HF Antenna Analyzer Sa Arduino at DDS Modyul: 6 na Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:13

Hi

Sa Instructable na ito ipapakita ko sa iyo kung paano ako nagtayo ng isang murang analyzer ng antena na maaaring sukatin ang isang antena at ipakita ang VSWR nito sa anuman o lahat ng mga HF frequency band. Mahahanap nito ang minimum na VSWR at kaukulang dalas para sa bawat banda ngunit magpapakita rin ng isang realtime VSWR para sa isang napiling dalas ng gumagamit upang mapadali ang pagsasaayos ng antena. Kung magwawalis ng isang solong dalas ng dalas, magpapakita ito ng isang grap ng VSWR kumpara sa dalas. Mayroon din itong USB port sa likuran para sa dalas ng pag-output at data ng VSWR, upang payagan ang mas pinong grap-plotting sa isang PC. Maaari ring magamit ang USB port upang i-reflash ang firmware kung kinakailangan.

Kamakailan ay napunta ako sa amateur radio (dahil gusto ko ang ideya ng peer-to-peer na komunikasyon sa malalaking distansya nang walang imprastraktura) at mabilis na ginawa ang mga sumusunod na obserbasyon:

1. Ang lahat ng mga komunikasyon sa buong mundo na nag-interes sa akin ay nagaganap sa mga HF band (3-30 MHz)

2. Ang mga transfiver ng HF ay napakamahal at masisira kung hindi mo sila ihahatid sa isang makatwirang naitugma na antena

3. Inaasahan mong mag-ipon ng sarili mong antena ng HF mula sa mga piraso ng kawad na nakasabit sa hardin (maliban kung nais mong gumastos ng mas maraming pera kaysa sa ginastos mo sa 2).

4. Ang iyong antena ay maaaring maging isang hindi magandang tugma ngunit hindi mo malalaman hanggang sa subukan mo ito.

Ngayon ang isang purista ay maaaring sabihin na dapat munang subukan ang isang antena sa napakababang lakas sa dalas ng interes at suriin ang VSWR sa rig's meter upang masuri ang kalidad ng tugma. Wala talaga akong oras upang muck tungkol sa na uri ng bagay para sa bawat dalas na maaaring gusto kong gamitin. Ang talagang gusto ko ay isang analisador ng antena. Maaaring subukan ng mga aparatong ito ang kalidad ng tugma ng antena sa anumang dalas sa mga HF band. Sa kasamaang palad sila ay napakamahal din, kaya't itinakda kong isaalang-alang kung makakagawa ako ng sarili ko. Nadapa ako sa mahusay na gawaing isinagawa ng K6BEZ (tingnan ang https://www.hamstack.com/project_antenna_analyzer.html), na sinisiyasat ang paggamit ng isang Arduino upang makontrol ang isang murang direktang digital synthesizer module (DDS). Hindi nagtagal ay inabandona niya ang Arduino sa mga batayan sa gastos, mas gusto niyang gumamit ng isang PIC. Kaya, sa 2017 makakabili ka ng isang Arduino Nano sa halagang £ 3.50, kaya naisip ko na oras na upang muling bisitahin ang kanyang trabaho, kunin kung saan siya tumigil at makita kung ano ang maaari kong isipin (tandaan na hindi lang ako ang na nagawa ito: may ilang magagandang halimbawa na matatagpuan sa internet).

Update (29/7/2018) - ang gawaing ito ay itinayo ng malaki ng bi3qwq, mula sa Tsina, na gumawa ng ilang talagang magagandang pagpapabuti sa interface ng gumagamit, na mabait niyang ibinahagi. Dinisenyo niya ang isang napaka-propesyonal na PCB (na may mahusay na tampok na resistor ng calibration) at nagawa ang isang talagang mahusay na hitsura. Upang itaas ito lahat ay naghanda siya ng isang eskematiko, na alam kong matutuwa sa marami sa mga nag-puna dati. Mangyaring tingnan ang seksyon ng mga komento para sa karagdagang impormasyon.

Update - Nakakarating ako sa 60 m kamakailan lamang, na hindi sakop ng orihinal na sketch. Kaya ngayon na-upload ko ang bersyon ng firmware na 7, na nagdaragdag ng 160 m at 60 m na mga banda. Hindi ito mga add-on; sila ay ganap na isinama sa pagpapatakbo ng analyzer. Masuwerte na makakahanap ako ng isang font ng u8glib na nababasa pa rin ngunit pinapayagan akong magpakita ng sampung banda nang sabay-sabay sa maliit na screen na iyon (bagaman hindi ito monospace, na naging sanhi ng pagkalungkot). Tinantya ko ang mga halaga ng pagkakalibrate para sa mga bagong banda, batay sa interpolation / extrapolation ng umiiral na mga halaga ng pagkakalibrate. Pagkatapos ay nasuri ko ang mga ito sa mga nakapirming resistors at nagbibigay sila ng magagandang resulta.

Update - tulad ng maraming tao na nagtanong tungkol sa mga iskema, ang pangunahing Arduino / DDS / VSWR bridge circuit ay higit na hindi nabago mula sa orihinal na gawa ng K6BEZ. Mangyaring suriin ang nasa itaas na URL para sa kanyang orihinal na eskematiko kung saan ibinase ko ang proyektong ito. Nagdagdag ako ng isang encoder, isang OLED screen at ganap na binuo firmware upang gawin para sa isang walang hirap na karanasan ng gumagamit.

Update - Gumagamit ang sistemang ito ng isang napakababang mapagkukunan ng signal ng DDS na kaakibat ng isang resistive bridge na naglalaman ng mga diode detector. Sa gayon ang mga diode ay tumatakbo sa kanilang mga di-linear na rehiyon at ang aking unang bersyon ng sistemang ito ay may gawi na basahin ang VSWR. Bilang isang halimbawa, ang isang 16 ohm o 160 ohm impedance load ay dapat magpakita ng isang VSWR na halos 3 sa isang 50 ohm system; ang meter na ito ay nagpapahiwatig ng isang VSWR na malapit sa 2 sa sitwasyong ito. Samakatuwid ay nagsagawa ako ng isang pag-calibrate ng software gamit ang mga kilalang pagkarga na tila isang mabisang pag-aayos para sa problemang ito. Ito ay inilarawan sa penultimate na hakbang ng pagtuturo na ito at na-upload ang isang binagong sketch.

Update - on-board graphing na pasilidad na idinagdag sa solong pag-aalis dahil masyadong kapaki-pakinabang upang iwanan, lalo na kapag ang pag-tune ng haba ng antena para sa minimum na VSWR: binibigyan ka ng isang graph ng isang agad na makikitang kalakaran.

Hakbang 1: Bilhin ang Iyong Bagay

Kakailanganin mo ang mga sumusunod na item. Karamihan sa kanila ay maaaring makuha nang murang mula sa Ebay. Ang pinakamahal na solong item ay ang kahon, sa malapit na £ 10! Maaaring posible na palitan ang ilang mga item (Gumamit ako ng 47 Rs sa halip na 50 Rs, halimbawa). Ang mga diode ay hindi pangkaraniwan (kailangan kong bumili ng 5 mula sa Italya) at sulit na palitan ang mas madaling magagamit na mga item kung alam mo kung ano ang iyong ginagawa.

• Arduino Nano
• DDS module (DDS AD9850 Signal Generator Module HC-SR08 Signal Sine Square Wave 0-40MHz)
• 1.3 "i2c OLED display
• MCP6002 op-amp (8 pin)
• 2 off sa AA143 diode
• Mga ceramic capacitor: 2 off 100 nF, 3 off 10 nF
• 1 uF electrolytic capacitor
• Mga resistor: 3 off 50 R, 2 off 10 K, 2 off 100 K, 2 off 5 K, 2 off 648 R
• 2.54 mm pitch block terminal blocks: 3 off 2-pin, 2 off 4-pin
• Single-core hook-up wire
• 702 o katulad na hook-up wire
• Stripboard
• Square header strip (babae) para sa pag-plug ng Arduino at DDS - huwag bumili nang hindi sinasadya ang mga bagay na bilog na socket!
• SO-239 chassis-mount socket
• Rotary encoder (15 pulso, 30 detent) na may push switch at knob
• Murang rotary encoder 'module' (opsyonal)
• Project box
• Toggle switch
• Mini-usb na kanang-kanan na usok sa USB B bulkhead mount lead (50 cm)
• PP3 at clip / may hawak ng baterya
• Ang self-adhesive na mga mounting post / standoff ng PCB

Kakailanganin mo rin ang isang soldering iron at electronics tool. Ang isang 3D printer at isang poste ng drill ay kapaki-pakinabang para sa enclosure, kahit na kung nais mo maaari mong maipunin ang buong bagay sa stripboard at hindi mag-abala sa isang kahon.

Likas na isinasagawa mo ang gawaing ito at pagsamantalahan ang mga resulta na nabuo sa iyong sariling peligro.

Hakbang 2: Ilatag ang Stripboard

Planuhin kung paano mo aayusin ang mga sangkap sa stripboard. Maaari mong gawin ito sa iyong sarili, na tumutukoy sa orihinal na iskema ng K6BEZ (na walang isang encoder o screen - tingnan ang Pahina 7 ng https://www.hamstack.com/hs_projects/antenna_analyzer_docs.pdf), o maaari kang makatipid ng maraming oras at kopyahin ang aking layout.

Ginagawa ko ang mga layout na ito sa simpleng paraan, gamit ang parisukat na papel at isang lapis. Ang bawat intersection ay kumakatawan sa isang stripboard hole. Ang mga tanso na tanso ay pupunta nang pahalang. Ang isang krus ay kumakatawan sa isang sirang track (gumamit ng isang 6 mm drill o ang tamang tool kung mayroon kang isa). Ang mga linya ng mga bilog na may isang kahon na bilugan ang mga ito ay kumakatawan sa mga header. Ang mga malalaking kahon na may mga tornilyo ay nagpapahiwatig ng mga bloke ng konektor. Tandaan na sa aking diagram mayroong isang labis na linya na tumatakbo nang pahalang sa gitna ng board. Iwanan ito kapag pinagsama-sama mo ito (minarkahan na 'alisin ang linyang ito').

Ang ilan sa mga bahagi ay maaaring lilitaw na inilatag nang kakaiba. Ito ay dahil ang disenyo ay umunlad sa sandaling nakuha ko ang pangunahing hardware na gumagana (lalo na nang napagtanto ko na ang encoder ay nangangailangan ng mga pagkagambala sa hardware, halimbawa).

Kapag ang mga sangkap ng paghihinang sa board, ginagamit ko ang Blu-Tak upang mahigpit na hawakan ang mga ito sa lugar habang binabaling ko ang board upang maghinang ang mga binti.

Sinubukan kong i-minimize ang dami ng wire na ginamit ko sa pamamagitan ng pag-align ng Arduino at ng module ng DDS at paggamit lamang ng stripboard upang ikonekta ang mga key key. Hindi ko napagtanto sa oras na ang mga nakakagambala ng hardware na kinakailangan upang mabasa ang encoder ay gagana lamang sa mga pin na D2 at D3, kaya kailangan kong ilipat ang DDS RESET mula sa orihinal na koneksyon ng D3 na may kaunting kawad:

DDS RESET - Arduino D7

DDS SDAT - Arduino D4

DDS FQ. UD - Arduino D5

DDS SCLK - Arduino D6

Ginagamit ang Arduino D2 & D3 para sa mga input ng encoder na A & B. Ginagamit ang D11 para sa input ng switch ng encoder. Hindi ginagamit ang D12 ngunit naisip kong gumawa ng isang terminal ng tornilyo para dito, para sa pagpapalawak sa hinaharap.

Ang Arduino A4 & A5 ay nagbibigay ng mga signal ng SDA & SCL (I2C) para sa OLED screen.

Ang Arduino A0 & A1 ay kumukuha ng mga input mula sa tulay ng VSWR (sa pamamagitan ng OPAMP).

Hakbang 3: I-install ang Mga Modyul, Ilakip ang mga Peripheral at Flash ang Code

Ito ay nagkakahalaga ng pagsubok sa board bago pumunta sa problema ng pag-mount ito sa isang enclosure. Ikabit ang mga sumusunod na sangkap gamit ang nababaluktot na kawad sa board gamit ang mga block terminal ng tornilyo:

• 1.3 "OLED display (ang SDA at SCL ay konektado sa Arduino pin A4 at A5 ayon sa pagkakabanggit; ground at Vcc pumunta sa Arduino GND at + 5V, malinaw naman)
• Rotary encoder (kailangan nito ng isang lupa, dalawang linya ng signal at isang linya ng paglipat - maaaring kailanganin mong i-flip ang mga linya ng switch kung ang encoder ay gumagana sa maling paraan - ikonekta ang mga ito sa Arduino ground, D2, D3 & D11 ayon sa pagkakabanggit). Tandaan na para sa aking gawaing prototyping na-mount ko ang 15/30 encoder papunta sa isang board ng module ng encoder na KH-XXX, dahil ang mga pin sa mga hubad na encoder ay napaka-manipis. Para sa pangwakas na trabaho naghinang ako ng mga wire nang diretso sa encoder.
• 9V na baterya
• SO-239 socket - solder ang center pin sa linya ng signal ng antena at gumamit ng isang M3 ring terminal at tornilyo para sa ground ng antena

I-flash ang sumusunod na sketch papunta sa Arduino. Siguraduhin din na isinama mo ang napakahusay na library ng driver ng OLED mula sa Oli Kraus, o ang pagkakabit ay mag-crash at masunog:

Kung ang iyong OLED display ay bahagyang naiiba maaaring kailanganin mo ng ibang setting ng pagsasaayos sa u8glib; ito ay mahusay na dokumentado sa halimbawa ng code ni Oli.

Hakbang 4: Ilagay ang Lahat sa isang Magaling na Kahon (opsyonal)

Seryoso kong isinasaalang-alang ang pag-iwan ng analisador bilang isang hubad na board, dahil malamang na magamit ito paminsan-minsan. Gayunpaman, sa pagsasalamin, naisip ko na kung gumagawa ako ng maraming trabaho sa isang solong antena, maaari itong mapunta sa pinsala. Kaya't ang lahat ay pumasok sa isang kahon. Walang point na detalyado tungkol sa kung paano ito nagawa, dahil malamang na magkakaiba ang iyong kahon, ngunit ang ilang mga pangunahing tampok ay nagkakahalaga na banggitin:

1. Gumamit ng self-adhesive PCB standoffs para sa pag-mount sa stripboard. Ginagawa nilang talagang madali ang buhay.

2. Gumamit ng isang maikling USB adapter lead upang mailabas ang Arduino USB port sa likuran ng enclosure. Kung gayon madali itong ma-access ang serial port upang makakuha ng dalas kumpara sa data ng VSWR at i-reflash din ang Arduino nang hindi inaalis ang takip.

3. Bumuo ako ng isang pasadyang bahagi na naka-print sa 3D upang suportahan ang display na OLED, dahil wala akong makitang kahit ano sa web. Mayroon itong recess upang payagan ang isa na magpasok ng isang 2 mm na piraso ng acrylic upang maprotektahan ang marupok na screen. Maaari itong mai-mount gamit ang double-sided tape o pag-tap sa sarili ng mga tornilyo (kasama ang mga tab sa magkabilang panig). Kapag na-install na ang display, maaari kang gumamit ng isang mainit na kawad (isipin ang paperclip at blowlamp) upang matunaw ang mga PLA na pin sa likod ng circuit board upang ma-secure ang lahat. Narito ang file ng STL para sa sinumang interesado:

Hakbang 5: Pagkakalibrate

Orihinal na hindi ako gumawa ng anumang pagkakalibrate ngunit natuklasan na ang metro ng VSWR ay patuloy na mababa ang pagbabasa. Nangangahulugan ito na kahit na ang isang antena ay mukhang okay, ang autotuner ng aking kalesa ay hindi makatugma dito. Ang problemang ito ay lumitaw dahil ang module ng DDS ay nagbibigay ng isang napakababang signal ng amplitude (tungkol sa 0.5 Vpp sa 3.5 MHz, lumiligid habang tumataas ang dalas). Ang mga diode ng detektor sa tulay ng VSWR samakatuwid ay tumatakbo sa kanilang di-linear na rehiyon.

Mayroong dalawang posibleng pag-aayos para dito. Ang una ay upang magkasya ang isang broadband amplifier sa output ng DDS. Ang mga potensyal na naaangkop na aparato ay magagamit nang mura mula sa Tsina at palalakasin nila ang output sa halos 2 V pp. Inorder ko ang isa sa mga ito ngunit hindi ko pa ito susubukan. Ang pakiramdam ko ay kahit na ang amplitude na ito ay magiging medyo marginal at ang ilang di-linearity ay mananatili. Ang pangalawang pamamaraan ay upang ilagay ang mga kilalang naglo-load sa output ng mayroon nang metro at upang maitala ang ipinakitang VSWR sa bawat frequency band. Pinapayagan kang bumuo ng mga curve ng pagwawasto para sa aktwal kumpara sa naiulat na VSWR, na maaaring ilagay sa Arduino sketch upang mailapat ang pagwawasto sa mabilisang paraan.

Kinuha ko ang pangalawang pamamaraan dahil madali itong gawin. Hawakan lamang ang mga sumusunod na resistor: 50, 100, 150 at 200 ohms. Sa 50 ohm na instrumento na ito ay tumutugma sa VSWRs ng 1, 2, 3 at 4 sa pamamagitan ng kahulugan. Sa sketch mayroong isang switch na 'use_calibration'. Itakda ito sa LOW at i-upload ang sketch (na magpapakita ng isang babala sa splash screen). Pagkatapos ay isagawa ang mga sukat sa gitna ng bawat frequency band para sa bawat risistor. Gumamit ng isang spreadsheet upang balangkasin ang inaasahan kumpara sa ipinapakitang VSWR. Maaari mo ring gawin ang isang logarithmic curve fit para sa bawat frequency band, na nagbibigay ng isang multiplier at intercept ng form na TrueVSWR = m.ln (MeasuredVSWR) + c. Ang mga halagang ito ay dapat na mai-load sa array ng swr_results sa huling dalawang haligi (tingnan ang naunang pahayag ng komento sa sketch). Ito ay isang kakaibang lugar upang mailagay ang mga ito ngunit nagmamadali ako at habang lumulutang ang mga tindahan ng array na ito tila isang makatuwirang pagpipilian sa oras. Pagkatapos ay ilagay ang switch ng use_calibration pabalik sa TAAS, i-reflash ang Arduino at umalis ka.

Tandaan na kapag ginagawa ang mga sukat ng dalas ng lugar, ang pagkakalibrate ay inilalapat para sa paunang pagpipilian ng banda. Hindi ito maa-update kung gumawa ka ng malalaking pagbabago sa dalas.

Ngayon ang metro ay nagbabasa tulad ng inaasahan para sa mga nakapirming pag-load at tila may katuturan kapag sinusukat ang aking mga antena! Pinaghihinalaan ko na maaaring hindi ako mag-abala sa pagsubok sa labas ng broadband na pagdating …

Hakbang 6: Paggamit ng Analyzer

Maglakip ng isang antena sa pamamagitan ng isang lead na PL-259 at buksan ang aparato. Ipapakita nito ang isang splash screen pagkatapos ay awtomatikong magsagawa ng isang walis ng lahat ng mga pangunahing HF banda. Ipinapakita ng display ang dalas sa ilalim ng pagsubok, ang kasalukuyang pagbasa ng VSWR, ang minimum na pagbabasa ng VSWR at ang dalas kung saan ito nangyari. Upang mabawasan ang ingay sa pagsukat, limang pagsukat ang kinukuha ng VSWR sa bawat dalas ng punto; ang ibig sabihin ng halaga ng limang pagbasa na ito ay ipinapasa sa pamamagitan ng isang siyam na puntong paglipat ng average na filter na patungkol sa dalas bago ipakita ang panghuling halaga.

Kung nais mong ihinto ang pag-sweep ng lahat ng band, pindutin lamang ang encoder knob. Hihinto ang pagwawalis at isang buod ng lahat ng nakalap na data ng banda ay ipapakita (na may mga null para sa mga banda na hindi pa swept). Dadalhin ng pangalawang press ang pangunahing menu. Ang mga pagpipilian ay ginawa sa pamamagitan ng pag-ikot ng encoder at pagkatapos ay pindutin ito sa naaangkop na punto. Mayroong tatlong mga pagpipilian sa pangunahing menu:

Walisin ang lahat ng mga banda ay muling i-restart ang walisin ng lahat ng mga pangunahing HF banda. Kapag natapos ito, ipapakita nito ang screen ng buod na inilarawan sa itaas. Isulat ito o kumuha ng litrato kung nais mong panatilihin ito.

Papayagan ka ng sweep solong banda na pumili ng isang solong banda gamit ang encoder pagkatapos ay walisin ito. Ang parehong haba ng haba ng daluyong at dalas ay ipinapakita habang pinipili. Kapag natapos na ang pagwawalis, ang pangalawang pagpindot ng encoder ay magpapakita ng isang simpleng VSWR kumpara sa frequency graph ng banda na naalis lamang, na may isang pahiwatig na bilang na minimum na VSWR at dalas na naganap. Napaka-madaling gamiting ito kung nais mong malaman kung paikliin o pahabain ang iyong mga sandata ng dipole, dahil ipinapakita nito ang trend ng VSWR na may dalas; nawala ito sa simpleng ulat sa bilang.

Pinapayagan ka ng solong dalas na pumili ng isang solong nakapirming dalas at pagkatapos ay patuloy na ina-update ang isang live na pagsukat ng VSWR, para sa mga layunin ng pag-tune ng antena sa real time. Piliin muna ang nauugnay na frequency band; ipapakita ng display ang gitnang dalas ng napiling banda at isang live na pagbabasa ng VSWR. Ang nauugnay na pag-calibrate ng banda ay inilapat sa puntong ito. Ang isa sa mga digit ng dalas ay salungguhit. Maaari itong ilipat sa kaliwa at kanan gamit ang encoder. Ang pagpindot sa encoder ay nagpapalakas ng linya; pagkatapos ang pag-ikot ng encoder ay magbabawas o magpapataas ng digit (0-9 na walang balot o bitbit). Pindutin muli ang encoder upang ayusin ang digit, pagkatapos ay magpatuloy sa susunod. Maaari mong ma-access ang halos anumang dalas sa kabuuan ng buong HF spectrum gamit ang pasilidad na ito - ang pagpili ng banda sa simula ay makakatulong lamang upang mapalapit ka sa kung saan mo nais na maging. Gayunpaman, mayroong isang pag-iingat: ang pagkakalibrate para sa napiling banda ay na-load sa simula. Kung lumipat ka ng napakalayo mula sa napiling banda sa pamamagitan ng pagbabago ng mga digit ang pagkakalibrate ay magiging hindi gaanong wasto, kaya subukang manatili sa loob ng napiling banda. Kapag natapos mo na sa mode na ito, ilipat ang underscore hanggang sa kanan hanggang sa ilalim ito ng 'exit', pagkatapos ay pindutin ang encoder upang bumalik sa pangunahing menu.

Kung ikinonekta mo ang iyong PC sa USB socket sa likuran ng analyzer (ibig sabihin sa Arduino), maaari mong gamitin ang Arduino serial monitor upang mangolekta ng dalas kumpara sa mga halaga ng VSWR sa anumang operasyon ng walisin (kasalukuyang itinakda sa 9600 ngunit maaari mo itong baguhin madali sa pamamagitan ng pag-edit ng aking sketch). Pagkatapos ay mailalagay ang mga halaga sa isang spreadsheet upang maaari kang magbalangkas ng mas permanenteng mga graphic atbp.

Ipinapakita ng screenshot ang buod ng VSWR para sa aking 7.6 m na poste ng pangingisda na patayong antena na may 9: 1 UNUN. Ang aking kalesa ay maaaring tumanggap ng isang 3: 1 max SWR kasama ang panloob na auto-tuner unit. Maaari mong makita na magagawa kong i-tune ito sa lahat ng mga banda maliban sa 80 m at 17 m. Kaya't makakapagpahinga ako sa kaalamang mayroon akong isang nadaanan na multi-band antena at hindi ko sisirain ang anumang mahal kapag nagpapadala sa karamihan ng mga banda.

Good luck at sana ay mapulot mo itong kapaki-pakinabang.