Amateurfunk verbindet die Welt

HF-Powermeter

Erstellt: DL6GL, 16.12.2015, letzte Änderung 08.02.2020



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Powermeter Frontansicht


Gemeinschaftsentwicklung von DG1KPN und DL6GL.

Abstract

The Power Meter can handle e.g. a 18 GHz crystal detector, as well as a Log Amp Detector like the AD8307.

With a AD8307 connected you can measure from +16dBm down to -90dBm. If you are in doubt watch the little video that you will find under "download". The resolution is 1/100 of a dB. With a crystal detector it ranges from +16dBm down to -40dBm.
The calibration is done in 1dB steps with a known accurate source. Between the 1dB steps linear interpolation takes place. Next, you can insert correction factors for different frequency bands as well as for commonly used attenuators. Finally, a relative measurement can be made based on a freely adjustable reference level.

The accuracy solely depends upon your calibration source. You need a precise 1dB step attenuator with at least 110dB (0-127) attenuation and a frequency generator that can output abt. +20dBm. The basic calibration is done on 50 MHz or where ever you like to do it.
In addition, a note from Tom, DG8SAQ, the father of the VNWA, concerning calibration:
"The VNWA level control has an accuracy of about 0.01dB in the 0...50dB range! You won't find any step attenuator which comes close to this. So, all you need is an amp to boost the TX signal and a band pass filter to remove aliases. If you can measure the maximum level you will know all lower levels with equal accuracy."
Thank you, Tom.

If you feel uncomfortable with the German text and Google Translate does not make sense, feel free to ask for an English translation, at least in parts.

 

Eine Anmerkung vorweg:
Dieses HF-Powermeter ist für Präzisionsmessungen vorgesehen.
Ausgelegt für Anzeigen von Leistung und SWR von Sendeanlagen sind die hier und hier vorgestellen SWR-/Powermeter.
 

Update V1.11 (18.03.2020), EEPROM init umorganisiert, bei nachträglicher Initialisierung  werden Kalibrierungs- und Offsetdaten für einen Detektor initialisiert. Die Batteriespannung wird angezeigt. In den Submenüs 1.2 bis 1.4 wird die Frequenzkorrektur unmittelbar mit den Up-/Down-Tastern eingestellt, Submenü 1.5 (Frequenzkorrektur) ist entfallen. BASCOM-AVR 2.0.8.2 eingeführt. Danke an Yevgeni, RZ3QS, für Hinweise auf zwei bislang unentdeckte Bugs.

Update V1.10 (22.05.2017), Menüstruktur vereinfacht, gleitende Mittelung eingeführt.
Wenn der Entwickler bei der Fehlersuche, der zum Update V1.05 geführt hat, die Peilung im Menüdickicht verliert, wird es Zeit, nochmal Hand anzulegen.
Danke an Norbert, DG1KPN, für die Engelsgeduld bei den Tests.

Update V1.05 (08.05.2017), Bugfix Fehlfunktion bei Einstellen der LCD-Helligkeit.

Wer in den Fußstapfen eines anderen wandelt, hinterlässt keine eigenen Spuren. Recht hat er, der Wilhelm Busch. Und die Fußstapfen waren mit den Veröffentlichungen von DG4RBF [1], DL2KHP [2] und DL4JAL [3] ganz schön tief. Vom zu treibenden Aufwand her erschien uns der Ansatz von Hans-Peter, DL2KHP, vielversprechend. Kleiner Nachteil dieser Lösung war aber die Programmierung in PASCAL und die etwas kryptische Bedienung mit nur drei Tastern.

Nun, doch eine eigene Spur ziehen. Also machte sich das schon sturmerprobte Gespann Norbert, DG1KPN, und ich, DL6GL, an die Realisierung. Wir kamen spontan zu folgender Wunschliste für ein HF-Powermeter 2.0:

  • Wahlweise bis zu drei anzuschließende kalibrierbare HF-Detektoren,
  • Zusätzliche Korrektur der Anzeige bei festgelegten Amateurfrequenzen,
  • Verrechnung gängiger HF-Abschwächer im Signalweg vor dem Detektor,
  • Relativmessung bezogen auf einen frei wählbaren Referenzpegel,
  • Einfachere Bedienung mit mehr als drei Tastern,
  • Programmierung in BASCOM-AVR.

Ausgangspunkt in Bezug auf die mit der effizienten Schaltungstechnik erzielten Leistungsmerkmale war Hans-Peters Pegelmesser-MK [2], u.a. mit

  • Verwendung professioneller Messköpfe für Anwendungen bis in den GHz-Bereich, wahlweise passiver oder aktiver Selbstbau-Messkopf,
  • Kalibrierung im Bereich -50 bis +20dBm in 1 dB-Schritten, nun aber für drei Messköpfe,
  • Auflösung 0,01 dBm mit Interpolation zwischen den Kalibrierungspunkten,
  • Verwendung eines 18 bit-ADC MCP3421 mit I2C-Steuerung. Mit der hochgenauen internen Spannungsreferenz von 2,048V±0,05% wird mit der asymmetrischen Ansteuerung ("single ended") des Differenzialeingangs eine Auflösung von "nur" noch 2,048 / 2^17 = 15,6µV erreicht. Das achtzehnte Bit geht mit Halbierung der symmetrischen Ansteuerung zwischen -2,048 und +2,048V verloren.
    Der 10 bit-ADC des ATmega hätte dagegen bei der 5V-Referenz lachhafte 5/2^10 = 4,9mV zu bieten. Mit der internen Referenzspannung von 2,56V wird es mit 2,5mV auch nicht viel besser.

Doch dabei blieb es nicht. Hard- und Software waren Anfang Dezember 2015 fertig. Eigentlich. Am Nikolausabend machte Norbert uns ein Geschenk der besonderen Art. Ein Messkopf mit dem Log-Amplifier AD8307 ließ genaue und reproduzierbare Messungen bis hinunter nach unglaublichen -90dBm zu. Natürlich ist die Detektorkennlinie hier nicht mehr dB-linear. Da diese aber in 1dB-Schritten auch am unteren Ende aufgenommen werden könnte, der Messbereich endete bis dahin bei -50dBm, war die schon zwangsläufige Folge, eben diesen nach unten zu erweitern.

So sind wir auf einen Messbereich von -90 bis +20dBm verfallen. Wegen des begrenzten Speicherplatzes im EEPROM des ATmega32 auf dem schon realisierten Controller-Board musste der angedachte dritte Detektor dran glauben. Einzelheiten zu diesem Messkopf mit einem AD8307 gibt es hier. Dazu ein kleines Video unten im Download.

Technische Daten unseres Powermeters 2.0:

  • Messbereich -42 bis +15dBm mit einem Diodenmesskopf HP423B+,
    mindestens von -80 bis +15 dBm mit einem Log-Amplifier AD8307.
    Frequenz- und Messbereiche naheliegend abhängig vom verwendeten Detektor.
  • Leistungsmessung mit Anzeige in dBm und 0,01dB Auflösung, davon abgeleitet Leistung in W sowie Spannungen in V-RMS und V-pp bzw. Einheiten pico, nano, micro, milli.
  • Kalibrierungsstützstellen von -90 bis +20dBm in 1dB Schritten, lineare Interpolation des Messergebnisses zwischen den Stützstellen.
  • Wahlweise Zweipunktkalibrierung für dB-lineare Log-Verstärker mit Berechnung einer Kalibrierungsgeraden.
  • Korrektur des Messwertes um den Eingangsoffset,
  • weitere Korrekturen für festgelegte Frequenzen und ggf. eingeschleifte Abschwächer gängiger Größen.
  • Relativmessung bezogen auf einen frei einstellbaren Referenzpegel.
  • Netz- oder Batteriebetrieb mit Spannungsüberwachung.

Ein Nachbau macht allerdings nur dann Sinn, wenn auch ein hochgenauer HF-Generator und ein ebensolcher Stufenabschwächer für die Kalibrierung zur Verfügung steht, wenn auch nur leihweise.

Stimmt schon, wenn es denn ein Diodendetektor mit bekannt krummer Kennlinie oder ein Log-Amplifier jenseits der spezifizierten Linearität sein soll. Alle anderen OM's bleiben im Regen stehen? Das wäre unfair. Im Verlauf der Entwicklung haben wir deshalb auch eine Zweipunktkalibrierung für logarithmisch lineare Detektoren wie z.B. den AD8307 vorgesehen.

Mit unserem an anderer Stelle auf dieser Website beschriebenen HF-Kalibrator 0 und -60dBm wären auch OM's mit beschränktem Gerätepark wieder mit im Spiel. Allerdings unterstellt man dann, dass die berechnete Kalibrierungsgerade durch die zwei Eckpunkte die Anzeigekennlinie tatsächlich wiedergibt, was sie nicht tut. Fehlerbreiten von ±0,5dB, mehr oder weniger, sind hinzunehmen. Das sind rund ±12% auf der Watt-Skala. Die mit dem 18bit-ADC erzielbare Auflösung von 0,01dB läuft dann eher auf ein Ratespiel als auf eine genaue Messung hinaus. Dieses Problem umgeht nur eine exakte Kalibrierung in 1dB-Schritten. Fertige Log-Detektoren bis zu 4GHz zu zivilen Preisen bietet z.B. Makis, SV1AFN, in [5] an. Auch der AD8307 ist hier einmalig günstig zu bekommen.

Mit dem wahlweisen Einsatz zweier Detektoren - einem Diodendetektor für den "GHz-Olymp" und einem Log-Amplifier für die "dBm-Unterwelt" wären somit alle im Amateuralltag anfallenden Leistungsmessungen machbar.

Noch etwas zum Bild oben: Es wurde mit einem AD8307-Messkopf mit offenem Eingang aufgenommen.

Bei der Kalibrierung ist Norbert, DG1KPN, gerne behilflich.
Absprachen hierzu über das Kontaktformular auf dieser Website.

 

Referenzen

[1] http://www.dg4rbf.de/
[2] http://www.dl2khp.de/projekte/pegelmesser_mk.html
[3] http://www.dl4jal.eu/mwattmeter/mwattmeter.html
[4] http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/22003e.pdf
[5] https://www.sv1afn.com/projects.html
[6] http://shdesigns.org/lionchg.shtml
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