Arduino PSV metr podle DG7EAO

V hamshacku se PSV metr často bere jako samozřejmost. Připojit mezi TCVR a anténu, zmáčknout PTT, zkontrolovat PSV a hotovo. Jenže každý, kdo někdy srovnával levný diodový Wattmeter s kvalitním directional couplerem, ví, že realita je složitější. Nelinearita detekčních diod, rozdílné chování při nízkých výkonech, šum na ADC vstupu a omezená přesnost analogových můstků dokáží udělat z jednoduchého měření slušný kompromis.

Projekt Arduino PSV metra podle DG7EAO je zajímavý právě tím, že část těchto problémů řeší softwarově. Není to jen „Arduino s LCD“, ale praktický prístup, kde mikrokontrolér kompenzuje fyzikálne nedokonalosti analógovej časti. V kombinácii s vhodným PSV snímačom ide o použiteľný nástroj pre QRP aj bežný hamshack.

Proč kalibrační tabulka dává větší smysl než jednoduchý vzorec

Největší praktický přínos této koncepce je použití kalibrační tabulky namísto naivního lineárního přepočtu ADC → výkon.

Klasický problém diodového detektoru je znám: usměrňovací dioda nemá lineární převodní charakteristiku. Při nízkých úrovních signálu je chyba výrazná, protože prahové napětí diody způsobuje, že malé rozdíly napětí nevedou k proporcionální změně výstupu. Pokud bychom použili jednoduchý lineární přepočet typu:

W = k × ADC

výsledek by byl při malých výkonech prakticky nepoužitelný.

Program DG7EAO místo toho používá segmentovanou kalibrační tabulku s lineární interpolací mezi body. Typický princip:

• ADC hodnota 57 ≈ 1 W
• ADC hodnota 87 ≈ 2 W
• ADC hodnota 111 ≈ 3 W

Naměříme-li hodnotu mezi těmito body, firmware dopočítá výkon interpolací. Tím vzniká kusově lineární sbližování reálné nelineární charakteristiky.

Výsledek?

• výrazně lepší přesnost při QRP výkonech,
• rozumnější chování při malé reflektované energii,
• možnost kalibrace pro konkrétní directional coupler.

Toto je přesně ten rozdíl mezi „Arduino gadgetem“ a měřicím přístrojem.

Použitý hardware pro PSV metr

Projekt je hardwarově záměrně jednoduchý, což je jeho výhoda. Jádrem je klasické Arduino s AVR ADC, přičemž firmware využívá interní analogovou referenci namísto napájecího napětí. To je rozumné rozhodnutí, protože USB nebo nestabilní napájení by jinak zavádělo další chybu.

Hardwarové bloky

Blok	Funkce
Arduino (ATmega328P třída)	ADC zpracování, výpočty, logika zobrazení
16×2 LCD	Lokální zobrazení PSV, výkonu a bargraphu
A0	Forward výkon
A1	Reflected výkon
Digitální vstup (přepínač režimu)	Přepínání obrazovek
PSV snímač	Directional coupler / tandemový můstek

LCD je připojen paralelně přes knihovnu LiquidCrystal. Z dnešního pohledu by bylo elegantnější I2C LCD, ale pro jednoduchou stavbu je toto robustní řešení.

Co program dělá

Firmware není jen jednoduchý zobrazovač ADC hodnot. Proces měření probíhá v několika krocích:

1. Čtení forward a reflected výkonu

Arduino čte A0 a A1 jako forward a reflected kanál. Hodnoty nejsou použity okamžitě – firmware si drží maximum z více odečítání.

To je důležité hlavně u SSB, kde obálka signálu není konstantní jako u FM.

2. Softwarové filtrování šumu

Kód implementuje jednoduchou ochranu proti náhodnému šumu. Pokud několik po sobě jdoucích vzorků spadne pod definovaný práh, maximum se resetuje. Tím se zabrání „zamrznutí“ staré špičkové hodnoty.

Je to primitivnější než moving average nebo DSP filtr, ale pro AVR zcela dostačuje.

3. Přepočet ADC na watty

Následuje lookup tabulka s interpolací. Zde vzniká hlavní přidaná hodnota projektu.

4. Výpočet PSV

Po získání forward a reflected výkonu firmware počítá klasický vztah:

PSV = ( 1 + √(Pr/Pf)) / ( 1 - √(Pr/Pf))

což je fyzikálně správný výpočet odvozený z reflexního koeficientu.

Softwarová ochrana proti šumu a falešnému PSV

Zajímavý detail je potlačení nesmyslných hodnot odraženého výkonu.

Pokud je reflektovaný výkon menší než přibližně 1 % forward výkonu, firmware jej nepovažuje za relevantní a nahrazuje minimální hodnotou.

Proč je to důležité?

Bez této ochrany by ADC šum nebo offset diodového detektoru generoval zbytečně vysoké PSV při dobře přizpůsobené anténě.

Typický příklad:

• Forward: 50 W
• Reflected ze šumu: 0,15 W

Formálně to vypadá jako skutečný odraz, ale v realitě jde o měřící artefakt.

Tato softwarová pojistka činí měření stabilnějším.

Režimy zobrazení

Firmware podporuje dva režimy.

Klasický metr režim

Zobrazuje:

• PSV numericky,
• bargraph PSV,
• Forward výkon (Wf),
• Reflected výkon (Wr).

Toto je praktické při ladění antény, LPF nebo tuneru.

Bargraph režim

Druhý režim funguje jako jednoduchý dual wattmetr:

• horní řádek = forward výkon,
• spodní řádek = reflected výkon.

Pro rychlou kontrolu při provozu je to přehlednější než numerické čtení.

Jaký PSV snímač použít

Samotné Arduino je jen digitální backend. Přesnost určuje directional coupler.

Tandemový můstek

Tandem match je výborná volba pro KV. Má dobrou directional directivity a konzistentní chování v širokém rozsahu výkonů. Právě u jednoduchých wattmetrů se při nízkých výkonech projevuje chyba diodové nelinearity, kterou kvalitnější directional koncept pomáhá omezit. Výběr vhodného zapojení PSV metra pořadí i materiál OK1AYY Amatérské konstrukce kmitočtově nezávislých SWR/PWR metrů pro kv nebo Tandem Match mostek SWR 1,8 – 50 MHz 1KW

Výhody:

• dobrá linearita,
• slušná přesnost,
• vhodné pre KV contest i běžný DX traffic.

LA8AK directional coupler

LA8AK řešení je mezi radioamatéry oblíbené zejména pro jednoduchost stavby a reprodukovatelnost. V kombinaci s touto digitální kalibrací může být velmi použitelné.

Důležité je, aby bylo čidlo mechanicky stabilní.

Možná vylepšení

PC konektivita

Nejlogičtější rozšíření je USB sériový výstup.

Arduino by mohlo streamovat:

• Forward výkon,
• Reflected výkon,
• PSV,
• časové Značky.

To umožní logging nebo dlouhodobé sledování chování antény.

GUI aplikace

Jednoduché desktop GUI by umělo zobrazit:

• real-time graf výkonu,
• trend PSV,
• alarm při překročení limitu,
• export CSV nebo ADIF-like log meraní.

EEPROM kalibrace

Namísto natvrdo zapsané tabulky by bylo elegantní ukládat kalibrační body do EEPROM. To umožní doladit metr pro konkrétní coupler bez rekompilace firmware.

Modernější displej

OLED nebo grafický LCD by umožnil needle emulaci, histogram nebo peak hold.

Závěr

Arduino PSV metr podle DG7EAO je dobrý příklad toho, jak rozumný firmware zlepšuje klasickou radioamatérskou analogovou konstrukci.

Není to laboratorní Bird wattmetr, ale ani hračka. Pokud použijete kvalitní directional snímač, kalibrační tabulku přizpůsobíte vlastnímu hardwaru a doladíte ADC referenci, vznikne překvapivě použitelný nástroj pro QRP i běžný KV provoz.

Pro radioamatéra, který rád kombinuje RF techniku ​​s mikrokontroléry, je to velmi přirozený projekt: trochu analogu, trochu DSP myšlení a výsledek, který v hamshacku reálně poslouží.

Já jsem ho konstruoval už před lety. KV snímač pochází z jiné konstrukce. Tu poškodilo přivedení nadměrného výkonu. V programu jsem si dělal několik úprav, například mám dvě kalibrační tabulky (pro KV a 144 MHz) a poněkud upravený způsob výpisu a průměrování hodnot. Hlavní výhoda je právě v možnosti aplikování kalibrační tabulky, čímž se měření upřesňuje.