Máy phân tích ăng-ten HF với mô-đun Arduino và DDS: 6 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Chào

Trong Tài liệu hướng dẫn này, tôi sẽ chỉ cho bạn cách tôi chế tạo một máy phân tích ăng-ten giá rẻ có thể đo một ăng-ten và hiển thị VSWR của nó trên bất kỳ hoặc tất cả các dải tần HF. Nó sẽ tìm VSWR tối thiểu và tần số tương ứng cho mỗi băng tần nhưng cũng sẽ hiển thị VSWR thời gian thực cho tần số do người dùng chọn để tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều chỉnh ăng-ten. Nếu quét một dải tần duy nhất, nó sẽ hiển thị một biểu đồ của VSWR so với tần số. Nó cũng có một cổng USB ở mặt sau để xuất tần số và dữ liệu VSWR, cho phép vẽ đồ thị tinh vi hơn trên PC. Cổng USB cũng có thể được sử dụng để cập nhật lại phần sụn nếu cần.

Gần đây tôi đã tham gia vào đài nghiệp dư (bởi vì tôi thích ý tưởng giao tiếp ngang hàng trên khoảng cách rất lớn mà không có cơ sở hạ tầng) và nhanh chóng thực hiện các nhận xét sau:

1. Tất cả các thông tin liên lạc trên toàn thế giới mà tôi quan tâm đều diễn ra trên băng tần HF (3-30 MHz)

2. Bộ thu phát HF rất đắt tiền và sẽ bị hỏng nếu bạn không lắp chúng vào một ăng-ten phù hợp hợp lý

3. Bạn thường được kỳ vọng sẽ lắp đặt ăng-ten HF của riêng mình từ các đoạn dây được xâu khắp khu vườn (trừ khi bạn muốn chi nhiều tiền hơn số tiền bạn đã bỏ ra trong 2 lần).

4. Ăng-ten của bạn có thể là một kết hợp tồi nhưng bạn sẽ không biết cho đến khi bạn thử nó.

Bây giờ một người theo chủ nghĩa thuần túy có lẽ sẽ nói rằng trước tiên người ta nên kiểm tra ăng-ten ở công suất rất thấp ở tần số quan tâm và kiểm tra VSWR trên đồng hồ của giàn khoan để đánh giá chất lượng của trận đấu. Tôi thực sự không có thời gian để phân vân với những thứ đó cho mọi tần suất tôi có thể muốn sử dụng. Những gì tôi thực sự muốn là một máy phân tích ăng-ten. Các thiết bị này có thể kiểm tra chất lượng của ăng ten phù hợp ở bất kỳ tần số nào trên các băng tần HF. Thật không may, chúng cũng rất đắt, vì vậy tôi đã cân nhắc xem liệu tôi có thể tự làm được không. Tôi tình cờ thấy công trình xuất sắc được thực hiện bởi K6BEZ (xem https://www.hamstack.com/project_antenna_analyzer.html), người đã nghiên cứu việc sử dụng Arduino để điều khiển mô-đun tổng hợp kỹ thuật số trực tiếp giá rẻ (DDS). Anh ấy sớm từ bỏ Arduino vì lý do chi phí, thích sử dụng PIC. Chà, vào năm 2017, bạn có thể mua Arduino Nano với giá khoảng £ 3,50, vì vậy tôi nghĩ đã đến lúc xem lại công việc của anh ấy, tiếp tục nơi anh ấy đã dừng lại và xem tôi có thể nghĩ ra điều gì (lưu ý rằng tôi không phải là người duy nhất ai đã làm điều này: có một số ví dụ rất hay được tìm thấy trên internet).

Cập nhật (29/7/2018) - công việc này được xây dựng dựa trên đáng kể bởi bi3qwq, đến từ Trung Quốc, người đã thực hiện một số cải tiến thực sự tốt đẹp cho giao diện người dùng, mà anh ấy đã vui lòng chia sẻ. Anh ấy đã thiết kế một PCB rất chuyên nghiệp (với tính năng điện trở hiệu chuẩn tuyệt vời) và thực hiện một bản dựng thực sự đẹp mắt. Trên hết, anh ấy đã chuẩn bị một lược đồ, mà tôi biết sẽ làm hài lòng nhiều người trong số những người đã bình luận trước đây. Vui lòng xem phần bình luận để biết thêm thông tin.

Cập nhật - Tôi đã đi vào 60 m gần đây, mà bản phác thảo ban đầu không bao gồm. Vì vậy, bây giờ tôi đã tải lên phiên bản phần sụn 7, bổ sung thêm các băng tần 160 m và 60 m. Đây không phải là tiện ích bổ sung; chúng được tích hợp hoàn toàn vào hoạt động của máy phân tích. Thật may mắn khi tôi có thể tìm thấy một phông chữ u8glib vẫn dễ đọc nhưng cho phép tôi hiển thị mười dải đồng thời trên màn hình nhỏ đó (mặc dù nó không phải là monospace, điều này gây ra một số đau buồn). Tôi đã ước tính các giá trị hiệu chuẩn cho các dải mới, dựa trên nội suy / ngoại suy của các giá trị hiệu chuẩn hiện có. Sau đó tôi đã kiểm tra những thứ này bằng điện trở cố định và chúng cho kết quả khá tốt.

Cập nhật - như một số người đã hỏi về sơ đồ, mạch cầu Arduino / DDS / VSWR cơ bản hầu như không thay đổi so với nguyên tác của K6BEZ. Vui lòng kiểm tra URL ở trên để biết sơ đồ ban đầu của anh ấy mà tôi dựa trên dự án này. Tôi đã thêm bộ mã hóa, màn hình OLED và phần sụn được phát triển đầy đủ để tạo ra trải nghiệm người dùng dễ dàng.

Cập nhật - Hệ thống này sử dụng nguồn tín hiệu DDS điện áp rất thấp kết hợp với một cầu điện trở có chứa các đầu dò diode. Do đó, các điốt đang hoạt động trong các vùng phi tuyến tính của chúng và phiên bản đầu tiên của hệ thống này của tôi có xu hướng đọc VSWR kém. Ví dụ, tải trở kháng 16 ohm hoặc 160 ohm sẽ hiển thị VSWR khoảng 3 trong hệ thống 50 ohm; đồng hồ này chỉ ra VSWR gần hơn 2 trong tình huống này. Do đó, tôi đã tiến hành hiệu chuẩn phần mềm bằng cách sử dụng các tải đã biết, đây dường như là một cách khắc phục hiệu quả cho sự cố này. Điều này được mô tả trong bước cuối cùng của hướng dẫn này và một bản phác thảo sửa đổi đã được tải lên.

Cập nhật - cơ sở vẽ đồ thị trên bo mạch được thêm vào các lần quét đơn lẻ vì nó quá hữu ích để loại bỏ, đặc biệt khi điều chỉnh độ dài ăng-ten cho VSWR tối thiểu: một biểu đồ cung cấp cho bạn xu hướng có thể nhìn thấy ngay lập tức.

Bước 1: Mua đồ của bạn

Bạn sẽ cần những thứ sau đây. Hầu hết chúng có thể được lấy với giá rẻ từ Ebay. Món đồ đắt nhất là chiếc hộp, gần 10 bảng Anh! Có thể thay thế một số mặt hàng (ví dụ: tôi đã sử dụng 47 Rs thay vì 50 Rs). Các điốt khá bất thường (tôi đã phải mua 5 điốt từ Ý) và sẽ có giá trị thay thế cho các mặt hàng sẵn có hơn nếu bạn biết mình đang làm gì.

• Arduino Nano
• Mô-đun DDS (Mô-đun tạo tín hiệu DDS AD9850 HC-SR08 Tín hiệu hình sin sóng vuông 0-40MHz)
• Màn hình OLED 1.3 "i2c
• MCP6002 op-amp (8 chân)
• 2 điốt AA143 tắt
• Tụ gốm: 2 tắt 100 nF, 3 tắt 10 nF
• 1 tụ điện uF
• Điện trở: 3 tắt 50 R, 2 tắt 10 K, 2 tắt 100 K, 2 tắt 5 K, 2 tắt 648 R
• Khối thiết bị đầu cuối vít có bước sóng 2,54 mm: 3 chốt 2 đầu, 2 chốt 4 đầu tắt
• Dây móc một lõi
• 702 hoặc dây móc tương tự
• Stripboard
• Dải tiêu đề hình vuông (cái) để cắm Arduino và DDS - đừng mua nhầm thứ ổ cắm tròn!
• Ổ cắm gắn khung SO-239
• Bộ mã hóa quay (15 xung, 30 detent) với công tắc ấn và núm xoay
• 'Mô-đun' mã hóa vòng quay giá rẻ (tùy chọn)
• Hộp dự án
• Nút chuyển đổi
• Chì gắn vách ngăn mini-usb sang USB B góc phải (50 cm)
• PP3 và kẹp pin / giá đỡ
• Trụ / chân đế gắn PCB tự dính

Bạn cũng sẽ cần một mỏ hàn và các dụng cụ điện tử. Một máy in 3D và một máy khoan cột rất hữu ích cho vỏ bọc, mặc dù nếu muốn, bạn có thể lắp ráp toàn bộ mọi thứ trên tấm bảng và không cần bận tâm đến hộp.

Đương nhiên, bạn đảm nhận công việc này và khai thác các kết quả tạo ra với rủi ro của riêng bạn.

Bước 2: Bố trí Stripboard

Lập kế hoạch sắp xếp các thành phần trên bảng điều khiển như thế nào. Bạn có thể tự mình làm điều đó, tham khảo sơ đồ gốc của K6BEZ (thiếu bộ mã hóa hoặc màn hình - xem Trang 7 của https://www.hamstack.com/hs_projects/antenna_analyzer_docs.pdf) hoặc bạn có thể tiết kiệm thời gian và sao chép bố cục của tôi.

Tôi thực hiện các bố cục này theo cách đơn giản, sử dụng giấy vuông và bút chì. Mỗi giao lộ đại diện cho một lỗ trên dải. Các vết đồng đi theo chiều ngang. Dấu thập đại diện cho một rãnh bị gãy (sử dụng mũi khoan 6 mm hoặc dụng cụ thích hợp nếu bạn có). Các đường tròn với một hộp bao quanh chúng đại diện cho các tiêu đề. Các hộp lớn có vít biểu thị các khối đầu nối. Lưu ý rằng trong sơ đồ của tôi có một đường phụ chạy ngang qua giữa bảng. Bỏ phần này ra khi bạn sắp xếp nó lại với nhau (nó được đánh dấu là 'bỏ qua dòng này').

Một số thành phần có thể được bố trí một cách kỳ lạ. Điều này là do thiết kế đã phát triển khi tôi có phần cứng cơ bản hoạt động (đặc biệt là khi tôi nhận ra rằng bộ mã hóa cần ngắt phần cứng chẳng hạn).

Khi hàn các thành phần vào bo mạch, tôi sử dụng Blu-Tak để giữ chúng cố định tại chỗ trong khi lật ngược bo mạch để hàn các chân.

Tôi đã cố gắng giảm thiểu số lượng dây mà tôi sử dụng bằng cách căn chỉnh Arduino và mô-đun DDS và chỉ sử dụng bảng dải để kết nối các chân chính. Tại thời điểm đó, tôi không nhận ra rằng các ngắt phần cứng cần thiết để đọc bộ mã hóa chỉ hoạt động trên các chân D2 và D3, vì vậy tôi phải di chuyển DDS RESET từ kết nối D3 ban đầu của nó bằng một đoạn dây:

ĐẶT LẠI DDS - Arduino D7

DDS SDAT - Arduino D4

DDS FQ. UD - Arduino D5

DDS SCLK - Arduino D6

Arduino D2 & D3 được sử dụng cho đầu vào bộ mã hóa A & B. D11 được sử dụng cho đầu vào công tắc bộ mã hóa. D12 không được sử dụng nhưng tôi nghĩ dù sao thì tôi cũng sẽ làm một thiết bị đầu cuối vít cho nó, để mở rộng trong tương lai.

Arduino A4 & A5 cung cấp tín hiệu SDA & SCL (I2C) cho màn hình OLED.

Arduino A0 & A1 lấy đầu vào từ cầu VSWR (thông qua OPAMP).

Bước 3: Cài đặt các Mô-đun, Đính kèm Thiết bị Ngoại vi và Flash Mã

Bạn nên kiểm tra bo mạch trước khi gặp khó khăn khi gắn nó vào vỏ máy. Gắn các thành phần sau bằng dây mềm vào bảng bằng các khối đầu cuối vít:

• Màn hình OLED 1,3 "(SDA và SCL được kết nối tương ứng với chân Arduino A4 và A5; nối đất và Vcc đến Arduino GND và + 5V, rõ ràng)
• Bộ mã hóa quay (điều này cần một mặt đất, hai đường tín hiệu và một đường chuyển đổi - bạn có thể cần phải lật các đường chuyển mạch nếu bộ mã hóa hoạt động sai cách - kết nối chúng với mặt đất Arduino, D2, D3 & D11 tương ứng). Lưu ý rằng đối với công việc tạo mẫu của tôi, tôi đã gắn bộ mã hóa 15/30 vào bảng mô-đun bộ mã hóa KH-XXX, vì các chân trên bộ mã hóa trần rất mỏng manh. Đối với công việc cuối cùng, tôi hàn dây thẳng vào bộ mã hóa.
• Pin 9V
• Ổ cắm SO-239 - hàn chân giữa vào đường tín hiệu ăng-ten và sử dụng đầu nối vòng M3 và vít cho đất ăng-ten

Đưa bản phác thảo sau lên Arduino. Ngoài ra, hãy đảm bảo rằng bạn đã bao gồm thư viện trình điều khiển OLED rất tốt từ Oli Kraus, nếu không thư khiếu nại sẽ gặp sự cố và cháy:

Nếu màn hình OLED của bạn hơi khác, bạn có thể cần cài đặt cấu hình khác trong u8glib; điều này được ghi rõ trong mã ví dụ của Oli.

Bước 4: Đặt tất cả vào một hộp đẹp (tùy chọn)

Tôi nghiêm túc coi việc để máy phân tích như một tấm ván trần, vì nó chỉ thỉnh thoảng được sử dụng. Tuy nhiên, khi suy nghĩ lại, tôi nghĩ rằng nếu tôi làm nhiều việc trên một ăng-ten duy nhất, nó có thể bị hỏng. Vì vậy, mọi thứ đã đi trong một hộp. Không có lý do gì để đi vào chi tiết về cách điều này được thực hiện, vì hộp của bạn có thể sẽ khác, nhưng một số tính năng chính đáng được đề cập:

1. Sử dụng standoffs PCB tự dính để gắn dải bảng. Họ làm cho cuộc sống thực sự dễ dàng.

2. Sử dụng dây dẫn bộ chuyển đổi USB ngắn để đưa cổng USB Arduino ra phía sau vỏ. Sau đó, thật dễ dàng truy cập vào cổng nối tiếp để lấy dữ liệu tần số so với VSWR và cũng có thể tái tạo lại Arduino mà không cần tháo nắp.

3. Tôi đã phát triển một phần được in 3D tùy chỉnh để hỗ trợ màn hình OLED, vì tôi không thể tìm thấy bất kỳ thứ gì trên web. Cái này có một chỗ lõm để cho phép người ta chèn một miếng acrylic 2 mm để bảo vệ màn hình mỏng manh. Nó có thể được gắn bằng băng keo hai mặt hoặc vít tự khai thác (với các tab ở hai bên). Khi màn hình đã được lắp vào, bạn có thể sử dụng dây nóng (ví dụ như kẹp giấy và đèn pin) để làm chảy các chân PLA ở mặt sau của bảng mạch để cố định mọi thứ. Đây là tệp STL cho bất kỳ ai quan tâm:

Bước 5: Hiệu chỉnh

Ban đầu tôi không thực hiện bất kỳ hiệu chuẩn nào nhưng phát hiện ra rằng đồng hồ VSWR luôn đọc ở mức thấp. Điều này có nghĩa là mặc dù một ăng-ten có vẻ ổn, nhưng bộ dò tự động của giàn khoan của tôi không thể khớp với nó. Vấn đề này phát sinh do mô-đun DDS phát ra tín hiệu có biên độ rất thấp (khoảng 0,5 Vpp ở 3,5 MHz, tắt khi tần số tăng lên). Do đó, các điốt dò trong cầu VSWR đang hoạt động trong vùng phi tuyến tính của chúng.

Có hai cách sửa chữa có thể xảy ra cho vấn đề này. Đầu tiên là lắp một bộ khuếch đại băng thông rộng với đầu ra của DDS. Các thiết bị tiềm năng phù hợp có sẵn với giá rẻ từ Trung Quốc và chúng sẽ tăng sản lượng lên khoảng 2 V pp. Tôi đã đặt hàng một trong những thiết bị này nhưng vẫn chưa thử. Cảm giác của tôi là ngay cả biên độ này sẽ là một chút biên và một số phi tuyến tính sẽ vẫn còn. Phương pháp thứ hai là đặt các tải đã biết vào đầu ra của đồng hồ hiện có và ghi lại VSWR được hiển thị ở mỗi băng tần. Điều này cho phép bạn xây dựng các đường cong hiệu chỉnh cho VSWR thực tế so với được báo cáo, sau đó có thể được đưa vào bản phác thảo Arduino để áp dụng hiệu chỉnh ngay lập tức.

Tôi đã áp dụng phương pháp thứ hai vì nó rất dễ thực hiện. Chỉ cần nắm giữ các điện trở sau: 50, 100, 150 và 200 ohms. Trên thiết bị 50 ohm này, chúng sẽ tương ứng với VSWR của 1, 2, 3 và 4 theo định nghĩa. Trong bản phác thảo có một công tắc 'use_calibration'. Đặt giá trị này thành LOW và tải lên bản phác thảo (sẽ hiển thị cảnh báo trên màn hình giật gân). Sau đó tiến hành đo tại tâm của mỗi dải tần cho mỗi điện trở. Sử dụng bảng tính để vẽ VSWR dự kiến so với VSWR được hiển thị. Sau đó, bạn có thể thực hiện phù hợp với đường cong logarit cho từng dải tần, cung cấp hệ số nhân và hệ số chặn có dạng TrueVSWR = m.ln (MeasuredVSWR) + c. Các giá trị này nên được tải vào mảng swr_results trong hai cột cuối cùng (xem câu lệnh chú thích trước trong bản phác thảo). Đây là một nơi kỳ lạ để đặt chúng nhưng tôi đã vội vàng và khi các cửa hàng mảng này trôi nổi, nó có vẻ như là một lựa chọn hợp lý vào thời điểm đó. Sau đó, đặt công tắc use_calibration trở lại HIGH, chỉnh sửa lại Arduino và bạn bắt đầu.

Lưu ý rằng khi thực hiện các phép đo tần số điểm, hiệu chuẩn được áp dụng cho lựa chọn ban đầu của băng tần. Điều này sẽ không được cập nhật nếu bạn thực hiện các thay đổi lớn về tần suất.

Bây giờ đồng hồ đọc như mong đợi đối với tải cố định và dường như có ý nghĩa khi đo ăng-ten của tôi! Tôi nghi ngờ rằng tôi có thể không bận tâm thử bộ khuếch đại băng thông rộng đó khi nó đến…

Bước 6: Sử dụng Trình phân tích

Gắn ăng-ten qua dây dẫn PL-259 và bật thiết bị. Nó sẽ hiển thị một màn hình giật gân sau đó tự động thực hiện quét tất cả các dải HF chính. Màn hình hiển thị tần số được kiểm tra, số đọc VSWR hiện tại, số đọc VSWR tối thiểu và tần số xảy ra. Để giảm nhiễu phép đo, năm phép đo được thực hiện bằng VSWR tại mọi điểm tần số; giá trị trung bình của năm lần đọc này sau đó được chuyển qua bộ lọc trung bình động chín điểm liên quan đến tần số trước khi giá trị cuối cùng được hiển thị.

Nếu bạn muốn dừng việc quét tất cả các dải này, chỉ cần nhấn vào núm bộ mã hóa. Quá trình quét sẽ dừng lại và một bản tóm tắt của tất cả dữ liệu băng tần đã thu thập sẽ được hiển thị (với giá trị rỗng cho những băng tần chưa được quét). Nhấn lần thứ hai sẽ hiển thị menu chính. Lựa chọn được thực hiện bằng cách xoay bộ mã hóa và sau đó nhấn vào điểm thích hợp. Có ba lựa chọn trong menu chính:

Quét tất cả các dải sẽ bắt đầu lại quá trình quét tất cả các dải HF chính. Khi kết thúc, nó sẽ hiển thị màn hình tóm tắt được mô tả ở trên. Viết lại hoặc chụp ảnh nếu bạn muốn giữ lại.

Quét một băng tần sẽ cho phép bạn chọn một băng tần duy nhất với bộ mã hóa sau đó quét nó. Cả bước sóng và dải tần số đều được hiển thị trong khi thực hiện lựa chọn. Khi quá trình quét kết thúc, lần nhấn thứ hai của bộ mã hóa sẽ hiển thị một biểu đồ VSWR đơn giản so với tần số của băng tần vừa quét, với chỉ báo bằng số về VSWR tối thiểu và tần số mà nó đã xảy ra. Điều này rất hữu ích nếu bạn muốn biết nên rút ngắn hay kéo dài các nhánh lưỡng cực của mình, vì nó cho thấy xu hướng VSWR với tần số; điều này bị mất với báo cáo số đơn giản.

Tần số đơn cho phép bạn chọn một tần số cố định duy nhất và sau đó cập nhật liên tục phép đo VSWR trực tiếp, cho mục đích điều chỉnh ăng-ten trong thời gian thực. Đầu tiên hãy chọn dải tần số có liên quan; màn hình sau đó sẽ hiển thị tần số trung tâm của băng tần đã chọn và đọc VSWR trực tiếp. Việc hiệu chuẩn băng tần liên quan được áp dụng tại thời điểm này. Một trong các chữ số của tần suất sẽ được gạch chân. Điều này có thể được di chuyển sang trái và phải bằng bộ mã hóa. Nhấn bộ mã hóa làm mờ dòng; sau đó xoay bộ mã hóa sẽ giảm hoặc tăng chữ số (0-9 không có bọc hoặc mang). Nhấn lại vào bộ mã hóa để sửa chữ số, sau đó chuyển sang chữ số tiếp theo. Bạn có thể truy cập khá nhiều tần số trên toàn bộ phổ HF bằng cách sử dụng cơ sở này - việc lựa chọn băng tần ngay từ đầu chỉ giúp đưa bạn đến gần nơi bạn có thể muốn. Tuy nhiên, có một cảnh báo: hiệu chuẩn cho băng tần đã chọn được tải ngay từ đầu. Nếu bạn di chuyển quá xa khỏi dải đã chọn bằng cách thay đổi các chữ số, hiệu chuẩn sẽ trở nên kém hợp lệ hơn, vì vậy hãy cố gắng ở trong dải đã chọn. Khi bạn hoàn thành chế độ này, hãy di chuyển dấu gạch dưới sang bên phải cho đến khi nó nằm dưới 'lối ra', sau đó nhấn bộ mã hóa để quay lại menu chính.

Nếu bạn kết nối PC của mình với ổ cắm USB ở phía sau máy phân tích (tức là vào Arduino), bạn có thể sử dụng màn hình nối tiếp Arduino để thu thập tần số so với giá trị VSWR trong bất kỳ hoạt động quét nào (nó hiện được đặt thành 9600 nhưng bạn có thể thay đổi điều đó dễ dàng bằng cách chỉnh sửa bản phác thảo của tôi). Sau đó, các giá trị có thể được đưa vào một bảng tính để bạn có thể vẽ các biểu đồ lâu dài hơn, v.v.

Ảnh chụp màn hình hiển thị tóm tắt VSWR cho ăng ten thẳng đứng của cột câu cá dài 7,6 m của tôi với 9: 1 UNUN. Thiết bị của tôi có thể chứa SWR tối đa 3: 1 với bộ điều chỉnh tự động bên trong. Bạn có thể thấy rằng tôi sẽ có thể điều chỉnh nó trên tất cả các băng tần ngoại trừ 80 m và 17 m. Vì vậy, bây giờ tôi có thể thư giãn khi biết rằng tôi đã có một ăng-ten đa băng tần có thể vượt qua và tôi sẽ không phá vỡ bất cứ thứ gì đắt tiền khi truyền trên phần lớn các băng tần.

Chúc may mắn và tôi hy vọng bạn thấy điều này hữu ích.