1 Schaltung
Erstellt: DL6GL, 16.12.2015, letzte Änderung 08.01.2016
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1.1 Controller
Abb. 1.1: Schaltung Teil 1: Microcontroller.
Als Controller wurde der ATmega32 gewählt, der mit 1.024 Bytes ausreichend EEPROM-Speicherplatz u.a. für die Kalibrierungsdaten von zwei wahlweise einzusetzenden Messköpfen bietet.
Als Anzeige wird ein 16x2-LCD verwendet. Die Hintergrundbeleuchtung ist über T1 mit Pulsbreitenmodulation (PWM) dimmbar, was insbesondere dem Batteriebetrieb zugute kommt.
Es werden fünf Taster für eine möglichst selbsterklärende Bedienung verwendet:
- Mode zur Umschaltung zwischen Normalbetrieb, d.h. Power-Messung, und den verschiedenen Setup-Funktionen wie Kalibrierung.
- Up, Down zur Weiterschaltung in den Menüs und zum Durchtakten verschiedener Einstellungsreihen wie z.B. Detektor 1, 2 und die Kalibrierungsstufen.
- OK zur Bestätigung und - bei langem Tastendruck - zur Abspeicherung vorgenommener Einstellungen im EEPROM.
- ESC zum Weitertakten im Menü und - bei langem Tastendruck - zur Rückkehr zum jeweiligen Menüanfang.
Abb. 1.2: Taster.
Der ADC MCP3421 wird über I2C (TWI) gesteuert und ausgelesen.
Die Auswahl der Detektoren 1 bis 2 zeigen zwei LED an. Die dritte LED signalisiert blinkend zu hohe Eingangsspannungen am ADC.
Die Programmierung erfolgt über den sechspoligen ISP-Anschluss.
Die Zweifach-Stiftleiste mit den ADC-Anschlüssen (Abb. 1.1 Mitte links) ist für ggf. spätere Erweiterungen gedacht. Sie muss nicht bestückt werden.
1.2 Signalverstärker und ADC
Abb. 1.3: Schaltung Teil 2, OpAmp und ADC.
Die gezeigte Schaltung ist auf einer gesonderten Platine aufgebaut.
Mit dem Aussteuerungsbereich des MCP3421 von 0 bis 2,048V hat der OpAmp nur eine geringe Vorverstärkung zu erbringen. Er wirkt hauptsächlich als Impedanzwandler.
Wunsch und Wirklichkeit: Für die Messung möglichst niedriger HF-Pegel mit Diodenmessköpfen sollte die Input Voltage Offsetspannung deutlich unter 100µV liegen. Gleichzeitig sollte der OpAmp mit der einfachen 5V-Spannungsversorgung (single supply) Rail-to-Rail, insbesondere zum unteren Rail hin zu betreiben sein. Alles gleichzeitig ist nicht zu haben. Versuche mit dem TLC271 (Original TI), dem Fake von reichelt.de, der tatsächlich ein TS271 ist, dem OPA344 und diversen anderen Rail-to-Rail-Typen schlugen gänzlich fehl: Offset mit 0,1 bis 3mV je nach Typ und Exemplar zu hoch und Verstärkung bricht zum unteren Rail hin ein. Hier im unteren Spannungsbereich wäre daher das Powermeter blind. Die Anforderungen an einen kommerziellen Diodenmesskopf zeigt Abb. 1.4, soweit das DVM nach unten reichte.
Abb. 1.4: Kennlinie eines HP423B+.
Die Ausgangsspannung bei -30dBm beträgt 0,7mV, bei -29dBm 0,9mV.
Um dem blinden Fleck im unteren Messbereich mit einem Offset nahe Null entgegenzuwirken, wurde die Spannungsversorgung mit einer Ladungspumpe ICL7660 auf symmetrisch ±5V erweitert. Damit ist auch der o.g. Verstärkungseinbruch im Bereich um Null Volt behoben. Als OpAmp glänzt der OP77 oder OP177 mit einem sehr gering temperaturabhängigen Input Voltage Offset von nur 10µV ohne zusätzliche Trimmung. Eine Korrektur mit einem Trimmer an den Pins 1 und 8 ist nicht erforderlich. Sie wäre sogar wenig dienlich bei der hier erforderlichen Präzision, da der Offset infolge Temperaturabhängigkeit und natürlicher Alterung so nicht in den Griff zu bekommen ist. Dennoch könnte ein optionaler Trimmer R19 auf der Platine eingebaut werden. Der eventuell noch verbleibende Offset wird zeitaktuell gemessen und per Software herausgerechnet. In unseren Mustergeräten mit dem OP77 - ohne Trimmer R19 - war er allerdings kleiner als die ADC-Auflösung von 15,6µV, d.h. im Messergebnis Null.
Unsere Versuche mit den verschiedenen OpAmps zeigten naheliegende Unterschiede bei den Offsetspannungen zwischen den jeweiligen Typen, aber auch bei Exemplaren des gleichen Typs. Aus diesem Grunde wurde die Bauform DIP8 - steckbar - gewählt, um ggf. das beste Exemplar aussuchen zu können. Die schließlich eingesetzten OP77 erwiesen sich als mustergültig in Bezug auf Exemplarstreuungen.
Da kommerzielle Messköpfe zumeist einen negativen Ausgang haben, aber auch Messköpfe mit positivem Ausgang verwendbar sein sollen, lässt sich die Beschaltung des OpAmp entsprechend der Tabelle in Abb. 1.3 anpassen, um mit beiden Varianten einen positiven Ausgang zu erhalten. Dies sieht dann wahlweise so aus:
Abb. 1.5: OpAmp-Beschaltung für positiven oder negativen Eingang.
Mit dem Aufbau muss man sich allerdings für eine der beiden Optionen entscheiden. Die Platine lässt beide Varianten zu. Die Spannungsverstärkung ist in beiden Fällen ca. 1,2-fach. Der ADC ist damit bei 1,68 bis 1,7V am OpAmp-Eingang voll ausgesteuert.
In unseren Mustergeräten wurde die Positivvariante (Abb. 1.5) gewählt. Damit können dann auch Selbstbaumessköpfe oder z.B. ein AD8307 als Low-Cost-Alternative für den dBm-Keller benutzt werden.
Der MCP3421 geht von den Abmessungen her schon eher als Hühnerfutter durch. Der Markierungspunkt für Pin 1 ist gegebenenfalls nur mit einer Lupe festzustellen. Nach Datenblatt sollte der Abblockkondensator C21 ein Tantaltyp sein.
Vorsicht ist bei der Eingangsspannung des MCP3421 geboten. Sie darf die positive Versorgungsspannung, hier +5V, um maximal 0,3V überschreiten und -0,3V nicht unterschreiten, um die internen Schutzdioden nicht zu überlasten.
1.3 Stromversorgung
Abb. 1.6: Schaltung Teil 3, Stromversorgung.
Der Betrieb ist wahlweise über ein Steckernetzteil (9…12V) oder Batterie, z.B. 9V oder zwei 3,7V-Li-Ion-Akkus, möglich. Der Strombedarf beträgt mit dem verwendeten LCD ca. 44mA. Die Versorgungsspannungen werden über eine schaltbare Hohlbuchse (nicht eingezeichnet) zugeführt. Insbesondere bei Messungen geringer HF-Pegel ist ein Batteriebetrieb angeraten. Als 5V-Spannungsregler ist der Low-Drop-Typ LM2940CT5 vorgesehen. Zur Unterdrückung der Schwingneigung ist C11 mit mindestens 22µF zu bemessen.
Aus den Spannungsteilern R10/R11 und R12/R13 werden Überwachungsspannungen (Supply control) an die ADC-Eingänge ADC0 und ADC1 des ATmega32 gegeben. Der ATmega überwacht diese und schaltet die Messfunktion bei Unterschreiten festgelegter Schwellen (5,5V für Batteriebetrieb bzw. 6,9V für Netzbetrieb) ab. Im ATmega32 ist zwar die Brown-Out-Schwelle auf 4V gesetzt und bewahrt somit den Digitalteil vor Fehlfunktionen. Die "Supply control" sichert zusätzlich den Analogteil, OpAmp und MCP3421, vor Fehlmessungen ab.
Update ab Firmware V1.03, 08.01.2016
Mit Einsatz des nachfolgend beschriebenen Akku-Laders und einer Li-Ionen-Batterie 2x3,7V sind die o.a. Schwellen für die Supply Control geändert auf
Externe Spannungsversorgung des Akku-Laders: ≥ 11,85V
Minimale Entladespannung des Li-Ionen-Akkus: ≥ 6,0V.
Auf die Dauer hilft nur Power aus einem Akku statt einer 9V-Batterie. Hier ist das passende Ladegerät für Li-Ionen-Akkus mit zwei in Serie geschalteten Zellen zu je 3,7V, übernommen von Scott Henion [6]. Es ist mit einem maximal entnehmbaren Strom von ca. 650mA ausgelegt für Li-Ionen-Akkus von 900mAh oder mehr. Mögliche Anpassungen sind in [6] zu finden.
Abb. 1.7: Li-Ionen Lader.
Die Regelung der Ladespannung übernimmt der LM317 (IC1). Die über den Spannungsteiler R2, R3, R4 voreingestellte Ausgangsspannung von 8,4V reduziert je nach infolge des Ladestroms an R1 abgegriffener Spannung der Transistor T1. Mit R1=1Ω steuert T1 bei ca. 650mA voll durch (Strombegrenzung). T2 dient zur Ladeanzeige mit der LED auf der Frontplatte. Die LED erlischt bei einem Ladestrom unterhalb von ca. 20mA.
Für einen schonenderen Umgang mit dem Akku sind folgende Anpassungen eine Überlegung wert:
- Ladespannung 8,3 bis 8,35V (für zwei 3,7V-Zellen)
- Ladestrom reduzieren, z.B. auf die Hälfte, ca. 320mA, mit R1=2Ω/1W. Dann dauert das Aufladen halt etwas länger. Der Akku dankt mit einer längeren Lebensdauer.
Die Ladespannung wird mit R4 ohne Belastung durch den Akku eingestellt. Den Rest besorgt die Stromregelung mit T1 und IC1.
Jede Akkuzelle, nominal 3,7V, sollte nicht unter 3,0V entladen werden. Ist dies doch mal passiert, sind sie zunächst mit ca. 10% der angegebenen Zellenkapazität, also bei z.B. 1.000mAh mit 100mA, sanft vorzuladen, bis die 3,0V Zellenspannung überschritten wird. Die o.g. Supply Control warnt aber, bevor der Akku schlapp macht.
Abb. 1.8: Bestückte Platine.
Der Kühlkörper für IC1 ist etwas überdimensioniert, war aber gerade zur Hand.
Die Verkabelung zur Controllerplatine sieht dann so aus:
Abb. 1.9: Verkabelung der Stromversorgung mit Li-Ionen-Akku.
Die Dioden D1 und D2 (Abb. 1.6) entfallen. Der einfache Kippschalter an den Anschlüssen 5 und 6 wird durch einen Zweifachschalter (Switch 1a/1b) ersetzt. Switch 1b verhindert, dass der Akku über das Ladegerät entladen wird, wenn keine Versorgungsspannung anliegt. Das Gerät wird entweder nur vom Li-Ionen-Akku gespeist oder, wenn eine externe Ladespannung anliegt, von dieser über den Akku-Lader gepuffert. Die Spannungsüberwachung übernimmt weiterhin ADC0 über den Spannungsteiler R12/R13, minimale Akku-Spannung: 6,0V. ADC1 am Spannungsteiler R10/R11 prüft, ob eine externe Spannungsversorgung anliegt und ob diese mindestens 11,85V (=10,5V + Spannungsabfälle an D1 und R1, Abb. 1.9) beträgt. Ab 10,5V liefert der Akku-Lader die eingestellte Ausgangsspannung ab.
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