Im Amateurfunk wird ein PSV-Meter oft als selbstverständlich angesehen. Man schließt es zwischen TCVR und Antenne an, drückt die Sprechtaste, liest den PSV-Wert ab – fertig. Doch jeder, der schon einmal ein billiges Dioden-Wattmeter mit einem hochwertigen Richtkoppler verglichen hat, weiß, dass die Realität komplexer ist. Die Nichtlinearität der Detektionsdioden, das unterschiedliche Verhalten bei niedrigen Leistungen, das Rauschen am ADC-Eingang und die begrenzte Genauigkeit analoger Brückenschaltungen können eine einfache Messung zu einem brauchbaren Kompromiss machen.
Projekt Arduino PSV Metro von DG7EAO ist gerade deshalb interessant, weil es einige dieser Probleme in der Software löst. Es ist nicht einfach nur ein "Arduino mit 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.
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Warum eine Kalibrierungstabelle sinnvoller ist als eine einfache Formel
Der größte praktische Vorteil dieses Konzepts ist die Verwendung einer Kalibriertabelle anstelle einer einfachen linearen ADC → Leistungswandlung.
Das klassische Problem eines Diodendetektors ist wohlbekannt: Die Gleichrichterdiode besitzt keine lineare Übertragungskennlinie. Bei niedrigen Signalpegeln ist der Fehler erheblich, da die Schwellenspannung der Diode verhindert, dass kleine Spannungsdifferenzen zu einer proportionalen Änderung des Ausgangssignals führen. Würde man eine einfache lineare Wandlung der Art:
W = k × ADC
Das Ergebnis wäre bei niedrigen Leistungspegeln praktisch unbrauchbar.
Das Programm DG7EAO verwendet stattdessen eine segmentierte Kalibriertabelle mit linearer Interpolation zwischen den Punkten. Typisches Prinzip:
- ADC-Wert 57 ≈ 1 W
- ADC-Wert 87 ≈ 2 W
- ADC-Wert 111 ≈ 3 W
Wenn wir einen Wert zwischen diesen Punkten messen, berechnet die Firmware die Leistung durch Interpolation. Dadurch entsteht eine stückweise lineare Approximation der tatsächlichen nichtlinearen Kennlinie.
Das Ergebnis?
- deutlich bessere Genauigkeit bei QRP-Leistungen
- Vernünftigeres Verhalten bei geringer reflektierter Energie,
- Kalibrierungsoption für einen bestimmten Richtkoppler.
Genau darin liegt der Unterschied zwischen einem „Arduino-Gadget“ und einem Messinstrument.
Hardware für PSV-Zähler
Das Projekt ist hardwareseitig bewusst einfach gehalten, was sich als Vorteil erweist. Im Kern handelt es sich um einen klassischen Arduino mit einem AVR-ADC, während die Firmware anstelle der Versorgungsspannung eine interne analoge Referenz verwendet. Dies ist eine sinnvolle Entscheidung, da USB oder eine instabile Stromversorgung andernfalls zusätzliche Fehler verursachen würden.
Hardwareblöcke
| Block | Funktion |
|---|---|
| Arduino (ATmega328P-Klasse) | ADC-Verarbeitung, Berechnungen, Anzeigelogik |
| 16×2 LCD | Lokale Anzeige von PSV, Leistung und Balkendiagramm |
| A0 | Vorwärtskraft |
| A1 | Reflektierte Energie |
| Digitaler Eingang (Modusschalter) | Bildschirmwechsel |
| PSV-Sensor | Richtungskupplung / Tandembrücke |
Das LCD ist über die LiquidCrystal-Bibliothek parallel angeschlossen. Aus heutiger Sicht wäre ein I2C-LCD eleganter, aber für einen einfachen Aufbau ist dies eine robuste Lösung.
Was das Programm leistet
Die Firmware dient nicht nur der einfachen Anzeige von ADC-Werten. Der Messprozess erfolgt in mehreren Schritten:
1. Vorausschauendes Lesen und reflektierte Kraft
Arduino liest A0 und A1 als Vorwärts- und Rückwärtskanal. Die Werte werden nicht sofort verwendet – die Firmware speichert den Maximalwert mehrerer Messwerte.
Dies ist besonders wichtig bei SSB, wo die Signalhüllkurve nicht konstant ist wie bei FM.
2. Software-Rauschfilterung
Der Code implementiert einen einfachen Schutz gegen zufälliges Rauschen. Wenn mehrere aufeinanderfolgende Messwerte unter einen definierten Schwellenwert fallen, wird der Maximalwert zurückgesetzt. Dadurch wird verhindert, dass der alte Spitzenwert „einfriert“.
Es ist zwar primitiver als ein gleitender Durchschnitt oder ein DSP-Filter, aber für einen AVR ist es völlig ausreichend.
3. ADC-zu-Watt-Umwandlung
Als Nächstes folgt die Nachschlagetabelle mit Interpolation. Hier liegt der Hauptnutzen des Projekts.
4. Berechnung des PSV
Nach der Ermittlung der Vorwärts- und Rückwärtsleistung berechnet die Firmware die klassische Beziehung:
PSV = ( 1 + √(Pr/Pf)) / ( 1 - √(Pr/Pf))
Dies ist eine physikalisch korrekte Berechnung, die sich aus dem Reflexionskoeffizienten ableitet.
Softwareschutz gegen Rauschen und falsche PSV-Werte
Ein interessantes Detail ist die Unterdrückung bedeutungsloser Werte reflektierter Macht.
Wenn die reflektierte Leistung weniger als etwa 1 % der Vorwärtsleistung beträgt, betrachtet die Firmware sie als irrelevant und ersetzt sie durch den Minimalwert.
Warum ist das wichtig?
Ohne diesen Schutz würden ADC-Rauschen oder Diodendetektor-Offset bei einer gut angepassten Antenne unnötig hohe PSV-Werte erzeugen.
Typisches Beispiel:
- Vorwärts: 50 W
- Vom Rauschen reflektiert: 0,15 W
Formal betrachtet sieht es aus wie eine echte Spiegelung, in Wirklichkeit handelt es sich aber um einen Messartefakt.
Diese Softwaresicherung sorgt für eine stabilere Messung.
Anzeigemodi
Die Firmware unterstützt zwei Modi.
Klassischer Messmodus
Anzeigen:
- PSV numerisch,
- PSV-Balkendiagramm
- Vorwärtsleistung (Wf),
- reflektierte Leistung (Wr).
Das ist praktisch beim Abstimmen einer Antenne, eines Tiefpassfilters oder eines Tuners.
Balkendiagramm-Modus
Der zweite Modus fungiert als einfaches Doppelwattmeter:
- oberste Zeile = Vorwärtskraft,
- Unterm Strich = reflektierte Leistung.
Für schnelle Kontrollen während des Betriebs ist dies übersichtlicher als eine numerische Anzeige.
Welchen PSV-Sensor soll ich verwenden?
Der Arduino selbst ist lediglich ein digitales Backend. Die Genauigkeit wird durch den Richtkoppler bestimmt.
Tandembrücke
Die Tandemanpassung ist eine ausgezeichnete Wahl für KV. Sie zeichnet sich durch gute Richtwirkung und ein konsistentes Verhalten über einen weiten Leistungsbereich aus. Gerade bei einfachen Wattmetern macht sich der Dioden-Nichtlinearitätsfehler bei niedrigen Leistungen bemerkbar, den ein optimiertes Richtkonzept zu begrenzen hilft. Das Material OK1AYY unterstützt Sie zudem bei der Auswahl des passenden Anschlusses für das PSV-Messgerät. Amateurentwürfe von frequenzunabhängigen SWR/PWR-Metern für kV oder Tandem-Anpassbrücke SWR 1,8 – 50 MHz 1 kW
Vorteile:
- gute Linearität
- ordentliche Genauigkeit,
- vhodné pre KV contest ebenfalls üblich DX traffic.
LA8AK Richtkoppler
LA8AK Die Lösung ist bei Funkamateuren beliebt, insbesondere wegen ihrer einfachen Konstruktion und Reproduzierbarkeit. In Kombination mit dieser digitalen Kalibrierung kann sie sehr nützlich sein.
Es ist wichtig, dass der Sensor mechanisch stabil ist.
Mögliche Verbesserungen
PC-Anbindung
Die logischste Erweiterung ist die serielle USB-Ausgabe.
Arduino könnte streamen:
- Zukunftsperformance
- reflektierte Leistung
- PSV,
- Zeitstempel.
Dies ermöglicht die Protokollierung bzw. Langzeitüberwachung des Antennenverhaltens.
GUI-Anwendung
Eine einfache Desktop-Benutzeroberfläche könnte Folgendes anzeigen:
- Echtzeit-Leistungsdiagramm,
- PSV-Trend
- Alarm bei Überschreitung des Grenzwerts
- export CSV oder ADIF-like log meraní.
EEPROM-Kalibrierung
Anstelle einer fest codierten Tabelle wäre es elegant, die Kalibrierungspunkte im EEPROM zu speichern. Dies würde eine Feinabstimmung des Messgeräts für einen bestimmten Koppler ermöglichen, ohne die Firmware neu kompilieren zu müssen.
Moderneres Display
Ein OLED- oder Grafik-LCD-Display würde die Emulation von Zeigern, Histogrammen oder die Anzeige von Spitzenwerten ermöglichen.
Abschluss
Das Arduino PSV-Messgerät von DG7EAO ist ein gutes Beispiel dafür, wie sinnvolle Firmware ein klassisches analoges Amateurfunkdesign verbessert.
Es ist kein Labor-Wattmeter, aber auch kein Spielzeug. Mit einem hochwertigen Richtfunksensor, angepasster Kalibriertabelle für Ihre Hardware und Feinabstimmung der ADC-Referenz erhalten Sie ein überraschend brauchbares Werkzeug für QRP- und regulären HF-Betrieb.
Für einen Funkamateur, der gerne HF-Technologie mit Mikrocontrollern kombiniert, ist dies ein sehr naheliegendes Projekt: ein bisschen Analogtechnik, ein bisschen digitales Programmieren und ein Ergebnis, das tatsächlich in einer Amateurfunkstation zum Einsatz kommt.
Ich habe das Gerät vor Jahren entworfen. Der HF-Sensor stammt aus einer anderen Konstruktion und wurde durch zu hohe Leistungsaufnahme beschädigt. Ich habe das Programm mehrfach angepasst; so gibt es beispielsweise zwei Kalibriertabellen (für HF und 144 MHz) und eine leicht modifizierte Methode zur Anzeige und Mittelwertbildung der Werte. Der Hauptvorteil liegt in der Möglichkeit, die Kalibriertabelle zu verwenden, wodurch die Messung präziser wird.