Andreas LindenauDL4JAL DOK:S43

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HF-mW-Meter mit PEP und AVG/RMS Anzeige

Ich habe festgestellt, meine Messmöglichkeiten für HF-Pegel sind alle ungenau!!

Nach Sichten der gebrauchten mW-Meter bei Ebay und die dazugehörigen Preise, reifte in mir der Wunsch selbst ein mW-Meter zu konstruieren.

Zuerst ein Blick ins Internet, was es da schon als Konstruktionen gibt.

DL1ALT „Helmut“ hat ein mW-Meter konstruiert mit einem AD8362 als Messkopf. Das sieht schon mal ganz gut aus.Hier ein Aufbau von DM2CMB „Rainer“.

Ein weiterer Aufbauvorschlag ist hier zu sehen von DH1AAD „Ingo Gerlach“.Er verwendet einen AD8361. Mit diesem IC erreicht man eine hohe Genauigkeit, aber dieser IC hat wenig Pegeldynamik.

Ein mW-Meter was schon länger im Internet zu finden ist hat OZ2CPU „Thomas“ konstruiert. Er verwendet den AD8307 zum Messen. Beachtlich ist die hohe Pegeldynamik.Hier eine der Ansichten des mW-Meters:

Jetzt reifte in mir das mW-Meter Projekt und ich wollte unbedingt meine Wünsche noch mit einbringen.

► Die Messköpfe müssen auswechselbar sein. Verschieden HF-Messköpfe und auch ein NF-Messkopf.

► Beim Messkopfwechsel werden die Kalibrierdaten automatisch nachgeladen.Je nach Messkopfnummer.

► Ein pegelabhängige Tonausgabe für Abgleichzwecke. Filterabgleich, TV-Sat-Spiegel einrichten.

► Möglichst eine getrennte Messung von PEP und RMS (Mittelwert) fürZweitonmessungen an Endstufen.

► Ein weiterer Wunsch ist eine Aufzeichnungsfunktion längere Zeit, für dieVerwendung als abgesetztes Feldstärkemessgerät. (Antennenversuche,verschiedene Tuner testen usw.)

► Einfaches Kalibrieren der Messköpfe mit einem Eigenbau-Kalibriergenerator 0 dBm.

► Einstellbare Vordämpfung in einem großen Bereich, in 0,1dB Abstufung

► USB-Anschluss für PC-Anzeige und Auswertung FS-Messwerte

Als zentrale Steuerung verwende ich wieder einen PIC 18F4520.Zuerst müssen wir eine Betrachtung anstellen ob die 10Bit Auflösung des ADC-Einganges ausreichend ist. Ich will die ICs AD8362 und AD8307 als Messkopf verwenden.

5Volt

0Volt

10Bit = 1024 Stufen

PIC ADC-Eingang

606 Stufenbei 60dB

3,44 Volt

0,48 Volt

AD8362 mit max 60dB Dynamik

< 0,1dB pro DigitMessgenauigkeit laut Datenblatt +/- 0,5dB

also alles OK

491 Stufenbei 90dB

2,7 Volt

0,3 Volt

AD8307 mit max 90dB Dynamik

0,18dB pro DigitMessgenauigkeit laut

Datenblatt +/- 1dBalso alles OK

Anzeigegenauigkeit

Zur Erhöhung der Messgenauigkeit des A/D Wandlers wird jede Messung aus 32 A/D-Einzelmessungen gebildet. Damit wird die Messgenauigkeit noch einmal verbessert.

Ein ganz schwieriger Punkt ist das Unterscheiden von PEP-Leistung und RMS- oder Durchschnitts-Leistung. Ich habe zuerst versucht, durch schnelles Abtasten der Hüllkurve die Messdaten zu ermitteln. Im Prinzip funktioniert das, aber man stößt an die Grenzen der Arbeitsgeschwindigkeit des PIC.

PEP-Leistung

RMS-Leistung

So könnte Hüllkurve der HF bei SSB-Modulation aussehen.

Durchschnitts-Leistung

Warum ist mir das Messen der PEP-Leistung so wichtig?

Betrachten wir einmal einen Einton. Wir steuern eine PA mit einem HF-Signal an und Messen am Ausgang mit einem Oszi am Messausgang der Dummyload. Der Spannungswert Spitze-Spitze des Signals beträgt umgerechnet 113Volt.

Uss = 113 VoltU = 56,5 VoltUeff = 56,5 / Wurzel(2) = 39,9 VoltP = U2 / 50 Ohm = 31,9 Watt

Warum ist mir das Messen der PEP-Leistung so wichtig?

Wir machen aus dem Einton einen Zweiton mit gleichem Pegel. Der Spannungswert Spitze-Spitze an der Dummyload verdoppeln sich im Maximum und beträgt deshalb max 226Volt. Die Verdopplung der Spannung entsteht durch Überlagerung beider Sinuswellen.Uss = 226 VoltUmax = 113 VoltUeff = 113 / Wurzel(2) = 79,9 Volt Eintonaussteuerung 31,9 WattP = U2 / 50 Ohm = 127,7 Watt Zweitonaussteuerung 127,7 Watt

Wir erkennen also ein Zweiton mit gleichen Pegel würde eine 4-Fache Leistung erzeugen, da sich die Sinuswellen überlagern und den doppelten Spannungsbetrag entsteht.

Beim Messen an einer PA mit Zweitonaussteuerung wird die PA ganz schnell übersteuert, und wir bemerken es nicht!!!

Deshalb ist mir das Messen der PEP-Leistung so wichtig!

✔► Möglichst eine getrennte Messung von PEP und RMS (Mittelwert) für✔ Zweitonmessungen an Endstufen.

Realisierung

Das Messignal wird mit OPV gepuffert und in 2 Messkanäle getrennt verarbeitet.

Messkanal 1 PEP Messung:

Maximum erfassen

Langsames Entladen

✔► Möglichst eine getrennte Messung von PEP und RMS (Mittelwert) für✔ Zweitonmessungen an Endstufen.

Realisierung

Das Messsignal wird mit OPV gepuffert und in 2 Messkanäle getrennt verarbeitet.

Messkanal 2 RMS/AVG Messung:

Mittelwertbildung

✔► Die Messköpfe müssen auswechselbar sein. Verschieden HF-Messköpfe und ✔ auch ein NF-Messkopf.✔► Beim Messkopfwechsel werden die Kalibrierdaten automatisch nachgeladen.✔ Je nach Messkopfnummer.

✔► Die Messköpfe müssen auswechselbar sein. Verschieden HF-Messköpfe und ✔ auch ein NF-Messkopf.✔► Beim Messkopfwechsel werden die Kalibrierdaten automatisch nachgeladen.✔ Je nach Messkopfnummer.

✔► Ein pegelabhängige Tonausgabe für Abgleichzwecke. Filterabgleich, ✔ TV-Sat-Spiegel einrichten.

✔► Ein weiterer Wunsch ist eine Aufzeichnungsfunktion längere Zeit, für die✔ Verwendung als abgesetztes Feldstärkemessgerät. (Antennenversuche, verschiedene✔ Tuner testen usw.)

Es können bis zu 16000 Datensätze abgespeichert werden. Beim Abstand von 1Sekundesind das fast 4,5 Stunden Aufzeichnungszeit. Bei größerem Aufzeichnungsabstand entsprechend länger. 5 Sekunden Abstand entsprechend etwa 22 Stunden.

✔► Einfaches Kalibrieren der Messköpfe mit einem ✔ Eigenbau-Kalibriergenerator 0 dBm.

Dieser Punkt ist nicht ganz einfach zu realisieren, aber ich habe einen ausreichend genaue Lösung gefunden.

Hier ist mir eine Schaltung von Thomas Moliere, DL7AV in die Hände gefallen. Ich habe fast alle Bauelemente auf SMD umgestellt.

Das Schaltungsprinzip ist einfach und genial. Ein CMOS-Quarzoszillator dient als HF-Quelle gefolgt von einem HEX-Mosfet als Verstärker. Das Mosfet wird über eine Amplitudenregelschleife am GATE geregelt. Die Amplitudenregelschleife verwendet als Referenz eine genaue Gleichspannung von etwa 5,03 Volt. Die Genauigkeit der Amplitude beträgt 0 dBm +/- 0,2dB. Wer Zugang zu einer Kalibriermöglichkeit hat, kann genau auf 0 dBm abgleichen. Das geschieht durch ändern der Spannungsteiler am Spannungsregel-IC. Die 5Volt werden nicht nur als Betriebsspannung genutzt sondern auch als Referenzspannung für die Amplitudenregelschleife.

Einfaches Kalibrieren

Hier das Schaltbild:Einfaches Kalibrieren

Hier ist mein Testaufbau zu sehen. Bis auf dem CMOS-Baustein ist alles in SMD realisiert.

Durch die Miniaturisierung konnte ich den Kalibriergenerator mit in das mW-Meter einbauen.

Einfaches Kalibrieren

Der AD8307, AD8362 und ähnliche ICs haben die Eigenschaft, dasssss Änderungen des Eingangspegels in dBm eine linerare Änderung dAusgangsspannungung zur Folge hat. Die dB-Abweichung an dieser linearen Funktion ist sehr gering (siehe Datenblatt).Den Verlauf dieser linearen Funktion kann man mit zwei Konstanten genau beschreiben. Diese Konstanten müssen wir beim Kalibrieren errechnen, speichern und den jeweiligen Messköpfen zuordnen. Ich habe 2 Formeln dazu entwickelt:

Einfaches Kalibrieren

So etwa sieht der Verlauf einer Kalibrierung aus. Für die -30dBm wird ein Dämpfungsglied vor den 0dBm gesteckt. Die errechneten Daten werden im Eeprom des PIC unter der eingestellten Kopfnummer abgespeichert und werden bei der nächsten Benutzung dieses Messkopfes automatisch wieder geladen.

Einfaches Kalibrieren

✔►Einstellbare Vordämpfung in einem großen Bereich, in 0,1dB Abstufung

Wird bei einem Messvorgang an einer PA eine Dummyload mit Messausgang benutzt, ist es sinnvoll, wenn man die Auskoppeldämpfung des Messausganges am mW-Meter einstellen kann und dadurch eine automatische Umrechnung in die tatsächliche Ausgangsleistung der PA an der Dummyload erhält.Im unteren Beispiel wird eine Mosfet-PA mit einem Zweiton ausgesteuert. An der Dummyload (MFJ-264 1,5kW) habe ich einen Messkoppler -40dB und ein zusätzliches Dämpfungsglied 20dB angeschlossen. Entsprechend werden im Messgerät +60dB eingestellt. Der gemessene Pegel erhöht sich um 60dB in der Anzeige.

Gesamtansicht des mW-Meters mit Messköpfen, Combiner und Dämpfungsglied 30dB vom FA

Hier der Messkopf mit dem AD8362. Rechts der Kodierschalter für die Kopfnummer. Dieser Messkopf hat die Nummer 0. Bei den anderen Messköpfen habe ich den DIP-Schalter weggelassen und nur Drahtbrücken eingesetzt. Das macht sich besser.

Messkopf mit AD8307 mit Frequenzgangkompensation

Oben das Audiosignal aus meinem PicAStar

Unten der Messkopf im Leerlauf

✔► USB-Anschluss für PC-Anzeige und Auswertung FS-Messwerte

Wir starten die PC-SW und es beginnt die Suche nach dem USB-Anschluss des mW-Meters. In diesem Fall unter Linux. Aber unter Windows funktioniert das genau so.

Die HW wurde gefunden. Die Schnittstelle wird geöffnet.

Im Display des Messgerätes wird in der Zeile 2 mitte, ein „+“ anstelle des „|“ angezeigt.

Alle Daten werden angezeigt.

Die veränderte Attenuator-Einstellung wird sofort Übertragen.

Wir wechseln in das Fenster der Datenaufzeichnung und lesen die Daten des externen Eeproms aus.

Es sind 33 Datensätze im Speicher mit 1 Sek. Zwischenzeit.

Jetzt ist es günstig den tatsächlichen Startzeitpunkt der Messreihe zu synchronisieren.

In der Eingabe „Startzeit“ können wir den genauen Beginn der Messreihe eintragen und mit „Refresh“ in die Tabelle synchronisieren.

Die Auswertung können wir auch in einem anderen Programm vornehmen. Dazu dient der CSV-Export.Zum Beispiel „Excel“ unter Windows.

Vielen Dank fürEure Aufmerksamkeit!

73 Andreas DL4JAL

Email: DL4JAL@darc.deHomepage: www.dl4jal.eu

Wer diesen Vortrag noch einmal nachlesen möchte.Auf folgendem Link besteht die Möglichkeit:

http://www.dl4jal.eu/Vortraege/vortrag_mw_meter.pdf