W Hamshack miernik napięcia zasilania (PSV) jest często traktowany jako coś oczywistego. Wystarczy podłączyć go między TCVR a anteną, nacisnąć PTT, sprawdzić napięcie zasilania (PSV) i to wszystko. Ale każdy, kto porównywał tani watomierz diodowy z wysokiej jakości sprzęgaczem kierunkowym, wie, że rzeczywistość jest bardziej skomplikowana. Nieliniowość diod detekcyjnych, różne zachowanie przy niskich mocach, szum na wejściu ADC i ograniczona dokładność mostków analogowych mogą sprawić, że prosty pomiar okaże się przyzwoitym kompromisem.
Projekt Arduino PSV metro autorstwa DG7EAO jest interesujący właśnie dlatego, że rozwiązuje niektóre z tych problemów w oprogramowaniu. To nie jest po prostu „Arduino z 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.
W artykule przeczytasz
Dlaczego tabela kalibracji jest bardziej sensowna niż prosty wzór
Największą praktyczną zaletą tej koncepcji jest wykorzystanie tabeli kalibracyjnej zamiast prostego liniowego przetwornika ADC → konwersja mocy.
Klasyczny problem detektora diodowego jest dobrze znany: dioda prostownicza nie ma liniowej charakterystyki przenoszenia. Przy niskich poziomach sygnału błąd jest znaczący, ponieważ napięcie progowe diody powoduje, że niewielkie różnice napięcia nie prowadzą do proporcjonalnej zmiany sygnału wyjściowego. Gdybyśmy zastosowali prostą konwersję liniową typu:
W = k × ADC
wynik byłby praktycznie bezużyteczny przy niskim poziomie poboru mocy.
Program DG7EAO wykorzystuje zamiast tego segmentowaną tabelę kalibracji z liniową interpolacją między punktami. Typowa zasada:
- Wartość ADC 57 ≈ 1 W
- Wartość ADC 87 ≈ 2 W
- Wartość ADC 111 ≈ 3 W
Jeśli zmierzymy wartość między tymi punktami, oprogramowanie układowe oblicza moc poprzez interpolację. Tworzy to liniowe przybliżenie rzeczywistej charakterystyki nieliniowej.
Wynik?
- znacznie lepsza dokładność w wynikach QRP,
- bardziej rozsądne zachowanie przy niskiej energii odbitej,
- opcja kalibracji dla konkretnego sprzęgacza kierunkowego.
Na tym właśnie polega różnica pomiędzy „gadżetem Arduino” a przyrządem pomiarowym.
Sprzęt używany do miernika PSV
Projekt jest celowo prosty pod względem sprzętowym, co jest jego zaletą. Rdzeniem jest klasyczne Arduino z przetwornikiem ADC AVR, a oprogramowanie układowe wykorzystuje wewnętrzne źródło analogowe zamiast napięcia zasilania. To rozsądne rozwiązanie, ponieważ USB lub niestabilne zasilanie w przeciwnym razie powodowałyby dodatkowe błędy.
Bloki sprzętowe
| Blok | Funkcjonować |
|---|---|
| Arduino (klasa ATmega328P) | Przetwarzanie ADC, obliczenia, logika wyświetlania |
| Wyświetlacz LCD 16×2 | Lokalny wyświetlacz PSV, mocy i wykresu słupkowego |
| A0 | Moc do przodu |
| A1 | Odbita moc |
| Wejście cyfrowe (przełącznik trybu) | Przełączanie ekranów |
| Czujnik PSV | Sprzęgacz kierunkowy / most tandemowy |
Wyświetlacz LCD jest połączony równolegle za pomocą biblioteki LiquidCrystal. Z dzisiejszej perspektywy wyświetlacz LCD z interfejsem I2C byłby bardziej elegancki, ale w przypadku prostej konstrukcji jest to solidne rozwiązanie.
Co program robi
Oprogramowanie układowe nie służy jedynie do prostego wyświetlania wartości ADC. Proces pomiaru przebiega w kilku krokach:
1. Czytanie do przodu i odbita moc
Arduino odczytuje A0 i A1 jako kanały dosyłowe i odbite. Wartości nie są wykorzystywane od razu – oprogramowanie układowe utrzymuje maksymalną liczbę odczytów.
Jest to szczególnie ważne w przypadku modulacji SSB, gdzie obwiednia sygnału nie jest stała, jak w przypadku modulacji FM.
2. Filtrowanie szumów programowych
Kod implementuje prostą ochronę przed przypadkowym szumem. Jeśli kilka kolejnych próbek spadnie poniżej określonego progu, wartość maksymalna jest resetowana. Zapobiega to „zamrożeniu” starej wartości szczytowej.
To rozwiązanie bardziej prymitywne niż średnia ruchoma czy filtr DSP, ale w przypadku amplitunera AVR jest całkowicie wystarczające.
3. Konwersja ADC na waty
Następnie pojawia się tabela odnośników z interpolacją. To właśnie tutaj powstaje główna wartość dodana projektu.
4. Obliczanie PSV
Po uzyskaniu mocy przesyłanej i odbitej oprogramowanie sprzętowe oblicza klasyczną zależność:
PSV = ( 1 + √(Pr/Pf)) / ( 1 - √(Pr/Pf))
co jest fizycznie poprawnym obliczeniem pochodzącym ze współczynnika odbicia.
Ochrona programowa przed szumami i fałszywymi sygnałami PSV
Ciekawym szczegółem jest tłumienie bezsensownych wartości odbitej władzy.
Jeżeli odbita moc jest mniejsza niż około 1% mocy wysyłanej, oprogramowanie sprzętowe uznaje ją za nieistotną i zastępuje ją wartością minimalną.
Dlaczego to jest ważne?
Bez tej ochrony szum ADC lub przesunięcie detektora diodowego generowałyby niepotrzebnie wysoki PSV przy dobrze dobranej antenie.
Typowy przykład:
- Do przodu: 50 W
- Odbicie od szumu: 0,15 W
Formalnie wygląda to jak prawdziwe odbicie, ale w rzeczywistości jest to artefakt pomiarowy.
Dzięki temu bezpiecznikowi programowemu pomiar jest bardziej stabilny.
Tryby wyświetlania
Oprogramowanie sprzętowe obsługuje dwa tryby.
Klasyczny tryb miernika
Wyświetla:
- PSV liczbowo,
- Wykres słupkowy PSV,
- moc do przodu (Wf),
- moc odbita (Wr).
Jest to przydatne przy strojeniu anteny, filtru dolnoprzepustowego (LPF) lub tunera.
Tryb wykresu słupkowego
Drugi tryb działa jako prosty podwójny watomierz:
- górny rząd = siła do przodu,
- wynik końcowy = moc odbita.
W przypadku szybkich kontroli w trakcie pracy jest to bardziej czytelne niż odczyt numeryczny.
Którego czujnika PSV użyć?
Arduino samo w sobie jest jedynie cyfrowym back-endem. Dokładność jest określana przez sprzęgacz kierunkowy.
Most tandemowy
Dopasowanie tandemowe to doskonały wybór dla pomiaru napięcia stałego (KV). Charakteryzuje się dobrą kierunkowością i spójnym zachowaniem w szerokim zakresie mocy. To właśnie w prostych watomierzach błąd nieliniowości diody pojawia się przy niskich mocach, co można ograniczyć dzięki lepszej koncepcji kierunkowej. Materiał OK1AYY pomoże Ci również w doborze odpowiedniego połączenia dla miernika PSV. Amatorska konstrukcja mierników SWR/PWR niezależnych od częstotliwości dla KV Lub Tandem Match bridge SWR 1,8 – 50 MHz 1 kW
Zalety:
- dobra liniowość,
- przyzwoita dokładność,
- vhodné pre KV contest również powszechne DX traffic.
Sprzęgacz kierunkowy LA8AK
LA8AK Rozwiązanie to cieszy się popularnością wśród radioamatorów, zwłaszcza ze względu na prostotę konstrukcji i powtarzalność. W połączeniu z cyfrową kalibracją może być bardzo przydatne.
Ważne jest, aby czujnik był stabilny mechanicznie.
Możliwe ulepszenia
Łączność z komputerem
Najbardziej logicznym rozszerzeniem jest wyjście szeregowe USB.
Arduino może przesyłać strumieniowo:
- wydajność do przodu,
- odbita moc,
- PSV,
- časové Marki.
Umożliwi to rejestrowanie i długoterminowe monitorowanie zachowania anten.
Aplikacja GUI
Prosty interfejs graficzny pulpitu może wyświetlać:
- wykres wydajności w czasie rzeczywistym,
- Trend PSV,
- alarm w przypadku przekroczenia limitu,
- export CSV Lub ADIF-like log meraní.
Kalibracja pamięci EEPROM
Zamiast zakodowanej na stałe tabeli, eleganckim rozwiązaniem byłoby zapisanie punktów kalibracji w pamięci EEPROM. Umożliwiłoby to precyzyjne dostrojenie miernika do konkretnego sprzęgacza bez konieczności ponownej kompilacji oprogramowania.
Bardziej nowoczesny wyświetlacz
Wyświetlacz OLED lub graficzny wyświetlacz LCD umożliwia emulację wskazówki, histogram lub utrzymywanie wartości szczytowej.
Wniosek
Miernik PSV Arduino firmy DG7EAO jest dobrym przykładem tego, w jaki sposób rozsądne oprogramowanie sprzętowe usprawnia klasyczną konstrukcję analogowego radia amatorskiego.
To nie jest laboratoryjny watomierz Birda, ale to też nie jest zabawka. Jeśli użyjesz dobrego czujnika kierunkowego, dostosujesz tabelę kalibracji do własnego sprzętu i precyzyjnie dostroisz odniesienie ADC, otrzymasz zaskakująco użyteczne narzędzie zarówno do QRP, jak i do standardowej pracy w paśmie HF.
Dla radioamatora, który lubi łączyć technologię RF z mikrokontrolerami, jest to bardzo naturalny projekt: trochę analogu, trochę myślenia DSP i wynik, który faktycznie będzie służył w chacie amatorskiej.
Zaprojektowałem go lata temu. Czujnik HF pochodzi z innej konstrukcji. Został uszkodzony przez zbyt dużą moc. Wprowadziłem kilka modyfikacji do programu, na przykład mam dwie tabele kalibracyjne (dla HF i 144 MHz) oraz nieznacznie zmodyfikowany sposób wyświetlania i uśredniania wartości. Główną zaletą jest możliwość zastosowania tabeli kalibracyjnej, co zwiększa precyzję pomiaru.