ANALYSER-DDS een 500Khz tot 65,536Mhz antenne-analyser Intro

Transcriptie

1 ANALYSER-DDS een 500Khz tot 65,536Mhz antenne-analyser Intro Analyser-DDS is gebaseerd op hetzelfde meetprincipe als in AN EXPERIMENTAL HF AERIAL ANALYSER from Jim Tregellas VK5JST. Dit meetprincipe berust op het meten van een ongekende impedantie in serie met een gekende zuivere weerstand en dit met behulp van een sinusoïdale RF-bron. Mijn doel was een antenne-analyser te ontwerpen die minstens van 160 tot 6 m loopt, die de metingen grafisch kan weergeven en die gemakkelijk na te bouwen valt door de gemiddelde OM. De specifikaties van deze analyser zijn de volgende: Frekwentiebereik van 500Khz tot 65536Khz Display van 4 lijnen van 20 karakters waarop de frekwentie in Khz, de stap in Khz, de impedantie in Ohm, de reactieve component in Ohm, de resistieve komponent in Ohm en de SWR in verhouding tot 1 weergegeven wordt. Afstemming gebeurt in stap-mode of door een scan van 80 maal de stap-grootte vanaf de afstemfrekwentie. De scan kan verstuurd worden naar een PC via RS232, waar de data in een grafiek geplot wordt door het programma Analyser-RX. De RF-bron is een DDS60 dds vfo. Impedanties van 5 tot 1000 Ohm kunnen bruikbare meetwaarden afleveren. 1

2 Meetprincipe Grafische voorstelling van de spanningen in onze opzet: Bij een niet zuiver Ohmse antenne hebben we volgende vectoren Het ezelsbruggetje op onze metingen: In een rechthoekige driehoek is het kwadraat van de schuine zijde gelijk aan de som der kwadraten van de rechthoekzijden Dus: Vin² = VX² + (V50+VR)² Of Vin² = VX² + V50² + VR² +( 2xV50xVR) Of 2 x V50 x VR = Vin² - VX² - V50² - VR² en aangezien VX² + VR² = VOUT² (driehoek VOUT,VR,VX) dus VR = (Vin² - V50² - VOUT²) / (2 x V50) en VX² = VOUT² - VR² dus VX = SQRT ( VOUT² - VR²) de stroom in ons circuit is I = U/R dus I = V50/50 zo ook is X = VX / I 2

3 en R = VR / I uit X en R berekenen we Z = SQRT ( X² + R²) er blijft ons nog de SWR af te leiden uit vorige gegevens SWR = (Vin + Vref) / (Vin Vref) Vin kennen we door meting. Kijken we even hoe we Vref bepalen: In de voorstelling A is Vref weer een schuine zijde van een rechthoekige driehoek Dus Vref^2 = (V50-VR)^2 + VX^2 Of Vref = SQRT (V50-VR)^2 + (VX^2) Zo ook in voorstelling B, of V50-VR nu positief of negatief uiitvalt doet er niet toe. In voorstelling C zien we dat V50 VR = 0 betekent dat het R-gedeelte 50 Ohm is. Dus zal Vref = VX zijn In voorstelling D van perfekte aanpassing is V50-VR=0 en VX=0 Dus zal Vref = 0 zijn Dus om de SWR te bepalen: hebben we Vin als meetwaarde berekenen we Vref = SQRT (V50-VR)^2 + (VX^2) berekenen we SWR = (Vin + Vref) / (Vin Vref) 3

4 Uitzonderingen op deze benadering: 1 Bij een zuiver Ohmse antenne hebben we volgende voorstelling dus VR hoeven we niet te berekenen en VX = 0 2 Nooit bij een antenne maar wel bij zuivere condensator of spoel ziet het er zo uit dus VX lezen we zo af Zo dat was het dan. Nog een schakeling bouwen, nauwkeurig meten en in een rekenmachientje steken, dan lezen we zo de resultaten af... of we gebruiken een PIC16F876A 4

5 Schematics 5

6 PCB 3D-view and X-ray view 6

7 7

8 8

9 9

10 FOTOS DDS60 positie en PCB-komponentzijde 10

11 Bouw en afregeling Bouw het geheel liefst in een isolerende doos. Vergeet bij het solderen niet dubbelzijdig te solderen daar waar aangegeven (zie PCB ). De afregeling is vrij eenvoudig. Laat de antenne-aansluiting open zonder kabel of wat ook. Stel de trimpotmeters in op minimum output (anti-klokwijs tot eind). Stel de output van de DDS60 in op nabij maximum. Draai nu RV1 (Vin) naar rechts tot waarde Vin = 210 Sluit 50 Ohm stop aan op antenne zonder kabel Lees Vin af en stel RV2 (V50) en RV3(Vout) in zodat ze de helft van Vin bereiken. Normaal zul je nu Z=50 R=50 en X=0 aflezen en is de regeling gebeurd. Indien voor welke reden ook je dit wil overdoen vergeet niet de trimpots eerst opnieuw op minimum in te stellen. De reden hiervoor is dat de A/D omzetter van de PIC in 10 bits werkt, maar dat slechts het bereik van de eerste 8 bits mag aangeboden worden enerzijds. Anderzijds is de maximum output van de DDS60 groter dan 8 bits indien niet verzwakt door de trimpots. Waarom dan een hogere output van de DDS60? Om de lineariteit te verbeteren mbt de diodes. Waarom geen 10 bits verwerking in de PIC? Toch wel om de preciesheid te houden maar nadien 8 bits om vereenvoudiging van de software ten behoeve van de beperkingen eigen aan de gebruikte microcontroller en waarbij een heel deel RAM ten dienste staat van data-opslag bij SCAN- en TX2PC-functies. 11

12 Analyser-RX program Analyser_RX is een PC-programma dat de data van de PIC ontvangt in het SCAN2PC menu na valideren van de DO-toets. Hierbij worden 976 karakters verstuurd. De eerste bytes zijn de de STAP-grootte en de START-Frekwentie, gevolgd door 80 maal 3 bytes als Vin,V50 en Vout. De Timer-functie zorgt voor een automatische vernieuwing van de grafiek bij nieuwe data. De grafiek die getekend wordt voorziet de volgende metingen Z, X, R en SWR. Bij overschrijding van de maximumfrekwentie van Khz zal de uitschrijving van de grafiek stoppen. Indien V50=0 zullen de metingen op maximum in de grafiek getoond worden. IndienVout=0 zullen de metingen op nul in de grafiek getoond worden en SWR maximaal. Hierbij de listing van het VB6-kernprogramma: ReDim Meting(1 To Aantal, 1 To 3) As Variant index 1=Vin index 2=V50 index 3=Vout ReDim Result(0 To Aantal, 1 To 6) Result(0, 1) = "Z Ohm" Result(0, 2) = "X Ohm" Result(0, 3) = "R Ohm" Result(0, 4) = "SWR" Result(0, 5) = "50 Ohm" Result(0, 6) = "SWR 1/1" For A = 1 To Aantal J = 0 If Meting(A, 2) = 0 Then R = 9999 Z = 9999 X = 9999 SWR = 11 J = 1 End If If Meting(A, 3) = 0 Then R = 0 Z = 0 X = 0 SWR = 11 J = 1 End If If J = 1 Then GoTo SetRes Vout = Meting(A, 3) V50 = Meting(A, 2) If V50 + Vout < Meting(A, 1) Then Vin = V50 + Vout Meting(A, 1) = Vin 12

13 End If Vin = Meting(A, 1) VR = (Vin ^ 2 - V50 ^ 2 - Vout ^ 2) / (2 * V50) If VR < 0 Then VR = 0 'test VX = Sqr(Abs(Vout ^ 2 - VR ^ 2)) i = V50 / 50 X = VX / i R = VR / i Z = Sqr(X ^ 2 + R ^ 2) Vref = Sqr((V50 - VR) ^ 2 + (VX ^ 2)) If Vin - Vref = 0 Then SWR = 11 J = 1 End If If J = 1 Then GoTo SetRes SWR = (Vin + Vref) / Abs(Vin - Vref) Debug.Print A, "SWR ", SWR If SWR > 11 Then SWR = 11 SetRes: If Z > 1999 Then Z = 1999 If X > 1999 Then X = 1999 If R > 1999 Then R = 1999 Result(A, 1) = Z Result(A, 2) = X Result(A, 3) = R Result(A, 4) = SWR Next A De metingen van de grafiek worden automatisch geschaald naar de maximumwaarde. De metingen Z, X, R, worden begrensd tor 2000 Ohm. De SWR-meting wordt begrensd tot een waarde 11/1. De grafieken bevatten automatisch de tijdstempel (datum & tijd), van het moment van verzending naar de PC, en zullen deze gegevens als naam dragen bij het wegschrijven op schijf. Tevens voorziet het programma in de mogelijkheid de grafiek te schalen naar verschillende schermof print-groottes. Bij het opstarten, gaat het programma een lijst maken van alle beschikbare RS232 poorten. De gebruiker hoeft alleen de aangesloten poort aan te klikken. Nog veel genot bij de bouw en het gebruik ervan. Willy ON5KN 13

14 Hierbij nog enkele voorbeelden van grafieken met kommentaar : Een 55 Ohm weerstand rechtstreeks op de brug output, Stap=1000Khz,Fstart=0 Khz Het start-gebied is fout door de beperkingen van het DDS60 output filter. Ook geen 80 metingen daar Khz bereikt is. Meting 55 Ohm op brug Stap=100Khz, Fstart=0Khz Hier zien we beter de beperking van de filter van de DDS60. Waardige metingen vanaf +/- 500Khz Beperking boven 65536Khz was nog niet ingebouwd! 14

15 Meting EH-antenne met Stap 500Khz, Fstart 10000Kihz Kijk naar de SWR-dip rond 14000Khz Meting EH-antenne rond resonantie-gebied, Stap=50Khz, Fstart 13000Khz Observeer de automatische schaalaanpassing van Z-X-R Met een SWR van maximaal 1,5/1 bereiken we tot 14150Khz Hierbij zou de reactieve komponente (X) verwaarloosbaar zijn en de impedantie zou variëren van 65 tot 33 Ohm 15

16 Meting van een 55 Ohm weerstand met 17 m 50 Ohm coax, Stap=500Khz, Fstart 2000Khz Observeer door de lichte mismatch, de aanpassingstransformatie van de voedingslijn in functie van de frekwentie. De mismatch blijft echter wel puur resistief (X blijft 0). Meting 17m open coax 50 Ohm Stap=500Khz, Fstart=2000Khz Observeer het kwartgolfverschijnsel rond 5500Khz, Hoge Z (X) maar R=0 16

17 Meting 6m dipool, Stap=500Khz, Fstart=20000Khz Deze dipool werd snel gemaakt uit draad en bijgeknipt tot goede aanpassing. SWR 1,5/1 gaat van 50000Khz tot 52500Khz Reactieve komponent is verwaarloosbaar en impedantie Z=R tussen 30 en 70 Ohm Idem als vorige 6m dipool met zoom door Stap=100Khz 17