מנתח אנטנות HF עם מודול Arduino ו- DDS: 6 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

היי

במדריך זה אראה לך כיצד בניתי מנתח אנטנות בעלות נמוכה שיכול למדוד אנטנה ולהציג את VSWR שלה על כל להקות תדר HF או כולן. הוא ימצא את ה- VSWR המינימלי והתדירות המתאימה לכל להקה, אך גם יציג VSWR בזמן אמת לתדר שנבחר על ידי המשתמש כדי להקל על התאמת האנטנה. אם גורפים רצועת תדרים אחת, היא תציג גרף של VSWR לעומת תדר. יש לו גם יציאת USB מאחור לפלט תדירות ונתוני VSWR, כדי לאפשר תכנון גרפים מעודן יותר במחשב. ניתן להשתמש ביציאת ה- USB גם כדי להחדיר מחדש את הקושחה במידת הצורך.

לאחרונה נכנסתי לרדיו חובבני (כי אהבתי את הרעיון של תקשורת בין עמיתים למרחקים עצומים ללא תשתית) ועשיתי במהירות את התצפיות הבאות:

1. כל התקשורת העולמית שעניינה אותי מתרחשת על רצועות ה- HF (3-30 MHz)

2. משדרי HF יקרים מאוד ויתקלקלו אם לא תסיע אותם לאנטנה המתאימה למדי

3. בדרך כלל מצפים ממך להקים אנטנת HF משלך מחתיכות חוט שנחוצות על הגינה (אלא אם כן אתה רוצה להוציא אפילו יותר כסף ממה שהוצאת ב -2).

4. האנטנה שלך עשויה להיות התאמה גרועה אך לא תדע עד שתנסה אותה.

כעת כנראה טהור יגיד כי יש לבדוק תחילה את האנטנה על הספק נמוך מאוד בתדירות העניין ולבדוק את VSWR על מד המתקן כדי להעריך את איכות ההתאמה. אין לי ממש זמן להתעסק עם דברים כאלה לכל תדר שאולי ארצה להשתמש בו. מה שבאמת רציתי היה מנתח אנטנות. מכשירים אלה יכולים לבדוק את איכות התאמת האנטנות בכל תדר מעל להקות ה- HF. לרוע המזל הם גם מאוד יקרים, אז החלטתי לשקול אם אוכל להכין לבד. נתקלתי בעבודה המצוינת שבוצעה על ידי K6BEZ (ראה https://www.hamstack.com/project_antenna_analyzer.html), שחקר את השימוש בארדואינו לשליטה במודול סינתיסייזר דיגיטלי ישיר זול (DDS). עד מהרה הוא נטש את הארדואינו מטעמי עלות, והעדיף להשתמש ב- PIC. ובכן, בשנת 2017 אתה יכול לקנות Arduino Nano במחיר של כ- 3.50 ליש ט, אז חשבתי שהגיע הזמן לבקר מחדש בעבודתו, להרים את המקום שבו הוא הפסיק ולראות מה אני יכול להמציא (שים לב שאני לא היחיד מי עשה את זה: יש כמה דוגמאות נחמדות מאוד באינטרנט).

עדכון (29/7/2018) - עבודה זו נבנתה במידה ניכרת על ידי bi3qwq, מסין, שביצעה כמה שיפורים ממש יפים בממשק המשתמש, שהוא שיתף בחביבות. הוא תכנן PCB מקצועי מאוד (עם תכונת נגד כיול נהדרת) ובנה מבנה ממש יפה. בראש ובראשונה הוא הכין סכמטי, שאני יודע שישמח רבים מאלה שהגיבו בעבר. אנא עיין בסעיף ההערות למידע נוסף.

עדכון - נכנסתי לאחרונה ל -60 מ ', שהמערכון המקורי לא כיסה. אז עכשיו העלתי קושחה גירסה 7, שמוסיפה את רצועות 160 מ 'ו -60 מ'. אלה אינם תוספים; הם משולבים במלואם בפעולת האנליזור. למזלי מצאתי גופן u8glib שעדיין היה קריא אך אפשר לי להציג עשר להקות במקביל על המסך הקטן הזה (למרות שזה לא היה חד -שטח, מה שגרם לצער מסוים). הערכתי ערכי כיול עבור הלהקות החדשות, בהתבסס על אינטרפולציה / אקסטרפולציה של ערכי הכיול הקיימים. לאחר מכן בדקתי את אלה עם נגדים קבועים והם נותנים תוצאות די טובות.

עדכון - כפי ששאלו כמה אנשים לגבי סכמות, מעגל הגשר הבסיסי של Arduino / DDS / VSWR אינו משתנה במידה רבה מהעבודה המקורית של K6BEZ. עיין בכתובת האתר שלמעלה עבור התרשים המקורי שלו שעליו ביססתי את הפרויקט הזה. הוספתי מקודד, מסך OLED וקושחה מפותחת במלואם לחווית משתמש ללא מאמץ.

עדכון - מערכת זו משתמשת במקור אות DDS במתח נמוך מאוד יחד עם גשר התנגדות המכיל גלאי דיודות. לכן הדיודות פועלות באזורים הלא ליניאריים שלהן והגרסה הראשונה שלי של מערכת זו נטתה לקריאת VSWR. כדוגמה, עומס עכבה של 16 אוהם או 160 אוהם אמור להראות VSWR של כ -3 במערכת 50 אוהם; מד זה הצביע על VSWR קרוב יותר ל -2 במצב זה. לפיכך ביצעתי כיול תוכנה באמצעות עומסים ידועים אשר נראה כתיקון יעיל לבעיה זו. זה מתואר בשלב הלפני אחרון של מדריך זה והועלתה מערכון מתוקן.

עדכון - מתקן הגרפים המשולב נוסף לסחיפות בודדות מכיוון שהוא היה שימושי מכדי שלא ניתן לוותר עליו, במיוחד בעת כוונון אורכי אנטנה למינימום VSWR: גרף נותן לך מגמה שנראית לעין באופן מיידי.

שלב 1: קנה את החפצים שלך

תזדקק לפריטים הבאים. את רובם ניתן להשיג בזול מ- eBay. הפריט היחיד היקר ביותר היה הקופסה, בסכום של 10 ליש ט! ייתכן שניתן להחליף כמה פריטים (השתמשתי ב 47 Rs במקום 50 Rs, למשל). הדיודות היו יוצאות דופן למדי (הייתי צריך לקנות 5 הנחות מאיטליה) וכדאי להחליף פריטים זמינים יותר אם אתה יודע מה אתה עושה.

• ארדואינו ננו
• מודול DDS (מודול מחולל אותות DDS AD9850 HC-SR08 אות סינוס מרובע 0-40MHz)
• תצוגת OLED בגודל 1.3 אינץ '
• מגבר אופטי MCP6002 (8 פינים)
• דיודה AA143 כבויה
• קבלים קרמיים: 2 off 100 nF, 3 off 10 nF
• קבל אלקטרוליטי 1 uF
• נגדים: 3 off 50 R, 2 off 10 K, 2 off 100 K, 2 off 5 K, 2 off 648 R
• בלוקים של מסוף בורג 2.54 מ"מ: 3 כפולים 2 פינים, 2 כבלי 4 פינים
• חוט חיבור ליבה אחת
• 702 או חוט חיבור דומה
• לוח חשבונות
• רצועת כותרת מרובעת (נקבה) לחיבור הארדואינו וה- DDS - אל תקנו את חומר השקע העגול בטעות!
• שקע לתושבת שלדה SO-239
• מקודד סיבובי (15 דופק, 30 מעצרים) עם מתג לחיצה וכפתור
• מקודד סיבובי זול 'מודול' (אופציונלי)
• תיבת פרויקט
• מתג
• זווית ישרה מיני-USB ל- USB B להרכבת מחסום (50 ס"מ)
• קליפ / מחזיק סוללה PP3
• עמודי הרכבה / עמידות להדבקה עצמית של לוח PCB

תזדקק גם למלחם וכלי אלקטרוניקה. מדפסת תלת מימד ומקדח עמודים מועילים למארז, אם כי אם היית רוצה כנראה שאתה יכול להרכיב את כל העניין על לוח החשבונות ולא להתעסק בקופסה.

באופן טבעי אתה לוקח על עצמך עבודה זו ומנצל את התוצאות שנוצרו על אחריותך בלבד.

שלב 2: הנח את לוח הלוח

תכנן כיצד אתה מסדר את הרכיבים בלוח החשפנות. אתה יכול לעשות זאת בעצמך, בהתייחס לסכימה המקורית של K6BEZ (חסר מקודד או מסך - עיין בעמוד 7 של https://www.hamstack.com/hs_projects/antenna_analyzer_docs.pdf), או שאתה יכול לחסוך המון זמן להעתיק את הפריסה שלי.

אני עושה את הפריסות האלה בצורה הפשוטה, בעזרת נייר בריבוע ועיפרון. כל צומת מייצג חור לוח. מסלולי הנחושת הולכים אופקית. צלב מייצג מסלול שבור (השתמש במקדח 6 מ מ או בכלי המתאים אם יש לך). קווי עיגולים עם תיבה סביבן מייצגים כותרות. קופסאות גדולות עם ברגים מציינות את בלוקים המחברים. שים לב שבתרשים שלי יש קו נוסף העובר אופקית באמצע הלוח. עזוב את זה כשאתה מחבר אותו (זה מסומן 'השמט את השורה הזו').

חלק מהמרכיבים עשויים להיראות פרוסים בצורה מוזרה. הסיבה לכך היא שהעיצוב התפתח ברגע שהחומרה הבסיסית עובדת (במיוחד כשהבנתי שהמקודד זקוק להפרעות חומרה, למשל).

בעת הלחמת רכיבים על הלוח, אני משתמש ב- Blu-Tak כדי להחזיק אותם היטב במקום בזמן שאני הופך את הלוח להלחמת הרגליים.

ניסיתי למזער את כמות החוטים שבהם השתמשתי על ידי יישור ה- Arduino ומודול ה- DDS ופשוט באמצעות לוח החשמל לחיבור סיכות מפתח. לא הבנתי אז שצריך להפסיק את החומרה כדי לקרוא את המקודד עובד רק על פינים D2 ו- D3, אז הייתי צריך להזיז את DDS RESET מהחיבור המקורי D3 שלו עם קצת חוט:

איפוס DDS - Arduino D7

DDS SDAT - Arduino D4

DDS FQ. UD - Arduino D5

DDS SCLK - Arduino D6

Arduino D2 & D3 משמשים עבור כניסות המקודד A & B. D11 משמש לקלט מתג המקודד. D12 אינו בשימוש אבל חשבתי שאכין עבורו מסוף בורג, להרחבה עתידית.

Arduino A4 & A5 מספקים את אותות SDA & SCL (I2C) למסך OLED.

Arduino A0 & A1 לוקחים את הכניסות מגשר VSWR (דרך OPAMP).

שלב 3: התקן את המודולים, צרף את הציוד ההיקפי והבהב את הקוד

כדאי לבדוק את הלוח לפני שאתה טורח להתקין אותו במארז. חבר את הרכיבים הבאים באמצעות חוט גמיש ללוח באמצעות בלוקים מסוף הבורג:

• תצוגת OLED בגודל 1.3 אינץ '(SDA ו- SCL מחוברים לסיכה Arduino A4 ו- A5 בהתאמה; הקרקע ו- Vcc עוברים ל- Arduino GND ו- +5V, ברור)
• מקודד סיבוב (זה צריך קרקע, שני קווי אות וקו מתג - ייתכן שיהיה עליך להפוך את קווי המתג אם המקודד פועל בצורה לא נכונה - חבר אותם לקרקע Arduino, D2, D3 ו- D11 בהתאמה). שים לב שבעבודות אב טיפוס שלי הרכבתי את המקודד 15/30 על לוח מודול מקודד KH-XXX, מכיוון שהסיכות על המקודדים החשופים מאוד דקיקים. לצורך העבודה האחרונה הלחמתי חוטים היישר על המקודד.
• סוללה 9V
• שקע SO -239 - הלחם את הפין המרכזי לקו אות האנטנה והשתמש במסוף טבעת M3 ובורג לקרקע האנטנה.

הבזק את המערכון הבא על הארדואינו. כמו כן וודא שכללת את ספריית הדרייברים הטובה ביותר של OLED מאולי קראוס, או שההרכב יקרוס וישרף:

אם תצוגת OLED שלך שונה במקצת ייתכן שתצטרך הגדרת תצורה אחרת ב- u8glib; זה מתועד היטב בקוד הדוגמה של אולי.

שלב 4: שמים את הכל בקופסה יפה (אופציונלי)

שקלתי ברצינות להשאיר את המנתח כקרש חשוף, שכן סביר שהוא ישמש מדי פעם. אך במחשבה חשבתי שאם אעשה הרבה עבודה על אנטנה אחת, זה עלול להיפגע. אז הכל הלך בקופסה. אין טעם להיכנס לפרטים על האופן שבו הדבר נעשה, מכיוון שהקופסה שלך כנראה תהיה שונה, אך ראוי לציין כמה תכונות מרכזיות:

1. השתמש בהתקני PCB דביקים להרכבת לוח החשבונות. הם הופכים את החיים לקלים באמת.

2. השתמש בכבל מתאם USB קצר כדי להוציא את יציאת ה- USB של Arduino לחלק האחורי של המארז. לאחר מכן קל לגשת ליציאה הטורית כדי להשיג נתוני תדר לעומת VSWR וגם להחדיר את הארדואינו מבלי להסיר את המכסה.

3. פיתחתי חלק בהדפסה תלת-ממדית מותאמת אישית לתמיכה בתצוגת OLED, מכיוון שלא הצלחתי למצוא דבר באינטרנט. יש לזה שקע המאפשר להכניס חתיכת אקריליק בגודל 2 מ מ להגנה על המסך השברירי. ניתן להרכיב אותו באמצעות קלטת דו צדדית או ברגים הקשה עצמית (עם הלשוניות משני הצדדים). לאחר צג התצוגה, תוכל להשתמש בחוט חם (חשוב מהדק ונורה) כדי להמיס את סיכות ה- PLA על גב הלוח כדי לאבטח הכל. להלן קובץ ה- STL למי שמעוניין:

שלב 5: כיול

במקור לא ביצעתי כיול אך גיליתי שמד VSWR קורא בעקביות נמוך. המשמעות הייתה שלמרות שנראתה שאנטנה תקינה, מכשיר הכלי האוטומטי של המתקן שלי לא הצליח להתאים לזה. בעיה זו מתעוררת מכיוון שמודול ה- DDS מעביר אות משרעת נמוך מאוד (כ- 0.5 Vpp ב -3.5 מגהרץ, מתגלגל כאשר התדר עולה). דיודות הגלאי בגשר VSWR פועלות אפוא באזור הלא ליניארי שלהן.

ישנם שני תיקונים אפשריים לכך. הראשון הוא להתאים מגבר פס רחב לפלט של ה- DDS. מכשירים פוטנציאליים זמינים בזול מסין והם יעלו את התפוקה לכ -2 V עמ '. הזמנתי אחד כזה אבל עדיין לא ניסיתי. התחושה שלי היא שאפילו משרעת זו תהיה מעט שולית ותישאר איזו אי ליניאריות. השיטה השנייה היא לשים עומסים ידועים על תפוקת המונה הקיים ולהקליט את VSWR המוצג בכל רצועת תדרים. זה מאפשר לך לבנות עקומות תיקון עבור VSWR בפועל לעומת דיווחו, אשר ניתן להכניס לאחר מכן לשרטוט Arduino כדי ליישם תיקון בזבוב.

אימצתי את השיטה השנייה כיוון שהייתה קלה לביצוע. פשוט קבל את הנגדים הבאים: 50, 100, 150 ו -200 אוהם. בכלי 50 אוהם זה יתאים ל- VSWR של 1, 2, 3 ו -4 בהגדרה. במערכון יש מתג 'use_calibration'. הגדר זאת ל- LOW והעלה את הסקיצה (שתציג אזהרה על מסך ההתזה). לאחר מכן בצע מדידות במרכז כל פס תדר עבור כל נגד. השתמש בגיליון אלקטרוני כדי לשרטט את הצפוי לעומת VSWR המוצג. לאחר מכן תוכל לבצע עקומת לוגריתמית המתאימה לכל רצועת תדרים, המעניקה מכפיל וחיתוך של הטופס TrueVSWR = m.ln (MeasuredVSWR)+c. יש לטעון ערכים אלה למערך swr_results בשתי העמודות האחרונות (עיין בהצהרת ההערה הקודמת בסקיצה). זה מקום מוזר לשים אותם אבל מיהרתי וכאשר חנויות המערך צפות זה נראה אז כמו בחירה הגיונית. לאחר מכן החזר את מתג use_calibration ל- HIGH, סמן מחדש את הארדואינו ותצא לדרך.

שים לב כי בעת ביצוע מדידות תדר הנקודה, הכיול מיושם לבחירה הראשונית של הלהקה. זה לא יתעדכן אם תבצע שינויים גסים בתדירות.

כעת המונה קורא כצפוי עבור העומסים הקבועים ונראה הגיוני בעת מדידת האנטנות שלי! אני חושד שאולי לא אנסה לנסות את מגבר הפס הרחב הזה כשהוא יגיע …

שלב 6: שימוש במנתח

חבר אנטנה באמצעות כבל PL-259 והפעל את המכשיר. הוא יציג מסך התזה ואז יבצע אוטומטית טאטא של כל להקות ה- HF העיקריות. התצוגה מציגה את התדירות הנבדקת, את קריאת ה- VSWR הנוכחית, את קריאת ה- VSWR המינימלית ואת התדירות שבה היא התרחשה. על מנת להפחית את רעשי המדידה, נלקחות חמש מדידות של VSWR בכל נקודת תדר; הערך הממוצע של חמש הקריאות הללו מועבר לאחר מכן דרך מסנן ממוצע נע של תשע נקודות ביחס לתדירות לפני שהערך הסופי מוצג.

אם ברצונך לעצור את טאטאת כל הלהקות הזו, פשוט לחץ על כפתור המקודד. הסחיפה תיפסק ותוצג סיכום של כל נתוני הלהקה שנאספו (עם null עבור אותן להקות שטרם נסחפו). לחיצה שנייה תציג את התפריט הראשי. הבחירות נעשות על ידי סיבוב המקודד ולאחר מכן לחיצה עליו בנקודה המתאימה. ישנן שלוש אפשרויות בתפריט הראשי:

לטאטא את כל הלהקות יפעיל מחדש את הטאטא של כל להקות ה- HF העיקריות. כאשר הוא מסתיים, הוא יציג את מסך הסיכום שתואר לעיל. כתוב זאת או צלם אם אתה רוצה לשמור אותו.

לטאטא רצועה אחת תאפשר לך לבחור להקה אחת עם המקודד ואז לטאטא אותה. אורך הגל וטווח התדרים מוצגים בעת ביצוע הבחירה. עם סיום הטאטא, לחיצה שנייה על המקודד תציג גרף VSWR לעומת תדר פשוט של הלהקה שנסחפה זה עתה, עם אינדיקציה מספרית של מינימום VSWR והתדירות שהיא התרחשה. זה מאוד שימושי אם אתה רוצה לדעת אם לקצר או להאריך את זרועות הדיפול שלך, מכיוון שהוא מראה את מגמת VSWR בתדירות; זה הולך לאיבוד עם הדוח המספרי הפשוט.

תדר יחיד מאפשר לך לבחור תדר אחד קבוע ולאחר מכן מעדכן ברציפות מדידת VSWR בשידור חי, לצורכי כוונון אנטנות בזמן אמת. ראשית בחר את פס התדרים הרלוונטי; התצוגה תציג אז את התדר המרכזי של הלהקה שנבחרה וקריאת VSWR חיה. כיול הלהקה הרלוונטי מיושם בשלב זה. אחת הספרות של התדר תתנוסס תחת קו. ניתן להזיז את זה שמאלה וימינה בעזרת המקודד. לחיצה על המקודד מעצימה את הקו; אז סיבוב המקודד יקטין או יגדיל את הספרה (0-9 ללא עטיפה או נשיאה). לחץ שוב על המקודד כדי לתקן את הספרה, ולאחר מכן המשך למספר הבא. אתה יכול לגשת כמעט לכל תדר על פני כל ספקטרום ה- HF באמצעות המתקן הזה - בחירת הלהקה בהתחלה רק עוזרת לקרב אותך למקום שבו אתה כנראה רוצה להיות. עם זאת יש סייג: הכיול של הלהקה שנבחרה נטען בהתחלה. אם אתה מתרחק מדי מהלהקה שנבחרה על ידי שינוי הספרות הכיול יהפוך פחות תקף, אז נסה להישאר בתוך הלהקה שנבחרה. לאחר שסיימת עם מצב זה, הזז את קו תחתון כל הדרך ימינה עד שהוא נמצא תחת 'יציאה' ולאחר מכן לחץ על המקודד כדי לחזור לתפריט הראשי.

אם תחבר את המחשב לשקע ה- USB בחלקו האחורי של המנתח (כלומר לתוך הארדואינו), תוכל להשתמש במסך הטורי של Arduino כדי לאסוף ערכי תדר מול VSWR במהלך כל פעולת טאטא (הוא מוגדר כרגע ל- 9600 אך תוכל לשנות זאת בקלות על ידי עריכת הסקיצה שלי). לאחר מכן ניתן להכניס את הערכים לגיליון אלקטרוני כך שתוכל לשרטט גרפים קבועים יותר וכו '.

צילום המסך מציג את סיכום VSWR עבור האנטנה האנכית של מוט הדיג בגובה 7.6 מ 'עם UNUN 9: 1. המתקן שלי יכול להכיל SWR מקסימום 3: 1 עם יחידת הכוונון האוטומטי הפנימי שלו. אתה יכול לראות שאני אוכל לכוון אותו על כל הלהקות למעט 80 מ 'ו -17 מ'. אז עכשיו אני יכול להירגע בידיעה שיש לי אנטנה מרובת-להקות סבירה ואני לא מתכוון לשבור משהו יקר כשישדר את רוב הלהקות.

בהצלחה ואני מקווה שתמצא את זה שימושי.