DK1RM - Hardware - Pegelmesser

Meine Recherchen zum Thema "HF-Pegelmessung und artverwandter Gebiete" ergaben, daß im Amateuerbereich meist ein Chip der Firma Analog Devices mit der Bezeichnung "AD8307" für diese Zwecke eingesetzt wird. Nach dem "Überfliegen" des entsprechenden Datenblatts ging ich davon aus, daß mit diesem (nicht ganz billigen, jedoch tatsächlich verfügbarem) Chip eine HF-Messung im Bereich von 0-500Mhz mit einem Dynamik-Bereich von über 90dB möglich sein sollte. Das würde mir doch den größten (und kompliziertesten/fummeligsten) Teil meiner Pegelmesser-Schaltung abnehmen! Also bestellte ich mir diesen Chip und vertiefte mich etwas intensiver in die (sehr ausführliche) Beschreibung, die sich doch als "recht hartes Brot" (u.a. Theorie logarithmischer Verstärker) erwies. Nach dem Studium einiger Diagramme und Kennlinien war mir klar, daß doch einige "Klimmzüge" notwendig wurden, um dem Frequenzgang bis 500MHz einigermassen linear zu bekommen.

Der Vorschlag eines OMs "Digitalisiere die Ausgangsspannung und korrigiere den Frequenzgang dann per Software" wäre zwar eine einfach zu realisierende Lösung gewesen, jedoch diese Verfahrensweise wird heutzutage schon in vielen Transceivern eingesetzt und schneidet beim Vergleich mit "althergebrachter Elektronik" (und gut durchdachtem Schaltungsdesign) oftmals schlechter ab. Eine aktive Vorstufe, deren Verstärkung im Bereich von ca. 100 bis 500MHz um etwa 10dB ansteigt, wäre wohl die optimale Lösung gewesen, aber diese Art von Schaltungen sind meist nur mit grossem Aufwand zu realisieren (und vom Schwingen abzuhalten). Also verzichtete ich lieber auf etwa 10dB der Empfindlichkeit und entschied mich zu einer passiven Frequenzkorrektur. Da der "Korrektur"-Hochpass einerseits mehrere Stufen benötigte, andererseits über den gesamten Frequenzbereich eine Impedanz von (möglichst reellen) 50Ohm haben sollte, wäre eine direkte Berechnung extrem kompliziert ausgefallen. Daher führte ich mittels einiger gEDA-Komponenten eine SPICE-Simulation zur Ermittlung einer möglichst optimalen Schaltung durch. Jedoch die Optimierung der Bauteil-Werte erwies sich als äusserst mühsame Angelegenheit. Da die "gEDA"-Tools den ganz grossen Vorteil haben, daß alle Daten im ASCII-Format gespeichert werden, konnte ich mir ein Programm schreiben, welches die Simulations-Ergebnisse einlesen, mit "Optimal"-Werten vergleichen, und die Bauteil-Werte entsprechend anpassen konnte. Diese Verfahrensweise ist zwar ein wenig "eigenwillig", führte aber zu recht passablen Ergebnissen (siehe nebenstehende Diagramme). Leider befindet sich dieses Optimierungs-Programm zur Zeit (noch) in einem dermassen "grausigen Zustand", sodaß ich annehmen muss, daß höchstens einige "eingefleischte C/Linux-Freaks" es zusammenbauen, konfigurieren und zum Laufen bringen könnten. Aus diesem Grund habe ich es auch noch nicht veröffentlicht.

Für diejenigen, die sich nicht scheuen, ein wenig mit den "gEDA"-Tools zu experimentieren, hier die für die Simulation notwendigen Dateien.

Das Eingeben des Hochpass-Filters in Eagle erwies sich als ein wenig kniffelig, da die berechneten Induktivitäten von 600pH (verständlicherweise) nicht als (ggf. modifizierbare) "Bauteile" verfügbar waren. Also recherchierte ich ein wenig über "Microstrip-Leitungen" und "gedruckte Induktivitäten" und berechnete/bastelte mir ein entsprechendes "SMD-Bauteil" für diesen Zweck selber. Sehr umfangreiche Informationen zu diesem Thema (in englisch) sind übrigens hier zu finden. Ob meine "Bauteile" nun so genau der berechneten Induktivität entsprachen (oder überhaupt so genau notwendig waren), würde sich später zeigen. Diese Version von Induktivitäten würde sich ja ggf. recht einfach mit Hilfes eines kleinen Fräsers an/abgleichen lassen. Der niederfrequente Teil der Schaltung ("hinter" dem AD8307) bestand ja "nur" aus einer Impedanzwandlung und der Erzeugung zweier (abgleichbarer) Referenzspannungen für die Anzeige von "dBm" und "dBµV", war recht flott entworfen und auf eine Leiterplatte gebracht. Die Schaltung war so konzipiert, daß ein "LCD-Panelmeter" an einem Messeingang eine feste Spannung erhielt (einstellbarer "Nullpunkt"), und am anderen Eingang die (etwas aufbereitete) Ausgangsspannung des AD8307. Als jedoch die bestellten Bauteile geliefert wurden und ich die Beschreibung des von mir ausgewählten LCD-Moduls (LDP 340) las, kam mir eine Anmerkung im Stil "Dieses Modul kann nicht die eigene Betriebsspannung messsen" schon etwas seltsam vor. Sollte das etwas mit der Katalog-Angabe "Galvanische Trennung: nein" zu tun haben ?

Ausschnitt des ersten Schaltungsentwurfs

Die tiefere Bedeutung dieser Angaben erschloss sich mir erst, als ich die Schaltung komplett bestückt hatte und mit den ersten Tests begann. Warum zeigte das Modul denn ständig "Overflow" an, obwohl die Spannungen daran (laut Multimeter) doch kleiner als 200mV waren?. Die Ursache war mit Hilfe eines kleinen Testaufbaus aus ein paar Widerständen, Trimmern und dem LCD-Modul recht schnell gefunden: Der negative Messeingang des Moduls lag (mit einem Innenwiderstand von einigen Kiloohm) immer auf etwa zwei Dritteln der Betriebsspannung des Moduls! Das war also die Idee der Entwickler dieses Moduls: Der "Nullpunkt" wird über den negativen Messeingang festgelegt und die interne Betriebsspannung entsprechend "durch die Gegend geschoben" (was bei Batteriebetrieb problemlos möglich ist). Aber wie sollte ich nun dieses Modul ansteuern? Eine weitere Batterie würde auf keinen Fall mehr in das Gehäuse passen. Ein kurzer Versuch mit einem kleinen Oszillator mit Ferrit-Transformator zur galvanischen Entkopplung der Modul-Betriebsspannung brachte auch nicht so den gewünschten Erfolg. Ich legte die Schaltung erstmal beiseite und ließ dieses Problem in meinem Kopf "etwas gären". Nach ein paar Tagen hatte ich eine Idee zur Lösungs dieses Problems: Ich muss doch "nur" meine zu messende Spannung relativ zu dem vom Modul vorgegebenen "Nullpunkt" anlegen, was auf eine Addition und Subtraktion von Spannungen hinausläuft, und mit einem Operationsverstärker recht einfach zu realisieren ist. Ein Versuch mit einem LM741 war schnell zusammengelötet und zeigte mir, daß dieser Ansatz prinzipiell funktionierte. Das einzige unschöne dabei war, daß der LM741 etwas stark rauschte und nicht mehr exakt "rechnete", wenn die Ein- und Ausgangsspannungen in die Nähe der Betriebsspannung gerieten. Aber dafür gibt es ja "Rail-To-Rail"-OpAmps, die auch noch unter solchen Betriebsbedingungen exakt arbeiten. Also beschaffte ich mir einen OPA343, der dieses Problem löste (und "schön klein" war), jedoch ein Weiteres aufwarf: Die vorgesehene Betriebsspannung für diesen Chip betrug 5V, sodaß ich noch eine (einfache, mit Zenerdioden realisierte) "Spannungsaufbereitung" vorsehen musste. Diese Zusatzschaltung quetschte ich dann an den einzigen, noch freien Platz auf der Leiterplatte meines Prototypen: Unter das Display. Das nebenstehende Bild zeigt noch die "LM741"-Testversion mit Kohleschichtwiderständen.

Als "Verpackung" für meinen Pegelmesser hatte ich mir ein kleines, handliches Etui-Gehäuse ("SP6061") ausgesucht, welches ein für eine 9V-Blockbatterie vorgesehenes Batteriefach (incl. "Klappe") enthielt. Um die beiden BNC-Buchsen (HF-Eingang und logarithmischer Spannungsausgang) an der Stirnseite des Gehäuses zu montieren, befestigte ich diese (voneinander isoliert) auf einem Stück Leiterplattenmaterial. Damit die Buchsen dabei nicht teilweise im Gehäusedurchbruch steckten, was das Aufstecken eines BNC-Steckers behindern würde, fanden zwei "Abstandshalter-Ringe" (gewonnen aus 12mm-Kupferrohr) Einsatz. Zur Abschirmung (und Herstellung einer definierten kapazitiven Umgebung) des HF-Teils der Schaltung war es notwendig, das Kunststoff-Gehäuse mit selbstklebender Kupferfolie auszukleiden, was sich als eine recht fummelige Angelegenheit herausstellte. Bei den nächsten HF-Schaltungen in einem Kunststoffgehäuse werde ich wohl mal einige Experimente mit "Graphitspray" unternehmen. Um den Stromverbrauch des Display-Moduls zu reduzieren, trennte ich die Zuleitung zur Hintergrundbeleuchtung innerhalb des LCD-Moduls auf und führte die entsprechenden Zuleitungen aus dem Modul heraus und über einem externen "Kurzhubtaster", dessen Betätigungstift seitlich aus dem Modul herausragt. Die Justierung/Kalibrierung des Pegelmessers bewekstelligte ich mit Hilfe eines 0dBm- und eines -60dBm-Signals aus einem Kalibrierungs-Generator (nach DL7AV) durch "iterative Veränderung" von R12 (Abschwächung) und R10 (Nullpunkt) im Modus "dBm". Danach erfolgte der Abgleich des "dBµV"-Wertes bei anliegendem 0dBm-Signal auf 107dBµV, was rechnerisch (bei Einhaltung von 50Ohm Impendanz) recht einfach nachzuvollziehen ist. Nun habe ich ein Gerät, mit dem ich HF-Pegel im Bereich von ca. -60 bis +20dBm (1nW bis 100mW) bzw. 47 bis 127dBµV (224µV bis 2.24V) im Bereich von 1-500MHz messen kann. Über die Linearität des Frequenzgangs und der Eingangsimpendanz und die kann ich (noch) wenig Aussagen treffen, groben (ungenauen) Vergleichen zufolge sollte die Genauigkeit jedoch besser als 2dB sein. Da ich beabsichtige, demnächst einen (thermischen) Leistungsmesser (< 1W) zu bauen, dessen Genauigkeit sich recht gut bestimmen lässt, gehe ich davon aus, daß ich bald genauere Angaben dazu machen kann.

Schaltplan im Eagle-Format.

Layout im Eagle-Format. Eine Drahtbrücke liess sich nicht vermeiden, ergibt aber einen recht brauchbaren Testpunkt (Ausgang des AD8307).