U02 - Leistungsmessgerät zur DDS Platine

Gerade im WSPR Betrieb arbeitet man mit sehr geringen Sendeleistungen von wenigen mW bis zu wenigen Watt. Normale Messgeräte zeigen hier gar nichts mehr an, oder nur ungenaue Werte. Nur im Zusammenspiel mit einem leistungsfähigen Detektor mit Softwareunterstützung können auch im Milliwattbereich gute Genauigkeiten von besser 1dB erreicht werden.

Wir sind dabei einer Idee von DH5RAE gefolgt den AD8307 einzusetzen. Dieser logarithmische Verstärker ist in Amateurfunkkreisen wohlbekannt und wird in vielen ähnlichen Projekten eingesetzt. Was macht nun diese Platine so besonders und hebt sie von anderen AD8307 Projekten hervor ?

vor allem: es soll kein Einzelstück werden, sondern diese Platine soll auch in Nachbauten ordentlich funktionieren. Der Schritt vom Einzelgerät zu einer nachbausicheren Schaltung war noch ein großes Stück Arbeit aber es ist geschafft.

es werden zwei AD8307 eingesetzt, einer für die vorlaufende und einer für die rücklaufende Leistung
die Schaltung arbeitet völlig abgleichfrei und ist daher leicht aufzubauen
die erforderliche Kalibrierung erfolgt im wesentlichen automatisch per Software
die Werte werden zur DDS Platine gemeldet und ermöglichen eine automatische präzise Einstellung der Sendeleistung
die Werte werden auch zum PC oder Smartphone gemeldet, falls man die Platine als Messgerät benutzen möchte

Inzwischen ist das Projekt fertig realisiert und es wurden mehrere Platinen aufgebaut. Im folgenden findet ihr die Bauunterlagen und Messergebnisse. Wie bei allen U02 Projekten ist auch dieses für Funkamateure vollkommen frei zugänglich, wer Platinen haben möchte kann sich gerne bei uns melden.

die Messbrücke:

Als Messbrücke haben wir uns für einen Sontheimer/Frederik-Koppler entschieden. Dieser wird in kommerziellen Afu Geräten nicht eingesetzt, weil er etwas teurer ist. Jedoch hat er den großen Vorteil nicht abgeglichen werden zu müssen. Baut man ihn sauber auf, so funktioniert er auf Anhieb. Da bei unseren Geräten ein oder 2 Eur mehr keine Rolle spielen, können wir diese Luxusvariante nehmen. Als Lohn erhalten wir einen Koppler der sogar um einstelligen mWatt Bereich noch korrekte Werte anzeigt.

Die Schaltung besteht aus zwei identisch aufgebauten Ringkernen welche mit zwei 50 Ohm Referenzwiderständen die Messbrücke bilden.

Damit es zu unserer Platine passt benötigen wir zwei FT61A-43 Amidon Ringkerne. Diese werden mit je 50 Windungen 0,35 CuL bewickelt. Das sind mehr Windungen wie in ähnlichen Bauanleitungen beschrieben, jedoch hat es sich gezeigt, dass damit die besten Ergebnisse von 630m bis zum 6m Band erzielt werden.

Eine Sendeleistung von nur 10 Milliwatt reicht bereits aus um das SWR einer Antenne auf eine Kommastelle genau zu messen !

Stückliste zum Materialeinkauf.

Bestückungsplan:

Der Aufbau des Kopplers ist in Wikipedia sehr gut beschrieben, weshalb ich es hier nicht wiederholen muss. Siehe: Wikipedia "Richtkoppler" und dort den Absatz "Richtkoppler mit Transformatoren".

Schaltbild des Messverstärkers (zum vergrößern anklicken):

Ein Teil der Messbrücke wird durch der 50 Ohm Referenzwiderstand abgebildet. In dieser Schaltung wurde dieser Widerstand aus verschiedenen Einzelwiderständen zusammengesetzt. Zum einen hat man den 56 Ohm Widerstand, parallel dazu 1,8kOhm, und parallel dazu das Gebilde aus 390 Ohm, 330 Ohm und dem Innenwiderstand des AD8307. Alls zusammen ergibt recht genau 50 Ohm.

Die Widerstände 390 Ohm und 330 Ohm bilden den Eingangsspannungsteiler. Dieser wird benötigt um die maximale Eingangsleistung des AD8307 von +17dBm nicht zu überschreiten. Hier ist der Teiler so bemessen, dass Leistungen von unter 1mWatt bis ca. 300 Watt gemessen werden können.

Der 56 Ohm Widerstand ist ein größerer 2 Watt Metallfilm Widerstand und wird direkt aufgelötet. Er übernimmt bei hohen Leistungen die meiste Energie. Die anderen Widerstände sind direkt auf der Platine angeordnet.

Die AD8307 verstärken das Messsignal und erzeugen eine Gleichspannung welche direkt in dBm umgerechnet werden kann. Diese Ausgangsspannung kann an den Pins "Power" und "SWR" abgegriffen werden. Davor befindet sich ein Spannungsteiler. Dieser dient ausschließlich dazu um die Ausgangsspannung der AD8307 an den Analogeingang unseres uCs auf der DDS Platine anzupassen. Wenn man diese Messbrücke zu einem anderen Zweck einsetzt (z.B. mit Kreuzzeigerinstrumenten) so kann der Ausgangsspannungsteiler geändert oder weggelassen werden.

Die Richtschärfe der Platine bestimmt wie genau kleinste Stehwellen-Verhältnisse gemessen werden können. Zwischen 160m und 10m kann man besser als 1:1,05 messen. Auf Mittelwelle im 630m Band erreicht man 1:1,1 und auf 6m noch 1:1,18.

Diese Genauigkeiten beziehen sich auch eine nachbausichere Platine, welche mit "normalem" Aufwand gebaut wird. Es ist durchaus möglich zu noch genaueren Ergebnissen zu kommen wenn man sich sehr viel Zeit für die Herstellung einer genau symmetrischen Messbrücke nimmt. Allerdings ist das normal erreichbare Ergebnis bereits um ein vielfaches besser als bei den meisten kommerziellen Geräten.

Erster Schritt: Aufbau der Koax-Ringkern Trafos

Als Koaxkabel wird ein kurzes Stück Aircell-7 verwendet. Man kann auch jedes andere nehmen, das Aircell-7 passt aber am besten in der FT61A-43 Ringkern. Das Kabelstück wird genau wie im Bild gezeigt vorbereitet. Von diesem Kabelstück macht man 2 identische Teile. Dabei kommt es nicht so auf das genau Aussehen an, sondern entscheidend ist dass beide Teile völlig gleich aussehen.

Jetzt bewickelt man zwei Ringkerne (z.B.:Amidon FT63A-43) mit genau 50 Windungen Kupferlackdraht Cul 0,35mm. Beim Bewickeln ist darauf zu achten, dass man den Lack nicht beschädigt ! Beide Ringkerne sind identisch zu bewickeln. Alles noch mal nachzählen und genau vergleichen. Es können auch andere Ferrit-Ringkerne benutzt werden solange man ein Stück Koaxkabel hat das durch passt (z.B. RG58 usw).
Beispiel: Der FT63 geht bis 750 Watt, der kleinere FT50 geht bis 200 Watt.  Für Leistungen über 750 Watt wäre der FT-82 mit 0,5Cul Draht besser. 

Kernmaterial 43: für 160m bis 60m

Kernmaterial 77: Langwelle 137kHz bis 10m

Der fertige Ringkern wird auf das Kabel geschoben.

Beim Zusammenbau werden die beiden Teile so verschaltet:

Wicklungssinn und Verschaltung:

Und ein paar Bilder vom Aufbau:

bei diesem Bild leuchten noch rote Drähte durch, die unterhalb liegen, diese gehören nicht zu dieser Platine.

 

 

falls es Fragen zum richtigen Anschluss der Ringkerne gibt, kann euch Sepp, dh5rae at darc punkt de, gerne helfen.

Anschluss und Auswertung:

Diese Platine wurde für den U02 DDS entwickelt, ist jedoch universell einsetzbar.

Nach Anschluss des Senderausgangs und der Antenne sowie 12V Versorgungsspannung, verbindet man die Ausgänge "Power" und "SWR" mit den gleichnamigen Eingängen des U02-DDS. Alles weitere übernimmt die Software im DDS. Leistung sowie SWR werden im Display (falls vorhanden) angezeigt.

 

Wer mit dieser Platine ein eigenes Messgerät bauen möchte, für den gelten folgende Hinweise:

Vor einer Rechnung benötigt man zwei Dinge:

1) einen Referenzwert, also welche Ausgangsspannung (Volt-Gleichspannung) liefert der AD8307 bei einer bestimmten Sendeleistung (dBm)
2) die Schrittweite in Volt / dB am Platinenausgang (die Power und SWR Ausgänge sind dabei identisch)

aus diesen beiden Werten kann man sich dann leicht jede beliebige Leistung ausrechnen.

Beispiel gemessen an meiner Platine:

Sendeleistung 9 Watt / 39,54 dBm ... Spannung am Platinenausgang 0,95 Volt
Sendeleistung 0,563 Watt / 27,5 dBm ... Spannung am Platinenausgang 0,825 Volt

die Schrittweite ist: 0,95 - 0,825 = 0,125V geteilt durch 12,04 dBm (39,54 - 27,5)
ergibt: 0,01038 V oder 10,38 mV pro dBm.

Daraus kann man jetzt jede Sendeleistung leicht ermitteln:

Sendeleistung in dBm = 39,54 + (Ausgangsspannung - 0,95) / 0,01038

Umrechnung der Sendeleistung von dBm in Watt:

Leistung [Watt] = (10 hoch (dBm/10))  / 1000

Berechnung des SWR:

Jetzt können wir uns also die vorlaufende und rücklaufende Leistung in Watt ausrechnen.

Das SWR ist jedoch das Verhältnis von vorlaufender zu rücklaufender "Spannung": swr = (Uvor+Urück)/(Uvor-Urück)

Daher müssen wir die Leistung zunächst in die Spannung (an 50 Ohm) umrechnen, und zwar einmal für die vorlaufende und einmal für die rücklaufende:

Spannung [Volt-eff] = wurzel(Leistung * 50 Ohm)

und nun das SWR:

swr = (Uvor+Urück)/(Uvor-Urück)

diese Rechnungen sind auch mit kleinen uControllern leicht machbar.

Anschluss eines Kreuzzeigerinstruments:

hier hat man es einfach, nur die beiden Ausgänge mit den beiden Messinstrumenten verbinden und fertig. Den Abgleich an die Empfindlichkeit der Instrumente macht man über den Ausgangsspannungsteiler, den man dann evt. mit einem Poti ersetzt.