HF antenski analizator s Arduino i DDS modulom: 6 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:35

bok

U ovom Instructable-u pokazat ću vam kako sam izgradio jeftini antenski analizator koji može mjeriti antenu i prikazivati njen VSWR preko bilo kojeg ili svih VF frekvencijskih opsega. On će pronaći minimalni VSWR i odgovarajuću frekvenciju za svaki opseg, ali će također prikazati VSWR u stvarnom vremenu za frekvenciju koju odabere korisnik kako bi se olakšalo podešavanje antene. Ako pomerate jedan frekvencijski pojas, prikazat će se grafikon VSWR -a u odnosu na frekvenciju. Također ima USB priključak na stražnjoj strani za izlaz frekvencijskih i VSWR podataka, kako bi se omogućilo profinjenije crtanje grafikona na računalu. USB priključak se također može koristiti za ponovno ažuriranje firmvera ako je potrebno.

Nedavno sam se bavio radio amaterima (jer mi se svidjela ideja peer-to-peer komunikacije na velikim udaljenostima bez infrastrukture) i brzo sam primijetio sljedeće:

1. Sve svjetske komunikacije koje su me zanimale odvijaju se na VF opsezima (3-30 MHz)

2. VF primopredajnici vrlo su skupi i pokvarit će se ako ih ne ubacite u razumno dobro usklađenu antenu

3. Općenito se od vas očekuje da postavite vlastitu VF antenu od dijelova žice nanizanih po vrtu (osim ako ne želite potrošiti više novca nego što ste potrošili u 2).

4. Vaša antena može biti loša, ali nećete znati dok je ne probate.

Sada bi purist vjerojatno rekao da bi prvo trebalo ispitati antenu na vrlo maloj snazi na frekvenciji od interesa i provjeriti VSWR na mjeraču opreme kako bi procijenio kvalitetu podudaranja. Nemam baš vremena razmišljati o takvim stvarima za svaku frekvenciju koju bih htio koristiti. Ono što sam zaista želio bio je antenski analizator. Ovi uređaji mogu provjeriti kvalitetu antene na bilo kojoj frekvenciji u VF opsezima. Nažalost, oni su i vrlo skupi, pa sam razmislio bih li mogao napraviti svoj. Naišao sam na izvrstan rad koji je izveo K6BEZ (vidi https://www.hamstack.com/project_antenna_analyzer.html), koji je istraživao upotrebu Arduina za upravljanje jeftinim modulom izravnog digitalnog sintetizatora (DDS). Ubrzo je napustio Arduino zbog troškova, radije je koristio PIC. Pa, 2017. godine možete kupiti Arduino Nano za oko 3,50 funti, pa sam mislio da je vrijeme da ponovno pogledam njegov rad, nastavim gdje je stao i vidim što mogu smisliti (imajte na umu da nisam jedini koji je to učinio: postoji nekoliko vrlo lijepih primjera koji se mogu pronaći na internetu).

Ažuriranje (29.7.2018.) - ovaj je rad znatno nadogradio bi3qwq, iz Kine, koji je napravio jako lijepa poboljšanja u korisničkom sučelju koje je ljubazno podijelio. Dizajnirao je vrlo profesionalnu tiskanu ploču (s odličnom značajkom kalibracijskog otpornika) i napravio jako lijepu konstrukciju. Povrh svega, pripremio je shemu za koju znam da će oduševiti mnoge od onih koji su to već komentirali. Za više informacija pogledajte odjeljak komentara.

Ažuriranje - Nedavno sam ušao u 60 m, što izvorna skica nije pokrivala. Pa sam sada učitao verziju firmvera 7 koja dodaje opsege 160 m i 60 m. To nisu dodaci; potpuno su integrirani u rad analizatora. Imao sam sreću da sam mogao pronaći font u8glib koji je i dalje bio čitljiv, ali mi je omogućio da na tom malom ekranu prikažem deset bendova istovremeno (iako to nije bio jednoprostor, što je izazvalo tugu). Procijenio sam kalibracijske vrijednosti za nove opsege, na temelju interpolacije / ekstrapolacije postojećih kalibracijskih vrijednosti. Zatim sam ih provjerio fiksnim otpornicima i oni daju prilično dobre rezultate.

Ažuriranje - budući da je nekoliko ljudi postavilo pitanje o shemama, temeljni Arduino / DDS / VSWR mostni sklop uglavnom se ne mijenja u odnosu na izvorni rad K6BEZ -a. Molimo pogledajte gornji URL za njegovu izvornu shemu na kojoj sam zasnovao ovaj projekt. Dodao sam koder, OLED zaslon i potpuno razvijen firmver kako bi korisnički doživljaj bio lak.

Ažuriranje - Ovaj sustav koristi izvor niskog napona DDS signala zajedno s otporničkim mostom koji sadrži diodne detektore. Tako diode rade u svojim nelinearnim regijama, a moja prva verzija ovog sustava imala je tendenciju premalo čitati VSWR. Na primjer, opterećenje od 16 ohma ili 160 ohma mora pokazati VSWR od oko 3 u sustavu od 50 ohma; ovaj mjerač je pokazao VSWR bliži 2 u ovoj situaciji. Stoga sam izvršio kalibraciju softvera koristeći poznata opterećenja što se čini učinkovitim rješenjem za ovaj problem. To je opisano u pretposljednjem koraku ovog uputstva i učitana je revidirana skica.

Ažuriranje - ugrađena mogućnost grafičkog prikazivanja dodana je pojedinačnim pregledima jer je bilo previše korisno izostaviti je, osobito kada se podešavaju duljine antena za minimalni VSWR: grafikon vam daje trenutačno vidljiv trend.

Korak 1: Kupite svoje stvari

Trebat će vam sljedeće stavke. Većinu njih možete jeftino nabaviti na Ebayu. Najskuplji pojedinačni predmet bila je kutija, blizu 10 £! Možda bi bilo moguće zamijeniti neke stavke (na primjer, upotrijebio sam 47 umjesto 50 kuna). Diode su bile prilično neobične (morao sam kupiti 5 komada iz Italije) i bilo bi vrijedno zamijeniti ih dostupnijim stavkama ako znate što radite.

• Arduino Nano
• DDS modul (DDS AD9850 Modul generatora signala HC-SR08 Sinusni kvadratni val signala 0-40MHz)
• 1.3 "i2c OLED zaslon
• Optičko pojačalo MCP6002 (8 pinova)
• 2 isključena dioda AA143
• Keramički kondenzatori: 2 isključeno 100 nF, 3 isključeno 10 nF
• 1 uF elektrolitički kondenzator
• Otpornici: 3 isključeno 50 R, 2 isključeno 10 K, 2 isključeno 100 K, 2 isključeno 5 K, 2 isključeno 648 R
• Priključni blokovi s navojem od 2,54 mm: 3 isključena 2-pinska, 2 isključena 4-pinska
• Jednožilna žica za spajanje
• 702 ili slična žica za spajanje
• Stripboard
• Kvadratna zaglavna traka (ženska) za priključivanje Arduina i DDS -a - nemojte greškom kupovati okrugle utičnice!
• SO-239 utičnica za montažu na kućište
• Rotacijski davač (15 impulsa, 30 zadržavanja) s prekidačem i gumbom
• Jeftini "modul" rotacijskog davača (opcionalno)
• Projektna kutija
• Prekidač
• Pravokutni mini-usb na USB B kabel za montažu pregrade (50 cm)
• PP3 i kopča / držač baterije
• Samoljepljivi stupovi za montažu na PCB-u

Trebat će vam i lemilica i elektronički alati. 3D pisač i bušilica za stupove korisni su za kućište, iako biste, da želite, vjerojatno mogli sastaviti cijelu stvar na traci i ne zamarati se kutijom.

Naravno, poduzimate ovaj posao i iskorištavate rezultate ostvarene na vlastitu odgovornost.

Korak 2: Postavite Stripboard

Planirajte kako ćete komponente rasporediti na stripboard. Možete to učiniti sami, pozivajući se na originalnu shemu K6BEZ -a (kojoj nedostaje koder ili zaslon - pogledajte stranicu 7 na https://www.hamstack.com/hs_projects/antenna_analyzer_docs.pdf), ili možete uštedjeti hrpu vremena i kopiraj moj izgled.

Ove rasporede radim na jednostavan način, koristeći kvadratni papir i olovku. Svako raskrižje predstavlja rupu na traci. Bakrene tračnice idu vodoravno. Križ predstavlja slomljenu stazu (upotrijebite bušilicu od 6 mm ili odgovarajući alat ako je imate). Linije krugova s kutijom predstavljaju zaglavlja. Velike kutije s vijcima označavaju priključne blokove. Imajte na umu da u mom dijagramu postoji dodatna linija koja prolazi vodoravno kroz sredinu ploče. Ostavite ovo prilikom sastavljanja (označeno je 'izostavite ovaj redak').

Čini se da su neke komponente čudno postavljene. To je zato što je dizajn evoluirao nakon što sam počeo raditi s osnovnim hardverom (osobito kad sam shvatio da je koderu potrebni hardverski prekidi, na primjer).

Prilikom lemljenja komponenti na ploču, koristim Blu-Tak da ih čvrsto držim na mjestu dok okrećem ploču da lemim noge.

Pokušao sam smanjiti količinu žice koju sam upotrijebio poravnavajući Arduino i DDS modul i samo koristeći stripboard za povezivanje ključeva. Tada nisam shvatio da hardverski prekidi potrebni za čitanje kodera rade samo na pinovima D2 i D3, pa sam morao pomaknuti DDS RESET s izvorne veze D3 s malo žice:

DDS RESET - Arduino D7

DDS SDAT - Arduino D4

DDS FQ. UD - Arduino D5

DDS SCLK - Arduino D6

Arduino D2 i D3 koriste se za ulaze davača A & B. D11 se koristi za ulaz prekidača davača. D12 se ne koristi, ali sam ipak mislio napraviti vijčani terminal za njega, za buduće proširenje.

Arduino A4 i A5 pružaju SDA & SCL (I2C) signale za OLED zaslon.

Arduino A0 i A1 primaju ulaze s VSWR mosta (preko OPAMP -a).

Korak 3: Instalirajte module, pričvrstite periferne uređaje i prebrišite kôd

Vrijedno je testirati ploču prije nego što naiđete na problem ugradnje u kućište. Pomoću fleksibilne žice pričvrstite sljedeće komponente pomoću vijčanih stezaljki na ploču:

• 1,3 -inčni OLED zaslon (SDA i SCL spojeni su na Arduino pin A4 i A5; uzemljenje i Vcc idu na Arduino GND i +5V, očito)
• Okretni davač (za ovo je potrebno uzemljenje, dvije signalne linije i prekidač - možda ćete morati okrenuti prekidače ako koder radi na pogrešan način - spojite ih na Arduino masu, D2, D3 i D11, respektivno). Imajte na umu da sam za svoj rad na izradi prototipa montirao koder 15/30 na ploču modula kodera KH-XXX jer su pinovi na golim koderima vrlo slabi. Za završni posao lemio sam žice ravno na davač.
• 9V baterija
• Utičnica SO -239 - lemite središnji pin na signalnu liniju antene i upotrijebite prstenasti terminal M3 i vijak za uzemljenje antene

Umetnite sljedeću skicu na Arduino. Također provjerite jeste li uključili vrlo dobru OLED biblioteku upravljačkih programa Oli Krausa ili će se kompilacija srušiti i izgorjeti:

Ako se vaš OLED zaslon malo razlikuje, možda će vam trebati drugačija konfiguracijska postavka u u8glib; to je dobro dokumentirano u Olijevu primjeru koda.

Korak 4: Stavite sve u lijepu kutiju (izborno)

Ozbiljno sam razmišljao o ostavljanju analizatora kao gole ploče, jer će se vjerojatno koristiti samo povremeno. Kad sam razmislio, pomislio sam da bi, ako radim puno na jednoj anteni, mogla doći do oštećenja. Tako je sve išlo u kutiji. Nema smisla ulaziti u detalje o tome kako je to učinjeno jer će vaša kutija vjerojatno biti drugačija, ali vrijedi spomenuti neke ključne značajke:

1. Za montažu trakaste ploče upotrijebite samoljepljive stalke od PCB-a. Oni život čine jako lakim.

2. Pomoću kratkog kabela USB adaptera izvucite Arduino USB priključak na stražnju stranu kućišta. Tada je lako pristupiti serijskom portu radi dobivanja podataka o frekvenciji u odnosu na VSWR, a također i ponovnog provjeravanja Arduina bez skidanja poklopca.

3. Razvio sam prilagođeni 3D ispisani dio koji podržava OLED zaslon jer nisam mogao pronaći ništa na webu. Ovaj ima udubljenje koje omogućuje umetanje 2 mm komada akrila kako bi se zaštitio krhki zaslon. Može se montirati pomoću dvostrane trake ili samoreznih vijaka (s jezičcima s obje strane). Nakon što je zaslon postavljen, možete upotrijebiti vruću žicu (pomislite na spajalicu i žarulju) da otopite PLA igle na stražnjoj strani ploče kako biste sve učvrstili. Evo STL datoteke za sve koje zanima:

Korak 5: Kalibracija

U početku nisam kalibrirao, ali otkrio sam da VSWR mjerač konstantno pokazuje niske vrijednosti. To je značilo da, iako se činilo da je antena u redu, autotuner moje opreme nije se mogao uskladiti s njom. Ovaj problem nastaje jer DDS modul daje signal vrlo niske amplitude (oko 0,5 Vpp na 3,5 MHz, otpuštajući se s povećanjem frekvencije). Detektorske diode u VSWR mostu stoga rade u svom nelinearnom području.

Za to postoje dva moguća rješenja. Prvi je postavljanje širokopojasnog pojačala na izlaz DDS -a. Potencijalno prikladni uređaji dostupni su jeftino iz Kine i pojačat će izlaz na oko 2 V pp. Naručio sam jedan od ovih, ali još ga nisam isprobao. Imam osjećaj da će čak i ova amplituda biti malo marginalna i da će ostati neka nelinearnost. Druga metoda je staviti poznata opterećenja na izlaz postojećeg mjerača i snimiti prikazani VSWR u svakom frekvencijskom pojasu. To vam omogućuje da konstruirate krivulje korekcija za stvarni naspram prijavljenog VSWR -a, koje se zatim mogu staviti u Arduino skicu za primjenu korekcije u hodu.

Usvojio sam drugu metodu jer je to bilo lako učiniti. Samo se dohvatite sljedećih otpornika: 50, 100, 150 i 200 ohma. Na ovom instrumentu od 50 ohma oni će po definiciji odgovarati VSWR -ima od 1, 2, 3 i 4. Na skici se nalazi prekidač 'use_calibration'. Postavite ovo na LOW i prenesite skicu (koja će prikazati upozorenje na početnom zaslonu). Zatim provedite mjerenja u središtu svakog frekvencijskog pojasa za svaki otpornik. Koristite proračunsku tablicu za iscrtavanje očekivanog u odnosu na prikazani VSWR. Zatim možete napraviti logaritamsku krivulju koja odgovara svakom frekvencijskom pojasu, što daje množitelj i presjek u obliku TrueVSWR = m.ln (Mjereno VSWR)+c. Ove vrijednosti treba učitati u niz swr_results u posljednja dva stupca (vidi prethodnu izjavu komentara u skici). Ovo je čudno mjesto za staviti ih, ali žurilo mi se, a kako ovaj niz trgovina pluta, tada mi se činio kao razuman izbor. Zatim prebacite prekidač use_calibration natrag na HIGH, ponovno pokrenite Arduino i krenite.

Imajte na umu da se pri mjerenju frekvencije na licu mjesta kalibracija primjenjuje za početni izbor pojasa. To se neće ažurirati ako napravite grube promjene u učestalosti.

Sada mjerač očitava očekivano za fiksna opterećenja i čini se da ima smisla pri mjerenju mojih antena! Sumnjam da se možda neću truditi isprobati to širokopojasno pojačalo kad stigne …

Korak 6: Upotreba analizatora

Priključite antenu putem kabela PL-259 i uključite uređaj. Prikazat će se ekran za prskanje, a zatim će automatski izvršiti brisanje svih glavnih VF opsega. Zaslon prikazuje testiranu frekvenciju, trenutno očitanje VSWR -a, minimalno očitanje VSWR -a i frekvenciju na kojoj se to dogodilo. Kako bi se smanjila mjerna buka, vrši se pet mjerenja VSWR -a u svakoj frekvencijskoj točki; srednja vrijednost ovih pet očitanja zatim se propušta kroz filter s pomičnim prosjekom od devet točaka u odnosu na frekvenciju prije nego se prikaže konačna vrijednost.

Ako želite zaustaviti ovo brisanje opsega, samo pritisnite gumb kodera. Povlačenje će se zaustaviti i prikazat će se sažetak svih prikupljenih podataka o pojasu (s nulama za one bendove koji još nisu prebrisani). Drugi pritisak otvorit će glavni izbornik. Odabir se vrši rotiranjem kodera i pritiskom na odgovarajući položaj. U glavnom izborniku postoje tri izbora:

Sweep all bands ponovno će pokrenuti sweep svih glavnih HF bendova. Kad završi, prikazat će se gore opisani sažetak. Zapišite ovo ili fotografirajte ako ga želite zadržati.

Sweep single band omogućit će vam odabir jednog pojasa s kodera, a zatim ga pomesti. Prilikom odabira prikazuju se i valna duljina i frekvencijski raspon. Kada je prelistavanje završeno, drugi pritisak kodera prikazat će jednostavan grafikon VSWR -a u odnosu na frekvenciju upravo prebrisanog pojasa, s numeričkom naznakom minimalnog VSWR -a i učestalosti koja se dogodila. Ovo je vrlo zgodno ako želite znati želite li skratiti ili produljiti dipolne ruke jer prikazuje trend VSWR -a s frekvencijom; to se gubi jednostavnim numeričkim izvještajem.

Pojedinačna frekvencija omogućuje vam odabir jedne fiksne frekvencije, a zatim kontinuirano ažurira mjerenje VSWR -a uživo za potrebe podešavanja antene u stvarnom vremenu. Najprije odaberite odgovarajući frekvencijski pojas; zaslon će tada prikazati središnju frekvenciju odabranog pojasa i očitavanje VSWR -a uživo. Ovdje se primjenjuje odgovarajuća kalibracija pojasa. Jedna od znamenki frekvencije bit će podcrtana. To se može pomicati lijevo i desno pomoću kodera. Pritiskom na koder pojačava se linija; tada će se okretanjem davača smanjiti ili povećati znamenka (0-9 bez omatanja ili nošenja). Ponovno pritisnite koder da popravite znamenku, a zatim prijeđite na sljedeću. Pomoću ove mogućnosti možete pristupiti gotovo bilo kojoj frekvenciji u cijelom VF spektru - odabir opsega na početku samo vam pomaže da se približite mjestu na kojem vjerojatno želite biti. Ipak, postoji upozorenje: kalibracija za odabrani pojas učitava se na početku. Ako se promjenom znamenki previše udaljite od odabranog raspona, kalibracija će postati manje valjana, stoga pokušajte ostati unutar odabranog raspona. Kada završite s ovim načinom, pomaknite donju crtu skroz udesno dok ne bude pod 'izlazom', a zatim pritisnite koder za povratak na glavni izbornik.

Ako svoje računalo spojite na USB utičnicu na stražnjoj strani analizatora (tj. U Arduino), možete koristiti serijski monitor Arduino za prikupljanje vrijednosti frekvencije u odnosu na VSWR tijekom bilo koje operacije čišćenja (trenutno je postavljeno na 9600, ali to možete promijeniti lako uređivanjem moje skice). Vrijednosti se tada mogu staviti u proračunsku tablicu kako biste mogli iscrtati trajnije grafikone itd.

Na snimci zaslona prikazan je sažetak VSWR -a za moju okomitu antenu od 7,6 m za ribarski štap s 9: 1 UNUN. Moja oprema može primiti SWR 3: 1 max sa svojom unutarnjom jedinicom za automatsko ugađanje. Vidite da ću ga moći namjestiti na svim rasponima osim na 80 m i 17 m. Tako da se sada mogu opustiti znajući da imam propusnu višepojasnu antenu i da neću slomiti ništa skupo pri odašiljanju na većini opsega.

Sretno i nadam se da će vam ovo biti korisno.