Analizator obwodów NWT-7

Analizator obwodów NWT-7 Marek SP9XUH www.sp9xuh.pl poczta@sp9xuh.pl Historia budowy tego urządzenia rozpoczęła się w momencie poszukiwania przyrządu którym mógłbym szybko sprawdzić anteny na swojej stacji. Wśród wielu konstrukcji polskich i zagranicznych, trafiłem na przystawkę do pomiaru SWR, właśnie do analizatora NWT-7. Szukając dalej dotarłem do kilku stron internetowych z opisami wykonania tego urządzenia, między innymi autora projektu DK3WX.. Patrząc na jego duże możliwości i zastosowane podzespoły, które nie są zbyt drogie (w porównaniu z częściami stosowanymi w innych tego typu przyrządach), zdecydowałem się na jego budowę. Analizator umożliwia: - strojenie filtrów pasmowych, wykonywanie filtrów drabinkowych, - badanie pasma filtrów kwarcowych, - pomiar kwarców i obwodów rezonansowych, - mierzenie charakterystyk przenoszenia czwórników aktywnych, - pomiar SWR anteny - analizator antenowy, trzeba zastosować prosty sprzęgacz, - pomiar impedancji Z, - pomiar mocy, miliwoltomierz, - praca jako bardzo stabilne VFO w szerokim zakresie przestrajania (można ustawić pośrednią), - pracę jako analizator widma - przystawka, NWT-7 w moim wykonaniu oparte jest na wersji v2, opracowanej przez DL1ALT. Na płytce zintegrowano sondę logarytmiczną i regulowany tłumik. Analizator jest przystawką do komputera PC, który steruje i wizualizuje proces pomiaru. Komunikacja odbywa się przez port USB. Schemat ideowy Źródłem sygnału w.cz. jest synteza DDS AD9851 sterowana generatorem o częstotliwości 32 MHz. Pozwala to na uzyskanie zegara syntezy 192 MHz. Sygnał z syntezy podawany jest na filtr wyjściowy (według SP3SWJ), a następnie na wzmacniacz MSA0786. Tłumik o max, tłumieniu 50 db pozwala na ustawienie odpowiedniej wartości sygnału wyjściowego. Mikrokontroler steruje przekaźnikami K1-K3 podłączając interesujący nas tłumik. Wartość tłumienia może być ustawiana w zakresie 0dB - 50dB, ze skokiem co 10dB. Wejście układu pomiarowego to sonda logarytmiczna AD8307, z której sygnał podawany jest na przetwornik A/C procesora PIC16F876A. Mikrokontroler odpowiada za: - ustawianie częstotliwości syntezy, - dokonywanie pomiarów poziomu sygnału, - sterowanie tłumikiem, - komunikację z komputerem. Wgranie kodu programu (lub bootloader-a) umożliwia gniazdo programujące G6 (ICSP). Zrezygnowałem z portu RS232, a w jego miejsce umieściłem USB. Transmisje realizuje dobrze znany i doskonale sprawujący się FT232RL. Diody D5,D6 sygnalizują przebieg transmisji do i z mikrokontrolera (D5 odbiór danych, D6 nadawanie). Złącze USB umożliwia bezpośrednie zasilanie układu z komputera (+5V, zworki Z1, Z2 - zwarte, Z3 rozwarta). Można też pozostawić FT232RL na zasilaniu z USB, a resztę układu zasilać z zewnętrznego źródła (Z1, Z3 zwarte, Z2 rozwarta). 1

2

Płytka drukowana. Płytkę zaprojektowałem w programie Protel; druk dwustronny z metalizacją otworów. Wykonałem ją w firmie SATLAND zajmującej się profesjonalnym wykonywaniem płytek drukowanych. Nie jest to tanie ale efekt jest niezły. Soldermaska i opisy na obu stronach płytki umożliwiają łatwy i szybki montaż elementów. Pliki gerbera można pobrać z mojej strony http://www.sp9xuh.pl/ Uwaga: otwory pod elementy przewlekane w pliku Protel-a jak i Gerbera są o 0,1 mm większe od rzeczywistych. Takie wymagania ma firma SATLAND. Niektóre firmy życzą sobie aby w plikach gerbera były podane rzeczywiste średnice otworów, a oni sami je powiększają pod metalizację. Wtedy trzeba przerobić płytkę w Protel-u i wygenerować nowe gerbery. W sprawie pliku Protel, proszę się kontaktować ze mną via e-mail. Płytka od strony elementów SMD Płytka od strony elementów przewlekanych Montaż Montaż nie jest trudny, ale ze względu na sporą ilość elementów SMD, dość czasochłonny. Problemem dla tych którzy po raz pierwszy montują elementy SMD, może być przylutowanie układów AD9851 i FT232RL, które mają bardzo mały rozstaw nóżek. Pod procesor zainstalowałem podstawkę (procesor w obudowie DIP28). Gniazda G1, G4 to ekranowane kątowe gniazda BNC. Dodatkowe wejście dla sond pomiarowych (G5) to standardowe gniazdo USB B. Zworki Z1-Z8 i gniazd programowania (G6) to goldpiny. Generator 32 MHz (OG1) podniosłem nad poziom płytki. Pod nim z drugiej strony płytki jest układ DDS, który przy dłuższej pracy się grzeje i może to wpływać na stabilność generatora. Aby zminimalizować wpływ zakłóceń i przesłuchów, należy za ekranować sondę pomiarową (U3), np. miedzianą blaszką czy kawałkiem dwustronnego laminatu połączonego z masą. Płytka zamontowana jest w plastykowej obudowie Z-50 (konstrukcja SP2JJH). Dodatkowy ekran, to odpowiednio docięty kawałek dwustronnego laminatu, włożonego pomiędzy czołówkę obudowy a gniazda BNC. Ustawienia zworek: Z1, Z2, Z3 zasilanie układu zwarte Z1, Z2 i rozwarta Z3 zasilanie całego układu z portu USB, zwarte Z1, Z3 i rozwarta Z2 układ FT232RL (U2) zasilany z portu USB, a reszta z zewnętrznego zasilacza Z4 normalnie rozwarta, służy do programowania z użyciem hyperterminala (zawartego w Windows) i bootloadera przedstawionego na stronie DL1ALT (ntw7b76.hex), Z5, Z6, Z8 normalnie zwarte, rozwierane na czas programowania, Z7 podaje napięcie +5V do programatora. 3

Konfiguracja portu USB Przy pierwszym podłączeniu urządzenia do portu USB, system wykryje nowe urządzenie i poprosi o sterowniki do niego. Sterowniki do FT232RL są dostępne na stronie FTDI Chip. Sposób instalacji przedstawiony jest w w dalszej części opisu. W katalogu FT_Prog_v1.12 (pobrany z mojej strony), jest plik ft_prog.exe, którego uruchomienie umożliwi nam konfigurację układu. Uwaga!. Do poprawnej pracy programu, w systemie musi być zainstalowany NetFramework 2.0. Po uruchomieniu programu wybieramy Devices -> Scan and Parse lub klikamy ikonę informacjami o ustawieniach układu.. Ukazuje się okienko z Chcąc aby diody LED D5, D6 pokazywały prawdziwe informacje o stanie transmisji, musimy je przypisać do odpowiednich portów układu. Robimy to klikając na Hardware Specific, następnie IO Controls i wybierając właściwe ustawienia dla portu C0 i C1, jak przedstawiono poniżej. Dodatkowo, możemy zmienić nazwę pod jaką będzie zgłaszał się analizator w systemie Windows: USB - String Descriptions, w polu Product Description wpisujemy opis. Zapisujemy dane do układu, klikamy Devices -> Program lub ikonę. 4

Programowanie procesora Do mikrokontrolera możemy od razu wgrać kod z programem analizatora albo najpierw załadować bootloader, a potem wgrywać oprogramowanie. Bootloader jest o tyle dobry, że umożliwia nam późniejsze wgrywanie nowszej wersji programu. Gniazdo G6 (ICSP) ułatwia nam operacje programowania i procesor można wlutować w płytkę nie stosując podstawki. Programowanie za pomocą programatora PIC (opisany na mojej stronie). Zworki Z5, Z6, Z8 rozwieramy powodując pozostawienie linii programujących w powietrzu. Miałem przypadki, że kiedy do tych linii były podwieszone elementy, to występowały błędy w programowaniu. Procesor PIC16F876A można programować w trybie LVP (Low Voltage Programmed) i wtedy wystarcza zasilać programator napięciem +5V (zworka Z7 podaje napięcie +5V do programatora). Uruchamiamy program WinPic, ICProg lub inny, otwieramy plik z kodem programu analizatora lub jeden z bootloader-ów i ładujemy go do procesora. nwt7_v210.hex kod programu sterującego analizatorem w wersji 2.1, bootload16f876a_20mhz_38400.hex szybkość transmisji 38400 bit/s, zegar 20MHz, bootload16f876a_20mhz_56000.hex szybkość transmisji 56000 bit/s, zegar 20MHz. Zwieramy zworki Z5, Z6, Z8, a Z7 najlepiej pozostawić rozwartą. Jeżeli wgraliśmy program sterujący, to jest to wszystko co mieliśmy do zrobienia z procesorem. Sposób programowania przy użyciu programów WinPic i IcProg znajduje się w opisie programatora PIC. Procesor taktowany jest zegarem 20 MHz i należy sprawdzić czy oscylator ustawiony jest jako XT(crystal). Bootloader W przypadku wgrania jednego z bootloader-ów, musimy przy jego pomocy załadować kod programu. W tym celu na komputerze musimy zainstalować oprogramowanie komunikujące się z bootloaderem. Ja używam Pic downloader (do pobrania na mojej stronie). Po rozpakowaniu, uruchamiamy program klikając na plik picbootloader.exe. Otwiera nam się okienko: Ustawiamy port na którym zgłasza się nam FT232RL prędkość transmisji zgodną z wgranym bootloaderem i zaznaczamy EEPROM, aby zaprogramować także pamięć EEPROM mikrokontrolera. Klikamy Search(F2) i odnajdujemy interesujący nas plik hex z kodem. Naciskamy Write(F4) i komputer czeka na zgłoszenie się bootladera. Na płytce analizatora wciskamy przycisk RESET (S2). Bootloader zgłasza gotowość do zapisu i komputer zaczyna wysyłać dane. Postęp programowania widać na pasku Info. Tak samo aktualizujemy oprogramowanie. Oprogramowanie Autorem programu obsługującego miernik jest DL4JAL na którego stronie http://www.dl4jal.eu jest do pobrania najbardziej aktualne oprogramowanie. Ja mam zainstalowaną wersję 4.10, a na nią nakładkę w języku polskim. Pojawiające się dymki i informacje w nich zawarte, bardzo ułatwiają konfigurację i pracę z programem. 5

Charakterystyka PI-filtra Charakterystyka dławika anodowego 6

Przystawka do pomiaru SWR Chcąc mierzyć SWR musimy zbudować prosty mostek pomiarowy (ten jest wg. DK3WX). Jak widać na schemacie i fotografiach jest to bardzo prosty układ, składający się z paru elementów. Transformator to 8-10 zwoi nawiniętych bifilarnie na rdzeniu FT37-43. Układ zmontowałem w obudowie Z-6. Na zewnątrz zamontowałem dwa gniazda BNC do połączenia z NWT-7 i UC-1 do podpięcia anteny. Rozstaw gniazd BNC jest taki sam jak w analizatorze i łącze je ze sobą przy pomocy przejściówek BNC/BNC Sztuczne obciążenie 50Ohm MFJ Antena Diamond W8010 7

Konfiguracja i kalibracja NWT-7 oraz mostka SWR Opis dotyczy wersji v4.10 programu WinNWT4 z zainstalowaną nakładką w języku polskim. Konfiguracja Uruchamiając program po raz pierwszy musimy go skonfigurować. Po pierwsze należy ustawić numer portu COM do którego podpięty jest NWT-7. W Menadżerze Urządzeń znajdziemy informację na którym porcie zgłosił się analizator. W programie WinNWT4 wybieramy Ustawienia -> Konfiguracja. Otwiera się okienko i w pozycji Port ustawiamy numer COM. Klikamy OK. i powinniśmy wrócić do głównego okna. Jeżeli numer wpisanego COM będzie nieprawidłowy lub z jakiegoś powodu (np. konflikt urządzeń) program nie będzie mógł się skomunikować z analizatorem, ukaże się informacja COMx Otwarcie niemożliwe Mając połączenie z analizatorem możemy ustawić dokładną częstotliwość zegara DDS. W ty celu, w głównym oknie przechodzimy na zakładkę VFO i ustawiamy częstotliwość 10000000 Hz. Do wyjścia analizatora podłączamy częstościomierz i odczytujemy zmierzoną wartość. Nową częstotliwość zegara DDS wyliczamy ze wzory: nowa częstotliwość DDS = (stara częstotliwość DDS * zmierzona częstotliwość) / 10000000 8

Tak wyliczoną wartość wpisujemy w pole Zegar DDS i klikamy OK. powodując gorący restart. Wychodzimy z zakładki VFO na inną, następnie do niej powracamy, co skutkuje przeładowaniem ustawień VFO. Kalibracja sondy logarytmicznej W oknie głównym w pozycji Tryb ustawiamy Pełny Tryb. Łączymy wejście z wyjściem krótkim odcinkiem 50 omowego kabla koncentrycznego. Z menu NWT wybieramy Kanał 1 kalibracja, a następnie kalibracje sondy logarytmicznej. Teraz podłączony zostaje wewnętrzny tłumik 40 db. Jeżeli kalibrujemy NWT które nie ma wewnętrznych tłumików to pomiędzy wejście a wyjście włączamy zewnętrzny tłumik 40 db. Klikamy OK. 9

Wykreślona zostaje charakterystyka dla tłumika 40 db. Następnym krokiem wykonywanym przez program jest odłączenie tłumika 40 db. Jeżeli mieliśmy podpięty zewnętrzny tłumik, to musimy go odpiąć i połączyć wyjście z wejściem (przewód koncentryczny 50 Ohm). Klikamy OK. Na tym etapie decydujemy czy parametry kalibracji mają być zapisane w pliku czy nie. 10

Teraz podajemy nazwę kanału lub pozostawiamy ją bez zmian. Na koniec wpisujemy nazwę pliku pod jaką będą zapisane parametry kalibracji. Kalibracja mostka do pomiaru SWR Kalibrację mostka SWR przeprowadza się tak samo jak dla wobuloskopu. W oknie głównym, w pozycji Tryb ustawiamy SWR, po czym z paska menu wybieramy NWT -> Kanał1 kalibracja. Na ekranie pojawia się informacja, że wejście mostka należy pozostawić otwartym lub zewrzeć. Kolejne operacje dotyczące zapisu parametrów kalibracji przebiegają tak samo jak dla wobuloskopu. 11

Otwieranie zapisanych parametrów konfiguracyjnych. W każdej chwili możemy załadować do programu pliki zawierające parametry konfiguracyjne. Robimy to wybierają z menu NWT -> Kanał1 - załaduj i zaznaczając w okienku które się nam otworzyło interesujący nas plik. 12

Instalacja sterowników portu USB - FT232RL System Windows, w momencie podłączenia urządzenia do portu USB, próbuje go rozpoznać i zainstalować. Jeżeli sterowniki do tego urządzenia są w systemie, instalacja przebiega automatycznie, bez naszego udziału. Jak na razie w Windows nie ma sterowników do FT232RL i musimy je zainstalować sami. Jest to bardzo prosta operacja, polegająca praktycznie tylko na podaniu katalogu w którym znajdują się sterowniki. Sterowniki dla systemu Windows XP można pobrać ze strony producenta FTDI Chip. Instalacja w system Windows XP Po podłączeniu układu na ekranie pojawia sę informacja o znalezienie nowego urządzenia i otwiera się okienko Kreator aktualizacji sprzętu. Zaznaczmy zainstaluj z listy lub określonej lokalizacji i klikamy Dalej. W następnym oknie zaznaczmy Uwzględnij tę lokalizację w wyszukiwaniu i naciskamy Przeglądaj. Wybieramy katalog w którym znajdują się sterowniki i klikamy OK.. Wcześniej oczywiście trzeba je rozpakować. 13

W okienku Instalacja sprzętu, akceptujemy ostrzeżenie, klikając Mimo to kontynuuj i rozpoczyna się instalacja. Jeżeli sterowniki zostały zainstalowane poprawnie, pojawia się okienko Dla sprawdzenie poprawności instalacji, możemy wejść w Menadżer urządzeń i tam w pozycji Porty COM i LPT, powinniśmy zobaczyć zainstalowany nowy port COM. Numer tego poru będzie potrzebny przy konfiguracji NWT-7. 14

Pliki do pobrania nwt7_sch.pdf nwt7_bottom_pcb.pdf nwt7_top_pcb.pdf nwt7_elementy.bottom.pdf nwt7_elementy_top.pdf nwt7_czolowka_montaz.pdf nwt7_czolowka_opisy.pdf nwt7_v210.hex bootload16f876a_ 20MHz_38400.hex bootload16f876a_ 20MHz_56000.hex nwt7_gerber.zip ft232rl.zip picdownloader.zip winnwt4_v410.zip winnwt4_update_v4_08_02.zip nwt7_artykul.pdf nwt7_analizator.zip schemat ideowy mozaika od strony elementów SMD mozaika - elementy przewlekane montaż - elementy SMD montaż - elementy przewlekane rysunki montażowe przodu i tyłu opis przodu i tyłu analizatora kod programu analizatora bootloader do PIC16F876A zegar 20 MHz, prędkość 38400bit/ bootloader dozegar 20 MHz, prędkość 56400bit/s PIC16F876A pliki gerbera pcb sterowniki i program konfiguracji FT232RL program obsługi bootloadera oprogramowanie do obsługi analizatora update- polska wersja językowa opis w formacie Acrobat Reader wszystkie pliki 15