Программно-аппаратный комплекс "СКАТ"


 Программно-аппаратный комплекс «СКАТ» предназначен для наблюдения и измерения амплитудно-частотных характеристик различных четырёхполюсников (фильтров, усилителей, ВЧ - трансформаторов, аттенюаторов) в режиме реального времени. Наблюдение ведётся на экране компьютера в логарифмическом или линейном масштабе вертикальной шкалы. Кроме того, прибор можно использовать в качестве анализатора спектра (при подключении дополнительной приставки) и в качестве генератора с шагом перестройки частоты 1 Гц. Программно-аппаратный комплекс состоит из двух частей: собственно прибора описываемого здесь (аппаратная часть) и приложения (компьютерной программы) «СКАТ», устанавливаемой на компьютер. Обмен между прибором и приложением обеспечивается через порт USB.  При этом, прибор питается непосредственно от USB-порта компьютера. Прибор выполнен по схеме с использованием микросхемы DDS AD9850 (возможно применение AD9851 без перепрошивки микроконтроллера, при этом можно увеличить верхнюю границу частоты прибора). Основные характеристики прибора представлены в таблице 1.

Таблица 1

Диапазон частот, ограниченный спектральной чистотой выходного сигнала DDS 50 кГц – 33 МГц
Максимальный диапазон частот 50 кГц – 50 МГц
Диапазон логарифмической шкалы прибора при выходном напряжении прибора 0.65 В не менее 0...-83 dB
Диапазон линейной шкалы прибора не менее 0...-15 dB
Выходной уровень сигнала генератора на 50 Ом (эфф. значение) не менее 0.6 В
Собственная нелинейность АЧХ (выход соединён с входом) не более 0.1 dB
Собственная нелинейность АЧХ (выход соединён с входом) на краях диапазона не более 2 dB
Количество точек анализа (ось X) 420
Точность установки частоты в режиме "Генератор" после калибровки не хуже 10 Гц
Минимальный шаг ГКЧ определяется полосой качания (Fmax - Fmin) / 420, но не менее 1 Гц
Максимальный шаг ГКЧ определяется полосой качания (Fmax - Fmin) / 420
Время анализа АЧХ задаётся пользователем. Макс. 3.2 с
Разрядность АЦП по оси Y 8 Бит

Собственная АЧХ прибора в диапазоне 50 кГц...50 МГц



Прибор состоит из трёх отдельных блоков: блок микроконтроллера, блок детекторов и блок усилителя. Блочная конструкция обусловлена необходимостью экранировки детектора и усилителя.  Схема блока микроконтроллера приведена на рис. 1.


  Рис. 1. Блок микроконтроллера

Синтезатор частоты выполнен на микросхеме прямого цифрового синтеза (DDS) AD9850 (как наиболее дешёвая). Эта микросхема может быть заменена на AD9851. В качестве тактового генератора использован интегральный кварцевый генератор BQ1 на частоту 100 МГц. Возможно применение генератора на максимальную частоту для AD9850 - 120 МГц, либо генератора на более низкую частоту. Если будет использована микросхема AD9851, то следует учитывать её режим работы умножения частоты тактового генератора на 6. При этом, новый коэффициент для расчёта кода частоты загружаемого в микросхему DDS можно задавать программно при помощи приложения «СКАТ». Микросхема DDS управляется микроконтроллером PIC16F72. Код частоты загружается в микросхему DDS последовательно. Микроконтроллер PIC16F72 имеет встроенный 8-ми разрядный АЦП программно коммутируемый на 6 каналов и обладает нужным количеством портов ввода/вывода. Тактовая частота микроконтроллера 20 МГц обеспечивается кварцевым резонатором ZQ1. Резистор R4 в цепи кварцевого резонатора устраняет возможность его запуска на низших гармониках кварца.    В описании на микроконтроллер сказано, что чем ниже сопротивление источника сигнала подаваемое на вход АЦП, тем выше будет точность его преобразования. Логарифмический (AD8310) и линейный детектор (AD8361) блока детекторов, описанного ниже, имеют достаточно большое выходное сопротивление. Чтобы согласовать их выходные сопротивления с входами АЦП был применён сдвоенный операционный усилитель DA1 – LM358N способный работать при однополярном напряжении питания.
    Сигнал с выхода логарифмического детектора через усилитель DA1.1 имеющий небольшой коэффициент усиления подаётся на вход первого канала (RA0) АЦП микроконтроллера. Сигнал с выхода линейного детектора через повторитель DA1.2 подаётся на вход второго канала (RA1) АЦП микроконтроллера. Выбор канала осуществляется программно. При одинаковом напряжении на входе логарифмического и линейного детектора их выходное напряжение разное (у линейного детектора оно почти в два раза выше). Чтобы выровнять их уровни сигнал с линейного детектора подаётся на вход DA1.2 через подстроечный резистор R18. Для этой же цели DA1.1 имеет небольшой коэффициент усиления. На транзисторе VT1 собран регулируемый стабилизатор напряжения, который используется в качестве «верхнего» опорного напряжения АЦП. Связь прибора с компьютером по шине USB обеспечивает микросхема DD1 – FT245R. Микросхема работает в параллельном режиме ввода-вывода 8-ми разрядных данных, не требует внешнего генератора и микросхемы FLASH-памяти. В подробности обмена информацией с шиной USB вдаваться не будем. С этим можно ознакомиться в документации на данную микросхему на сайте производителя: http://www.ftdichip.com. Светодиод VD1 служит для индикации подключения прибора к компьютеру.
    С выхода «OUT» синтезатора блока микроконтроллера сигнал величиной около 200 мВ (эфф. значение) подаётся на усилитель. Блок усилителя показан на рисунке рис 2.

 
 Рис. 2. Блок усилителя

На входе усилителя имеется двухзвенный ФНЧ с частотой среза в районе 50 МГц. Схема ФНЧ показана на рис 3.

 
 Рис. 3. ФНЧ 50 МГц

Усилитель двухкаскадный и выполнен на сдвоенном операционном усилителе AD8056. Данный операционный усилитель имеет частоту единичного усиления 300 МГц, малую неравномерность АЧХ в широком диапазоне частот и небольшой коэффициент искажения. Входное сопротивление усилителя 100 Ом, выходное – около 50 Ом. Микросхема DA2 питается однополярным напряжением величиной 9В и включена по схеме с искусственной средней точкой по питанию. Напряжение 9В получается при помощи преобразователя DA1 – MAU207. Применение данного преобразователя обусловлено лишь его наличием у меня. Вполне возможно применение другого преобразователя способного выдавать 9…12В при нагрузке 100…200мА. Если применить преобразователь на 12В, то следует ожидать увеличение выходного напряжения усилителя, что в свою очередь расширит динамический диапазон прибора. Элементы R6, C7, C5 включены в цепи отрицательной обратной связи усилителя и предназначены для коррекции его АЧХ. Резистор R6 поднимает усиление в области низких частот, а конденсатор C7  - в области высоких частот. Применение двух каскадов усиления не случайно. Как известно: чем больше коэффициент усиления операционного усилителя, тем уже его полоса пропускания. В данном случае коэффициент усиления каждого каскада небольшой. Усиление двух каскадов суммируется, а полоса пропускания получается достаточно широкая при очень малой неравномерности АЧХ. Небольшой завал АЧХ выше 40 МГц имеет место быть скорей всего из-за особенности DDS при работе на частотах выше Fтакт / 3. С выходного разъёма «OUT» сигнал подаётся на вход исследуемого четырёхполюсника.
    Выход исследуемого четырёхполюсника через разъём соединяется с входом «IN» блока детекторов. Блок детекторов показан на рис. 4.


Рис. 4. Блок детекторов

    Логарифмический детектор выполнен на микросхеме AD8310, линейный – на микросхеме AD8361. Данная схема была позаимствована с небольшими изменениями от подобного прибора «NWT» немецких радиолюбителей: http://www.g-qrp-dl.de/Projekte/NWT_Text/nwt_text.html. Входное сопротивление блока детекторов около 50 Ом.
     Прибор выполнен в небольшом металлическом корпусе. Корпус прибора разделён перегородкой из двухстороннего стеклотекстолита. В левой части расположен блок микроконтроллера и блок детекторов, в правой части – блок усилителя. Блок детекторов следует тщательно заэкранировать. У меня он помещён в коробку спаянную из двухстороннего стеклотекстолита. При изготовлении коробки из стеклотекстолита следует пропаивать обе стороны фольги и надёжно соединять их с металлическим дном корпуса прибора. Можно применить и металлическую коробку подходящих размеров. В коробке имеется несколько небольших отверстий, через которые просунуты проводники для подачи питания и подключения к блоку микроконтроллера. Проводник подачи питания +5В полезно зашунтировать на корпус керамическим конденсатором ёмкостью 0.1 мкФ (на схеме не показан). ФНЧ усилителя также выполнен в коробке из фольгированного стеклотекстолита. Питание на усилитель подаётся через проходной конденсатор ёмкостью 4700 – 6800 пФ. Конденсатор ввинчивается в перегородку. Выход синтезатора блока микроконтроллера с входом усилителя соединяется тонким коаксиальным кабелем. На передней панели прибора размещены коаксиальные разъёмы СР-50, светодиод индикации питания. Для питания различных приставок (например, для анализа спектра сигнала) имеется гнездо с напряжением +5В. Напряжение на это гнездо следует подавать от разъёма USB прибора (на плате микроконтроллера для этого предусмотрен отдельный вывод + 5В) через самовосстанавливающийся предохранитель. На задней панели прибора расположено гнездо USB для подключения к компьютеру. Фотография прибора со снятой крышкой показана на рис 5.

 
 Рис. 5. Фотография прибора со снятой крышкой

Блок микроконтроллера и блок усилителя выполнены на печатных платах из двухстороннего стеклотекстолита. На печатной плате блока усилителя фольга с верхней стороны оставлена полностью, а отверстия под выводные элементы раззенкованы. Блок детекторов выполнен на односторонней печатной плате. В конструкции прибора использованы резисторы и конденсаторы для поверхностного монтажа типоразмера 1206. Кварцевый генератор BQ1 может быть любого производителя, также рассчитан на поверхностный монтаж. Выводные резисторы типа МЛТ-0.125. Выводные конденсаторы типа КМ, К10-17 или аналогичные на рабочее напряжение не ниже 10В. Электролитические конденсаторы любые выводные на рабочее напряжение 16В. Светодиод VD1 типа L-934EW или аналогичный зелёного цвета свечения. Транзистор VT1 можно применить с любым буквенным индексом. Подстроечные резисторы могут быть любого типа подходящего размера. Катушки ФНЧ блока усилителя бескаркасные и намотаны проводом диаметром 0.5мм на оправке диаметром 5мм. Обе катушки содержат по 8 витков.
    Далее следует установить приложение «СКАТ». Перед первым подключением прибора к USB-порту компьютера следует предварительно, при помощи омметра, убедиться в отсутствии короткого замыкания между цепью +5В и корпусом прибора. После этого прибор можно подключить к компьютеру. При этом Windows обнаружит новое устройство и предложит установить для него драйвер. Драйвер устанавливается стандартными средствами Windows. Драйвер находится в архивном файлеFTDI.zip в папке (рабочей папке) с уже установленной программой «СКАТ». Перед установкой драйвера этот файл следует распаковать в любую папку жёсткого диска компьютера. При установке укажите путь к  папке FTDI (самую свежую версию драйвера можно скачать с сайта производителя: http://www.ftdichip.com/Drivers/D2XX.htm).
Внимание! Не запускайте приложение «СКАТ» до тех пор, пока не установлен драйвер.
    Для настройки прибора запустите приложение «СКАТ», включите режим генератора и задайте частоту на выходе прибора в середине диапазона (например, 15...25 МГц). Далее соедините коаксиальным кабелем, имеющим на концах разъёмы, выход прибора с его входом. ВЧ - вольтметром измерьте напряжение на контактах выходного гнезда прибора. Оно должно быть не ниже 0.6В. Если оно ниже, то следует подобрать резистор R11 (в сторону увеличения) в блоке усилителя. Одновременно желательно проконтролировать осциллографом форму сигнала на выходе усилителя. Синусоида не должна иметь видимых искажений во всём диапазоне частот. После чего измерьте цифровым вольтметром напряжение на выходе микросхемы DA1.1 (ножка 1) – это будет приблизительный  уровень в 0 dB для логарифмической шкалы прибора. Подстроечным резистором R18 установите на ножке 7 микросхемы DA1.2 приблизительно такое же напряжение (ниже можно, но не выше!) как на ножке 1 - это будет приблизительный  уровень в 0 dB для линейной шкалы прибора. Подстроечным резистором R12 установите на эмиттере транзистора VT1 напряжение приблизительно на 50…100 мВ выше измеренного напряжения на ножке 1 микросхемы DA1.1. Это будет верхний уровень (опорное напряжение) для АЦП, который напряжения с выходов DA1.1 и DA1.2 превышать не должны.
    Далее в приложении «СКАТ» включите режим ГКЧ. Задайте минимальную частоту 50 кГц и максимальную 50 МГц (или выше, если применена AD9851 с соответствующим кварцевым генератором). Посмотрите реальную АЧХ прибора на экране компьютера. Если она имеет значительную неравномерность, то в блоке усилителя следует подобрать резистор R6 и конденсатор C7. Резистор R6 влияет на АЧХ в области низких частот, а конденсатор C7 – в области высоких частот.
    Перед началом использования прибора его следует откалибровать по уровням сигнала и по частоте. Процесс калибровки подробно описан в справке к приложению «СКАТ», поэтому здесь повторяться нет смысла.
    Для калибровки уровня следует изготовить два внешних аттенюатора на -40dB и -12dB. Схемы этих аттенюаторов показаны на рис. 6 и рис. 7 соответственно. Следует уделить особое внимание их конструкции, ведь от этого будет зависеть точность измеряемых прибором уровней.
 
   
Рис. 6. Аттенюатор –40 dB

 
Рис. 7. Аттенюатор –12 dB

У меня эти аттенюаторы выполнены в дюралевых корпусах от делителей осциллографа. Корпус аттенюатора на -40dB имеет внутри металлическую перегородку, разделяющую вход и выход аттенюатора. В каждом из отсеков размещено по резистору R2, R3 аттенюатора. Резистор R1 пропущен сквозь небольшое отверстие в перегородке.
    Резисторы в аттенюаторах применены типа МЛТ-0.125. Их желательно точно подобрать при помощи цифрового омметра. Внешний вид прибора с подключенным аттенюатором показан на рис. 8.

Рис. 8. Внешний вид прибора с подключенным аттенюатором.
   
    После калибровки отсоедините кабель, соединяющий вход и выход прибора. Линия графика на экране монитора компьютера должна опуститься ниже -80dB. Если линия выше -80dB, то причина скорей всего в недостаточной экранировке блока детектора или имеет место быть просачивание напряжения ВЧ с блока усилителя на вход блока детекторов. Линия графика должна быть чистой без заметных всплесков (в виде коротких остроконечных импульсов). Если это не так, то дело может быть в преобразователе DA1 блока усилителя. В этом случае может потребоваться установить дроссель индуктивностью 100 – 200 мкГн в цепь питания +5В этого преобразователя. Дроссель должен быть рассчитан на ток не менее 300 мА.
   
    В процессе работы с прибором не следует подавать большое ВЧ - напряжение на вход прибора, так как это может привести к выходу из строя детекторов. Если вы будете использовать прибор для проверки ВЧ – усилителя (усилителя мощности), то следует на вход прибора включать аттенюатор, и в расчетах учитывать его коэффициент затухания. Для работы с прибором полезно изготовить ступенчатый аттенюатор с шагом в 1dB и имеющий 50 - Омный  вход и выход. Конструкцию подобного аттенюатора (например, Скрыпника) можно найти в старых номерах журнала «Радио».
 
    Как было сказано в начале статьи, данный прибор можно использовать в качестве анализатора спектра сигнала. Для этого следует изготовить дополнительную приставку. Схема приставки здесь не приводится потому, что мной она ещё не сконструирована. Приведу лишь некоторые соображения на этот счёт.
В простом случае для анализа спектра сигнала – может быть использован обычный приёмник прямого преобразования. В качестве гетеродина такого приёмника используется ГКЧ прибора. На выходе приёмника следует устанавливать ФНЧ с частотой среза не менее 200 кГц и усилитель с достаточной полосой пропускания (например, операционный усилитель). Следует понимать, что оценка спектра сигнала может иметь лишь приблизительный характер. Это связано с не очень чистым спектром сигнала, выдаваемым микросхемой DDS. По этой же причине верхняя граница частоты, которая подаётся на гетеродинный вход приёмника, не может превышать 1/3 от опорной частоты DDS, т.е. в данном случае 33 МГц. Увеличить этот предел можно вдвое, применив смеситель в приёмнике, например, на двух встречно – параллельных диодах. Как известно такой тип смесителя требует частоту гетеродина вдвое ниже.
    Схемы, печатные платы в формате PDF, прошивка микроконтроллера и инсталляционный пакет приложения «СКАТ» прилагаются. Все рисунки печатных плат с нижней стороны показаны в зеркальном отображении. 73!
 
При публикации данной статьи на других ресурсах ссылка на источник http://ua3gdw.ru обязательна!

 

Анализ сайта ua3gdw.ru