáciu firmvéru.

Nedávno som sa dostal k amatérskemu rádiu (pretože sa mi páčila myšlienka komunikácie peer-to-peer na veľké vzdialenosti bez infraštruktúry) a rýchlo som urobil nasledujúce postrehy:

1. Všetka celosvetová komunikácia, ktorá ma zaujímala, prebieha vo vysokofrekvenčných pásmach (3-30 MHz)

2. VF transceivery sú veľmi drahé a pokazia sa, ak ich nenajete do primerane zladenej antény

3. Všeobecne sa od vás očakáva, že si vybavíte vlastnú vysokofrekvenčnú anténu z kúskov drôtu navlečených cez záhradu (pokiaľ nechcete minúť ešte viac peňazí, ako ste strávili v 2).

4. Vaša anténa môže byť zlá, ale nebudete to vedieť, kým to nevyskúšate.

Teraz by purista pravdepodobne povedal, že by ste mali najskôr otestovať anténu na veľmi nízkom výkone pri požadovanej frekvencii a skontrolovať VSWR na merači súpravy, aby ste zhodnotili kvalitu zápasu. Naozaj nemám čas sa zaoberať takýmito vecami pre každú frekvenciu, ktorú by som mohol chcieť použiť. To, čo som skutočne chcel, bol analyzátor antény. Tieto zariadenia môžu testovať kvalitu zhody antény na akejkoľvek frekvencii v pásmach KV. Bohužiaľ sú tiež veľmi drahé, a tak som sa pustil do zvažovania, či by som si mohol vyrobiť aj vlastný. Narazil som na vynikajúcu prácu spoločnosti K6BEZ (pozri https://www.hamstack.com/project_antenna_analyzer.html), ktorá skúmala použitie Arduina na ovládanie lacného modulu priameho digitálneho syntetizátora (DDS). Čoskoro opustil Arduino z dôvodu nákladov a uprednostnil použitie PIC. V roku 2017 si môžete kúpiť Arduino Nano za približne 3,50 libry, a tak som si povedal, že je načase vrátiť sa k jeho práci, pokračovať tam, kde skončil a zistiť, čo by som mohol vymyslieť (všimnite si, že nie som jediný kto to urobil: na internete nájdete niekoľko veľmi pekných príkladov).

Aktualizácia (29. 7. 2018) - na tomto diele značne staval bi3qwq z Číny, ktorý urobil niekoľko skutočne pekných vylepšení používateľského rozhrania, o ktoré sa láskavo podelil. Navrhol veľmi profesionálnu dosku plošných spojov (so skvelou funkciou kalibračného odporu) a urobil skutočne dobre vyzerajúcu stavbu. Na začiatok toho všetkého pripravil schému, o ktorej viem, že poteší mnohých z tých, ktorí sa už vyjadrili. Ďalšie informácie nájdete v sekcii komentárov.

Aktualizácia - Nedávno som sa dostával na 60 m, čo pôvodný náčrt nepokrýval. Teraz som teda nahral firmvér verzie 7, ktorý pridáva pásma 160 m a 60 m. Toto nie sú doplnky; sú plne integrované do činnosti analyzátora. Bolo šťastím, že som našiel písmo u8glib, ktoré bolo stále čitateľné, ale umožňovalo mi zobrazovať na tej malej obrazovke súčasne desať pásiem (aj keď to nebol monopriestor, čo spôsobilo určitý smútok). Odhadol som kalibračné hodnoty pre nové pásma na základe interpolácie / extrapolácie existujúcich kalibračných hodnôt. Potom som ich skontroloval pomocou pevných rezistorov a poskytujú celkom dobré výsledky.

Aktualizácia - ako sa niekoľko ľudí pýtalo na schémy, základný obvod mosta Arduino / DDS / VSWR sa do značnej miery nezmenil od pôvodnej práce K6BEZ. Na vyššie uvedenej adrese URL nájdete jeho pôvodnú schému, na ktorej som tento projekt založil. Pridal som kodér, obrazovku OLED a plne vyvinutý firmvér, aby bol zážitok z ovládania bezproblémový.

Aktualizácia - Tento systém používa zdroj signálu DDS s veľmi nízkym napätím v spojení s odporovým mostíkom obsahujúcim diódové detektory. Diódy teda pracujú vo svojich nelineárnych oblastiach a moja prvá verzia tohto systému mala tendenciu nedostatočne čítať VSWR. Napríklad impedančné zaťaženie 16 ohmov alebo 160 ohmov by malo vykazovať VSWR asi 3 v systéme 50 ohmov; tento merač indikoval VSWR bližšie k 2 v tejto situácii. Preto som vykonal softvérovú kalibráciu pomocou známych záťaží, ktorá sa zdá byť účinnou opravou tohto problému. Toto je popísané v predposlednom kroku tohto pokynu a bol nahraný revidovaný náčrt.

Aktualizácia - zariadenie na vytváranie grafov pridané k jednotlivým zatáčkam, pretože bolo príliš užitočné vynechať ho, najmä pri ladení dĺžok antén na minimálne VSWR: graf vám dáva okamžite viditeľný trend.

Krok 1: Kúpte si veci

Budete potrebovať nasledujúce položky. Väčšinu z nich je možné lacno získať na Ebay. Najdrahšou jednotlivou položkou bola škatuľka, ktorá stála 10 libier! Niektoré položky by bolo možné nahradiť (napríklad namiesto 50 R som použil 47 R). Diódy boli dosť neobvyklé (musel som kúpiť 5 z Talianska) a oplatilo by sa nahradiť ľahšie dostupné položky, ak viete, čo robíte.

• Arduino Nano
• Modul DDS (modul generátora signálu DDS AD9850 modul HC-SR08 sínusová obdĺžniková vlna 0-40 MHz)
• 1,3 "i2c OLED displej
• Operačný zosilňovač MCP6002 (8 pinov)
• 2 vypnutá dióda AA143
• Keramické kondenzátory: 2 vypnuté 100 nF, 3 vypnuté 10 nF
• 1 uF elektrolytický kondenzátor
• Rezistory: 3 vypnuté 50 R, 2 vypnuté 10 K, 2 vypnuté 100 K, 2 vypnuté 5 K, 2 vypnuté 648 R
• Skrutkové svorkovnice so stúpaním 2,54 mm: 3 vypnuté 2-pólové, 2 vypnuté 4-pólové
• Jednožilový zapojovací drôt
• 702 alebo podobný prepojovací drôt
• Stripboard
• Štvorcový záhlavný pásik (samica) na zapojenie Arduina a DDS - nekupujte veci s okrúhlou zásuvkou omylom!
• Zásuvka na upevnenie na šasi SO-239
• Rotačný snímač (15 impulzov, 30 aretácií) s tlačidlovým spínačom a gombíkom
• Lacný modul „rotačného snímača“(voliteľné)
• Krabica projektu
• Prepínač
• Pravouhlý mini-USB na USB B prepážkový montážny kábel (50 cm)
• PP3 a držiak na batériu
• Samolepiace stĺpiky / stojky na DPS

Budete tiež potrebovať spájkovačku a elektroniku. 3D tlačiareň a stĺpová vŕtačka sú pre rozvádzač nápomocné, aj keď ak by ste chceli, pravdepodobne by ste to celé zostavili na stole a neobťažovali sa s krabicou.

Prirodzene, že túto prácu vykonáte a výsledky generované budete využívať na vlastné riziko.

Krok 2: Rozložte Stripboard

Naplánujte si, ako rozložíte súčiastky na stole. Môžete to urobiť sami, podľa pôvodnej schémy K6BEZ (bez snímača alebo obrazovky - pozri stranu 7 na adrese https://www.hamstack.com/hs_projects/antenna_analyzer_docs.pdf), alebo môžete ušetriť veľa času a skopírujte moje rozloženie.

Tieto rozloženia robím jednoduchým spôsobom pomocou štvorcového papiera a ceruzky. Každá križovatka predstavuje pásový otvor. Medené koľaje idú vodorovne. Kríž predstavuje rozbitú stopu (použite 6 mm vrták alebo vhodný nástroj, ak ho máte). Riadky kruhov s rámčekom okolo nich predstavujú hlavičky. Veľké škatule so skrutkami označujú bloky konektorov. Všimnite si, že v mojom diagrame je ďalšia čiara, ktorá vodorovne prechádza stredom dosky. Toto pri zostavovaní vynechajte (je to označené „vynechať tento riadok“).

Niektoré komponenty sa môžu zdať zvláštne usporiadané. Dôvodom je, že dizajn sa vyvinul, keď som dostal základný hardvér do prevádzky (najmä keď som si uvedomil, že kodér napríklad potreboval hardvérové prerušenia).

Pri spájkovaní komponentov na dosku používam Blu-Tak, aby ich držal pevne na svojom mieste, zatiaľ čo dosku otáčam, aby som spájkoval nohy.

Pokúsil som sa minimalizovať množstvo drôtu, ktorý som použil, zarovnaním modulu Arduino a DDS a použitím prepojovacej dosky na pripojenie pinov kľúčov. V tom čase som si neuvedomil, že hardvérové prerušenia potrebné na čítanie kodéra fungujú iba na kolíkoch D2 a D3, takže som musel presunúť DDS RESET z jeho pôvodného pripojenia D3 pomocou trocha drôtu:

RESET DDS - Arduino D7

DDS SDAT - Arduino D4

DDS FQ. UD - Arduino D5

DDS SCLK - Arduino D6

Arduino D2 a D3 sa používajú pre vstupy snímača A a B. D11 sa používa pre vstup prepínača snímača. D12 sa nepoužíva, ale myslel som si, že preň v budúcnosti urobím skrutkový terminál pre budúce rozšírenie.

Arduino A4 a A5 poskytujú signály SDA a SCL (I2C) pre obrazovku OLED.

Arduino A0 a A1 preberajú vstupy z mosta VSWR (cez OPAMP).

Krok 3: Nainštalujte moduly, pripojte periférne zariadenia a zašlite kód

Stojí za to otestovať dosku, než sa dostanete do problémov s montážou do skrinky. Nasledujúce komponenty pripevnite pomocou flexibilného drôtu k doske pomocou skrutkových svorkovníc:

• 1,3 "OLED displej (SDA a SCL sú pripojené k pinom Arduino A4 a A5; uzemnenie a Vcc samozrejme patria k Arduino GND a +5V)
• Rotačný kodér (to vyžaduje uzemnenie, dve signálne vedenia a prepínaciu linku - ak kodér funguje nesprávne, možno budete musieť prepnúť riadky prepínača - pripojte ich k uzemneniu Arduino, D2, D3 a D11). Všimnite si toho, že pre moju prototypovú prácu som namontoval kodér 15/30 na dosku modulu snímača KH-XXX, pretože kolíky na holých snímačoch sú veľmi tenké. Pre záverečnú prácu som spájkoval drôty priamo na kodér.
• 9V batéria
• Zásuvka SO -239 - spájajte stredový kolík so signálovým vedením antény a použite uzemňovací kolík a skrutku M3 na uzemnenie antény

Nasledujúci náčrt si vyneste na Arduino. Uistite sa tiež, že ste zahrnuli veľmi dobrú knižnicu ovládačov OLED od Oli Krausa, inak komplikácia zlyhá a bude horieť:

Ak sa váš OLED displej mierne líši, budete možno potrebovať iné konfiguračné nastavenie v u8glib; to je dobre zdokumentované v Oliho príklade kódu.

Krok 4: Dajte to všetko do pekného boxu (voliteľné)

Vážne som zvažoval, že ponechám analyzátor ako holú dosku, pretože bol pravdepodobne používaný iba príležitostne. Na zamyslenie som si však myslel, že ak robím veľa práce na jednej anténe, môže dôjsť k poškodeniu. Všetko teda išlo do škatule. Nemá zmysel zaoberať sa podrobnosťami o tom, ako sa to stalo, pretože váš box bude pravdepodobne iný, ale niektoré kľúčové funkcie stoja za zmienku:

1. Na montáž stripboardu použite samolepiace podpery na DPS. Naozaj uľahčujú život.

2. Krátkym káblom adaptéra USB vytiahnite port USB Arduino do zadnej časti krytu. Potom je ľahký prístup k sériovému portu na získanie údajov o frekvencii vs. VSWR a tiež o obnovenie pamäte Arduina bez zloženia veka.

3. Vyvinul som vlastnú 3D tlačenú časť na podporu OLED displeja, pretože som na webe nič nenašiel. Má vybranie, ktoré umožňuje vložiť 2 mm kus akrylu na ochranu krehkej obrazovky. Je možné ho namontovať buď pomocou obojstrannej pásky, alebo samoreznými skrutkami (s úchytkami na oboch stranách). Akonáhle je displej namontovaný, môžete pomocou horúceho drôtu (premýšľajte o kancelárskej sponke a fúkačke) roztaviť kolíky PLA na zadnú stranu dosky plošných spojov, aby ste všetko zaistili. Tu je súbor STL pre kohokoľvek, koho zaujíma:

Krok 5: Kalibrácia

Pôvodne som nevykonával žiadnu kalibráciu, ale zistil som, že merač VSWR stabilne odčítava nízke hodnoty. To znamenalo, že aj keď sa zdá, že je anténa v poriadku, autotuner mojej plošiny sa jej nedokázal prispôsobiť. Tento problém vzniká, pretože modul DDS vydáva signál s veľmi nízkou amplitúdou (asi 0,5 Vpp pri 3,5 MHz, pričom sa zvyšuje so zvyšujúcou sa frekvenciou). Detekčné diódy v mostíku VSWR preto pracujú vo svojej nelineárnej oblasti.

Existujú na to dve možné opravy. Prvým je osadenie širokopásmového zosilňovača na výstup DDS. Potenciálne vhodné zariadenia sú k dispozícii lacno z Číny a zvýšia výkon na približne 2 V. Počet strán: Jedno som si objednal, ale ešte som to neskúsil. Mám pocit, že aj táto amplitúda bude trochu okrajová a určitá nelinearita zostane. Druhá metóda je dať známe záťaže na výstup existujúceho merača a zaznamenať zobrazené VSWR v každom frekvenčnom pásme. To vám umožní zostaviť korekčné krivky pre skutočné a hlásené VSWR, ktoré je potom možné vložiť do náčrtu Arduino a použiť opravu za chodu.

Prijal som druhú metódu, pretože bolo ľahké to urobiť. Vezmite do úvahy nasledujúce odpory: 50, 100, 150 a 200 ohmov. Na tomto 50 ohmovom nástroji budú podľa definície zodpovedať VSWR 1, 2, 3 a 4. V náčrte je prepínač 'use_calibration'. Nastavte to na NÍZKU a nahrajte skicu (na úvodnej obrazovke sa zobrazí upozornenie). Potom vykonajte merania v strede každého frekvenčného pásma pre každý odpor. Na zostavenie očakávaného a zobrazeného VSWR použite tabuľku. Potom môžete urobiť logaritmickú krivku vhodnú pre každé frekvenčné pásmo, ktorá poskytne multiplikátor a zachytí tvar TrueVSWR = m.ln (MeasuredVSWR)+c. Tieto hodnoty by mali byť načítané do poľa swr_results v posledných dvoch stĺpcoch (pozri predchádzajúce vyhlásenie o komentári v náčrte). Je to zvláštne miesto, kam ich dať, ale ponáhľal som sa a keďže toto pole obchodov pláva, v tom čase to vyzeralo ako rozumná voľba. Potom prepnite prepínač use_calibration späť do polohy HIGH, zapáľte Arduino a môžete vyraziť.

Všimnite si toho, že pri meraní bodovej frekvencie sa použije kalibrácia pre počiatočný výber pásma. Toto sa neaktualizuje, ak vykonáte hrubé zmeny vo frekvencii.

Teraz merač meria fixné zaťaženie podľa očakávania a zdá sa, že dáva zmysel pri meraní mojich antén! Mám podozrenie, že by som sa mohol obťažovať skúšať tento širokopásmový zosilňovač, keď príde …

Krok 6: Použitie analyzátora

Pripojte anténu pomocou kábla PL-259 a zapnite zariadenie. Zobrazí sa úvodná obrazovka a potom sa automaticky prejde všetkými hlavnými KV pásmami. Na displeji sa zobrazuje testovaná frekvencia, aktuálna hodnota VSWR, minimálna hodnota VSWR a frekvencia, na ktorej k nej došlo. Aby sa znížil hluk z merania, vykoná sa päť meraní VSWR v každom frekvenčnom bode; priemerná hodnota týchto piatich odčítaní sa potom prevedie cez deväťbodový filter kĺzavého priemeru vzhľadom na frekvenciu, než sa zobrazí konečná hodnota.

Ak chcete zastaviť toto pásmo všetkých pásiem, stačí stlačiť gombík kodéra. Tiahnutie sa zastaví a zobrazí sa súhrn všetkých zhromaždených údajov o pásme (s nulovými hodnotami pre tieto pásma, ktoré ešte neboli zametané). Druhým stlačením sa dostanete do hlavnej ponuky. Voľby sa vykonávajú otáčaním kodéra a jeho stlačením v príslušnom bode. V hlavnej ponuke sú tri možnosti:

Rozmetať všetky pásma reštartuje rozchod všetkých hlavných KV pásiem. Po dokončení sa zobrazí obrazovka súhrnu popísaná vyššie. Napíšte si to alebo urobte fotografiu, ak si to chcete nechať.

Sweep single band vám umožní vybrať jedno pásmo pomocou kodéra a potom ho zamiesť. Pri výbere sa zobrazuje vlnová dĺžka aj frekvenčný rozsah. Po dokončení cyklu sa druhým stlačením kodéra zobrazí jednoduchý graf VSWR verzus frekvencia práve prejdeného pásma s číselným označením minimálneho VSWR a frekvencie, ku ktorej došlo. Je to veľmi praktické, ak chcete vedieť, či si skrátiť alebo predĺžiť dipólové ramená, pretože ukazuje trend VSWR s frekvenciou; toto sa stráca pomocou jednoduchej numerickej správy.

Jedna frekvencia vám umožňuje vybrať jednu pevnú frekvenciu a potom priebežne aktualizovať živé meranie VSWR na účely ladenia antény v reálnom čase. Najprv vyberte príslušné frekvenčné pásmo; displej potom zobrazí stredovú frekvenciu zvoleného pásma a živé hodnoty VSWR. V tomto mieste sa použije príslušná kalibrácia pásma. Jedna z číslic frekvencie bude podčiarknutá. Pomocou kodéra je možné ho presúvať doľava a doprava. Stlačením kodéra sa linka zvýrazní; potom otáčaním kodéra sa číslica zníži alebo zvýši (0-9 bez zalomenia alebo prenášania). Znovu stlačte kodér, aby ste číslicu opravili, a potom prejdite na ďalšiu. Pomocou tohto zariadenia máte prístup k takmer akejkoľvek frekvencii v celom spektre KV - výber pásma na začiatku vám pomôže dostať sa blízko toho, kde by ste pravdepodobne chceli byť. Existuje však výhrada: kalibrácia pre zvolené pásmo sa zavedie na začiatku. Ak sa zmenou číslic posuniete príliš ďaleko od zvoleného pásma, kalibrácia bude menej platná, preto sa snažte zostať vo zvolenom pásme. Keď ste s týmto režimom skončili, posuňte podčiarkovník úplne doprava, až kým sa nedostane pod „exit“, potom sa stlačením kodéra vráťte do hlavnej ponuky.

Ak pripojíte počítač k zásuvke USB na zadnej strane analyzátora (tj. K Arduinu), môžete použiť sériový monitor Arduino na zber frekvencie oproti hodnotám VSWR počas akéhokoľvek cyklu (v súčasnosti je nastavený na 9600, ale môžete to zmeniť ľahko úpravou mojej skice). Hodnoty je potom možné vložiť do tabuľky, aby ste mohli vykresľovať trvalejšie grafy atď.

Na snímke obrazovky je súhrn VSWR pre moju 7,6 m vertikálnu anténu pre rybársky prút s UNUN 9: 1. Moja zostava dokáže pojať maximálny SWR 3: 1 s vnútornou jednotkou automatického tunera. Vidíte, že to budem môcť naladiť na všetky pásma okrem 80 m a 17 m. Takže teraz môžem relaxovať s vedomím, že mám priechodnú viacpásmovú anténu a pri vysielaní na väčšine pásiem nepokazím nič drahé.

Veľa šťastia a dúfam, že vám to bude užitočné.