HF antennaelemző Arduino és DDS modullal: 6 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:42

Szia

Ebben az utasításban megmutatom, hogyan építettem egy olcsó antennaelemzőt, amely képes mérni az antennát és megjeleníteni a VSWR-t a HF frekvenciasávok bármelyikén vagy mindegyikén. Meg fogja találni a minimális VSWR-t és a megfelelő frekvenciát minden sávhoz, de valós idejű VSWR-t is megjelenít a felhasználó által kiválasztott frekvenciára, hogy megkönnyítse az antenna beállítását. Ha egyetlen frekvenciasávot söpör, a VSWR és a frekvencia grafikonja jelenik meg. A hátlapon USB-port is található a frekvencia és a VSWR adatok kiadásához, hogy lehetővé tegye a kifinomultabb grafikonrajzolást a számítógépen. Szükség esetén az USB -port a firmware frissítésére is használható.

Nemrég kezdtem bele az amatőr rádióba (mert tetszett az ötlet a peer-to-peer kommunikációról hatalmas távolságokon infrastruktúra nélkül), és gyorsan a következőket tettem:

1. Az engem érdeklő világméretű kommunikáció a HF sávokon (3-30 MHz) zajlik.

2. A nagyfrekvenciás adó-vevők nagyon drágák, és tönkremennek, ha nem hajtja be őket egy ésszerűen megfelelő antennába

3. Általában elvárják, hogy a kertben átfűzött drótdarabokból szerelje fel saját HF antennáját (kivéve, ha még több pénzt szeretne költeni, mint amennyit 2 -ben költött).

4. Lehet, hogy az antennája nem megfelelő, de nem fogja tudni, amíg nem próbálja ki.

Most egy purista valószínűleg azt mondaná, hogy először meg kell vizsgálni az antennát nagyon alacsony teljesítményen az érdeklődési gyakoriságon, és ellenőrizni kell a VSWR -t a szerelvény mérőjén, hogy felmérjék a mérkőzés minőségét. Valójában nincs időm ilyesmivel vacakolni minden frekvencián, amit esetleg használni szeretnék. Amit nagyon szerettem volna, az egy antennaelemző. Ezek az eszközök bármilyen frekvencián tesztelhetik az antenna illeszkedés minőségét a HF sávokon. Sajnos ezek is nagyon drágák, ezért elkezdtem mérlegelni, hogy elkészíthetem -e a sajátomat. Belebukkantam a K6BEZ (lásd https://www.hamstack.com/project_antenna_analyzer.html) kiváló munkájába, aki megvizsgálta egy Arduino használatát egy olcsó közvetlen digitális szintetizátor modul (DDS) vezérlésére. Hamarosan költség okok miatt elhagyta az Arduino -t, inkább a PIC -t használta. Nos, 2017 -ben körülbelül 3,50 fontért vásárolhat egy Arduino Nano -t, ezért úgy gondoltam, hogy itt az ideje, hogy újra megnézzem a munkáját, ott folytassam, ahol abbahagyta, és nézzem meg, mire juthatok (vegye figyelembe, hogy nem én vagyok az egyetlen) aki ezt megtette: nagyon szép példák találhatók az interneten).

Frissítés (2018.07.29.) - erre a munkára a bi3qwq, Kínából épít, aki nagyon szép fejlesztéseket hajtott végre a felhasználói felületen, amelyet kedvesen megosztott. Nagyon profi NYÁK -ot tervezett (nagy kalibrációs ellenállás funkcióval), és nagyon jól néz ki. Mindezek tetejébe egy vázlatot készített, amelyről tudom, hogy örülni fog azoknak, akik korábban hozzászóltak. További információért tekintse meg a megjegyzések részt.

Frissítés - Nemrég kezdtem bele a 60 m -be, amire az eredeti vázlat nem terjedt ki. Így most feltöltöttem a firmware 7 -es verzióját, amely hozzáadja a 160 m és 60 m sávokat. Ezek nem kiegészítők; teljesen beépültek az analizátor működésébe. Szerencsés voltam, hogy találtam egy u8glib betűtípust, amely még olvasható volt, de lehetővé tette számomra, hogy egyszerre tíz sávot jelenítsek meg azon a kis képernyőn (bár ez nem egytér, ami némi bánatot okozott). Megbecsültem az új sávok kalibrálási értékeit, a meglévő kalibrációs értékek interpolációja / extrapolációja alapján. Ezután ellenőriztem ezeket fix ellenállásokkal, és nagyon jó eredményeket adnak.

Frissítés - ahogy többen is kérdezték a vázlatokról, az alapvető Arduino / DDS / VSWR híd áramkör nagyrészt változatlan a K6BEZ eredeti munkájához képest. Kérjük, nézze meg a fenti URL -t, ahol megtalálható az eredeti vázlata, amelyre ezt a projektet alapítottam. Hozzáadtam egy kódolót, egy OLED képernyőt és egy teljesen kifejlesztett firmware -t, hogy könnyebb felhasználói élményt nyújtsak.

Frissítés - Ez a rendszer nagyon alacsony feszültségű DDS jelforrást használ, diódaérzékelőket tartalmazó ellenálló híddal együtt. Így a diódák nemlineáris régióikban működnek, és a rendszer első verziója inkább alulolvasott VSWR volt. Például egy 16 ohmos vagy 160 ohmos impedancia terhelésnek körülbelül 3 VSWR értéket kell mutatnia egy 50 ohmos rendszerben; ez a mérő ebben a helyzetben 2 -hez közelebb lévő VSWR -t jelzett. Ezért szoftveres kalibrációt végeztem ismert terhelések felhasználásával, ami hatékony megoldásnak tűnik erre a problémára. Ezt az útmutató utolsó előtti lépése írja le, és egy felülvizsgált vázlat került feltöltésre.

Frissítés - a fedélzeti ábrázolási lehetőség hozzáadva az egyes seprésekhez, mivel túl hasznos volt kihagyni, különösen akkor, ha az antenna hosszát a minimális VSWR -re hangolják: a grafikon azonnal látható tendenciát mutat.

1. lépés: Vásárolja meg cuccait

Szüksége lesz a következő elemekre. Legtöbbjük olcsón beszerezhető az Ebay -ről. A legdrágább egyetlen tétel a doboz volt, záráskor 10 font! Lehetséges néhány elem helyettesítése (például 50 R helyett 47 R -t használtam). A diódák meglehetősen szokatlanok voltak (5 darabot kellett vásárolnom Olaszországból), és érdemes helyettesíteni a könnyebben elérhető elemeket, ha tudja, mit csinál.

• Arduino Nano
• DDS modul (DDS AD9850 jelgenerátor modul HC-SR08 jel szinusz négyzethullám 0-40 MHz)
• 1,3 hüvelykes i2c OLED kijelző
• MCP6002 op-erősítő (8 tűs)
• 2 db AA143 dióda
• Kerámia kondenzátorok: 2 off 100 nF, 3 off 10 nF
• 1 uF elektrolit kondenzátor
• Ellenállások: 3 off 50 R, 2 off 10 K, 2 off 100 K, 2 off 5 K, 2 off 648 R
• 2,54 mm-es csavaros sorkapcsok: 3 db 2-tűs, 2 db 4-tűs
• Egymagos összekötő vezeték
• 702 vagy hasonló bekötőhuzal
• Stripboard
• Négyzet alakú fejléc (női) az Arduino és a DDS csatlakoztatásához - ne vegye meg véletlenül a kerek foglalatos cuccokat!
• SO-239 alvázra szerelhető foglalat
• Forgó jeladó (15 impulzus, 30 visszatartás) nyomókapcsolóval és gombokkal
• Olcsó forgó kódoló "modul" (opcionális)
• Projekt doboz
• Kapcsoló
• Derékszögű mini-usb-USB B válaszfalra szerelhető vezeték (50 cm)
• PP3 és elemcsipesz / tartó
• Öntapadó NYÁK-rögzítőoszlopok / -állványok

Szüksége lesz forrasztópáka és elektronikai eszközök használatára is. Egy 3D nyomtató és egy oszlopos fúró hasznos a burkolathoz, bár ha szeretné, valószínűleg összerakhatja az egészet a szalaglapra, és nem bajlódhat egy dobozzal.

Természetesen vállalja ezt a munkát, és saját felelősségére használja ki az eredményeket.

2. lépés: Fektesse ki a Stripboardot

Tervezze meg, hogyan fogja elrendezni az elemeket a szalaglemezen. Ezt akár saját maga is megteheti, a K6BEZ eredeti vázlatára hivatkozva (amelyből nincs kódoló vagy képernyő - lásd a https://www.hamstack.com/hs_projects/antenna_analyzer_docs.pdf 7. oldalt), vagy rengeteg időt takaríthat meg. másolja az elrendezésemet.

Ezeket az elrendezéseket egyszerű módon, négyzet alakú papír és ceruza segítségével csinálom. Minden kereszteződés egy szalagfuratot jelent. A rézpályák vízszintesen haladnak. A kereszt törött pályát jelent (használjon 6 mm -es fúrót vagy megfelelő szerszámot, ha van). Körök sora, körülöttük egy doboz fejlécet jelent. A csavarokkal ellátott nagy dobozok jelzik a csatlakozóblokkokat. Vegye figyelembe, hogy a diagramomon van egy extra vonal, amely vízszintesen halad a tábla közepén. Hagyja ezt ki, amikor összeállítja (ez "kihagyni ezt a sort" van jelölve).

Egyes alkatrészek furcsán helyezkedhetnek el. Ennek az az oka, hogy a tervezés az alapvető hardver működése után fejlődött (különösen, amikor rájöttem, hogy a kódolónak például hardvermegszakításokra van szüksége).

Amikor alkatrészeket forrasztok a táblára, a Blu-Tak segítségével határozottan a helyükön tartom őket, miközben megfordítom a táblát a lábak forrasztásához.

Az Arduino és a DDS modul összehangolásával próbáltam minimalizálni a felhasznált huzalmennyiséget, és csak a szalagpanelt használtam a kulcscsapok csatlakoztatásához. Akkor még nem tudtam, hogy a hardver megszakítások a kódoló olvasásához csak a D2 és D3 érintkezőknél működnek, ezért a DDS RESET -et egy kis vezetékkel kellett áthelyeznem az eredeti D3 kapcsolatból:

DDS RESET - Arduino D7

DDS SDAT - Arduino D4

DDS FQ. UD - Arduino D5

DDS SCLK - Arduino D6

Az Arduino D2 és D3 kódoló bemenetekhez használhatók. A D12 -et nem használják, de gondoltam, hogy mindenesetre csinálok hozzá egy csavaros csatlakozót, a későbbi bővítéshez.

Az Arduino A4 és A5 SDA & SCL (I2C) jeleket biztosít az OLED képernyőhöz.

Az Arduino A0 és A1 a bemeneteket a VSWR hídról veszi (az OPAMP -on keresztül).

3. lépés: Telepítse a modulokat, csatlakoztassa a perifériákat és villanja fel a kódot

Érdemes kipróbálni a táblát, mielőtt bajba kerülne a házba szereléskor. Rögzítse a következő alkatrészeket rugalmas huzal segítségével a táblához a csavaros sorkapcsok segítségével:

• 1,3 hüvelykes OLED kijelző (az SDA és az SCL az Arduino A4 és A5 érintkezőkhöz van csatlakoztatva; a föld és a Vcc az Arduino GND és +5V csatlakozóihoz nyilvánvalóan)
• Rotációs kódoló (ehhez földelésre, két jelvezetékre és egy kapcsolóvezetékre van szükség - előfordulhat, hogy a kapcsolóvezetékeket körbe kell fordítani, ha a kódoló rosszul működik - csatlakoztassa ezeket az Arduino földhöz, a D2, a D3 és a D11). Ne feledje, hogy prototípus-készítési munkámhoz a 15/30 kódolót egy KH-XXX kódoló modullapra szereltem fel, mivel a csupasz jeladók csapjai nagyon gyengék. Az utolsó munkához a vezetékeket egyenesen a kódolóra forrasztottam.
• 9V -os akkumulátor
• SO -239 foglalat - forrasztja a középső csapot az antenna jelvezetékéhez, és használjon M3 gyűrűs csatlakozót és csavart az antenna földeléséhez

Villogja fel az alábbi vázlatot az Arduino -ra. Győződjön meg arról is, hogy az Ol Kraus nagyon jó OLED illesztőprogram -könyvtárát is felvette, különben a fordítás összeomlik és leég:

Ha az OLED kijelzője kissé eltér, akkor szükség lehet egy másik konfigurációs beállításra az u8glib -ben; ezt jól dokumentálja Oli példakódja.

4. lépés: Tegye mindezt egy szép dobozba (opcionális)

Komolyan fontolóra vettem, hogy az elemzőgépet csupasz táblaként hagyom, mivel valószínűleg csak alkalmanként használták. Visszagondolva azonban arra gondoltam, hogy ha sok munkát végzek egyetlen antennán, akkor az végül megsérülhet. Tehát minden egy dobozban ment. Nincs értelme részletezni, hogyan történt ez, mivel a doboz valószínűleg más lesz, de néhány fontos jellemzőt érdemes megemlíteni:

1. Használjon öntapadó NYÁK-rögzítőelemeket a szalagpanel rögzítéséhez. Valóban megkönnyítik az életet.

2. Rövid USB -adapterkábellel vigye ki az Arduino USB -portot a ház hátsó részébe. Ezután könnyű elérni a soros portot a frekvencia és a VSWR adatok lekéréséhez, valamint az Arduino újratelepítéséhez anélkül, hogy levenné a fedelet.

3. Egyedi 3D nyomtatású részt fejlesztettem ki az OLED kijelző támogatására, mivel nem találtam semmit a weben. Ez egy mélyedéssel rendelkezik, amely lehetővé teszi egy 2 mm -es akrildarab behelyezését a törékeny képernyő védelme érdekében. Felszerelhető kétoldalas szalaggal vagy önmetsző csavarokkal (a fülekkel mindkét oldalon). A kijelző felszerelése után forró huzal segítségével (gondoljunk gemkapocsra és fúvólámpára) felolvaszthatjuk a PLA csapokat az áramköri lap hátoldalára, hogy mindent rögzítsünk. Íme az STL fájl annak, akit érdekel:

5. lépés: Kalibrálás

Eredetileg nem végeztem kalibrálást, de felfedeztem, hogy a VSWR mérő folyamatosan alacsony értéket mutat. Ez azt jelentette, hogy bár úgy tűnt, hogy az antenna rendben van, a gépem automatikus hangolója nem tudott megfelelni. Ez a probléma azért merül fel, mert a DDS modul nagyon alacsony amplitúdójú jelet ad (körülbelül 0,5 Vpp 3,5 MHz -en, a frekvencia növekedésével gördül le). A VSWR híd érzékelő diódái tehát nemlineáris tartományukban működnek.

Erre két lehetséges megoldás van. Az első egy szélessávú erősítő illesztése a DDS kimenetéhez. A potenciálisan megfelelő eszközök olcsón kaphatók Kínából, és körülbelül 2 V -ra növelik a kimenetet. Rendeltem egyet ezek közül, de még nem próbáltam ki. Az az érzésem, hogy még ez az amplitúdó is kissé marginális lesz, és némi nemlinearitás megmarad. A második módszer az, hogy ismert terheléseket helyezünk a meglévő mérő kimenetére, és rögzítjük a megjelenített VSWR -t minden frekvenciasávban. Ez lehetővé teszi, hogy korrekciós görbéket készítsen a tényleges és a jelentett VSWR -hez képest, amelyeket aztán be lehet helyezni az Arduino -vázlatba, és menet közben alkalmazni lehet a korrekciót.

A második módszert választottam, mivel könnyű volt megtenni. Csak fogja meg a következő ellenállásokat: 50, 100, 150 és 200 ohm. Ezen az 50 ohmos műszeren ezek definíció szerint megfelelnek az 1, 2, 3 és 4 VSWR -eknek. A vázlat tartalmaz egy „use_calibration” kapcsolót. Állítsa ezt LOW értékre, és töltse fel a vázlatot (amely figyelmeztetést jelenít meg a kezdőképernyőn). Ezután végezzen méréseket az egyes ellenállások minden frekvenciasávjának közepén. Táblázat segítségével ábrázolja a várható és a megjelenített VSWR értékeket. Ezután logaritmikus görbét illeszthet minden frekvenciasávhoz, amely szorzót és metszést ad a TrueVSWR = m.ln (MeasuredVSWR)+c formátumhoz. Ezeket az értékeket be kell tölteni az swr_results tömbbe az utolsó két oszlopban (lásd az előző megjegyzést a vázlatban). Furcsa hely ezek elhelyezésére, de siettem, és mivel ez a tömbbolt lebeg, ésszerű választásnak tűnt abban az időben. Ezután tegye vissza a use_calibration kapcsolót HIGH állásba, töltse fel újra az Arduino -t és induljon.

Vegye figyelembe, hogy a pontfrekvenciás mérések során a kalibrációt a kezdeti sávválasztásra alkalmazzák. Ez nem frissül, ha durván változtat a gyakoriságon.

Most a mérő a rögzített terheléseknek megfelelően számol, és úgy tűnik, hogy van értelme az antennáim mérésekor! Gyanítom, hogy nem fogom fárasztani magam, ha kipróbálom azt a szélessávú erősítőt, amikor megérkezik…

6. lépés: Az analizátor használata

Csatlakoztasson egy antennát a PL-259 vezetékkel, és kapcsolja be a készüléket. Megjelenik a kezdőképernyő, majd automatikusan elvégzi az összes fő HF sáv söprését. A kijelzőn megjelenik a tesztelt frekvencia, az aktuális VSWR -leolvasás, a minimális VSWR -leolvasás és a gyakoriság, amelyen ez történt. A mérési zaj csökkentése érdekében minden frekvenciaponton öt mérést végeznek a VSWR -ről; ennek az öt leolvasásnak az átlagértéke a végső érték megjelenítése előtt átmegy egy kilencpontos mozgóátlag szűrőn a frekvencia tekintetében.

Ha meg akarja állítani ezt az összes sávos seprést, nyomja meg a kódoló gombot. A söprés leáll, és megjelenik az összesített sávadat összefoglalója (a még nem törölt sávok nulláival). A második megnyomásra megjelenik a főmenü. A választások a kódoló elforgatásával, majd a megfelelő ponton történő megnyomásával történnek. A főmenüben három lehetőség közül választhat:

Az összes sáv söprése újraindítja az összes fő HF sáv söprését. Amikor befejezi, megjelenik a fent leírt összefoglaló képernyő. Írja le ezt, vagy készítsen fotót, ha meg akarja tartani.

A Sweep single band lehetővé teszi, hogy egyetlen jelet válasszon ki a kódolóval, majd söpörje le. A kiválasztás során megjelenik a hullámhossz és a frekvenciatartomány is. Amikor a söprés befejeződött, a kódoló második megnyomása egy egyszerű VSWR és frekvencia grafikont jelenít meg az éppen lecsúszott sávon, a minimális VSWR és a bekövetkező gyakoriság számszerű jelzésével. Ez nagyon praktikus, ha tudni szeretné, hogy lerövidítse vagy meghosszabbítsa a dipóluskarjait, mivel ez a VSWR tendenciát mutatja gyakorisággal; ez elveszik az egyszerű numerikus jelentéssel.

Az egyetlen frekvencia lehetővé teszi egyetlen rögzített frekvencia kiválasztását, majd folyamatosan frissíti az élő VSWR mérést, valós idejű antennahangolás céljából. Először válassza ki a megfelelő frekvenciasávot; ekkor a kijelzőn megjelenik a kiválasztott sáv középső frekvenciája és egy élő VSWR leolvasás. Ezen a ponton alkalmazzák a megfelelő sávkalibrálást. A frekvencia egyik számjegye alá lesz húzva. Ez a kódolóval balra és jobbra mozgatható. A kódoló megnyomása felbátorítja a vonalat; akkor a kódoló elforgatása csökkenti vagy növeli a számjegyet (0-9 burkolás vagy hordozás nélkül). Nyomja meg ismét a kódolót a szám javításához, majd folytassa a következővel. Ezzel a lehetőséggel nagyjából bármilyen frekvenciát elérhet a teljes HF spektrumban - a kezdeti sávválasztás csak segít abban, hogy közel kerüljön ahhoz a helyhez, ahol valószínűleg lenni szeretne. Van azonban egy figyelmeztetés: a kiválasztott sáv kalibrálása az elején töltődik be. Ha a számjegyek megváltoztatásával túl messze távolodik a kiválasztott sávotól, a kalibrálás kevésbé lesz érvényes, ezért próbálja meg a választott sávon belül maradni. Ha befejezte ezt az üzemmódot, mozgassa az aláhúzást egészen jobbra, amíg az „exit” alá nem kerül, majd nyomja meg a kódolót a főmenübe való visszatéréshez.

Ha a számítógépet az elemzőgép hátoldalán található USB -aljzathoz (azaz az Arduino -hoz) csatlakoztatja, akkor az Arduino soros monitor segítségével összegyűjtheti a frekvencia és a VSWR értékeket bármilyen söprési művelet során (jelenleg 9600 -ra van állítva, de ezt megváltoztathatja) egyszerűen a vázlatom szerkesztésével). Az értékeket ezután táblázatba lehet helyezni, így tartósabb grafikonokat rajzolhat stb.

A képernyőképen látható a 7,6 m horgászbot függőleges antennám VSWR összefoglalója, 9: 1 UNUN. A gépem 3: 1 max SWR-t képes befogadni a belső automatikus hangoló egységgel. Láthatja, hogy a 80 m és 17 m kivételével minden sávon képes lesz ráhangolni. Így most megnyugodhatok abban a tudatban, hogy van egy elfogadható többsávos antennám, és nem fogok tönkretenni semmi drágát, amikor a sávok többségén adok.

Sok sikert, és remélem, hogy ezt hasznosnak találja.