Analizator VF antena sa Arduino i DDS modulom: 6 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

Ćao

U ovom Instructable-u ću vam pokazati kako sam izgradio jeftini antenski analizator koji može mjeriti antenu i prikazati 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 čistite jedan frekvencijski pojas, prikazat će se grafikon VSWR -a u odnosu na frekvenciju. Takođe ima USB priključak na poleđini za izlaz frekvencije i VSWR podatke, kako bi se omogućilo preciznije crtanje grafikona na računaru. 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 su vrlo skupi i pokvarit će se ako ih ne ubacite u razumno dobro usklađenu antenu

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

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

Sada bi purist vjerovatno rekao da bi prvo trebalo ispitati antenu na vrlo maloj snazi na frekvenciji od interesa i provjeriti VSWR na mjeraču platforme kako bi se procijenio kvalitet podudaranja. Nemam baš vremena za razmišljanje o takvim stvarima za svaku frekvenciju koju bih htio koristiti. Ono što sam zaista želio 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 mogu li napraviti svoj. Naišao sam na odličan posao koji je izveo K6BEZ (vidi https://www.hamstack.com/project_antenna_analyzer.html), koji je istraživao upotrebu Arduina za kontrolu jeftinog modula za direktni digitalni sintisajzer (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 ponovo 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 rad je znatno nadograđen bi3qwq, iz Kine, koji je napravio jako lijepa poboljšanja u korisničkom sučelju, koje je ljubazno podijelio. Dizajnirao je vrlo profesionalnu PCB ploču (sa odličnom funkcijom kalibracionog otpornika) i napravio jako lijepu konstrukciju. Povrh svega, on je pripremio 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 originalna skica nije pokrila. Pa sam sada učitao verziju firmvera 7, koja dodaje opsege 160 m i 60 m. Ovo 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 prikažem deset bendova istovremeno na tom malom ekranu (iako to nije bio jednoprostor, što je izazvalo tugu). Procijenio sam vrijednosti kalibracije za nove opsege, na osnovu interpolacije / ekstrapolacije postojećih kalibracionih vrijednosti. Zatim sam ih provjerio fiksnim otpornicima i oni daju prilično dobre rezultate.

Ažuriranje - kako se nekoliko ljudi pitalo o shemama, temeljni Arduino / DDS / VSWR mostni sklop uglavnom se ne mijenja u odnosu na originalni rad K6BEZ -a. Molimo pogledajte gornji URL za njegovu originalnu shemu na kojoj sam zasnovao ovaj projekt. Dodao sam koder, OLED ekran i potpuno razvijen firmver kako bi korisničko iskustvo bilo bez napora.

Ažuriranje - Ovaj sistem koristi izvor niskog napona DDS signala zajedno sa otporničkim mostom koji sadrži diodne detektore. Stoga diode rade u svojim nelinearnim regijama, a moja prva verzija ovog sistema imala je tendenciju premalo čitanja VSWR-a. Na primjer, opterećenje od 16 ohma ili 160 ohma treba pokazati VSWR od oko 3 u sistemu od 50 ohma; ovaj mjerač je pokazao VSWR bliži 2 u ovoj situaciji. Stoga sam izvršio softversku kalibraciju koristeći poznata opterećenja što se čini kao učinkovito rješenje za ovaj problem. Ovo je opisano u pretposljednjem koraku ovog uputstva i postavljena je revidirana skica.

Ažuriranje - ugrađena mogućnost grafičkog prikaza dodana je pojedinačnim pregledima jer je bilo previše korisno izostaviti je, posebno kada se podešavaju dužine antena za minimalni VSWR: grafikon vam daje trenutno vidljiv trend.

Korak 1: Kupite svoje stvari

Trebat će vam sljedeće stavke. Većina njih se jeftino može nabaviti na Ebayu. Najskuplji pojedinačni predmet bila je kutija, blizu 10 funti! Možda bi bilo moguće zamijeniti neke stavke (na primjer, umjesto 50, koristio sam 47 Rs). Diode su bile prilično neobične (morao sam kupiti 5 komada iz Italije) i vrijedilo bi ih zamijeniti za lakše dostupne artikle ako znate što radite.

• Arduino Nano
• DDS modul (DDS AD9850 Modul generatora signala HC-SR08 Signalni sinusni kvadratni val 0-40MHz)
• 1.3 "i2c OLED ekran
• Optičko pojačalo MCP6002 (8 pinova)
• 2 isključena AA143 dioda
• 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 spojna žica
• 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 montiranje na šasiju
• 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 nosači / nosači za PCB

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

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

Korak 2: Postavite Stripboard

Isplanirajte kako ćete rasporediti komponente na stripboard. Možete to učiniti sami, pozivajući se na originalnu shemu K6BEZ -a (kojoj nedostaje koder ili ekran - 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. Krst 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 ovu liniju').

Možda se čini da su neke komponente čudno postavljene. To je zato što je dizajn evoluirao nakon što sam počeo raditi osnovni hardver (posebno kada 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 minimizirati količinu žice koju sam koristio 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 kodera. D12 se ne koristi, ali sam ipak mislio napraviti vijčani terminal za njega, za buduće proširenje.

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

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

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

Vrijedi testirati ploču prije nego što naiđete na probleme s ugradnjom u kućište. Pričvrstite sljedeće komponente pomoću fleksibilne žice na ploču pomoću vijčanih stezaljki:

• 1,3 -inčni OLED ekran (SDA i SCL su spojeni na Arduino pin A4 i A5 respektivno; uzemljenje i Vcc idu na Arduino GND i +5V, očito)
• Rotacijski 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 uzemljenje, 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 krajnji 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 ekran malo razlikuje, možda će vam trebati drugačija konfiguracijska postavka u u8glib; ovo je dobro dokumentirano u Olijevom primjeru koda.

Korak 4: Stavite sve u lijepu kutiju (nije obavezno)

Ozbiljno sam razmišljao da ostavim analizator kao golu ploču, jer će se vjerojatno koristiti samo povremeno. Kad bolje razmislim, pomislio sam da bi, ako puno radim na jednoj anteni, mogla doći do oštećenja. Pa 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 za PCB. Oni život čine zaista 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, kao i ponovnog provjeravanja Arduina bez skidanja poklopca.

3. Razvio sam prilagođeni 3D ispisani dio koji podržava OLED ekran, jer nisam mogao ništa pronaći na webu. Ovo ima udubljenje koje omogućuje umetanje 2 -milimetarskog komada akrila kako bi se zaštitio krhki ekran. 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 osigurali. Evo STL datoteke za sve koje zanima:

Korak 5: Kalibracija

U početku nisam vršio nikakvu kalibraciju, ali sam otkrio da VSWR mjerač konstantno pokazuje niske vrijednosti. To je značilo da, iako se činilo da je antena u redu, autotuner moje opreme nije mogao da se uskladi s njom. Ovaj problem nastaje zbog toga što 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 oni će povećati izlaz na otprilike 2 V pp. Naručio sam jedan od ovih, ali tek trebam isprobati. Imam osjećaj da će čak i ova amplituda biti malo marginalna i da će ostati neka nelinearnost. Druga metoda je stavljanje poznatih opterećenja na izlaz postojećeg brojila i snimanje prikazanog VSWR -a u svakom frekvencijskom opsegu. Ovo vam omogućava da konstruišete krive krive za stvarni naspram prijavljenog VSWR -a, koje se zatim mogu staviti u Arduino skicu za primenu korekcije u hodu.

Usvojio sam drugu metodu jer je to bilo lako izvesti. Samo se dohvatite sljedećih otpornika: 50, 100, 150 i 200 ohma. Na ovom instrumentu od 50 ohma oni će po definiciji odgovarati VSWR -ovima 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 ekranu). 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 oblika TrueVSWR = m.ln (Mjereno VSWR)+c. Ove vrijednosti treba učitati u niz swr_results u posljednje dvije kolone (vidi prethodnu izjavu komentara u skici). Ovo je čudno mjesto za njihovo stavljanje, ali žurilo mi se, a kako ovaj niz trgovina pluta, tada mi se činilo kao razuman izbor. Zatim vratite prekidač use_calibration natrag na HIGH, ponovo pokrenite Arduino i krenite.

Imajte na umu da se prilikom mjerenja spot frekvencije kalibracija primjenjuje za početni izbor pojasa. Ovo 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 preko kabela PL-259 i uključite uređaj. Prikazat će se ekran za prskanje, a zatim će automatski izvršiti brisanje svih glavnih VF opsega. Na ekranu se prikazuje testirana frekvencija, trenutno očitanje VSWR -a, minimalno očitanje VSWR -a i frekvencija 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 dugme kodera. Povlačenje će prestati i prikazat će se sažetak svih prikupljenih podataka o opsegu (s nulama za one opsege koji još nisu prebrisani). Drugi pritisak će otvoriti glavni meni. Izbori se donose okretanjem kodera i pritiskom na odgovarajući položaj. U glavnom meniju postoje tri izbora:

Sweep all bands će ponovo pokrenuti sweep svih glavnih HF opsega. Kada završi, prikazat će se gore opisani ekran sažetka. Zapišite ovo ili snimite fotografiju ako želite da je zadržite.

Sweep single band će vam omogućiti da odaberete jedan opseg sa kodera, a zatim ga prebrišite. Prilikom odabira prikazuju se i valna duljina i frekvencijski raspon. Kada se prelistavanje završi, drugi pritisak kodera prikazat će jednostavan VSWR u odnosu na frekvenciju grafikona upravo prebrisanog pojasa, s numeričkom indikacijom 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; ovo se gubi jednostavnim numeričkim izvještajem.

Pojedinačna frekvencija vam omogućuje da odaberete jednu fiksnu frekvenciju, a zatim kontinuirano ažurirate mjerenje VSWR -a uživo za potrebe podešavanja antene u stvarnom vremenu. Prvo odaberite odgovarajući frekvencijski opseg; na ekranu će se zatim prikazati središnja frekvencija odabranog opsega i uživo očitavanje VSWR -a. U ovom trenutku primjenjuje se odgovarajuća kalibracija pojasa. Jedna od znamenki frekvencije bit će podcrtana. Ovo se može pomicati lijevo i desno pomoću kodera. Pritiskom na koder pojačava se linija; tada će rotiranje kodera smanjiti ili povećati znamenku (0-9 bez previjanja ili nošenja). Ponovo pritisnite koder da popravite brojku, 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 opseg učitava se na početku. Ako se previše udaljite od odabranog opsega promjenom znamenki, kalibracija će postati manje valjana, pa 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 u glavni izbornik.

Ako svoje računalo povežete na USB utičnicu na stražnjoj strani analizatora (tj. U Arduino), možete koristiti Arduino serijski monitor za prikupljanje frekvencije u odnosu na VSWR vrijednosti tokom bilo koje operacije čišćenja (trenutno je postavljeno na 9600, ali to možete promijeniti lako uređujući moju skicu). Vrijednosti se tada mogu staviti u proračunsku tablicu tako da možete iscrtati trajnije grafikone itd.

Snimak ekrana prikazuje sažetak VSWR -a za moju vertikalnu antenu za pecanje od 7,6 m sa 9: 1 UNUN. Moja oprema može primiti SWR max 3: 1 sa svojom unutrašnjom jedinicom za automatsko podešavanje. Vidite da ću ga moći podesiti na svim opsezima 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.