HomeMade

Witajcie!

Po wcześniejszych doświadczeniach z analizatorami U-VNA i YAVNA (opisywanych tu na forum) przez ostatnich kilka miesięcy pracowałem nad nowym projektem.
Główną bolączką tych poprzednich był detektor (AD8302), który nie rozpoznawał "znaku" różnicy faz dwóch sygnałów.
Przyszła więc pora na DSP VNA, czyli wreszcie analizator wektorowy w oparciu o cyfrowe przetwarzanie sygnału przy częstotliwościach akustycznych.
Tym razem jest to po prostu 1-portowy miernik impedancji (anteny, kable, wejścia wzmacniaczy, elemnty L-C itp.)

Ogólna koncepcja przyrządu oczywiście nie jest niczym nowym - mamy źródło sygnału, podajemy je na "głowicę pomiarową", dalej na mieszacz, za nim LPF i próbkujemy ADC.
Później już cała "magia" dzieje się w obliczeniach.

Wpadłem jednak na pewien oryginalny pomysł - proszę mnie poprawić, jeśli i ten pomysł pojawił się już gdzieś wcześniej, ale ja się z nim nigdzie nie spotkałem.
Otóż chodzi o sprytne użycie podwójnie zrównoważonego mieszacza diodowego (a więc o niskiej impedancji wejścia - w przeciwieństwie do Gilbert Cell mixers) jako bezpośredniego miernika sygnału w.cz. o wejściu SYMETRYCZNYM.
W tej roli wystąpił ADE-1.
Oto sposób jego użycia na mostku pomiarowym:

[attachment=14773]

Jestem w fazie testów prototypu urządzenia, którego płytka jest niewiele większa od karty kredytowej:

[attachment=14774]

A po złożeniu wygląda tak (obudowa Z97):

[attachment=14775]

Główną zaletą urządzenia jest jego szeroki zakres pracy: od 100kHz do 450MHz, a więc z pokryciem pasm 2m i 70cm (dla pasma 70cm miernik pracuje na 3-ciej harmonicznej sygnału) oraz całkiem niezła dokładność pomiarów (jak pokazują piewsze testy).

Inna zaleta, to ogólnie dostępne i tanie elementy elektroniczne:
- 2 x ADE-1 (mikser diodowy)
- Si5351 (generator sygnału prostokątnego)
- 3 x TL082 (podwójny wzmacniacz operacyjny na FET-ach z pasmem ~4MHz)
- STM32F103 (tani mikrokontroler z 20kB RAM i 12-bitowym ADC)

Oto kompletny schemat urządzenia:

[attachment=14776]

Jest pewien błąd na PCB, który chcę poprawić, zanim rozpowszechnię projekt w KiCAD.
Ten błąd powoduje, że mam rezonanse w okolicach 70MHz (niby poza pasmami amatorskimi, ale jednak przeszkadzają).
W tym wątku będę zamieszczał dalsze informacje, wyniki i eksperymenty dotyczące tego projektu.

Pozdrawiam,
Rafał SP3GO

Możesz napisać z jakiej "płytkarni" korzystasz ?

Myślę, że masz jeszcze jeden istotny błąd w aplikacji ADE-1. Otóż włączenie wejścia mieszacza symetrycznie w przekątną mostka w istocie takim nie będzie ze względu na wewnętrzne połączenie mas uzwojeń (przynajmniej tak jest w moim egzemplarzu i nocie aplikacyjnej). Nie zaszkodzi też wstawić kondensatory oddzielające wyjścia generatora dla składowej stałej.

Co do "płytkarni", to tym razem skorzystałem z allpcb.com.
Mają błyskawiczną produkcję, a jeśli ktoś akceptuje dodatkowe koszty związane z 23% podatku (od ceny całkowitej niestety, więc towar+przesyłka), to i przesyłka kurierem DHL błyskawiczna.

Ale wracając do tematu...

Co do ADE-1 - Piotrze, a mógłbyś przesłać zdjęcie dokładnych napisów na Twoim egzemplarzu ADE-1?
Faktycznie tego nie brałem pod uwagę - to znaczy nota katalogowa sugeruje, że tam są masy, ale akurat wszystkie moje egzemplarze nie mają wewnętrznie połączonych mas, więc każde uzwojenie z osobna może sobie "wisieć". Wiem, że jest jeszcze jakaś wersja ADE-1+ - może właśnie tym się różnią.
Czy mógłbym wszystkich czytających ten wątek prosić, aby sprawdzili swoje egzemplarze ADE-1 i zaraportowali, czy piny 1-4-5 (te od masy dla LO, IF i RF) są połączone?

A co do kondensatorów - wydawały mi się zbędne, a wręcz szkodliwe ze względu na swoją zmienną reaktancję w funkcji częstotliwości.
Nota katalogowa Si5351 nie ma nigdzie takich na wyjściu w przykładowych podłączeniach, do tego akurat w tej aplikacji sygnały trafiają (poza mostkiem) na uzwojenia mieszaczy, a więc i tak mają dla składowej stałej zwarcie do masy. Poza tym oscyloskop nie pokazywał na wyjściu Si5351 żadnej składowej stałej.

Zdjęcia zrobię jak odszukam mieszacze, dawno temu próbowalem wdrożyć patent z przelacznikiem N/O przez zwieranie końcow transformatora bez powodzenia. Zapamiętałem, że końce są połączone. Skladową stałą możesz zaobserwować na oscyloskopie ustawiając przebieg na środku ekranu a potem przełączając wejscie AC/DC. "SIła" która przesuwa przebieg w osi pionowej to właśnie składowa stała. Być może tylko lekko podmagnesuje rdzeń transformatora, co może okazac sie korzystne z uwagi na produkty przemiany.

Na zdjęciach spodniej strony ADE-1, które można znaleźć w internecie, bardzo dobrze widać, że wszystkie skrajne piny mają podłączony tylko jeden kabelek - końcówkę zewnętrznego uzwojenia w izolacji, a piny środkowe mają dwa kabelki, bo tam przypadają środki uzwojeń wewnętrznych (tych od strony pierścienia diodowego).

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/c..._macro.png

https://qrpblog.com/2018/06/ade-1-24-mixer/

https://allegro.pl/oferta/mieszacz-diodo...d6604cf017

https://www.ebay.pl/itm/2-x-ADE-1-DOUBLE...1640200403

Takie dokładnie egzemplarze ja posiadam i nie spotkałem się z innymi, a tam nie ma możliwości, aby te masy były połączone.
Poza tym to, co mamy w nocie katalogowej, może być tylko sugestią, jak tę kostkę podłączyć, a nie dowodem na to, że te masy są już fabrycznie połączone.
I na tym właśnie polega cały "myk" mojego rozwiązania, że sugerując się notą katalogową, mało kto pewnie sprawdził, że pomiędzy pinami 1-4-5 nie ma zwarcia, a więc wejście może być symetryczne.

Czekam jednak na raporty od innych kolegów, którzy sprawdzą miernikiem swoje egzemplarze ADE-1.

To prawie niemożliwe ale jednocześnie zła i dobra wiadomość. Zła - nie mogę dokopać się do układu testowego z ADE-1, który jakiś czas temu skleciłem naprędce. Za to mam 2 nówki, które kupiłem też jakiś czas temu. I tu dobra wiadomość! One nie mają dekielka od spodu (w odróżnieniu od tego co pamiętam) i oczywiście uzwojenia nie są ze sobą połączone. Zatem zwracam honor i muszę ostrożniej formułować opinie na bazie pamięci.
Tak więc zastrzeżenie odnośnie konfiguracji mieszacza proszę wziąć za niebyłe.

To może kilka słów o oprogramowaniu...

Kod dla STM32 napisałem samodzielnie (włącznie ze sterowaniem kością Si5351).
Optymalizacja kodu i ilość pamięci tego kontrolera pozwoliły na wykonywanie aż 2048 12-bitowych próbek ADC dla każdego portu (referencyjny dla fazy i port pomiarowy dla magnitudy). Dalej całość przesyłana jest do PC po kablu USB.

Na komputerze wykorzystuję interfejs graficzny znany już z poprzednich analizatorów, ale oczywiście zmodyfikowany kod pod względem DSP.
Mamy więc FFT i odpowiednie obliczenia.

Prócz standardowej i oczywistej kalibracji wektorowej Open-Short-Load wykonywanej przy pomocy tak utworzonych wzorców na gniazdach SMA:

[attachment=14815]

Zrobiłem jeszcze dość autorską kalibrację źródła sygnału, który steruje Si5351 - generatora 27MHz.
Widmo sygnału przed tą kalibracją wygląda tak:

[attachment=14816]

a po kalibracji tak

[attachment=14817]

albo w bardzo dużym powiększeniu (proszę zwrócić uwagę na skalę po lewej):

[attachment=14818]

Dzięki tej kalibracji nie musiałem stosować okien dla FFT, a sygnał pożądany jest bardzo czysty.

Nawiasem mówiąc, jak widać, filtr dolnoprzepustowy 4-ego rzędu za mieszaczem dobrze się sprawuje, bo 3-cia harmoniczna sygnału jest całkiem dobrze wytłumiona (choć widać ją wyraźnie na tym powiększeniu).

---

Wczoraj jeden z kolegów skutecznie mnie zmobilizował do pracy i udało mi się zrobić nową wersję PCB w KiCAD. Mam nadzieję, że tym razem już finalną (opatrzyłem ją numerem wersji 2.1) i przeszkadzające rezonanse nie wystąpią. No chyba, że przyczyna rezonansów tkwi w czymś innym, niż mi się wydaje...
Pliki gerber poszły do produkcji w allpcb.com i wystarczy teraz poczekać.
Tym razem jednak dałem zwykłą pocztę (bo DHL + podatek od całości strasznie podraża sprawę, a zbyt dużo kasy już władowałem w ten projekt), więc trzeba cierpliwie czekać pewnie z dobry miesiąc.

Zaprezentuję teraz kilka przykładowych pomiarów zrobionych na prototypie.

Ponieważ to urządzenie prawidłowo "odczytuje" znak mierzonej reaktancji, możliwe są pomiary przez dowolnie długie kable (oczywiście 50-omowe koncentryki). Dlatego wszystkie pomiary, które prezentuję poniżej, zrobiłem przez taki oto kabel (długości mniej więcej jednego metra), który na końcach ma jeszcze odpowiednie przejściówki między złączami SMA, UC i N (takie trochę "dziwadło", bo akurat taki kabel miałem pod ręką, ale to też pokazuje, że konfiguracja przewodów nie ma za bardzo wpływu na pomiary, pod warunkiem oczywiście, że kalibrację wykonujemy na końcu takiego kabla):

[attachment=14824]

Ponieważ "głowica pomiarowa" urządzenia to zwykły mostek rezystancyjny, sygnał pochodzący z tego mostka jest wprost proporcjonalny do współczynnika odbicia Gamma na porcie pomiarowym. To więc oznacza, że im większe niedopasowanie mierzonej impedancji (za mała lub za duża), tym większa jest niedokładność pomiarów. W praktyce największy problem jest z dużymi impedancjami (port otwarty, na którym indukują się różne sygnały)
Teoria mówi, że prawidłowe pomiary w oparciu o Gammę (czyli wszelkiego rodzaju mostki, sprzęgacze itp.) udaje się uzyskać dla impedancji rzędu 1 do 1,5 kilooma.
W swoich testach jako miarodajne przyjąłem więc impedancje, które dają SWR na poziomie 1:10, aby sprawdzić jaką dają dokładność, bo wszystko inne co jest bardziej zbliżone do 50 omów będzie miało pomiary już tylko bardziej dokładne.
Podobnie jak poprzednio, pokazuję pomiary rezystancji (skala na lewej osi) oraz reaktancji (skala na prawej osi).

Tak więc wygląda pomiar rezystora 4,7 oma dla zakresu HF:

[attachment=14825]

Ten sam rezystor dla zakresu VHF (pasmo 2m):

[attachment=14826]

oraz dla zakresu UHF (pasmo 70cm, miernika pracuje na 3-ciej harmonicznej sygnału, a więc i sygnał pomiarowy jest znacznie słabszy):

[attachment=14827]

A teraz rezystor 455 omów (a właściwie dwa połączone równolegle rezystory 910 omów każdy) dla HF:

[attachment=14828]

dla VHF:

[attachment=14829]

oraz UHF:

[attachment=14830]

Z ciekawości sprawdziłem też dokładność dla jeszcze większej rezystancji, gdzie już dochodzimy do granicy możliwości urządzenia (zgodnej z teorią).

Rezystor 910 omów (SWR ~1:18!) dla HF:

[attachment=14831]

dla VHF:

[attachment=14832]

oraz dla UHF:

[attachment=14833]

Pomiar równoległego obwodu rezonansowego, złożonego z kondensatora 270pF i cewki na rdzeniu Amidon w okolicach 1uH pokazuje dobrze tę własnie granicę możliwości urządzenia, gdzie w rezonansie nie wychodzimy z impedancją powyżej 1 kilooma:

[attachment=14834]

A tak jeszcze wygląda pomiar kondensatora 270pF (tym razem lewa oś to bezpośrednio obliczona pojemność, a prawa reaktancja):

[attachment=14835]

I jeszcze ten sam kondensator na wykresie Smith'a:

[attachment=14836]

Wydaje mi się, że wygląda to całkiem nieźle

Wygląda na to, że te wszystkie nasze VNA zrobione do tej pory pójdą do lamusa ;-)

A jaką dokładność i minimalną wartość można osiągnąć przy pomiarze indukcyjności? Chodzi mi o wielkości rzędu nH ?