Zelfbouw HF power meter (Algemeen)

door loek , Exloo (Drenthe), 16-02-2023, 15:14 (653 dagen geleden)

Hallo forum lezers,
Hierbij een verslag van een project dat ik had gestart en waarbij vele mislukkingen zich hebben voorgedaan. Een paar jaar ben ik nu al bezig met wat meetapparatuur voor hoge frequenties bijvoorbeeld tot 18 GHz. Door deze hoge frequenties moet je sommige zaken heel anders aanpakken dan bij frequenties van bijvoorbeeld 100 MHz.
Het nauwkeurig meten van het power niveau van bijvoorbeeld 6GHz wordt meestal uitgevoerd met een power meetkop waarin dan een thermokoppel zit. Deze meetkoppen zijn erg duur en zeer gevoelig voor al een kleine overbelasting. De kans dat je hem opblaast is erg groot.
Er komen in de handel steeds meer IC-schakelingen (in SMD) die in dat hoge frequentie gebied het power niveau kunnen meten. Deze Ic’s hebben een breed niveau en frequentie band en ze zijn ook minder gevoelig voor overbelasting. Om elektronica ontwerpers met deze nieuwe Ic’s vertrouwd te maken worden er zogenaamde ontwikkel-kits gemaakt. In zo’n kit zit dan bijvoorbeeld een printplaat met daarop zo’n HF-SMD IC met alle benodigde weerstanden en condensatoren. Ook zit er software bij zodat je de HF schakeling via USB op je computer kan aansluiten.
Mij leek dit ook wel wat en ongeveer een jaar geleden werd zo’n kit aangeboden op marktplaats. Normaal zou je er ongeveer 400 Euro voor moeten betalen maar nu was de prijs 150 Euro.
De set die ik gekocht had was de SDPS van Analog Devices in combinatie met de SDPZ ook van Analog devices. Met deze combinatie zou je van -30 dBm tot + 15 dBm kunnen meten in de frequentieband van DC tot 6GHZ.

Foto print SDPZ:

Foto Detector type ADL5904:

Foto Analoog Digitaal converter type AD7091R:

Op de SDPZ zit dus een HF detector type ADL5904 waarmee je van DC tot 6GHz kan meten. Op de uitgang staat dan een DC signaal waarvan de hoogte afhangt van het aangeboden HF signaal. Op dat zelfde SDPZ board zit ook een Analoog naar Digitaal converter in dit geval type AD7091R (12 bits). Uit deze A/D converter komt de digitale puls informatie die de hoogte van het HF ingang signaal vertegenwoordigd.
Het digitale signaal en ook wat andere control signalen worden via een 120 pins connector doorverbonden naar de controller print type SDPS. Hieronder zie je de foto van het SDPS controller board met de 120 pins connector.

Dit is de achterkant van de SDPS

Dit is de voorkant van de SDPS

Het geheel ziet er blok schematisch dan zo uit.

Wat kon je met deze combinatie:
Omdat het detector IC toch enige niveau afwijkingen had bij verschillende frequenties kon je met het bijgeleverd programma via je PC eerst een ijk procedure uit voeren. Het gehele frequentie bereik van 10 MHz tot 6GHz was in 8 delen verdeeld. En in deze gebieden kon je bij drie niveaus een ijking uitvoeren. Deze ijk waarde werden opgeslagen in een file.

Op onderstaande foto zie je de gebruikers interface voor het ijken.

Na het ijken kan je de interface opstarten voor meten. Je kiest dan in welke frequentieband het te meten signaal zit. En dan verschijnt de juiste waarde.

Op onderstaande foto zie je het meet scherm

In mijn situatie werkte eigenlijk bijna alles. Er was dus contact tussen de computer en het controller board. Er was contact tussen het controller board en de HF detector print. Tijdens het ijken zag je dat relevante waarde in een file werden weg geschreven. Ook het meten direct na het ijken ging goed. Maar als je de applicatie gesloten had bijvoorbeeld na afsluiten computer dan werkte de meting niet. Er kwamen allemaal onzin waarde.
De oorzaak moest in het PC programma zitten, maar helaas was daar geen source code van beschikbaar. Er was een forum voor ontwikkelaars die werkte met IC’s van Analog Devices.
Ik heb op dit forum het probleem besproken en kreeg zelfs contact met de ontwikkelaar van dit stukje programma. Maar na redelijk veel uitwisseling van mail was/is er nog steeds geen oplossing. Je krijgt dan zoiets dat het bij Analog Devices wel werkt en dat het aan mijn computer ligt. Maar waar dan de oorzaak is blijkt onduidelijk. Ook na diverse drivers uitgeprobeerd te hebben en op verschillende Windows versie (7-11) uiteindelijk besloten dat dit niet ging werken.
Wat nu 150 Euro voor niets uitgegeven !
Dat kon ik niet zo maar laten en besloot om het controller board te verwijderen en deze te vervangen door een microprocessor van ATMEL Mega 328P. Ik kon dan zelf een programma schrijven in Basic met het voor mij bekende (en fantastische) BASVOM-AVR compiler van MCS . Voor de hardware gebruik ik een board van Arduino de 328 micro maar niet de Arduino software.
Alles zat al gemonteerd in een afgesloten behuizing dus dat werd demonteren. Als display zou ik niet de PC gebruiken maar een klein OLED display.
De MP moet dus het display aansturen en de waarde van de A/D omzetter kunnen lezen. Tot nu toe was het uitlezen van een A/D converter altijd gelukt. Maar na vele pogingen lukte het nu toch niet. De reden was dat de toegepaste A/D converter, dit was ook een nieuw product, van Analog Devices veel te snel was voor de processor (ATMEL MEGA 328P) die ik gebruikte.
Wat nu ?en maar besloten om ook de A/D converter van Anolog Devices niet te gebruiken en de DC spanning uit de detector te meten met de ingebouwde A/D converter van de MP. De resolutie van de MP A/D converter is een stuk lager (10bits) dan die van de originele chip (12bits). Maar dat heeft een kleine invloed op het meetresultaat. Dit betekende wel dat op het SDPZ board enkele verbindingen tussen de detector en de A/D converter moesten worden onderbroken. Er zat ook een zeer nauwkeurige referentie DC standaard van 2,5V op de A/D converter. Deze spanning was weer te gebruiken als referentie voor de ingebouwde A/D converter van de MP MEGA 328P.
Deze nieuwe aanpak ging wel goed.

Op onderstaande foto zie je hoe het totaal er uit ziet.

Er zit een rotary encoder met ook nog een drukknop (indrukken as).
Als eerste kan je de power meter ijken. Je bied dan een exacte niveau waarde aan in een frequentie band. Per frequentie band (8 stuks) zijn dit steeds drie niveau waarde bijvoorbeeld -25 dBm/-1dBm/+10dBm. Deze 24 ijkwaarde worden als counterwaarde van de A/D converter opgeslagen in de Eprom van de MP.
Hierna wordt door de MP de slope berekend dit is dus mv/dBm. En ook wordt er een zogenaamde interceptie waarde berekend. Deze berekeningen worden voor alle bereiken eerst uitgevoerd zodat deze bij het meten zelf geen vertraging veroorzaken.
IJKEN
Om de power meter in ijktoestand te krijgen moet je de voedingspanning pas aansluiten met ingedrukte as/knop.
Op het display zijn dan 3 regels zichtbaar:
Op de eerste regel staat de frequentie band die je wilt ijken door indrukken van de as maak je de keuze.
Op de tweede regel staat door middel van draaien aan de rotary encoder:
Welk niveau je wilt ijken en je krijgt nog twee keuze stoppen met ijken (afsluiten) of volgende frequentie band (volgende) die je wilt ijken. De keuze maak je door indrukken as.
Op de derde regel staat om en om de gemeten waarde ongeijkt. Hiervoor is een gemiddelde van slope en intercept gebruikt immers er zijn nog geen ijkwaarde bekend. En de waarde na ijken.
METEN
Bij het meten bepaal je met het draaien aan de rotary encoder welke frequentieband je wilt meten
Bij het meten zijn er drie regels :
Op de eerste regel verschijnt om en om de gekozen frequentie band en de waarde in mW
Op de tweede regel verschijnt de waarde in dBm
Op de derde regel verschijnt de waarde in mV
Is het niveau te laag of te hoog dan verschijnt daar ook een melding van op alle drie de regels.
Het berekenen en ijken had ook op een andere manier uitgevoerd kunnen worden. Van de toegepaste detector zijn zeer uitgebreide specificaties. En daarin staat per frequentie gebied en weer op 3 ingang niveaus de slope waarde en intercept waarde. Je zou dan de berekening niet door de MP hoeven laten uitvoeren maar er blijven dan toch kleine afwijkingen bestaan.

Het geheel ziet er nu zo uit:

Hierna zie je nog een impressie van wat ijk en meetschermen

Ik blijf het nog steeds fascinerend vinden dat je met een MP en analoge combinaties zulke projecten kan maken. In totaal ben ik met de ontwikkeling van het programma wel een paar weken bezig geweest. De MP MEGA 328P heeft een programma geheugen van 32K byte en daar is nu 40% van gebruikt voor de codering.
Na vele tegenslagen heb ik in ieder geval toch nog iets overgehouden van het project. Het is dan wel geen transistor radio verslag maar hoop toch dat jullie het interessant genoeg gevonden hebben om het te gaan lezen.

Met vriendelijke groet,

Loek