HF-mW-Meter mit PEP und AVG/RMS Anzeige

HF-mW-Meter mit PEP und AVG/RMS Anzeige
Andreas Lindenau
DL4JAL DOK:S43
Loheweg 5
09573 Schellenberg
E-Mail: [email protected]
WWW: www.dl4jal.eu
Ich habe festgestellt, meine Messmöglichkeiten für HFPegel sind alle ungenau!!
Nach Sichten der gebrauchten mW-Meter bei Ebay und
die dazugehörigen Preise, reifte in mir der Wunsch
selbst ein mW-Meter zu konstruieren.
Zuerst ein Blick ins Internet, was es da schon als
Konstruktionen gibt.
DL1ALT „Helmut“ hat ein mW-Meter konstruiert mit einem AD8362 als Messkopf.
Das sieht schon mal ganz gut aus.
Hier ein Aufbau von DM2CMB „Rainer“.
Ein weiterer Aufbauvorschlag ist hier zu sehen von DH1AAD „Ingo Gerlach“.
Er verwendet einen AD8361. Mit diesem IC erreicht man eine hohe Genauigkeit, aber
dieser IC hat wenig Pegeldynamik.
Ein mW-Meter was schon länger im Internet zu finden ist hat OZ2CPU „Thomas“
konstruiert. Er verwendet den AD8307 zum Messen. Beachtlich ist die hohe
Pegeldynamik.
Hier eine der Ansichten des mW-Meters:
Jetzt reifte in mir das mW-Meter Projekt und ich wollte unbedingt meine Wünsche noch
mit einbringen.
► Die Messköpfe müssen auswechselbar sein. Verschieden HF-Messköpfe und
auch ein NF-Messkopf.
► Beim Messkopfwechsel werden die Kalibrierdaten automatisch nachgeladen.
Je nach Messkopfnummer.
► Ein pegelabhängige Tonausgabe für Abgleichzwecke. Filterabgleich,
TV-Sat-Spiegel einrichten.
► Möglichst eine getrennte Messung von PEP und RMS (Mittelwert) für
Zweitonmessungen an Endstufen.
► Ein weiterer Wunsch ist eine Aufzeichnungsfunktion längere Zeit, für die
Verwendung als abgesetztes Feldstärkemessgerät. (Antennenversuche,
verschiedene Tuner testen usw.)
► Einfaches Kalibrieren der Messköpfe mit einem
Eigenbau-Kalibriergenerator 0 dBm.
► Einstellbare Vordämpfung in einem großen Bereich, in 0,1dB Abstufung
► USB-Anschluss für PC-Anzeige und Auswertung FS-Messwerte
Als zentrale Steuerung verwende ich wieder einen PIC 18F4520.
Zuerst müssen wir eine Betrachtung anstellen ob die 10Bit Auflösung des ADC-Einganges
ausreichend ist. Ich will die ICs AD8362 und AD8307 als Messkopf verwenden.
Anzeigegenauigkeit
PIC ADC-Eingang
5Volt
AD8362 mit max
60dB Dynamik
< 0,1dB pro Digit
Messgenauigkeit laut
Datenblatt +/- 0,5dB
also alles OK
3,44 Volt
10Bit = 1024 Stufen
606 Stufen
bei 60dB
2,7 Volt
491 Stufen
bei 90dB
0,48 Volt
0Volt
AD8307 mit max
90dB Dynamik
0,18dB pro Digit
Messgenauigkeit laut
Datenblatt +/- 1dB
also alles OK
0,3 Volt
Zur Erhöhung der Messgenauigkeit des A/D Wandlers wird jede Messung aus 32 A/DEinzelmessungen gebildet. Damit wird die Messgenauigkeit noch einmal verbessert.
Ein ganz schwieriger Punkt ist das Unterscheiden von PEP-Leistung und RMS- oder
Durchschnitts-Leistung. Ich habe zuerst versucht, durch schnelles Abtasten der
Hüllkurve die Messdaten zu ermitteln. Im Prinzip funktioniert das, aber man stößt an
die Grenzen der Arbeitsgeschwindigkeit des PIC.
So könnte Hüllkurve der HF bei SSB-Modulation aussehen.
PEP-Leistung
RMS-Leistung
DurchschnittsLeistung
Warum ist mir das Messen der PEP-Leistung so wichtig?
Betrachten wir einmal einen Einton. Wir steuern eine PA mit einem HF-Signal an und
Messen am Ausgang mit einem Oszi am Messausgang der Dummyload. Der
Spannungswert Spitze-Spitze des Signals beträgt umgerechnet 113Volt.
Uss = 113 Volt
U = 56,5 Volt
Ueff = 56,5 / Wurzel(2) = 39,9 Volt
P = U2 / 50 Ohm = 31,9 Watt
Warum ist mir das Messen der PEP-Leistung so wichtig?
Wir machen aus dem Einton einen Zweiton mit gleichem Pegel. Der Spannungswert
Spitze-Spitze an der Dummyload verdoppeln sich im Maximum und beträgt deshalb max
226Volt. Die Verdopplung der Spannung entsteht durch Überlagerung beider
Sinuswellen.
Uss = 226 Volt
Umax = 113 Volt
Ueff = 113 / Wurzel(2) = 79,9 Volt
Eintonaussteuerung 31,9 Watt
2
P = U / 50 Ohm = 127,7 Watt
Zweitonaussteuerung 127,7 Watt
Wir erkennen also ein Zweiton mit gleichen Pegel würde eine 4-Fache Leistung
erzeugen, da sich die Sinuswellen überlagern und den doppelten Spannungsbetrag
entsteht.
Beim Messen an einer PA
mit Zweitonaussteuerung
wird die PA ganz schnell
übersteuert, und wir
bemerken es nicht!!!
Deshalb ist mir das Messen
der PEP-Leistung so wichtig!
Realisierung
► Möglichst eine getrennte Messung von PEP und RMS (Mittelwert) für
✔
Zweitonmessungen an Endstufen.
✔
Das Messignal wird mit OPV gepuffert und in 2 Messkanäle getrennt verarbeitet.
Messkanal 1 PEP Messung:
Maximum erfassen
Langsames Entladen
Realisierung
► Möglichst eine getrennte Messung von PEP und RMS (Mittelwert) für
✔
Zweitonmessungen an Endstufen.
✔
Das Messsignal wird mit OPV gepuffert und in 2 Messkanäle getrennt verarbeitet.
Messkanal 2 RMS/AVG Messung:
Mittelwertbildung
► Die Messköpfe müssen auswechselbar sein. Verschieden HF-Messköpfe und
✔
auch ein NF-Messkopf.
✔►
Beim Messkopfwechsel werden die Kalibrierdaten automatisch nachgeladen.
✔
Je nach Messkopfnummer.
✔
► Die Messköpfe müssen auswechselbar sein. Verschieden HF-Messköpfe und
✔
auch ein NF-Messkopf.
✔►
Beim Messkopfwechsel werden die Kalibrierdaten automatisch nachgeladen.
✔
Je nach Messkopfnummer.
✔
► Ein pegelabhängige Tonausgabe für Abgleichzwecke. Filterabgleich,
✔
TV-Sat-Spiegel einrichten.
✔
► Ein weiterer Wunsch ist eine Aufzeichnungsfunktion längere Zeit, für die
✔
Verwendung als abgesetztes Feldstärkemessgerät. (Antennenversuche, verschiedene
✔
Tuner testen usw.)
✔
Es können bis zu 16000 Datensätze abgespeichert werden. Beim Abstand von 1Sekunde
sind das fast 4,5 Stunden Aufzeichnungszeit. Bei größerem Aufzeichnungsabstand
entsprechend länger. 5 Sekunden Abstand entsprechend etwa 22 Stunden.
Einfaches Kalibrieren
► Einfaches Kalibrieren der Messköpfe mit einem
✔
Eigenbau-Kalibriergenerator 0 dBm.
✔
Dieser Punkt ist nicht ganz einfach zu realisieren, aber ich habe einen ausreichend
genaue Lösung gefunden.
Hier ist mir eine Schaltung von Thomas Moliere, DL7AV in die Hände gefallen. Ich
habe fast alle Bauelemente auf SMD umgestellt.
Das Schaltungsprinzip ist einfach und genial. Ein CMOS-Quarzoszillator dient als HFQuelle gefolgt von einem HEX-Mosfet als Verstärker. Das Mosfet wird über eine
Amplitudenregelschleife am GATE geregelt. Die Amplitudenregelschleife verwendet als
Referenz eine genaue Gleichspannung von etwa 5,03 Volt. Die Genauigkeit der
Amplitude beträgt 0 dBm +/- 0,2dB.
Wer Zugang zu einer Kalibriermöglichkeit hat, kann genau auf 0 dBm abgleichen. Das
geschieht durch ändern der Spannungsteiler am Spannungsregel-IC. Die 5Volt werden
nicht nur als Betriebsspannung genutzt sondern auch als Referenzspannung für die
Amplitudenregelschleife.
Einfaches Kalibrieren
Hier das Schaltbild:
Einfaches Kalibrieren
Hier ist mein Testaufbau zu sehen.
Bis auf dem CMOS-Baustein ist alles
in SMD realisiert.
Durch die Miniaturisierung konnte ich
den Kalibriergenerator mit in das
mW-Meter einbauen.
Einfaches Kalibrieren
Der AD8307, AD8362 und ähnliche ICs haben die Eigenschaft, dasssss Änderungen des
Eingangspegels in dBm eine linerare Änderung dAusgangsspannungung zur Folge hat.
Die dB-Abweichung an dieser linearen Funktion ist sehr gering (siehe Datenblatt).
Den Verlauf dieser linearen Funktion kann man mit zwei Konstanten genau beschreiben.
Diese Konstanten müssen wir beim Kalibrieren errechnen, speichern und den jeweiligen
Messköpfen zuordnen. Ich habe 2 Formeln dazu entwickelt:
Einfaches Kalibrieren
So etwa sieht der Verlauf einer Kalibrierung
aus. Für die -30dBm wird ein Dämpfungsglied
vor den 0dBm gesteckt. Die errechneten
Daten werden im Eeprom des PIC unter der
eingestellten Kopfnummer abgespeichert und
werden bei der nächsten Benutzung dieses
Messkopfes automatisch wieder geladen.
►Einstellbare Vordämpfung in einem großen Bereich, in 0,1dB Abstufung
✔
Wird bei einem Messvorgang an einer PA eine Dummyload mit Messausgang benutzt, ist
es sinnvoll, wenn man die Auskoppeldämpfung des Messausganges am mW-Meter
einstellen kann und dadurch eine automatische Umrechnung in die tatsächliche
Ausgangsleistung der PA an der Dummyload erhält.
Im unteren Beispiel wird eine Mosfet-PA mit einem Zweiton ausgesteuert. An der
Dummyload (MFJ-264 1,5kW) habe ich einen Messkoppler -40dB und ein zusätzliches
Dämpfungsglied 20dB angeschlossen. Entsprechend werden im Messgerät +60dB
eingestellt. Der gemessene Pegel erhöht sich um 60dB in der Anzeige.
Gesamtansicht des mW-Meters mit Messköpfen, Combiner und
Dämpfungsglied 30dB vom FA
Hier der Messkopf mit dem AD8362. Rechts der Kodierschalter für die Kopfnummer.
Dieser Messkopf hat die Nummer 0. Bei den anderen Messköpfen habe ich den DIPSchalter weggelassen und nur Drahtbrücken eingesetzt. Das macht sich besser.
Messkopf mit AD8307 mit Frequenzgangkompensation
Oben das Audiosignal aus
meinem PicAStar
Unten der Messkopf im Leerlauf
► USB-Anschluss für PC-Anzeige und Auswertung FS-Messwerte
✔
Wir starten die PC-SW und es beginnt die Suche nach dem USB-Anschluss des mWMeters. In diesem Fall unter Linux. Aber unter Windows funktioniert das genau so.
Die HW wurde
gefunden. Die
Schnittstelle wird
geöffnet.
Im Display des
Messgerätes wird in
der Zeile 2 mitte, ein
„+“ anstelle des „|“
angezeigt.
Alle Daten werden
angezeigt.
Die veränderte AttenuatorEinstellung wird sofort
Übertragen.
Wir wechseln in das
Fenster der
Datenaufzeichnung
und lesen die Daten
des externen
Eeproms aus.
Es sind 33
Datensätze im
Speicher mit 1 Sek.
Zwischenzeit.
Jetzt ist es günstig
den tatsächlichen
Startzeitpunkt der
Messreihe zu
synchronisieren.
In der Eingabe
„Startzeit“ können
wir den genauen
Beginn der
Messreihe
eintragen und mit
„Refresh“ in die
Tabelle
synchronisieren.
Die Auswertung
können wir auch in
einem anderen
Programm
vornehmen. Dazu
dient der CSVExport.
Zum Beispiel
„Excel“ unter
Windows.
Vielen Dank für
Eure Aufmerksamkeit!
73 Andreas DL4JAL
Wer diesen Vortrag noch einmal nachlesen möchte.
Auf folgendem Link besteht die Möglichkeit:
http://www.dl4jal.eu/Vortraege/vortrag_mw_meter.pdf
Email: [email protected]
Homepage: www.dl4jal.eu