Антенный анализатор VK5JST

\главная\р.л. конструкции\антенны\...

Антенный анализатор VK5JST

Этот проект был опубликован в мае 2005 г в австралийском журнале "Amateur Radio", он был разработан с использованием доступных компонентов (смотрите принципиальную схему и спецификацию компонентов к ней). Для радиолюбителя, занимающегося антенной техникой, достаточно приобрести лишь несколько недостающих деталей, чтобы получить полный набор, необходимый для создания антенного анализатора, остальное, обычно, находится под рукой в загашниках. Другое дело - печатная плата для анализатора (двухсторонняя, облуженная в среде перегретого воздуха), таковую можно приобрести у нас: MK2 PRINTED CIRCUIT BOARD.........$A12.00 plus post and packing. (Печатная плата МК2 - стоимостью 12 долларов США, плюс упаковка и пересылка, мы принимаем оплату с карточек Visa, Mastercard и Bankcard, но, пожалуйста не высылайте данных карточек по электронной почте – этот сайт не защищён. Сначала напишите мне (Jim VK5JST) письмо по адресу endsodds@internode.on.net и я скажу Вам как безопасно отправить данные Вашей карточки). Если у Вас под рукой нет деталей необходимых для создания АА, то Keith’ом Gooley - VK5OQ и его друзьями-энтузиастами из клуба Elizabeth Amateur Radio Club созданы прекрасные наборы деталей. Эти наборы стоят того, чтобы их приобрести, тем более, что такой набор обойдётся Вам дешевле, чем, если Вы будете приобретать детали на АА отдельно. Все дороги всё равно приведут Вас в клуб, а эта ссылке приведёт Вас к ним.........EARC Kit

ТЕОРИЯ

Я долго искал подходящую схему устройства, которая бы позволила производить простые измерения импеданса на разных частотах. Для начала я просмотрел мостовые схемы и схемные (системные) анализаторы. Системные анализаторы для измерения импеданса обычно содержат циркуляторы о шести портах (ого!), а мосты, для получения результата нуждаются в одновременной оптимизации двух переменных, да ещё требуют различных настроек, подстроек, чтобы заставить их должным образом работать в широком диапазоне частот (опять, ого!). Так, что же делать? Уже очевидно (что я и сделал) потребуется применение микропроцессора для работы в частотомере и при проведении некоторых расчётов.

Я остановился на простой схеме, в которой резистор включен последовательно между генератором и нагрузкой. Выходное напряжение генератора измеряется как падение напряжения на последовательно включенном резисторе (за счёт прохождения по нему тока) и (плюс) напряжение на нагрузке. Эти данные существенны при расчёте активного сопротивления нагрузки и величины (но не знака) последовательного реактивного сопротивления нагрузки. Остаётся под вопросом как определять является ли последовательное реактивное сопротивление нагрузки ёмкостным или индуктивным. Для ответа на этот вопрос, пользователю достаточно лишь чуть-чуть изменить частоту. Если величина последовательного реактивного сопротивления при увеличении частоты растёт, то оно имеет индуктивный характер. И, наоборот, - для ёмкостного. Здесь заложен базовый принцип и под цифрой 1 приведён способ вычисления, который применяется в микропроцессоре для расчёта активного и реактивного сопротивления нагрузки и КСВ. Конечно, как во всех технических аспектах, не всё так гладко…

КАК “ЭТО” РАБОТАЕТ:

Процесс начинается с начала работы генератора РЧ. Он должен выдавать в измерительную схему стабильные по частоте и амплитуде синусоидальные колебания достаточно большого уровня на протяжении всего его рабочего диапазона, причём, при низком его выходном импедансе. Необходимость иметь стабильную частоту очевидна, тогда как низкий выходной импеданс и плоская выходная характеристика в частотном плане являются гарантией того, что на входы АЦП микропроцессора поступит максимально возможная амплитуда сигнала генератора. Это, в свою очередь, обеспечит максимальную точность измерений, так как, обеспечит независимость показаний от параметров нагрузки. Выход синусоидального сигнала даёт уверенность в том, что измерение осуществляется только на одной частоте, а не вуалируется тем, что бы ни происходило на частотах гармоник сигнала генератора.

Поставленные цели достигаются использованием РЧ генератора со схемой АРУ (AGC). Транзисторы Q3 и Q4 обеспечивают усиление в широкой полосе частот (связанные напрямую коллектор с базой, затем, эмиттер с эмиттером), частота генерации определяется контуром, состоящим из КПЕ настройки с максимальной ёмкостью 160 пФ и катушек L1 – L5. Точная подстройка частоты осуществляется симметричной матрицей варикапов, функцию которой выполняют обратно смещённые переходы коллектор – база транзисторов Q1 и Q2. Уровень генерируемого напряжения устанавливается током, текущим через Q1 и Q2, который, в свою очередь устанавливается схемой АРУ на Q5 и Q6. При включении, когда ещё нет генерации, резистор 2,7 кОм в цепи коллектора Q6 жёстко открывает Q5 и обеспечивает максимальный ток через Q3 и Q4, отсюда, - быстрое возникновение генерации. При нарастании генерируемого напряжения, потенциал коллектора Q6 падает, уменьшая потенциал базы Q5 и, следовательно, ограничивая ток через Q3 и Q4. Этот процесс стабилизирует уровень генерируемого генератором напряжения. АРУ действует отлично – усилитель АРУ на Q5 имеет коэффициент усиления более 200 – в результате мы имеем очень стабильное выходное напряжение генератора на эмиттере Q7, размах которого составляет примерно 600 мВ от “пика до пика”.

Это выходное напряжение затем буферируется и усиливается широкополосным усилителем мощности, собранным на транзисторах Q8…Q13. Усилитель обеспечивает усиление по напряжению равное 5 и достаточно низкий выходной импеданс в несколько Ом для питания измерительной схемы напряжением около 3 Вp-p. Эмиттерный повторитель Q8 обеспечивает низкоимпедансную раскачку каскодному усилителю напряжения, собранному на транзисторах Q10 и Q11 (каскодная структура усилителя устраняет эффект Миллера (Miller effect) и обеспечивает очень большую широкополосность). Эти транзисторы поочерёдно “качают” эмиттерный повторитель Q13, в активном состоянии Q12 призакрывается, обеспечивая равные токовые характеристики источника и нагрузочные характеристики. Полоса пропускания в 100 МГц надёжно обеспечивает стабильное “в линеечку” выходное напряжение до 30 МГц.

Сигнал (а, точнее, напряжение) для обеспечения счёта частоты микропроцессором снимается с эмиттера Q10, усиливается и буферируется с использованием ИМС 74LS04. Затем следует делитель на 1024 в 74LS93 и 4040.

Импульсы с двойными тактирующими интервалами для счёта частоты 0,1 и 1 сек с логическими уровнями можно снять с вывода 13 микропроцессора. “Быстрый” тактирующий интервал позволяет пользователю получить быструю индикацию частоты при её смене, тогда как более “медленный” позволяет осуществлять более точные измерения частоты, которые порой бывают необходимы.

Три напряжения, речь о которых шла ранее, в главе “Теория”, получаются от измерительной схемы с использованием диодных детекторов огибающей, выполненных на германиевых диодах. Отметьте, что здесь могут быть использованы только точечные германиевые диоды (D4 – D9), так как, несмотря на то, чему нас учили в школе, у германиевых диодов открывающее напряжение равно нулю (точнее, близко к нулю – UA9LAQ), а это значит, что их нагрузочное сопротивление достаточно высокоомно (в этой схеме около 50 МОм). Это Вам не кремниевые диоды с их напряжением открывания примерно 500 мВ и даже не лучшие экземпляры диодов с “нулевым смещением” (“zero bias” hot carrier diodes), у которых напряжение открывания составляет порядка 100 мВ. При КСВ (VSWR) примерно 10 (при нагрузке измерительной схемы резистором в 5 Ом) к D6 будет приложено только 150 мВ пикового напряжения. Для точных же расчётов, очень важно иметь линейное детектирование. Даже в случае германиевых диодов нижний край характеристики оказывается очень нелинейным и должен быть каким-либо способом линеаризован. Это достигается зеркальным отражением собственной характеристики диода в цепи отрицательной обратной связи у ИМС - IC1a,b и c. Между прочим, диоды 1N34 есть в Аделаиде (осталось за ними сбегать (Hi!) - UA9LAQ) у Aztronics Pty. Ltd.. Можно применить, в качестве альтернативы и OA91, но только не применяйте разные диоды (с разными параметрами, буквой).

Три результирующих напряжения подаются затем на входы АЦП микропроцессора, где вступают в силу “мускулы софта”, чтобы в результате получились соответствующие показания на дисплее АА.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ АА

К сожалению, для прибора нельзя использовать одностороннюю плату из-за необходимости иметь исключительно хорошее РЧ “заземление”.

Для изготовления печатной платы можно применить один из способов переноса рисунка шаблона на одну из сторон платы, например, фотографический, и облудить её (натирая в расплаве сплава Розе, сплава Вуда, предварительно зачистив и обезжирив; в струе горячего воздуха, возможно гальваническое покрытие и не только оловом, а например, серебром – UA9LAQ). В качестве альтернативы можно использовать фотокопию с фотобумагой на клеевой основе и горячий утюг с отпаривателем (см. Silicon Chip Feb 2001) или плёнку Jaycars Press’n’Peel и такой же, как в первом случае, утюг с паром (см. Silicon Chip April 2004). Другая сторона платы, при травлении, полностью защищена наклеенной контактной (липкой) плёнкой (которая используется для обёртывания школьных учебников). Между прочим, при применении двух вышеупомянутых методов, полезно опубликованный рисунок дорожек “отразить” по горизонтали (зеркально перевернуть). Отметьте, что весь инструментарий и софт для этого проекта доступен на web-сайте автора (см. ниже “В Интернете”).

Плата травится, после чего с её экранирующей поверхности удаляется контактная плёнка, просверленные отверстия с этой стороны зенкуются сверлом диаметром 1/8 дюйма (3,2 мм) для изоляции выводов деталей от общего провода. Заметьте, что некоторые отверстия не зенкуются (см. эскиз стороны общего провода), используются для соединения “земляных” проводников с двух сторон платы в разных её частях проволочными перемычками. Наконец, плата тщательно чистится и сушится, покрывается от воздействий электроизоляционным лаком (например, Electrolube или подобным) через распылитель.

Затем приступаем к изготовлению корпуса АА. В качестве шаблона для разметки и сверления передней панели под все установочные детали: гнёзда, монтажные стойки и переключатели можно использовать (стекло)текстолитовую платку. После этого, долотом уберите внутреннюю перегородку в дальнем конце стандартного корпуса Jaycar, в котором предполагается разместить АА. Так, чтобы вошла батарея питания.

Детали монтируют затем на плате. Начиная с “малых профилей”, двигаясь вверх по рангу. Как было выше упомянуто, используйте в качестве D4-D9 только однотипные диоды, то же актуально и для транзисторов Q3-Q7. Для микросхем используйте панельки. Это позволит быстро проверить схему аппарата и быстро подобрать кондиционные компоненты, не надейтесь на “авось”. Тщательно проверяйте все детали перед установкой на плату, особенно те, которые будут находиться под дисплеем.

Запайка LCD(ЖКИ)-дисплея на место требует некоторой сноровки, так что я предлагаю сначала жестко зафиксировать его положение относительно печатной платы с помощью листового поролона толщиной 6 мм в качестве прокладки и с помощью двух отрезков провода с тефлоновым (фторопластовым) покрытием диаметром 0,5 мм, располагаемых с обеих сторон от выводов дисплея. Дисплей крепится в конечном положении путём запайки этих отрезков с обеих сторон (образуются прижимающие скобы). Правильно расположив дисплей, Вы можете приступать к соединению его с платой с помощью коротких отрезков провода диаметром 0,5 мм (МГТФ), пропихивая их в соответствующие отверстия, запаивая и удаляя излишки бокорезами, монтаж на проводках является крайне желательным, так как позволяет быстро демонтировать дисплей с платы (отогнуть на проводах) в случае ошибки. Следующей операцией на очереди будет прорезание отверстия в передней панели АА под дисплей. Задняя сторона корпуса имеет нанесённую прямоугольную сетку (видимо, вдавленную, получившуюся при рихтовке металла методом давления), которая способствует этому процессу. Прикрепите четыре кусочка копирки к задней стороне передней панели примерно в тех местах, где должны быть углы дисплея, затем, используя отверстие под главный переключатель (поддиапазонов) как ориентир, прижмите углы, приложенного к копирке дисплея. Уберите блок дисплея с платой в сторону, под копирками должны остаться чёткие отпечатки углов дисплея, пользуясь которыми теперь, с помощью острого ножа можно вырезать ровное отверстие под дисплей.

Плата затем крепится на передней панели. Она крепится с одной стороны с помощью винтов с потайными головками и нейлоновых стоек высотой 10 мм, тогда как другая поддерживается измерительными гнёздами. Устанавливаются на место два необходимых тумблёра, к передней панели с помощью двухсторонней клейкой ленты приклеивают ярлычки надписей. Низ корпуса необходимо так подогнать, чтобы ручка КПЕ могла выйти наружу сбоку (см. фото внешнего вида АА). Подобным же образом нижнюю часть корпуса необходимо рассверлить, чтобы приладить миниатюрный потенциометр точной настройки, который монтируется рядом с батареей питания в нижней части корпуса. Этой операцией работы на корпусе заканчиваются.

НАСТРОЙКА И ПРОВЕРКА

Вытащив все микросхемы, подайте напряжение питания 12 В на печатную плату. Проверьте выходное напряжение 5-вольтового стабилизатора АВО-метром, его величина должна быть в пределах 4,75…5,25 В. В верхней строке дисплея должны индицироваться чёрные квадратики (возможно: муар), при вращении регулировочного потенциометра контраста дисплея. Воспользуйтесь осциллографом с делителем на 10 на входе, соединив последний с эмиттером транзистора Q7. На экране осциллографа должна присутствовать чистая синусоида с уровнем 600 мВp-p +/- 10%, независимо от частоты настройки. Установив потенциометр точной настройки “TRIM FREQUENCY” в центральное положение, а основной КПЕ в положение минимума ёмкости на поддиапазоне 12,5…30 МГц, подстроечным конденсатором на КПЕ устанавливаем частоту генератора АА равной 31 МГц. Теперь проверяем перекрытие по частоте во всех поддиапазонах. Установите частоту 2 МГц и проверьте сигнал на эмиттере транзистора Q13 (или на “фазной” клемме выхода АА, установив туда пробник осциллографа. В отсутствие нагрузки измерительной схемы, здесь должно быть около 3 Вp-p чистого синусоидального сигнала.

Вставьте (перед этим выключите питание АА!) в панельки ИМС 74LSO4, 74LS93 и 4040. На выводе 14 PICAXE 28X должны присутствовать, при включении питания АА, прямоугольные импульсы размахом 5 Вp-p частотой около 2 кГц, если прескалер работает правильно. Проверьте работу прескалера (деление на 1024) на других (всех) поддиапазонах, затем сбросьте (re-set) частоту снова на 2 МГц. Тут может встретиться проблема: ИМС 74LS04 некоторых производителей работают заметно медленнее и имеют низкое усиление в случае использования их в качестве линейных инверторов. Не было проблем с чипами от Texas Instruments (SN74LS04), Hitachi (HD74LS04) и Fairchild (F74LS04), но были проблемы со старыми выпусками (с середины по конец 80-х годов прошлого века) от фирм National (DM74LS04) и Mitsubishi (M74LS04). Если такая проблема встретится, проверьте наличие 3 Вр-р прямоугольных колебаний на выходе второго инвертора на частоте минимум 30 МГц. Подобным же образом, встречаются чипы 74LS93, которые не вписываются в рабочие рамки по быстродействию. Минимальная из заявленных предельных входных частот для ИМС 74LS93 составляет 32 МГц, и которая, в отсутствие 74LS196, которую трудно достать, является самым быстродействующим счётчиком в семействе 74LS. И снова, никаких проблем с изделиями фирм TI, Hitachi и Fairchild. Все описанное являет хороший повод использовать панельки под микросхемы. Они спасут печатные платы от разрушения при перепайке, если встретятся проблемы с ИМС. Не используйте микросхемы других серий: 74, 74F, 74HC и т. д. Ни одна из них не будет работать с приведёнными номиналами компонентов, а серии 74F/74HC не будут работать в качестве стабильных широкополосных линейных инверторов в любом случае. И, совершенно верно, автор в курсе того, что ИМС 4040 используется немного за гранью минимально заявленного диапазона при 5 В, но чип, в данном случае используется только с одной стандартной нагрузкой, а не с десятью как при испытаниях, поэтому, - “потянет”. Тем более, что максимальная частота, подаваемая на вход чипа 4040 составляет 1,875 МГц, но не одна из современных ИМС этого класса (проверено) не была “медленнее” 6,5 МГц. Смысл применения 4040 заключается в желании поберечь драгоценную энергию батарей.

Вставьте в панельки обе ИМС LM324 и присоедините к выходным зажимам АА два металлоплёночных резистора по 100 Ом, мощностью 0,25 Вт и допуском 1%, включенных параллельно (50 Ом). Проверьте напряжение постоянного тока в точке TP2 с помощью цифрового вольтметра и, вращая ось потенциометра P1, установите его равным точно 4,50 В. Затем, таким же образом, потенциометрами Р2 и Р3 установите напряжения 2,25 В в точках TP3 и TP4. На этом процесс калибровки заканчивается.

“ЗАГРУЗКА” МИКРОПРОЦЕССОРА

В сравнении со всем подобным, существующим на рынке электронных компонентов, загрузка кодов в PICAXE довольно проста. Сперва Вам необходимо изготовить соединительный 3-проводный кабель для связи последовательного выходного порта COM1 Вашего компьютера, с установленной на нём Windows, со входным разъёмом PICAXE. За деталями не поленитесь заглянуть на PICAXE web-сайт www.rev-ed.co.uk/picaxe/. “Невыносимо сложный” двух резисторный интерфейс для микроконтроллера включает в себя печатная плата АА.

Затем Вы должны скачать с web-сайта 12 Мб файл BAS805.EXE. Этот файл, раскрытый в Windows, содержит программирующий редактор (Programming Editor), используемый для загрузки данных в EEPROM любого семейства чипов Picaxe.

Наконец, скачайте файл 5diganlsr.bas с моего web-сайта и загрузите его в файл, содержащий программирующий редактор (хотя, можно его назвать, наверное, и программным).

Откройте редактор (Programming Editor), выберите тип программируемого процессора: PICAXE 28X, - чип, имеющий тактовую частоту 16 МГц и 256 подопций, и откройте файл 5diganlsr.bas. Соедините 3-проводным кабелем СОМ1 ПК с PICAXE-интерфейсом печатной платы через имеющийся разъём, подайте питание на PICAXE и выберите команду RUN в редакторе. Если всё в порядке, то код перегрузится в этом случае из EEPROM в ПЗУ микропроцессора.

Ваш анализатор теперь оживёт! Он должен теперь уже показывать 4-5 цифр, обозначающих частоту в районе 2 МГц, R=050ohms (активное сопротивление, Ом), X=000ohms (реактивное сопротивление, Ом) и SWR=1.00 (КСВ). Перепроверьте все свои калибровки, а также потребление тока от батареи, оно должно составлять в общей сложности порядка 100 мА. В зависимости от схемных условий, кварцевый резонатор может задавать не совсем нужную частоту, для изменения периода счёта в небольших пределах, кликните в опцию “count” прилагаемого софта, так, чтобы частотомер анализатора показывал на дисплее реальную частоту. Присоедините к гнёздам АА проволочную петлю с длиной провода 300 мм и выберите частоту в районе 30 МГц. В зависимости от диаметра провода петли из-за скин-эффекта, активное сопротивление будет находиться в районе 4-10 Ом, а реактивное сопротивление индуктивного характера - в районе 80 Ом. После того, как петля будет отсоединена, прибор будет показывать реактивное сопротивление и сопротивление потерь распределённой ёмкости в несколько пФ, которой обладает измерительная схема и не будет показывать того, что к клеммам ничего не подключено (они разомкнуты), до тех пор, пока частоту уведут ниже 25 МГц. Однако, реактивное сопротивление паразитных ёмкостей (и, наверное, в союзе с паразитными индуктивностями измерительной схемы) оказывается настолько большим, по сравнению с импедансами антенн, что на практике им можно пренебречь.

БУДЬТЕ ВНИМАТЕЛЬНЫ!

Процессор, использованный в этом проекте, не обеспечивает ни расширенных арифметических функций, ни расчёты с плавающей запятой, а это означает, что вся арифметика должна осуществляться в первом приближении с цифрами или от 0 до 255, или от 0 до 65535. Это делает вычисления неоднородно грубыми, которые становятся тем ошибочнее, чем дальше величина измеряемого импеданса уходит от калибрационной точки “50 Ом”, и один набор результатов измерений используется для вывода других (КСВ высчитывается из значений R и X). Несмотря на эти обстоятельства, прибор обеспечивает точность измерений лучше 10%, с улучшением этого показателя при приближении к 50 Ом. Так что этого “зверя” лучше рассматривать не как лабораторную установку, а подручное средство, наряду с ГИРом.

Присутствие посторонних сигналов нужно всегда иметь в виду. В месте, где проживает автор, все электрические сети проходят под землёй, 30-метровый кусок провода (антенна LW), подключенный к АА, даёт лишь наводку на измерительную схему в несколько милливольт, которая не влияет на результаты измерений. Однако, в местах прохождения наземных высоковольтных (и иных) линий электропередачи, фоновые наводки могут составить проблему и потребуют или непосредственного подключения к клеммам прибора дросселя (индуктивность которого придётся подобрать- UA9LAQ), или потребуется включение конденсатора (0,1 мкФ) последовательно с тестируемой антенной. В нижней части диапазона АА (1,5…6 МГц) предлагаемое значение индуктивности дросселя составляет 1 мГн, на более высоких частотах следует применять дроссель индуктивностью в 100 мкГн, проверив его предварительно на паразитные резонансы на частотах измерения. Конечно, симметрирующий трансформатор (“балун”), применяемый на симметричных антеннах, решит проблему наводок 50 Гц. К сожалению, не всё так просто с РЧ наводками. Помня об этом (и в интересах линейного детектирования), выходная мощность РЧ генератора АА сделана максимально возможной, разумно определяемой живучестью батареи питания. У Вас в руках, считайте, - передатчик с 1,5 В пикового напряжения на нагрузке 50 Ом и, всё равно, всегда помните о наводках!

Следующей проблемой, о которой нужно всегда помнить, является наличие высоких статических напряжений на высокоподнятых над землёй антеннах, появляющихся в результате электризации ветрами. Всегда, перед подключением к АА, заземляйте антенну для снятия статического заряда (и центральную жилу кабеля не забывайте перед измерением соединять с оплёткой – UA9LAQ) во избежание повреждения АА.

Данные

Кодировка PICAXE 28X была выполнена в редакторе Revolution Education Programme и приведена в формате BASIC. Таким образом, можно запрограммировать любой чип PICAXE. Воспользуйтесь ссылкой, чтобы скачать программу........ Revolution Education

Заметьте, что со времени подачи статьи в публикацию, по предложению Barry Williams’а VK5ZBQ была введена модификация, касающаяся индикации напряжения питания. Чтобы добавить такую возможность на платах MK1, разорвите печатную дорожку между AN3 (вывод микропроцессора 5) и общей шиной. Затем включите резисторы: сопротивлением 16 кОм между шиной +12 В и AN3 и 3,9 кОм между AN3 и общей шиной. При включении питания, напряжение батареи будет индицироваться на протяжении 1,5 секунды.

Чтобы получить правильное значение индицируемого напряжения, просто измените соотношение в строке "w0=w0/100" в разделе "battery:" в подпрограмме микропроцессорного кода. Делитель должен иметь значение в пределах 94-106 и учитывать 5% разброс номиналов компонентов (сопротивлений резисторов). Эта модификация и небольшие изменения в расстановке деталей и схеме АА учтены в разработанной позднее плате АА -МК2, версии АА, которая детализирована ниже:

Скачайте:

Статья

Фото

Коды

Не бойтесь написать свои собственные кодировки для АА! Добавьте необходимые Вам опции и выложите здесь Ваши кодировки со своими: фамилией и позывным.

Jim Tregellas (VK5JST)
e-mail: endsodds@internode.on.net

ПРИЗНАТЕЛЬНОСТЬ

Одним из выдающихся подвигов греческого героя Геракла, которыми он прославил своё имя в веках, была очистка Авгиевых Конюшен. Barry Williams, VK5ZBQ, предпринял подобную операцию, когда прошёлся по наброскам схем, разработкам плат и софту, на основе которых выполнил второй прототип прибора. При этом, он устранил кучу грубых ошибок и сделал ряд дельных предложений, позволяющих повысить качество прибора. Спасибо, Barry.

Использование PIC16F873A вместо PICAXE-28X

Вадим Демидов

Не так давно Jim Tregellas VK5JST создал экспериментальный антенный анализатор и написал о нем статью в австралийский журнал "Amateur Radio". Статья была напечатана в июне, но еще до отрпавки ее в редакцию Джим предоставил описание конструкции нескольким австралийским радиолюбителям, чтобы убедиться в ее повторяемости. Одним из них был Lloyd Butler VK5BR, в то время активный сторонник EH/CFA антенн, и это объясняет, откуда я узнал об этом проекте [я активный противник EH/CFA лженауки].

Анализатор содержит ВЧ генератор, ВЧ усилитель, измерительную цепь, три детектора с компенсацией прямого падения на диоде, микроконтроллер с внутренним АЦП и жидкокристаллический дисплей. Используемый микроконтроллер, однако, весьма специфичный - PICAXE-28X http://www.rev-ed.co.uk/picaxe/. Он дает возможность писать программы на легком в изучении Бейсике, но серьезно ограничивает достижимые параметры. Внутренняя математика ограничена 16-битными целыми без знака, а внутренняя функция измерения частоты заставляет делить частоту ВЧ генератора на 1024 до подачи ее на вход контроллера. В результате используются только 7 из 10 бит АЦП (в последней версии - 8) и для достижения разрешения по частоте в 1 кГц требуется время счета в 1 секунду. Подробности на сайте Джима:
http://www.users.on.net/~endsodds/newswr_1.bas (7 бит)
http://www.users.on.net/~endsodds/newmath.bas (8 bit)
http://www.users.on.net/~endsodds/analsr.htm

Как только я увидел оригинальную программу, я начал переписывать ее на C для "чистого" PIC16F873A (на основе которого создан PICAXE-28X). Помимо главной цели создания кода с открытыми исходными текстами я пытался использовать только бесплатные программы для его компиляции, чтобы дать возможность каждому модифицировать код.

Поскольку бесплатная версия компилятора CC5X фирмы B Knudesn Data ограничивает объем кода в объектном модуле величиной 1K слов, может потребоваться до 4 модулей, чтобы использовать все пространство в 4K слов доступное в PIC16F873A. Есть и другое ограничение: все межмодульные вызовы функций могут перевать не более одного 8-битного аргумента и возвращать одно 8-битное значение. Таким образом, перенос кода из основного модуля во вспомогательные становится непростой задачей.

Из-за ограничений бесплатной версии компилятора библиотека с плавающей точкой используется несколько странным образом. Это напоминает настольный калькулятор: вводите один операнд в регистр X, поднимаете его в регистр Y, вводите другой операнд в регистр X и жмете кнопку операции. Результат операции помещается в регистр X. Только элементарные выражения с плавающей точкой (которые в действительности не вызывают библиотечных функций) могут использоваться непосредственно, такие как простое присвоение или сравнение с нулем. Это умеренная плата за бесплатный инструментарий.

Для программирования контроллеров PIC16F873A я использую JDM программатор (минимум деталей и отсутствие внешнего питания) с программой IC-Prog:
http://www.ic-prog.com

Чтобы скомпилировать исходные тексты, нужно установить бесплатную версию компилятора CC5X (v3.2F или более новую) фирмы B Knudsen Data (http://www.bknd.com) и интегрированную среду разработки MPLAB IDE v7.10 (или более новую) от Microchip (http://www.microchip.com), также бесплатную. Не забудьте сконфигурировать программы после установки, подробности в файле INSTALL.TXT компилятора CC5X.

Чтобы использовать запрограммированный PIC16F873A вместо PICAXE-28X, требуется несложная модификация "железа". Возьмите сигнал ВЧ генератора с частотой поделенной на 4 с вывода 9 счетчика 74LS93 (К555ИЕ5) и подайте его через резистор 470 Ом на вывод 6 (T0CKI) микроконтроллера PIC16F873A; резистор 22 кОм, подключенный к этому выводу, можно не удалять (это вход последовательных данных у PICAXE-28X).

Скачать код для PIC16F873A

Джим дал добро на выкладывание файлов. Это была версия MK1, без делителя напряжения батареи - он навешивался снаружи. Итак, файлы:

aeranlsr.pcb - разводка в формате AUTOTRAX, вид со стороны фольги
anlsrgp.pcb - заливка земли в формате AUTOTRAX
AERANLSR_mirr.pdf - зеркальное изображение разводки для печати на лазерном принтере в масштабе 1:1 (Scale 100 % в Adobe Reader)

Чтобы смотреть формат AUTOTRAX, можно поставить v1.61 под DOS, скачав его здесь: http://www.altium.com/Community/Support/Downloads/, но это развлечение для истинных ценителей DOSа!

Вадим Демидов (ex UA9-140-542, op of UK9FFO, UK1ADR) qrp@peterstar.ru

Проблемы

За время написания статьи было построено примерно 170 единиц АА, и, за исключением мелких огрехов, только в трёх были серьёзные причины отказов. В двух причины оказались одинаковыми и касались верхней границы генератора. Вместо генерации строго синусоидального сигнала, генератор выдавал “пилу” с амплитудой около половины нормальной. Это происходило из-за РЧ дросселя индуктивностью в 1 мкГн, входящего в контур генератора, имеющий ненормально намного меньшие потери, отсюда, обеспечивающий ненормально высокое усиление в схеме генератора. Генератор, соответственно, “запищал”, давая странное по форме выходное напряжение. Чтобы справиться с проблемой, просто зашунтируйте дроссель 1 мкГн гасящим сопротивлением, уменьшающим добротность контура. Генераторы обоих отбракованных экземпляров АА стали давать прекрасные ровные синусоиды, при шунтировании дросселя 1 мкГн резистором 3,3 кОм, в зависимости от экземпляра дросселя, сопротивление шунтирующего резистора может быть уменьшено до 1,5 кОм. При подборе сопротивления контролируйте чистоту и правильность формы синусоиды (идеальная синусоида моночастотна, не имеет гармоник – UA9LAQ).

Генератор оставшегося третьего дефектного АА отказывался генерировать на двух крайних высокочастотных диапазонах и генерировал близкие к прямоугольным колебания на остальных (что-то похожее на синусоиды с плоской вершиной). Это было отнесено на счёт использования обычного стандартного дискового керамического развязывающего конденсатора ёмкостью 0,1 мкФ, который, будучи физически большим, имел большие потери и низкую собственную резонансную частоту. Таким деталям не место в широкодиапазонных устройствах, коим является АА. Используйте в таких схемах только миниатюрные многослойные монолитные развязывающие (и разделительные) конденсаторы с укороченными до минимально возможных выводами или Вы “плохо кончите”. Особенно важно это соблюдать при развязке базы Т3.

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень июнь, 2005 г