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Digitales‐Power‐und‐SWR‐Meter‐nach‐TF3LJ Var. OE6GC 4x20 Z Display.docx Seite 1 von 15

Stand, 5.8.2017

Digitales Power und SWR Meter nach TF3LJ

(Aufbauvariante OE6GC Foto zeigt Erstmuster)

Vorbemerkung ..................................................................................................................................................... 2

Funktionsbeschreibung ....................................................................................................................................... 3

Printplatten ......................................................................................................................................................... 4

Aufbauvariante .................................................................................................................................................... 5

Verbindung Tandembridge zur Verdrahtungsplatine ......................................................................................... 5

Verdrahtungsplatine bestücken .......................................................................................................................... 5

Teensy vorbereiten .............................................................................................................................................. 8

Gehäuse ............................................................................................................................................................... 9

Aufbau Tandembridge ......................................................................................................................................... 9

Überprüfung der Verdrahtungsplatine ............................................................................................................. 10

Verkabelung Motherboard zu ext. AD8307 Brd ................................................................................................ 10

Inbetriebnahme ................................................................................................................................................. 11

Kalibrierung ....................................................................................................................................................... 11

Schaltplan .......................................................................................................................................................... 13

BOM/Lieferanten/Artikelnummern .................................................................................................................. 14

Prüfaufbau ......................................................................................................................................................... 15

Link´s .................................................................................................................................................................. 15


Vorbemerkung

Im Rahmen der LV6 Vorstandssitzung 10/2016 berichtete OE6SFG über ein solches Bastelprojekt, welches er gemeinsam mit OE2WUL und OE6AMG, welcher auch noch Softwareanpassungen machte, realisierte.

TF3LJ, ein genialer Entwickler von Amateurfunk relevanten Geräten beschreibt seine wirklich interessanten Arbeiten im Internet, das war mir bekannt und machte mich neugierig.

Mein Bestreben war es eine möglichst nachbausichere Version zu konzipieren. Aus diesem Grunde habe ich die wesentlichen Bauelemente, fertige Displayeinheit und von programmierter Teensy (ein Arduiono Derivat) über einen einfachen Verdrahtungsprint, welcher die Größe des Displayprints (100x60mm) aufweist, zusammengeführt. Der in die Antennenleitung einzuschleifende Koppler wird in ein beigestelltes ALU‐Druckgussgehäuse eingebaut und mit einer dünnen 4 poligen geschirmten Verbindungsleitung mit dem Displaygehäuse verbunden. Die Stromversorgung erfolgt entweder über einen Mikro USB Stecker oder eine Stromversorgungsbuchse über welche 7‐12 Volt DC zugeführt werden können.

Mit diesen Maßnahmen sind Verdrahtungsfehler praktisch auszuschließen. Sowohl der Teensy als auch die Displayeinheit werden auf diesen "Verdrahtungsprint" einfach aufgesteckt. Der Teensy auf der Bestückungsseite (Bottom), das Display auf der Kupferseite (Top). Die Verdrahtung zur Außenwelt wird mit Platinensteckverbindern vorgenommen. Auf diese Art wurde auch eine sehr kompakte Lösung mit rascher Funktionsprüfmöglichkeit erzielt.

Die ursprüngliche Version baute ich auf einem einseitigen selbst angefertigten Print auf und ich habe sie einem QSP‐Beitrag ausführlich beschrieben.

OE6TZE, Landesleiter LV Steiermark des ÖVSV ersuchte mich, dieses Projekt im Rahmen einer Vereinsleistung für Mitglieder des Landesverbandes aufzubereiten und als Bastelprojekt zu gestalten.

Auf Grund des zu erwartenden größeren Interesses war es erforderlich kommerziell gefertigte doppelseitige Prints mit Durchkontaktierungen, Lötstoppmaske und beidseitigem Bestückungs‐aufdruck einzusetzen. Hierfür wurden Gerberfiles erstellt und die Prints wurden von allpcb.com danach angefertigt. Die Abwicklung durch allpcb.com erfolgte sehr rasch, problemlos und mit hervorragender Qualität.


Funktionsbeschreibung

TF3LJ verwendet anstelle der üblichen Diodengleichrichtung der vom Messkoppler (hier ein Tandem Match directional coupler) ausgekoppelten Vor‐ bzw. Rücklaufspannung, logarithmische Verstärker AD8307, welche einen Dynamikbereich von 92 dB im Frequenzbereich von DC bis 500MHz aufweisen. Diese Bausteine geben eine Gleichspannung mit einer Steilheit von 25mV/dB bezogen auf die HF Eingangsspannung aus und sind hochstabil. Die Signalverarbeitung selbst erfolgt über einen Teensy, einem preiswerten Arduinoderivat. Er wertet die V/R Spannungen aus der abgesetzten Kopplereinheit aus und steuert das Display für die diversen Betriebsfunktionen an.

Im Amateurfunkbereich sind derzeit nur Messkoppler bekannt, welche den Kurzwellenbereich von 1,8 MHz bis 60 MHz mit geringster Durchgangsdämpfung, gleichbleibender Auskoppeldämpfung und ausreichender Rückflußdämpfung überstreichen und auch selbst angefertigt werden können. Dieses Projekt beschränkt sich daher auf einen Betrieb im Kurzwellenbereich von 160 ‐ 6m.

Weitere Details sind auf https://sites.google.com/site/lofturj/power‐and‐swr‐meter‐‐‐rev ersichtlich.

Wesentliche Merkmale dieses TF3LJ Gerätes sind:

• Autoranging Mikrowatt bis Kilowatt • Genaue SWR und Leistungsmessung herunter bis zu 1mW • Doppelte Bargraphanzeige mit jeweils 100 Einheiten • Schleppzeigerdarstellung zur PEP Ablesung • Leistungsanzeige für 100ms, 1s durchschnittliche Leistung und 100ms Spitzenleistung • 1, 2,5 oder 5 Sekunden PEP Anzeige • Einstellbare SWR Alarmschwelle, 1,5: 1 bis 4: 1 • Einstellbare Leistungsschwelle für den SWR‐Alarm • Automatische Skalenauswahl (autoranging) mW bis kW • Die Leistung wird 200 mal pro Sekunde gemessen • Virtueller serieller Port über USB • "drehen und drücken" Navigation in den Konfigurationsmenüs • Kalibrierung (falls erforderlich) mit einen genauen bekannten Leistungspegel • 5V, 200mA, entweder aus Steckernetzgerät oder Computer USB‐Port • 0,025 dB Auflösung (12 Bits bei 2,6 V) • Bildschirmschoner‐Modus mit anpassbaren Bildschirmschoner‐Nachrichten


Printplatten

Verdrahtungsprint 100x60mm

2 seitig, gebohrt, durchkontaktiert, Lötstoppmaske, Bestückungsaufdruck beidseitig

AD8307 Zusatzprint 50x27mm für Einbau in Bridgegehäuse

Eigenschaften wie Verdrahtungsprint

Zu beschaffen sind:

• Bauteile gem. BOM

• Gehäuse für Displayprint

• Gehäuse für Bridge

• UHF oder N‐Buchsen für Bridgehäuse


Aufbauvariante

Für komprimierten Aufbau, für portablen Einsatz, kann der Mode Drehimpulsgeber direkt auf der Verdrahtungsplatine bestückt werden. Der Drehknopf sitzt auf der linken Gehäuseseite oberhalb der Mikro USB Buchse des Teensy. ANT/TX Buchsen auf der Rückseite, Bridge im Gehäuse integriert. Speisung erfolgt über Mikro USB Buchse oder 12V Buchse. Dadurch kann das Gehäuse sehr flach gestaltet werden.

Verbindung Tandembridge zur Verdrahtungsplatine Var. 1: (AD8307 Print im Bridgegehäuse): Mit 5 poligem geschirmtem Kabel und 6 poligem Mini Din Steckverbinder.

Verdrahtungsplatine bestücken Vor Bestückung der Verdrahtungsplatine wird diese auf die Frontplatte aufgelegt und an den 4 Eck‐ punkten wird mit Bohrer 3,2 mm durch den Verdrahtungsprint und weiter durch die Frontplatte gebohrt. Das sind die Bohrungen für die Befestigung des Displays inkl. Verdrahtungsplatine auf der Rückseite. SMD‐Seite (Top):

• Entscheiden ob die beiden AD8307 Verstärker auf der mitgelieferten kleinen Platine in das Gehäuse der Tandembridge (empfohle Variante) eingebaut werden oder ob sie auf der Verdrahtungsplatine bestückt werden für komprimiertem Aufbau.


• Nur die SMD‐Bauelemente bestücken.

Bauteileseite mit Teensy:

• 2 Trimmpotentiometer, Achtung auf Anschlüsse mit passendem Durchmesser. Anschlüsse von Piher Trimmpotis mit Dremel Diamantscheibe für die Printbohrungen anpassen!

• Relais

• Buchsenleisten für Teensy


• Bauelemente Elko´s, IC4, Diode D2

• Alle Printverbinder außer den beiden unterhalb des Teensy.

• Entscheiden ob Drehimpulsgeber entweder auf der Verdrahtungsplatine verlötet wird oder über Platinensteckverbinder auf die Frontplatte abgesetzt wird.

Vor

Verschraubung der Displayplatine mit der Verdrahtungsplatine über 10mm lange Sechskantbolzen ist eine 16 polige Buchsenleiste mit aufgesteckter Stiftleiste in die Displayplatine einzusetzen, aber noch nicht zu verlöten. Dann Verdrahtungsplatine aufsetzen und diese nach Ausrichtung mit 4 Schrauben M3 fixieren. Erst dann wird die Buchsenleiste auf der Displayplatine und die Stiftleiste auf der Verdrahtungsplatine verlötet.


Teensy vorbereiten

Auf der Unterseite der Teensyplatine mit scharfem Stanleymesser Verbindung zwischen den beiden Rechtecken auftrennen und mit Ohmmeter überprüfen.

Nicht erforderlich wenn Speisung nur über die 12V Buchse erfolgt: Schottky Diode 1N5817 (bedrahtet) auf Oberseite Teensy zwischen VUSB und VIN einlöten um wahlweise Stromversorgung über die Mikro USB Buchse oder über die 12V Buchse (über Spannungsregler 7805) zu ermöglichen.

Stiftleisten in Teensybuchsenleisten auf der Verdrahtungsplatine aufsetzen, Teensy darauf einfädeln, ausrichten und verlöten.


Gehäuse

Für die Tandembridge wird das 112 x 60 x 38 Aluminium Druckguss Gehäuse von Hammond Electronics 1590BS (Conrad) verwendet. Schwieriger ist es ein passendes Gehäuse für den Displayteil zu finden. Ich empfehle daher einen Aufbau mittels zusammengelöteter Printplatten. Nach Anweisungen von DL2TO auf

(http://www.dl2lto.de/dld/WA4MNT_Chassis_CUL.pdf) werden die Lötverbindungen der Seitenwände dabei nur gepunktet, wodurch kaum Probleme mit dem Zusammenziehen der Gehäusekonstruktion bei abkühlen der Lötpunkte entstehen.

Alternativ ist auch die Realisierung von OE6SFG, welche sehr gut aussieht, zu empfehlen. Er verwendet ein bei Conrad erhältliches Universalgehäuse, schneidet die beiden Seitenteile in der Mitte durch und montiert diese übereinander, F/Rückseite, Ober‐/Unterseite sind dabei neu anzufertigen.

Aufbau Tandembridge Die beiden FT114‐61 Ringkerne (ausreichend für 1kW HF) der externen Tandembridge werden mit exakt 30 Windungen isoliertem Schaltdraht (Draht 0,5mm, Außendurchmesser 1mm) exakt im gleichen Wicklungssinn bewickelt. Der Wicklungsstart, nach 7cm freier Drahtlänge, wird mit Filzstift markiert und mit Kabelbinder fixiert, straff anliegend gewickelt und das Ende wird wieder mit Kabelbinder fixiert und wir belassen auch am Ende wieder 7cm freie Drahtlänge. Jedes Durchstecken des Drahtes, auch ohne Umschlingung des Ringkerns zählt eine Windung!

Die Ringkerne werden mit Schaumstoffzwischenlage auf vorbereitete RG213 Stücke aufgebracht und nach Funktionsprüfung mit Heisskleber fixiert.

Der externe AD8307 Zusatzprint 46x28mm, wird stehend (Idee von OE6STD) in das Bridgegehäuse eingebaut, Schirmseite zu den Ringkernen, Befestigung über zwei 30mm lange Sechskantbolzen mit M3 Innengewinde, verdrahtet mit kurzen Teflonkoaxstücken zu den beiden Cynchbuchsen. Die Verbindung zur Displayplatine erfolgt mittels 4 adrigem geschirmten Kabel.

Anstelle der SO259 Buchsen, welche ausreichend für den Frequenzbereich 1,8‐54 MHz sind, können auch N‐Buchsen zum Einsatz kommen.


Nach Literaturrecherche wird der Ringkern in der Antennenleitung weniger beansprucht als der zweite Ringkern an dessen Sekundärwicklung immer die volle Spannung liegt. Das heisst, Der Ringkern zwischen Port 3,4 müsste für die Messung größerer Leistung auch den größeren Durchmesser haben. Weiters liegt an diesem Kern, speziell bei Fehlanpassung, höhere Spannung an, was bei der Isolation der aufzubringenden 30 Windungen zu berücksichtigen ist.

Schirmwand aus Printmaterial 2 seitig kaschiert:

Die beiden Bohrungen 0,8mm Dm dienen für die beiden Masseverbingungen, beidseitig verlöten!

Die beidseitig angesenkten Bohrungen 1,2mm Dm dienen für die isolierte Durchführung der beiden Ringkernwicklungs‐enden. Die Befestigung erfolgt mit 2 Lötfahnen, welche mit den oberen Bohrungen der SO239 Buchsen mitgeschraubt werden. Die Lötfahnen werden mit der Schirmwand verlötet.

Überprüfung der Verdrahtungsplatine

1. Optisch 2. Ohne gestecktem Teensy und ohne aufgestecktes Display mittels Ohmmeter. Prüfen ob Kurzschlüsse

der 5/12V Leitungen gegen Masse oder benachbarte Leitungen bestehen. 3. Spannungsmessung nach 12 V Zuführung, Kontrolle ob +5V vom Regler kommen.

Verkabelung Motherboard zu ext. AD8307 Brd


Verkabelungsvorschlag von OE6AMG mit (Mini) Din Steckverbinder von Bridge zu Hauptplatine:

Inbetriebnahme

• Nach aufstecken des Displays und Spannungsversorgung mit 8‐12V über die Stromversorgungs‐buchse erfolgt die Einstellung der Regler für Kontrast (Kontr, R1) und Helligkeit (Bright, R15).

• Spannung abschalten.

• Den mit Programm Hexfile bereits geladenen Teensy einstecken.

• Nach anstecken der Spannungsversorgung (Stromaufnahme ca. 40‐75mA, je nach Helligkeit) meldet sich das Display mit lesbarem Text.

• Mit dem Encoder werden nun die verschiedenen Betriebsmodis, darunter auch die Kalibrierung (diese über längeren Druck auf den Encoder), ausgewählt.

Kalibrierung Wenn die beiden Ringkerne der Tandembridge exakt mit 30 Windungen bewickelt wurden und auch die Beschaltung der SMD Dämpfungsglieder vor den AD8307 nach Beschreibung erfolgten, meint TF3LJ, dass damit eine Messgenauigkeit von +/‐ 1dB erzielt werden sollte.

Eine Kalibrierung ist aber sinnvoll und kann im einfachsten Fall mit nur einer bekannten zugeführten Leistung, beispielsweise 10W (+40dBm) oder 100W (+50dBm) und Abschluss mit einer guten Dummyload erfolgen. Hierzu wird im Kalibriermodus einfach der Wert dieser bekannten zugeführten Leistung mit dem Encoder eingestellt und mit kurzem Tastendruck bestätigt. TF3LJ beschreibt diese Kalibrierung als ausreichend für die meisten Fälle.

Vorteilhaft ist natürlich die ebenfalls im Menü vorgesehene Kalibrierung mit zwei bekannten Leistungen. Zuerst beispielsweise mit 100W vom Transceiver und anschließend mit einem um 30‐40dB niedrigeren Wert, beispielsweise aus einem Messender, denn erst dadurch wird die tatsächliche Steigung der Gesamtkurve (dB/mV) und auch eine geänderte oder abweichende Ringkernbewicklung entsprechend berücksichtigt. Ich habe mein Gerät vorerst einmal mit 200W (=53dBm) und 10W (=40dBm) kalibriert, da diese Werte auf dem Leistungsmesser meines Transceivers gut ablesbar sind.


Die beiden beschriebenen Kalibrierungen setzen die Werte für die Vorwärtsrichtung und für die Reflektionsrichtung. Bei anschließender Umkehr der Tandemkoppleranschlüsse und neuerlicher Kalibrierung wird nur mehr der Wert für die Reflektionsrichtung kalibriert und erhöht dadurch die Genauigkeit der SWR Anzeige. Bert, OE6AMG hat für die Kalibrierung und deren Auswertung übrigens ein sehr schönes Programm geschrieben, welches er uns ebenfalls zur Verfügung stellt.

Folgende weitere Einstellungen werden im Calibrate Menü angeboten:

1. SWR‐Alarm (einstellbar von 1,5 bis 3,9 bei 4.0 ist der Alarm off) 2. SWR‐Alarm Power (einstellbar auf 1mW, 10mW, 1W, 10W) 3. PEP Periode (einstellbar 1/2,5/5 Sekunden) 4. Screensaver (einstellbar von 10µW bis 10mW in 10x Stufen) 5. Scale Range (einstellbar in 3 Bereichen)


Schaltplan


BOM/Lieferanten/Artikelnummern gelistet etwa in Bestückungsreihenfolge


Prüfaufbau

Da alle Verbindungen zu den Bedienelementen und nach außen über Printsteckverbinder geführt werden, können alle Geräte rasch an den im Foto dargestellten Prüfaufbau angeschlossen und getestet werden.

Link´s

TF3LJ Erstartikel: https://sites.google.com/site/lofturj/power‐and‐swr‐meter

Update: https://sites.google.com/site/lofturj/power‐and‐swr‐meter‐‐‐rev

Yahoo Group: https://groups.yahoo.com/neo/groups/Power_and_SWR_meter/info?prop=eupdate

Teensy: https://www.pjrc.com/teensy/teensyduino.html

73, Harald, [email protected] Frühjahr 2017

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