Ψηφιακή γέφυρα στασίμων – βατόμετρο από 1,8 - 50 ΜΗz κατασκευής του Στάθη SV1NQX

Καλό μήνα.
Και ο μήνας όντως ξεκινάει καλά, με μια κατασκευή. Η παρακάτω παρουσίαση της ψηφιακής γέφυρας είναι μια κατασκευή του φίλου και συναδέλφου Στάθη SV1NQX. Ένα σχετικά δύσκολο για πολλούς από εμάς εγχείρημα, όχι όμως για το Στάθη ο οποίος αν και αυτοδίδακτος ηλεκτρονικός, με ότι καταπιάνεται το μετατρέπει σε "χρυσάφι"!

Η κατασκευή που παρουσιάζουμε και η οποία σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε από τους IK3OIL και IW3EGT (Padova ARI club) είναι μια επαγωγική γέφυρα στασίμων – μέτρησης ισχύος (βατόμετρο), η οποία ελέγχεται από ένα μικροεπεξεργαστή PIC 16F876. Η λειτουργία της είναι εντελώς αυτόματη και απεικονίζει σε οθόνη υγρών κρυστάλλων (LCD) 2x16 χαρακτήρων τόσο τον λόγο στασίμων κυμάτων (SWR) όσο και την εκπεμπόμενη ισχύ P.E.P. Η στιγμιαία ισχύς κορυφής απεικονίζεται γραφικά από γράφημα μπάρας στη δεύτερη σειρά της οθόνης. Η συσκευή λειτουργεί με ακρίβεια στην ζώνη συχνοτήτων HF με ανώτατο όριο ισχύος, βάσει των υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για τη κατασκευή της, τα 120W περίπου, και με ελάχιστο όριο ακριβούς μέτρησης τα 5W.

To directional coupler της γέφυρας αποτελείται από ένα μικρό κομμάτι RG-174 μήκους περίπου 5 cm, το οποίο περνά μέσα από έναν τορροειδή φερίττη FT-50-43, τυλιγμένο με 35 σπείρες εμαγιέ σύρματος 0,4mm. Για την ανόρθωση της επαγωγικής τάσης χρησιμοποιούνται δύο δίοδοι Schottky 1N5711, ενώ η ισόρροπη λειτουργία της γέφυρας εξασφαλίζεται από ένα trimmer 5-62pF. Για την βελτίωση της γραμμικότητας λειτουργίας των διόδων ανόρθωσης, εφαρμόζεται πάνω τους μια πολύ μικρή τάση bias της τάξεως των 5mV περίπου σε κατάσταση ηρεμίας (χωρίς δηλαδή την εφαρμογή ισχύος στο σύστημα). H κατασκευή του directional coupler γίνεται πάνω σε πλακέτα διπλής όψεως, της οποίας η μια όψη μένει ως έχει παίζοντας τον ρόλο του ground plane, ενώ στην άλλη κολλιούνται τα εξαρτήματα. Στη όψη του ground plane βιδώνονται δύο κοννέκτορες σασί SO-239 ή N-TYPE. Όλη η διάταξη βιδώνεται με τη σειρά της πάνω στο μεταλλικό κουτί κατασκευών που έχουμε επιλέξει.

Το δεύτερο συστατικό στοιχείο της κατασκευής είναι το κύκλωμα με τον μικροεπεξεργαστή PIC 16F876. Το κύριο χαρακτηριστικό του συγκεκριμένου μικροεπεξεργαστή είναι η ύπαρξη μετατροπέων A/D ανάλυσης 10bit. Ουσιαστικά, αυτό που κάνει είναι να μετράει τις τάσεις από τις εξόδους forward (εκπεμπόμενη ισχύς) και reflected (επιστρεφόμενη ισχύς) του directional coupler και να υπολογίζει σε πραγματικό χρόνο τον λόγο στάσιμων κυμάτων, όπως προκύπτει από τον μαθηματικό τύπο:

                                  SWR = (Vf + Vr) / (Vf – Vr)

Το λογισμικό που συνοδεύει τον μικροεπεξεργαστή, επίσης υπολογίζει και απεικονίζει αριθμητικά την εκπεμπόμενη ισχύ P.E.P., ενώ η στιγμιαία ισχύς κορυφής απεικονίζεται με γράφημα μπάρας. Το λογισμικό (software) λαμβάνει υπόψη του το forward voltage drop των διόδων 1Ν5711 για την επίτευξη της μέτρησης με την μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια.

Η πλακέτα κυκλώματος μικροεπεξεργαστή είναι μονής όψεως και χρησιμοποιούνται, για διευκόλυνση της κατασκευής από τον ερασιτέχνη, μόνο through hole εξαρτήματα. Το καλιμπράρισμα του μικροεπεξεργαστή γίνεται με τη βοήθεια ενός «μενού» ρύθμισης, το οποίο ενεργοποιείται με τρία κουμπάκια, τα οποία μπορούν είτε να τοποθετηθούν στη πρόσοψη της συσκευής είτε να ενεργοποιούνται με τη βοήθεια βραχυκυκλωτών (jumpers) πάνω στη πλακέτα.

Η τροφοδοσία της συσκευής μπορεί να γίνει είτε με μπαταρία 9-12V ή με τροφοδοτικό, (πήρα ένα μικρό ρυθμιζόμενο AMARAD, made in Greece!!) ακόμη και με ένα φτηνό battery pack. Οι δύο πλακέτες, μαζί με την οθόνη υγρών κρυστάλλων, βιδώνονται σε μεταλλικό κουτί κατασκευών.

Αφού ολοκληρωθεί η κατασκευή, απαιτείται η ρύθμιση («καλιμπράρισμα») της συσκευής μας. Για την ενέργεια αυτή, απαιτείται ένα ψηφιακό πολύμετρο (DVM) όπως επίσης και το παρακάτω πολύ απλό εικονικό φορτίο 50Ω (dummy load).

Το απλό αυτό dummy load μας επιτρέπει, συνδεδεμένο με το πολύμετρο, να μετρήσουμε τα VRMS μετά την ημιανόρθωση της εκπεμπόμενης RF, βάση των οποίων θα γίνει το καλιμπράρισμα της συσκευής μέσα από το «μενού» ρύθμισης. Η κατασκευή του είναι πολύ απλή και μπορεί να γίνει σε διάτρητη πλακέτα. Ως κοννέκτορας μπορεί να τοποθετηθεί ένας BNC.

          

H τελική ρύθμιση («καλιμπράρισμα») της συσκευής γίνεται σε τρία στάδια:

α. Συνδέουμε το πολύμετρο (περιοχή μετρήσεως 200mV) με την έξοδο Vref του coupler και ρυθμίζουμε το ποτενσιόμετρο trimmer των 4,7ΚΩ έτσι ώστε σε κατάσταση ηρεμίας (χωρίς εκπομπή RF) να έχουμε ένδειξη περίπου 5mV.

β. Στη συνέχεια, συνδέουμε τη συσκευή με τον π/δ μας και το τεχνητό φορτίο που κατασκευάσαμε. Ρυθμίζουμε τον π/δ για εκπομπή CW ή ΑΜ με ισχύ που δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 10-15W (αλλιώς θα κάψουμε το dummy load!). Εφαρμόζουμε RF στο σύστημα και ρυθμίζουμε το trimmer 5-62pF μέχρι το πολύμετρο να μας δείξει μηδενική τιμή (ή τουλάχιστον πολύ κοντά στο μηδέν).

γ. Αφού ολοκληρώσουμε τα παραπάνω βήματα, περνάμε στην ρύθμιση του λογισμικού. Ο μικροεπεξεργαστής έχει εξόδους για τρία κουμπάκια: SET, < (πάνω),  > (κάτω). Πατάμε το SET και εμφανίζεται το υπομενού ρύθμισης, όπου ο μ/ε μας ζητά να εισάγουμε τιμή ισχύος σε Watts. Αυτή την τιμή την εξάγουμε από τον παρακάτω μαθηματικό τύπο. Τα 0,5V είναι διόρθωση σφάλματος εξαιτίας του forward voltage drop των διόδων 1Ν5711 του coupler: 

Power (Watt) = (Vout + 0.5)2 / 100

  

Έχοντας συνδεδεμένο τον π/δ μας και το τεχνητό φορτίο στη συσκευή, εφαρμόζουμε ισχύ περίπου 10-15W σε διαμόρφωση CW ή ΑΜ. Διαβάζουμε την ένδειξη στο πολύμετρο (περιοχή μέτρησης 20V). Εισάγουμε την τιμή στη μεταβλητή Vout της παραπάνω εξίσωσης και πραγματοποιούμε τον υπολογισμό. Το αποτέλεσμα της παραπάνω εξίσωσης είναι τα πραγματικά Watts ισχύος κορυφής που εκπέμπει το μηχάνημά μας. Εισάγουμε την αριθμητική αυτή τιμή στο υπομενού ρύθμισης, με τη βοήθεια των κουμπιών <, >. Στιγμιαία (για ένα 1 sec) εφαρμόζουμε RF για να γίνει δεκτή από τον μ/ε η αριθμητική τιμή. Μετά εμφανίζεται ένα άλλο υπομενού (στα ιταλικά) όπου μας ζητά ο μ/ε να αποθηκεύσουμε ή όχι στη μνήμη του τη ρύθμιση (SI / NO). Επιλέγουμε SI με το πλήκτρο < (πάνω) και έπειτα πατάμε SET στιγμιαία για να επανέλθει το σύστημα σε κανονική κατάσταση λειτουργίας. Αν κάτι δεν πάει καλά στη διαδικασία, τότε μπορούμε να την επαναλάβουμε, πατώντας πρώτα το κουμπί RESET και έπειτα πάλι το SET για να ξαναμπούμε στο μενού ρύθμισης.

          Συνολικά πρόκειται για μια σχετικά απλή κατασκευή, την οποία ένας ερασιτέχνης με μέτρια εμπειρία μπορεί να φέρει εις πέρας με επιτυχία. Τα υλικά μπορούν να βρεθούν εύκολα στα γνωστά καταστήματα ηλεκτρονικού υλικού ή στο διαδίκτυο (π.χ. Ebay), ενώ το συνολικό κόστος, χοντρικά, δεν υπερβαίνει τα 35-40 ευρώ, ενώ αυτό μπορεί να είναι ακόμη χαμηλότερο, αν κάποια από τα υλικά (π.χ. αντιστάσεις – πυκνωτές – φερρίτης – πηνιόσυρμα) βρίσκονται ήδη στο shack. Δεν χρειάζεται κάποια ιδιαίτερη επιδεξιότητα, παρά μόνο κάποια προσοχή, ιδιαίτερα στη συναρμολόγηση του directional coupler.

          Η αποχάλκωση των πλακετών είναι εύκολη, είτε με την μέθοδο photoresist είτε με τη μέθοδο toner transfer. Επίσης μπορείτε να δώσετε σε ειδικά καταστήματα τα σχέδια των πλακετών για να σας κάνουν την αποχάλκωση έναντι μικρού τιμήματος.

Εκπομπή σε bpsk 63

Σχετικά με τον προγραμματισμό του PIC 16F876 (ή 16F876A), αυτός μπορεί να γίνει με έτοιμο USB programmer, που μπορείτε να τον αγοράσετε από τα καταστήματα ηλεκτρονικού υλικού ή το Διαδίκτυο ή να κατασκευάσετε με μικρό κόστος έναν.

Μια πολύ καλή κατασκευή, την οποία χρησιμοποιώ, είναι αυτή:

http://feng3.nobody.jp/en/pg5v2.html

Στη ιστοσελίδα αυτή θα βρείτε το σχηματικό καθώς και τα σχέδια του PCB για αποχάλκωση.

Επειδή η απλή έκδοση του PIC 16F876 δεν παράγεται πλέον, μπορεί να χρησιμοποιηθεί το 16F876A, το οποίο μπορεί να βρεθεί εύκολα σε καταστήματα όπως ο Φανός η ο Βενιέρης με κόστος κάτω από 10 ευρώ.

Ο κώδικας HEX για τον προγραμματισμό της συσκευής βρίσκεται εδώ: 

http://www.aripadova.it/files/wattmeter03.zip

Θα ξεζιπάρετε το αρχείο και με το ΗΕΧ αυτό θα κάνετε τον προγραμματισμό. Αν χρησιμοποιήσετε τον προγραμματιστή του FENG3, ο προγραμματισμός μπορεί να γίνει με την εφαρμογή PICProg4U την οποια χρησιμοποιώ εδώ και καιρό με επιτυχία. Το πρόγραμμα εγκατάστασης θα το βρείτε εδώ:

http://feng3.nobody.jp/en/pp4u.html

Σημειώστε ότι ο προγραμματιστής του FENG3 λειτουργεί με σύνδεση στη σειριακή θύρα του Η/Υ, η οποία πρέπει να είναι "πραγματική" on board και όχι με μετατροπέα από USB. 

(ΠΡΟΣΟΧΗ ΔΕΝ ΘΑ ΔΟΥΛΕΨΕΙ!!!).

          Αν χρειαστείτε βοήθεια, με πολλή χαρά να σας βοηθήσω, αρκεί να έρθετε σε επικοινωνία μαζί μου στο evarlam@gmail.com.

Καλή επιτυχία στη κατασκευή!!

73 & 88

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

http://www.ik3oil.it/_private/Articolo_SWR_eng.pdf