DSP VNA by SP3GO (100kHz - 450MHz)

[SP3GO]

Poniżej zamieszczam obiecane pomiary. Tym razem wszystkie robione w pełnym zakresie od 0,1 do 500MHz.
Zaburzenia na wszystkich wykresach w okolicy 225MHz to rzecz normalna - jest to efekt interpolacji pomiarów kalibracyjnych i tego, że od tej częstotliwości miernik przechodzi na pracę na 3-ciej harmonicznej - stąd ta nieciągłość.

Najpierw pomiary robione przez kabel o długości 1 metra robione po wykonaniu kalibracji na końcu tego kabla.

Rezystor 50 omów (używany do kalibracji):

   

Rezystor 4,7 oma:

   

Rezystor 455 omów:

   

Rezystor 910 omów:

   

Dławik 0805 150nH:

   

Obwód równoległy LC w okolicach rezonansu (~1uH + 270pF):

   

A teraz pomiary na porcie miernika (kalibracja bezpośrednio na porcie):

Rezystor 50 omów (używany do kalibracji):

   

Rezystor 4,7 oma:

   

Rezystor 455 omów:

   

Rezystor 910 omów:

   

Dławik 0805 150nH:

   

Kondensator przewlekany 270pF:

   

Jak widać w okolicach 97MHz jego reaktancja zmienia charakter z pojemnościowej na indukcyjną i impedancja zaczyna rosnąć wraz z częstotliwością.

A tak jeszcze wygląda kabel 1m (ten użyty poprzednio do pomiarów) otwarty na końcu i mierzony na porcie:

   

Jak widać jego rezonans szeregowy (|Z|=0) wypada w okolicach 60MHz, a więc wiedząc, że ma on fizycznie 1 metr długości, już wiem, że ma współczynnik skrócenia tego kabla jest na poziomie 0,8

Obliczanie długości kabla i jego współczynnika skrócenia to chyba dwie następne funkcjonalności, które wejdą do programu na PC.

Pozdrawiam,
Rafał SP3GO

---

A teraz garść informacji dla tych, którzy będą chcieli złożyć własne DSP VNA.

Tutaj jest schemat:
  schema.pdf (Rozmiar: 188.27 KB / Pobrań: 1,130)

Tutaj jest lista BOM:
  BOM.pdf (Rozmiar: 26.41 KB / Pobrań: 1,046)

PCB jest zrobione dla obudowy Z97 takiej:
LINK

Generatora 27MHz użyłem takiego:
LINK

ale może być też taki:
LINK

Złącza USB użyłem takiego:
LINK

A dla tych, dla których nie starczyło PCB, tutaj są pliki Gerber do produkcji kopii:
  gerber-2_1.zip (Rozmiar: 132.09 KB / Pobrań: 1,042)

Po wsad do STM32 i oprogramowanie na PC proszę się zgłaszać już na mój prywatny email.

Pozdrawiam,
Rafał SP3GO

[SQ5KVS]

Podoba mi się bo jest proste i działa, a wyniki pomiarów są świetne. Mam pytanie (które może wynikać z faktu że czegoś nie przeczytałem). Czy ten drugi (ten górny) ADE jest potrzebny? Podłączasz do niego LO (które wychodzi z Si) i CLK0 (które też wychodzi z SI). Wiec w sumie miksujesz dwa sygnały które świetnie znasz... Po co więc miksować, może można policzyć...

Do badania wzmacniaczy prosił bym o sprawdzenie (i takąż opcję w sofcie) jak zmniejsza się dokładność pomiaru impedancji wejściowej od poziomu sygnału (hm.. no tak, nie ma regulacji poziomu CLK1, więc może innym razem). Przy tych sygnałach które wyjdą z Si będzie tam o ile dobrze widzę jakieś 1 - 1.5V p-p, to może przesterować wejścia części wzmacniaczy i pomiar jest nieadekwatny..

[SP9BSL]

Karolu faza... Bez pomiaru drugim mieszaczem nie będziesz miał informacji o fazie sygnału wyjściowego z generatora. Mnie interesuje inna rzecz: dla czego do obu mieszaczy wchodzi inny sygnał z SI5351: CLK0 i CLK1? Nie powinien to być ten sam sygnał?

[SQ5KVS]

Hm... Ok, ale przecież to są dwa wewnętrzne sygnały, LO i CLK0, generowane przez ten sam Si, więc ich fazę możemy sobie ustawić w samym Si...

[SP3GO]

Karolu faza... Bez pomiaru drugim mieszaczem nie będziesz miał informacji o fazie sygnału wyjściowego z generatora.

Dokładnie.

Hm... Ok, ale przecież to są dwa wewnętrzne sygnały, LO i CLK0, generowane przez ten sam Si, więc ich fazę możemy sobie ustawić w samym Si...

Ale faza pojedynczego sygnału może być dowolna, w zależności od tego, w którym momencie zaczniemy go samplować. A dopiero pomiar (jednoczesny!) dwóch sygnałów da nam informację o ewentualnej zmianie fazy sygnału pomiarowego względem tego referencyjnego.

Innymi słowy, gdybyśmy mierzyli jeden sygnał, to uzyskamy dla poszczególnych częstotliwości fazę np.:
10, 180, 45, 90, 70, -160, -20, -60
Faza wydaje się losowa.

Ale jak już mierzymy dwa sygnały, to analogicznie otrzymamy wartości:
10|5, 180|175, 45|40, 90|85, 70|65, -160|-165, -20|-25, -60|-65
I wtedy wiemy, że faza sygnału mierzonego różni się od referencyjnego o 5 stopni

Do badania wzmacniaczy prosił bym o sprawdzenie (i takąż opcję w sofcie) jak zmniejsza się dokładność pomiaru impedancji wejściowej od poziomu sygnału (hm.. no tak, nie ma regulacji poziomu CLK1, więc może innym razem). Przy tych sygnałach które wyjdą z Si będzie tam o ile dobrze widzę jakieś 1 - 1.5V p-p, to może przesterować wejścia części wzmacniaczy i pomiar jest nieadekwatny..

No można by oczywiście próbować wstawić tam jakiś programowalny tłumik, ale wtedy nie wykorzystamy pełnej rozdzielczości 12-bitowego ADC i podejrzewam, że dokładność pomiaru znacznie spadnie, bo dostępna dynamika będzie znacznie mniejsza.
Oczywiście można by też dodać sterowanie wzmocnieniem za LPF, ale i cały układ trochę się skomplikuje. Ja chciałem postawić na prostotę układu i maksymalizację dokładności pomiaru.

Si5351 też ma sterowanie poziomem sygnału wyjściowego skokowo na 4 poziomach: 2, 4, 6 i 8. W tej chwili (jak widzę w kodach) do 225MHz mam poziom 4 i pod to było dobierane wzmocnienie za LPF (a więc jest jeszcze możliwość programowego obniżenia do 2 i sprawdzenia jak to wpłynie na dokładność pomiarów), ale dla pracy na 3-ciej harmonicznej mam już poziom najniższy 2.

Akurat taki a nie inny poziom sygnałów (4 na 1-szej i 2 na 3-ciej harmonicznej) wynikał z wielu eksperymentów i wyszło, że takie ustawienie ma najmniejszą różnicę amplitud między sygnałami w obu zakresach, a jednocześnie sygnały podstawowe nie są przesterowane.

Mnie interesuje inna rzecz: dla czego do obu mieszaczy wchodzi inny sygnał z SI5351: CLK0 i CLK1? Nie powinien to być ten sam sygnał?

Powód: izolacja między kanałami - powinna być jak największa, aby zmiany na kanale pomiarowym nie wpływały na kanał referencyjny. A pomiar fazy jest w tym temacie bardzo wrażliwy.

Mostek ma na gałęzi tylko 50 omów, więc obciążenie mostka jakąś dziwną impedancją mogłoby w znaczącym stopniu wpłynąć na sygnał referencyjny, gdyby był brany z tego samego zegara, a więc ze "szczytu" mostka.
A tak - izolację zapewniają nam bufory wyjściowe Si5351

Oczywiście oba sygnały (CLK0 i CLK1) są w Si5351 ustawione tak, aby miały tę samą fazę (zasilane jedną PLL).


Pozdrawiam,
Rafał SP3GO

[SP9BSL]

Oczywiście, teraz rozumiem - dzięki.

[SQ5KVS]

No ok, wczoraj byłem niewyspany i dlatego zadawałem nierozsądne pytania, na szczęście przestałem drążyć, przespałem się i wszystkie te wasze wyjaśnienia nic nie znaczą dopóki się nie zrozumie że CLK0 i LO nie są takie same bo mają przecież zdudniać się do częstotliwości audio . Wtedy faza nam się zmienia i trzeba ją mierzyć..

---

A, jeszcze jedna kwestia, która mnie nurtowała przy pracach nad poprzednimi analizatorami ale nie miałem czasu. Jak fakt, że mamy prostokąt (czyli częstotliwość podstawową + 1/3 f3 + 1/5f5 + ...) nam wpływa na pomiary? Ok, w przypadku elementów niezłośliwych, np idealne cewki czy kondensatory, może to nie jest takie istotne. Ale teraz mierząc np. SWR
anteny, albo linii długiej - załóżmy że na częstotliwości podstawowej wszystko jest tip-top, czyli dopasowanie idealne, nic nie wraca. Ale na częstotliwości f3 jest jakiś kataklizm . Wtedy SWR będzie zawyżony o to niedopasowanej z f3, itd..
Chyba że tak się ma dla pomiarów skalarnych (że się ma to wiem bo tak mam w NWT7 który nie ma filtra po DSP , a wektorowo jest na to metoda (jeśli to było wyjaśniane to wystarczy odnośnik

[SP9FKP]

To tylko matematyka, wystarczy wybrać właściwy produkt przemiany.

[SQ5KVS]

Aaaa... No i wszystko jasne. Czyli po to DSP żeby wyciąć co trzeba, zmierzyć kąty i natężenia. Dzięki!

[SP3GO]

Jeden z kolegów zmotywował mnie na priv i powstała nowa wersja oprogramowania - pozbyłem się tej nieprzyjemnej nieciągłości na wykresach w okolicach 225MHz.
Wynikała ona stąd, że wszystkie pomiary kalibracyjne trzymałem w jednej tablicy interpolacji, więc po przejściu na 3-cią harmoniczną powyżej 225MHz właśnie, następował nieunikniony skok amplitudy i stąd w interpolacji tak duże zafalowanie.

Wystarczyło rozdzielić tablicę interpolacji na dwie: dla dolnego i górnego zakresu, a zafalowanie zniknęło jak ręką odjął

Oto rezystor 50R (pomiar przez metrowy kabel) w całym zakresie:

   

Pięknie, gładko

Pozostałe wykresy podobnie jak ostatnio, ale już bez "zęba" w okolicy 225MHz.

Pozdrawiam,
Rafał SP3GO

---

Tak właściwie, to prezentując VNA i wykres dla 50R na porcie, powinienem również zamieścić wykres RL (Return Loss) przy pełnym dopasowaniu, bo mówi on wiele o jakości miernika i o tym, jaką dynamikę (a więc i dokładność) mamy dostępną.

Oto więc RL w pełnym zakresie:

   

Jak widać w dolnym zakresie (poniżej 225MHz, a więc łącznie z pasmem 2m) utrzymuje się na wysokim poziomie ~75dB, ale nawet dla górnego zakresu (>225MHz, praca na 3-ciej harmonicznej) tylko w niektórych miejscach spada poniżej 60dB.

Gdyby kogoś interesował RL na samym początku zakresu, a więc fale długie i średnie, to proszę bardzo:

   

A tutaj jeszcze zbliżenie RL dla okolic pasma 70cm:

   

Jakiś czas temu wymieniłem się z jednym z Kolegów ciekawą dyskusją na temat VNA - podesłał mi wtedy parę wykresów ze swojego urządzenia (miniVNA), gdzie było m.in. Return Loss przy dopasowaniu. Nie wiem dlaczego (jakieś ograniczenia sprzętu?) ale RL kończył się u niego na ~40dB, więc DSP VNA wypada w tym porównaniu naprawdę dobrze

A jak RL wygląda na MAX6 albo innym VNA?
Podzieli się ktoś screenami dla porównania?

Pozdrawiam,
Rafał SP3GO