HomeMade

Pełna wersja: Analizator wektorowy NA02
Aktualnie przeglądasz uproszczoną wersję forum. Kliknij tutaj, by zobaczyć wersję z pełnym formatowaniem.
Stron: 1 2 3 4 5 6 7
Nazwa przyrządu nawiązuje do miernika NA01 nie bez kozery. Nowy miernik powstał na bazie istniejącego przez rozszerzenie istniejących już funkcji i wbudowanie nowych. Do działających już w NA01:
- pomiaru charakterystyk w paśmie 0.5-32MHz (liniowo i logarytmicznie)
- pomiaru skalarnego SWR
- pomiaru mocy
- pomiaru rezonansu, kwarców i elementów LC
- pomiaru częstotliwości do 32MHz
- pomiaru widma
dobudowane zostały następujące funkcjonalności:
- poszerzenie zakresu częstotliwości teoretycznie do 90MHz
- zwiększenie zakresu pracy miernika częstotliwości do 120MHz
- pomiar wektorowy impedancji: liczbowo i graficznie w formie wykresu Smith-a
Dodatkowo, poprawiony został sposób zasilania miernika za pomocą 4 ogniw AAA i/lub klasycznego zasilacza 5V z gniazdem mikroUSB
Miernik pozostał w dotychczasowej obudowie ale teraz wyjęcie baterii aby naładować je w zewnętrznej ładowarce nie stanowi problemu.
W systemie przewidziany jest również moduł RS/USB jako ewentualny łącznik z komputerem PC ale jedynie jako potencjalna możliwość bo najważniejszą, zachowaną, cechą miernika jest jego autonomia i niezależność od komputera.
Tak więc, działając po najmniejszej linii oporu, wykorzystując w możliwie największym stopni to co do tej pory było w NA01 sprawne, powstał nowszy
miernik, a ze względu na istotne poszerzenie funkcjonalności o pomiar wektorowy impedancji uważam zmianę nazwy na NA02 za w pełni uzasadnioną Smile

İmage

Na razie atrapa nowego miernika to lekko przerobiona w nazwie atrapa NA01 ale menu pomiarowe miernika wyraźnie wskazuje, że doszła nowa pozycja - "Pomiar imped."

İmage İmage İmage İmage

Przód miernika nie zmienia się, z tyłu jest tylko przełącznik zasilania i gniazdo mikroUSB a na spodzie miernika jest montowany koszyczek na 4 akumulatory AAA. Na zdjęciu widać, że akumulatorki są dodatkowo powiązane taśmą klejącą zabezpieczającą przed ich wypadaniem w razie udarów. Pomiar impedancji odbywa się za pomocą widocznego na przedniej ściance gniazda OUTPUT.

L.J.
Schemat nowego miernika w większości bazuje na NA01. Zachowany został podstawowy tor pomiarowy ale najważniejsze zmiany to:

İmage

- procesor to Mega644 (kod programu rozrósł się ponad 32kB)
- generator DDS to AD9851 w trybie mnożnika x6 z podstawą 60MHz
- tor pomiaru częstotliwości ma dodatkowy dzielnik x2 lub x4 (dodatkowy 74AC74)
- do pomiaru impedancji użyty został układ AD8302 oraz sprzęgacz na ferrycie dwuotworowym
- istnieje możliwość dołączenia bezpośredniego zintegrowanego modułu RS/USB
- zasilanie to ok. 5V ale w torze wzmacniacza sygnału wyjściowego pojawił się podwajacz napięcia na NE555 dla poprawienia dynamiki wyjścia.

İmage

Inne elementy (przekaźnki, gniazda, klawisze, wyświetlacz, pozostałe układy scalone) znane są z NA01. Elementy bierne montowane są w przeważającej większości jako smd. Starałem się aby oszczędzać wzrok przy montażu dlatego zarównio AD9851 jak i procesor mają rozmiary "przyjazne". Najtrudniejszym układem w montażu jest AD9802 ale tu nie da się nic na razie zrobić Wink .
Konstrukcja mechaniczna jest niemal żywcem przeniesiona z NA01 a w tym konstrukcja obudowy oraz wszystkich przystawek pomiarowych.
L.J.

Pomiar częstotliwości może być teraz ustawiony w trzech zakresach: do 32MHz, do 64MHz i 128MHz. Wiąże się to z dodatkowym przestawieniem zwory na płytce miernika. Odpowiednio zmienia się też skala pomiarowa:

İmage

Podniesiona też została częstotliwość wewnętrzengo źródła odniesienia ale zasady pomiaru i kalibracji funkcji pomiaru częstotliwości pozostały bez zmian.

İmage

Pomiar wektorowy impedancji jest podzielony na dwie części: cyfrową z prawej strony ekranu i graficzną z lewej strony. W części cyfrowej znajdują się informacje o częstotliwości pomiaru a także współczynniku fali stojącej (SWR) oraz o impedancji (Z) w formie modułu (|Z|) i obu jej składowych (części rzeczywistej oznaczonej jako R i części urojonej oznaczonej jako X).
Graficzna część pomiaru to znacznik na wykresie Smith-a w formie małego krzyżyka równoramiennego. Pomiar na zdjęciu odpowiada pomiarowi oporności dopasowanej (ok. 51 omów) dlatego znacznik pomiarowy znajduje się dokładnie w środku okręgu.

Krótko o wykresie Smith-a (choć może warto byłoby otworzyć na ten temat oddzielny wątek?):
* Wykres Smith-a to przeniesienie prostopadłej płaszczyzny zespolonej w odzwierciedlenie biegunowe współczynnika odbicia (gamma)
* Impedancje o czystych wartoścach rzeczywistych leżą na osi poziomej: zero to punkt z lewej skrajnej strony, 50 omów to punkt środkowy koła a nieskończona oporność rzeczywista to punkt z prawej strony koła
* Impedancje o czystych wartościach urojonych leżą na obwodzie koła
* Impedancje złożone z części rzeczywistej i urojonej leżą wewnątrz koła a te, które mają część urojoną równą 50 omów leżą na łukach oznaczonych na wykresie Smith-a liniami kropkowanymi
* Im lepiej dopasowany układ tym bliżej środka okręgu leży jego punkt pomiarowy, po lewej stronie od środka części rzeczywiste maleją do zera po prawej od środka rosną do nieskończoności, górna półkula to dodatnie wartości urojone impedancji a dolna półkula to ujemne wartości urojone impedancji.
L.J.
Witam
Bardzo mi się podoba konstrukcja i rozbudowanie możliwości.
Wykonywałeś już jakieś pomiary / kalibracje?
Dla wyższych częstotliwości może być wpływ nieekranowanych gniazd BNC?
Na ile szacujesz koszty (pewnie głównie są to układy AD)?
Gdyby wbudować (a może niekoniecznie) pamięć to przy pomocy USB/RS warto byłoby ściągać pomiary na komputer celem analizy (np. anten)

Pozdrawiam
Witam!
Wykonałem NA-01.
Częściej używam go do szybkiego sprawdzenia obwodów LC w zakresie KF ze względu na jego większą autonomiczność.
http://www.gg.pl/dysk/d5SzXRZaAbxxdpSzXRZajVo/NA-01.mp4
http://sq7hjb.mooo.com/?page_id=238
Teraz trzeba będzie wykonać NA-02.
Zapowiada się ciekawie.
Pozdrawiam Marek SQ7HJB
Dziękuję Markowi za przytoczenie linku do testowania rezonatorów kwarcowych parami w celu doboru do filtra. To świetny pomysł usprawniający i przyśpieszający procedurę doboru kwarców! Jak się domyślam obie podstawki do kwarców połączone zostały równolegle.

Najdroższe elementy układu to procesor (ok. 25PLN), wyświetlacz (ok. 30PLN), AD9851 (ok. 25PLN), AD8302 (ok. 25PLN) oraz AD8014 (po ok. 15PLN). Płytki to ok. 70PLN za komplet (mała seria prototypowa Sad ), frezowane elementy na obudowę i wszystkie przystawki (70PLN). Reszta jest istotnie tańsza ale koszt ostateczny będzie się wahał w zależności od indywidualnych warunków i możliwości.

Pomiary impedancji już robiłem, poniżej zamieszczam przykłady, na początek dla rezystorów.
Pomiar punktowy impedancji nie jest specjalnie skomplikowany, problematyczny jest pomiar impedancji w paśmie ale i tu mam już pewne wyniki. Na poniższych zdjęciach pokazałem pomiar rezystorów w paśmie od 1.5 do ok. 56 MHz w 11 punktach czyli mniej więcej co 5.5MHz. Niektóre wyniki są bardziej skupione ale dla niektórych oporników (np. 12 i 25 omów) widać wyraźny wpływ częstotliwości ze względu na prawdopodobne wtrącenia indukcyjne. Pokazane pomiary to kolejno: zwarcie za pomocą odcinka przewodu, 12 omów, 25 omów (4 oporniki 100 omów), 51 omów, 100 omów, 150 omów, 250 omów (szeregowo połączone oporniki 100 i 150 omów) oraz rozwarcie gniazda pomiarowego.

İmage İmage

İmage İmage

İmage İmage

İmage İmage

Jak widać większośc pomiarów jest dość dobrze skupiona mimo, że oporniki dołączone są do gniazda w sposób prowizoryczny przez rozpięcie końcówek pomiędzy przewód środkowy oraz masę gniazda pomiarowego.

Przy pomiarze w paśmie zachodzi potrzeba precyzyjnego odczytu dla każdego punktu pomiarowego. Realizuję to w taki sposób, że cyfrowo podawane są dane dla aktualnego punktu pomiarowego oznakowanego na wykresie nieco większym krzyżykiem. Taki powiększony krzyżyk widać szczególnie tam gdzie pomiary nie są zbytnio skupione. Pomiar dla zadanej ilości punktów pomiarowych (n od 1 do 31 definiowane w ustawieniach miernika) odbywa się automatycznie od częstotliwości początkowej Fstart do końcowej Fstop z krokiem (Fstop-Fstart)/n w czasie rzeczywistym więc widać od razu co przynosi ewentualna zmiana w mierzonym układzie. Przełączenie pomiędzy wskazaniami dla konkretnego punktu pomiarowego odbywa się za pomocą klawiszy (<-) i (->) a wyjście do menu pomiarowego tradycyjnie za pomocą klawisza środkowego.

İmage

O połączeniu z PC pomyślałem bo przewidziane jest na płytce specjalne gniazdo na typowy moduł RS/USB. Jak widać moduł wystaje ponad zarys płytki więc będzie wystawał poza obudowę urządzenia aby można się dołączyć kablem zewnętrznym. Ponieważ to złącze służy także do zasilania to zamiast modułu USB można zastosować wewnętrzne połączenie kablowe do gniazda mikroUSB jak to pokazałem wyżej. Jak więc widać, współpraca z PC jest możliwa ale wymaga napisania zarówno dla NA02 części odpowiedzialnej za komunikację ale przede wszystkim programu na PC do obróbki i wizualizacji ściągniętych z miernika danych. Na razie nie mam na to czasu a i zbytniej motywacji, bo jak wspomniałem wcześniej, największą zaletą NA02 (podobnie jak NA01) jest niezależność od PC.
L.J.
A ja pochwalę projekt PCB w KiCad Smile Choć wersja troszkę już starsza...
W poprzednim poście optymistycznie podałem cenę układu AD9851, płaciłem za układ mniej więcej tyle co tu:
AD9851
ale kiedy kupowałem układy dolar był nieco tańszy. Niemniej koszt tego układu nie powinien przekroczyć 50PLN.
Na prośbę jednego z kolegów dodam, że AD8307 i AD8302 kupiłem na znanym servisie aukcyjnym na literę "A" a AD9814 oraz 74AC74 w TME (http://www.tme.pl). Wyświetlacz w firmie Unisystem (http://www.unisystem.pl), procesor w firmie Seguro (http://www.seguro.pl), przekaźniki NEC EC2-4.5NA są dość łatwo dostępne w różnych miejscach, podobnie jak inne elementy.
Płytki drukowane robiłem w firmie Printor w Łodzi no, i tu niespodzianki nie ma bo seria prototypowa zawsze jest "drogocenna" ale jakość wykonania jest bez zarzutu. Szkoda jedynie, że zrobiłem w projekcie kilka drobnych błędów, ale za to do łatwego skorygowania.

Po pomiarach pasmowych rezystancji czynnych mogę także pokazać pomiar jakiejś "prawdziwej" impedancji. W tym przypadku to pomiar anteny W3DZZ w paśmie 3.5-3.8MHz:

İmage İmage

İmage İmage

Pierwszy pomiar to wykres skalarny SWR w paśmie 3.5-3.8MHz wykonany za pomocą mostka do pomiaru SWR z wyraźnie widocznym dołkiem dopasowania w okolicach 3.65MHz. Kolejne zdjęcia pokazują pomiar wektorowy tej anteny w tym samym zakresie z odczytem dla początku (3.5MHz), mniej więcej w środku zakresu pomiaru (ok. 3.65MHz) oraz na końcu zakresu pomiarowego (3.8MHz). Na wykresach widać wyraźnie powiększony jeden z krzyży - marker pomiarowy odpowiadający miejscu odczytu danych. Jak pisałem wcześniej, za pomocą klawiszy (<-) i (->) można przesuwać znacznik po wykresie w obie jego strony.
Z charakterystyki widać, że najlepszy SWR anteny znajduje się w miejscu wykresu znajdującym się najbliżej środka wykresu Smith-a czyli w miejscu najlepszego dopasowania. Niestety, taki pomiar bezlitośnie obnaża własności anteny bo pomimo dość dobrego SWR (około 2) to część rzeczywista impedancji anteny, odpowiedzialna za skuteczność jej działania, jest mniejsza niż to wynika z pomiaru skalarnego. Zakres pomiarowy podzielony jest na 10 części (co 30kHz) a więc wykonywanych jest 11 pomiarów.
L.J.
Padło wcześniej pytanie o kalibrację układu pomiarowego. W zasadzie nie dobierałem żadnych wartości poza lekką korektą punktu zerowego pomiaru kąta. Niestety, nie mogę poświęcić projektowi tyle czasu ile bym chciał, niemniej udało mi się zrobić kilka kolejnych testów poprawności działania miernika i samej metody pomiarowej. Piszę specjalnie z detalami lub oczywistościami z nadzieją, że może się komuś przyda taka podstawowa wiedza i z góry przepraszam zawodowców jeśli poczują się znudzeni.
Do testów użyłem dwójnika RLC w różnych konfiguracjach składającego się z opornika 51omów, kondensatora 270pF i cewki o indukcyjności 1uH. Pomiary robiłem w zakresie od ok. 1MHz do ok. 17.5MHz. Poniżej uzyskane wyniki:

İmage

To pomiar indukcyjności 1uH dołączonej do wejścia pomiarowego. Zgodnie z przewidywaniami układ punktów pomiarowych układa się w łuk idący po górnej połówce koła wykresu Smith-a od lewej ku prawej w miarę wzrostu częstotliwości a więc od niższych impedancji do wyższych. Marker (powiększony krzyżyk) ustawiony jest na częstotliwość 1MHz a ten punkt leży w pobliżu punktu zwarcia wejścia co jest normalne w tym wypadku, im mniejsza częstotliwości tym mniejsza impedancja induktora, dla prądu stałego jest on przecież zwarciem. Dla przypomnienia impedancja induktora w omach to Xl=2*pi*f*L gdzie pi to oczywiście 3.14...., L to indukcyjność w H a f to częstotliwośc w Hz.

İmage

To pomiar kondensatora 270pF dołączonego do wejścia pomiarowego. Tym razem punkty pomiarowe układają się w łuk idący po dolnej połówce koła wykresu Smith-a od prawej ku lewej ze wzrostem częstotliwości. Marker ustawiony jest na 17.5MHz i zgodnie z przewidywaniami jest on bliski punktowi pomiaru zwarcia (lewa strona wykresu) bo ze wzrostem częstotliwości maleje impedancja kondensatora zgodnie ze wzorem Xc=1/(2*pi*f*C) gdzie C podane jest w F a inne wielkości jak wyżej.

İmage

W tym przypadku mierzony jest dwójnik jako połączenie szeregowe opornika 51 omów i induktora 1uH. Marker ustawiony jest na częstotliwość ok. 9.25MHz gdzie część urojona takiej impedancji zbliżona jest do 51 omów. Świadczy o tym przecięcie się łuku punktu pomiarowego z kropkowaną linią odpowiadającą na wykresie Smith-a za składową urojoną równą właśnie +51 omów. Jak widać, punkty pomiarowe układają się w łuk od środka wykresu gdzie wypadkowa impedancja dla najniższych częstotliwości zbliża się do części rzeczywistej takiego dwójnika a więc do 51 omów. Dla sprawdzenia analitycznego, impedancja cewki 1uH na częstotliwości 9.25MHz to Xl=2*pi*L*f=2*pi*1e-6*9.25e6 = ok. 58 omów.

İmage

W tym przypadku mierzony jest dwójnik jako połączenie szeregowe opornika 51 omów i kondensatora 270pF. Marker ustawiony jest na częstotliwość ok. 12MHz gdzie część urojona takiej impedancji zbliżona jest także do 51 omów. Świadczy o tym przecięcie się łuku punktu pomiarowego z kropkowaną linią odpowiadającą za składową urojoną równą właśnie -50 omów. Jak widać, punkty pomiarowe układają się w łuk do środka wykresu gdzie wypadkowa impedancja dla najwyższych częstotliwości zbliża się do części rzeczywistej takiego dwójnika a więc do 51 omów bo ze wzrostem częstotliwości impedancja kondensatora maleje. Dla sprawdzenia analitycznego, impedancja kondensatora 270pF na częstotliwości 12MHz to Xc=1/2/pi/270e-2/12e6 = ok. 49 omów a więc całkiem blisko uzyskanego pomiaru.

İmage

W tym przypadku mierzony dwójnik to szeregowe połączenie kondensatora i cewki a marker ustawiony jest w pobliże prawdopodobnego rezonansu na częstotliwości 9.25MHz - rezonans szeregowy to w praktyce zwarcie co potwierdzają wyniki liczbowe impedancji i jej składowych.

İmage

Ten pomiar dotyczy równoległego połączenia cewki i opornika i jak widać, w rezonansie, mierzone impedancje są duże.

İmage

W tym przypadku mierzone jest równoległe połączenie RLC i jak widać, w pobliżu rezonansu impedancja zbliża się do impedancji rzeczywistej opornika a więc ok. 51 omów (środek wykresu Smith-a) bo składowe impedancji cewki i kondensatora znoszą się wzajemnie

İmage

W tym przypadku mierzone jest szeregowe połączenie RLC i podobnie, w pobliżu rezonansu impedancja zbliża się także do impedancji rzeczywistej opornika a więc ok. 51 omów ale układ punktów pomiarowych leży w innej części wykresu Smith-a.

Analityczna częstotliwość rezonansowa mierzonej pary elementów LC (1uH i 270pF) to oczywiście fr=1/2/pi/sqrt(L*C) gdzie sqrt(L*C) to pierwiastek kwadratowy z iloczynu L*C a więc ok. fr=1/2/pi/sqrt(1e-6*270E-12)= 9.69MHz

İmage

Pomiary obwodu LC za pomocą przystawki LCQ (to jedna z funkcjonalności zarówno NA01 jak i NA02) potwierdzają ustalenia analityczne bo zmierzona częstotliwość rezonansowa to niemal tyle ile wynika z obliczeń.

Na razie pracuję jeszcze nad algorytmem pomiarowym, w szczególności w pobliżu rezonansu, który jest w takim pomiarze zdarzeniem szczególnym ale wkrótce udostępnię kod do programowania procesora z nadzieją, że znajdą się koledzy chcący wykonać miernik dla siebie ;-)

L.J.
W pobliżu rezonansu to może wzmacniacz wyjściowy trochę "durnieć", podobnie jak ja miałem z NWT-7, gdzie okazało się że zamiast sinusa jest coś innego..

Bardzo fajne, naprawdę. Aż się prosi o kolorowy wyświetlacz do wykresu, ale to pewnie ze 2x droższa cena.

Pozdrawiam
Problem z pomiarem w pobliżu rezonansu wynika z własności układu AD8302, który wprawdzie mierzy zarówno fazę jak i tłumienie fal padającej i odbitej ale niestety nie odróżnia jaki element daje zbliżone przesunięcie kątowe. Trzeba to badać w sposób pośredni sprawdzając tendencję zmian. Jeśli impedancja rośnie ze wzrostem częstotliwości to oczywiście ma charakter indukcyjny a jak maleje to ma charakter pojemnościowy. W pobliżu rezonansu charakter zmian ulega zaburzeniu ale procedura pomiarowa powinna z jednej strony "wykryć" taki stan a z drugiej strony być na tyle czuła aby go w ogóle zarejestrować i określić jaki jest charakter impedancji. Niemniej, problem jest z grubsza rozpoznany i czeka na jakiś genialny pomysł. Znalazłem w sieci rozwiązanie, które przesuwa wynik pomiarów kąta o 90 stopni i wtedy wynik staje się jednoznaczny, dodatni dla indukcyjności i ujemny dla pojemności i nie ma potrzeby kombinować ale jest to dość skomplikowany układ i w dodatku posiadający co najmniej jedną istotną wadę poza złożonością rozwiązania.
A co do wyświetlacza, to początkowo zamierzałem faktycznie zastosować wyświetlacz kolorowy bo i wynik ładniejszy i dokładność wyświetlania lepsza ale po wstępnych eksperymentach zarzuciłem ten pomysł skupiając się na algorytmie pomiarowym i dotychczasowym wyświetlaczu. Nie wykluczam, że będzie to kolejny stopień w rozwoju projektu choć mam tu wątpliwości dotyczące prędkości pracy wyświetlacza. Z natury pomiaru wynika, że ekran powinien być na bieżąco odświeżany. Nie wchodzi w grę resetowanie całego wyświetlacza bo jest długotrwałe i męczące dla oka. Pozostaje iteracyjne zamazywanie pomiaru punktowego z poprzedniej serii i nadpisanie go nowym wynikiem. To istotnie komplikuje algorytm ale za to daje akceptowalną prędkość pracy w trybie online. Postaram się pokazać wkrótce jakiś film obrazujący jak wygląda pomiar w czasie rzeczywistym co pozwoli na ocenę przydatności miernika w normalnych warunkach pomiarowych. Poza tym, algorytm pomiarowy prowadzący do określenia części rzeczywistej i urojonej impedancji jest najeżony ciągiem wielu operacji zmiennoprzecinkowych co powoduje, że wynik jest liczony w dziesiątkach ms co nie ułatwia pracy :-(
L.J.
Leszku a ile masz pamięci na "grafikę"? ten LCD ma bufor? Może najpierw pisz w pamięci LCD a potem niech się LCD zajmie wyświetleniem (tak się daje w kartach graficznych i o ile pamiętam niektórych lcd też)
Stron: 1 2 3 4 5 6 7
Przekierowanie