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HF-Meßplatz mit Spektrumanalyzer, Meßsender, Wobbler und HF-Voltmeter , Seite 6/7

Die Software

Eine präzise Frequenz war mir sehr wichtig. Deshalb eine Anbindung an Quarzoszillatoren mittels PLL. Die PLL benötigt etwas Zeit bis die Frequenz stabil ist. Ein kompletter Meßzyklus dauert eshalb etwa 3 Sekunden. Wenn man das direkt auf eine Osziiloskopröhre anzeigt, ist nur ein Punkt zu sehen, der gemütlich über den Schirm schlendert. Deshalb erfolgt die Anzeige asynchron zur Meßzeit mit etwa 25Hz. Organisiert werden die Daten in einen Ringspeicher mit 256 Datensätzen. Jeder Datensatz besteht aus: 3 Byte für die Frequenz 2 Byte für den Meßwert 1 Byte für die Anzeige des Meßwertes (Y-Ansteuerung) 1 Byte für die Korrektur des Senderpegels 2 Byte für die Korrektur des Analyzer-Meßwertes Diese 9 Byte stehen nicht hintereinander im Speicher, sonder alle mit 256 Byte Abstand. Dadurch wird die Adressierung einfacher. Die X- und Y-Ansteuerung für die Oszilloskopröhre erfolgt im Timer-Interrupt alle 128us. Die dazu erforderlichen Daten stehen permanent im Ringspeicher. Der Meßzyklus für den Analyzer läuft in der Hauptschleife so ab: Frequenz (laut Ringzeiger) für den DDS-Generator ausgeben warten bis die Frequenz stabil ist (z.Zt 8ms) die FM des 300MHz-Oszillator starten Speicherkapazität freigeben warten bis die FM etwa 800Hz erreicht (etwa 4ms) Meßwert an der Speicherkapazität messen und in den Ringspeicher laden Speicherkapazität wieder sperren (kurzschließen) Ringzeiger hochzählen, Zyklus beginnt von vorn Abwechselnd nach jeden kompletten Zyklus wird dann noch der Cursor angezeigt. Dieser Ringspeicher vereinfacht die Software ganz entscheidend. Wenn die Bandbreite und damit auch der Skan verändert werden, kommen nur die neuen Frequenzen in den Ring. Die Meßdaten folgen dann von selbst. Auch wenn der Cursor den Bereich verschiebt, wird immer nur der Ring mit neuen Frequenzdaten gefüllt. Für den Wobblerbetrieb des Meßsenders werden einfach die erforderlichen Frequenzen in den Ringspeicher geladen. Mit der eingestellten Frequenz in der Mitte. Wenn der Wobbelhub auf Null eigestellt wird, stehen im gesammten Ring nur immer die selbe einzige Frequenz. Der Meßsender hat immer die selbe Frequenz wie der Analyzer. Er erfüllt damit die Aufgabe eines Trackig-Generators. Als Meßsender kommt dann noch die stufenlose Verstellung um +/-0,6kHz dazu und die Möglichkeit einer Modulation. In dieser Version nur 30% AM. Die geplante FM wurde nicht verwirklicht, ersatzweise kann man dafür den Wobbelmod mißbrauchen. Im Wobblermod ist die Zykluszeit auf 400ms verkürzt. Im Wobbelbetrieb bleibt der Analyzer aktiv. Mit der zuletzt eingestellten Bandbreite. Das LCD-Modul ist grafikfähig, ich verwende aber nur Text. Die auf den LCD stehenden Daten werden aus den Ringspeicher gelesen, wobei ein Cursorzeiger auf die aktuellen Daten zeigt. Die Daten unter den Cursor (senkrechter Strich) stehen im Klartext (Frequenz und Spannungspegel) auf dem LCD.  Ebenso wird der Ausgangspegel des Meßsender angezeigt. Alle zwei Pegel werden sowohl in dBm als auch in mV (oder uV) angezeigt.

Funktion und Bedienung

6-stellige Frequenz
Bandbreite und Hub
Meßwert in dBm und Meßwert in mV(uV)
Ausgangspegel des Meßsenders in dBm und Ausgangspegel in mV(uV)
unter Zeile: Modus-Anzeige
Inkremantalgeber
Feinabstimmung des Meßsenders
Meßsender-Ausgang
Cursor
Die Tasten “Frequ”, “BandBr”, “Outp” und “Hub” müssen kurz angetippt werden wenn Einstellungen erforderlich sind. Dann erscheint vor den entsprechenden Daten ein kleiner Pfeil und man kann mit den Inkrementalgeber die Daten einstellen. Mit “Frequ” wird der Cursor, das ist der senkrechte Strich auf den Schirm, verschoben. Im LCD wird die Frequenz in kHz unter den Cursor angezeigt. Ebenso die gemessene Spannung in dBm und mV (uV). Der Hub des Analyzers ist in 256 Schritte unterteilt. Beim maximalen Hub von 224,4MHz beträgt damit ein Schritt 0,88MHz. Die Meßbandbreite ist in etwa dieser Schrittweite angepasst. Die Taste “Step” erhöht die Schrittweite des Cursor auf 10x, was in der zweiten Zeile angezeigt wird. Nochmaliges antippen macht es wieder rückgängig. Die Taste “Crs Fix” toggelt zwischen zwei Cursorarten. Wenn in der unteren Zeile “<< >>” steht, verschiebt der Cursor, wenn er den Bildrand erreicht, den angezeigten Frequenzbereich soweit das möglich ist. Anderfalls bleibt der Bereich wo er ist und der Cursor wird “rund geschoben”. Die Taste “BandBr” leitet die Umschaltung der 4 Bereiche mit den Inkremetalgeber ein. Die vier Bereiche sind: Analyzerhub = 224,4MHz -> Schrittweite = 0,88MHz, Bandbreite = 1MHz Analyzerhub = 25,6MHz -> Schrittweite = 100kHz, Bandbreite = 160kHz Analyzerhub = 2,56MHz -> Schrittweite = 10kHz, Bandbreite = 10kHz Analyzerhub = 0,256MHz -> Schrittweite = 1kHz, Bandbreite = 3kHz Die Taste “Outp” leitet die Einstellung des Meßsender-Ausgangspegel mit dem Inkrementalgeber ein. Der Pegel kann von +3dBm bis - 92dBm in 1dB-Schritte verändert werden. Der Pegel wird in dBm und in mV (uV) angezeigt.   Die Taste “Wobbler” schaltet das Gerät in den Wobblermod, was in der unteren Zeile mit “Wobbler” angezeigt wird. Im Wobblermod erscheint unter einer Ziffer der Frequenzanzeige ein kleines Dreieck. Die Ziffer darüber wird dann mit den Inkrementalgeber verändert. Durch nochmaliges oder mehrmaliges antippen der Taste “Step” wird dieses Dreieck verschoben. Es ist von der untersten bis zur vorletzten Ziffer verschiebbar. Diese Frequenz ist die Mittenfrequenz des Wobblers. Im Wobblermod bleibt deshalb der Cursor in der Bildmitte. Im Wobblermod bleibt der Analyzer mit der zuletzt eingestellten Bandbreite aktiv. Die Taste “Hub” ist nur im Wobblermod wirksam. Damit kann in der Zeile, wo jetzt “Bdbr/Hub” steht, der Wobbelhub von 2kHz bis 254kHz in 2kHz-Schritte mit den Inkrementalgeber eingestellt werden. Nochmaliges antippen der Taste “Wobbler” schaltet in den Analyzermod zurück.   Wenn die Taste “Frequ” und gleichzeitig die Taste “Step” gedrückt wird, wird der Auto-Kalibriermod aktiviert. Für diese Funktion muß der Ausgang des Meßsenders mit einer 50-Ohm-Leitung mit den Eingang des Analyzers verbunden werden. Der Ausgangspegel des Meßsenders sollte vorher auf die zu messenden Pegel gestellt werden. Durch nochmaliges antippen der beiden Tasten wird die Kalibrierung wieder gelöscht. Die Kalibrierung kann nur in einen begrenzten Bereich vollständig wirken. Bei den folgenden Bildschirmfotos wurde der Cursor zur Seite geschoben, damit die Spektren besser sichtbar sind.
Vor der automatischen Kalibrierung. Der Meßsender wurde mit den Analyzer verbunden und vorher auf einen Ausgangspegel von -30dBm gestellt
Nach der automatischen Kalibrierung. Der Analyzer mißt jetzt mit einer Genauigkeit von +/-0,2dB in einen Bereich von -20dBm bis -40dBm. Darüber hinaus nimmt die Genauigkeit entsprechend ab.
Das Spektrum meines Schlumberger Meßsenders mit der Grundwelle, der 2. und 3. Oberwelle Bandbreite = 1MHz
Die Grundwelle, höher aufgelöst mit einer Bandbreite von 3kHz
Test mit Traking-Generator, in die Leitung vom Meßsender wurde ein kleiner Sperrkreis eingefügt. Gewählte Bandbreite = 1MHz
nach Umschaltung auf die Bandbreite von 160kHz. Vorher muß aber immer der Cursor (wie hier nicht gezeigt) auf die Mitte des gewünschten Bereiches stehen.
Der Ausgangspegel mit einen HF-Tastkopf mit 50-Ohm Abschluß gemessen und am Digiskop angezeigt. Der verwendete HF-Tastkof ist über den gesamten Frequenzbereich absolut linear, was vorher geprüft wurde. Die noch vorhandene Abweichung über den kompletten Bereich sind hier im oberen Bild sichtbar. Danach wurde in der Software eine Korrekturtabelle im internen Flash hinterlegt. Mit Hilfe diese Tabelle wird der Pegel des Meßsenders permanent korregiert. Das Ergebnis ist in der unteren Abbildung sichtbar. Die Abweichung betrug vorher etwa +/-1,5dB, danach nur noch maximal +/- 0,1dB. Weil der Meßsender jetzt so genau ist, wird eine automatische Kalibrierung des Analyzers möglich. Dazu muß der Meßsender mit den Analyzer verbunden werden. Durch Tastendruck auf “Frequ” und “Step” passt das Gerät dann die Meßwerte des Analyzers an die Daten des Meßsenders an. Es werden in den Ringspeicher Korrekturdaten geschrieben. Wichtig ist aber, das diese Kalibrierung nur in einen begrenzten Spannungs-Bereich genau sein kann. Man sollte also den Pegel des Meßsenders in die Nähe des zu erwartenden Meßwertes einstellen. Für jede andere Bandbreite muß das wiederholt werden. Die Korrekturtabelle kann durch nochmaliges drücken der beiden Tasten auch wieder gelöscht werden.
Der Meßsender mit einer 30%-AM von 1kHz. Obwohl der Kontroller eigentlich nur einen Rechteck über den DAW ausgibt, erscheit hier ein recht sauberer Sinus. Das bewirkt ein LC-Tiefpass in der Regelspannungsleitung.
0...224,4MHz
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Jetzt folgen Bilder von meinen DigiSkop um die Ausgabe des Meßsenders zu zeigen

Manöverkritik

Was lange dauert wird endlich gut. Ich habe etwa 9 Monate, mit Unterbrechungen im Sommer, daran gearbeitet. Das ist meine erste eigene Entwicklung eines solch umfangreichen HF-Meßgerätes. Unter Berücksichtigung, das hier eine Menge gebrauchter, ausgelötete Teile verwendet werden konnten, bin ich mit den Ergebnis sehr zufrieden. Was sollte man das nächste mal anders machen? Das Prinzip mit der Direktmischung hat den Vorteil eines geringen Schaltungsaufwandes. Aber das nächste mal, wenn es denn mal sein sollte, werde ich wohl lieber einen Dreifachsuper den Vorzug geben. Wegen der Direktmischung ist die kleinste Bandbreite nicht unter 3kHz zu bringen. Außerdem kann man die Spektrumskurven nicht besonders schön darstellen. Das liegt allerdings auch an der relativ groben Auflösung von 8 bit. Die Frequenzgenauigkeit ist mit einer PLL sehr hoch oder besser gesagt “Quarzgenau”. Das hat aber 2 Nachteile: langsam und ein höheres Phasenrauschen. In diesen Punkt ist eine Lösung mit analogen VCO besser, aber leider ungenau. Der Frequenzumfang sollte bis mindestens 1GHz gehen, 224MHz ist etwas zu wenig. Auf der CPU-Platine hatte ich versäumt, mehrere Reservepins einzuplanen. Diesen Fehler mache ich leider oft, wenn es auf der Platine eng wird. Die eigentlich geplante Schnittstelle zum PC habe ich aus diesen Gründen für den DDS-Generator opfern müssen. Statt einer Oszilloskopröhre sollte man lieber ein neues Farb-LCD verwenden. Nur leider sind diese Dinger immer noch zu teuer, jedenfalls wenn man eine brachbare Größe haben will. Statt klassischer Bauteile sollte man lieber neue HF-Module bzw ICs und SMDs verwenden. Der Schaltungsaufwand verringert sich dadurch und die Platine wird kleiner. Und nicht zuletzt: das nächste mal wird es eine Bauanleitung!

Die verwendeten Hilfsmittel (Auszug)

Software LTspice zur Schaltplan-Simulation Circuitmaker, Schaltplan-Simulation KiCAD, Schaltplan und Layout-Erstellung ViaCAD, 3D-CAD Programm QCAD, 2D-CAD Programm isy CAD/CAM, steuert die ISEL-CNC PSPAD, Editor AVR Studio 4, Entwicklungssystem SmartDraw 6, Datenfluß-Diagramme CorelDraw 11, Frontplatten beschriften XPROFAN, zum programmieren von Hilfsprogrammen für die Software Mechanik kleine ISEL-CNC-Maschine, Alu-CNC-Fräsen und Bohren Tiefentaster für Isolierfräsen mit der CNC-Maschine Kreissäge div. Bohrmaschinen Elektronik HAMEG Spektrumanalyzer 5011 Schlumberger Präzisions-Signalgenerator 4000 Digital-Oszilloskop UTD2052CEL HF-Millivoltmeter, ein Selbstbau div. HF-Tastköpfe div. Digitalvoltmeter ATMEL JTAG ICE MK2, progammieren und debuggen
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(der Analyzer-Eingang ist auf der rechten Frontplatte)
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