2
2924
9
2
4
M
Mikroprocesorowy miernik
i
k
r
o
p
r
o
c
e
s
o
r
o
w
y
m
i
e
r
n
i
k
m
mocy i dopasowania
o
c
y
i
d
o
p
a
s
o
w
a
n
i
a
Jednym z trudniejszych zadań w praktyce radio- szy zakres częstotliwości pracy, są również (1mW) mają wartość dodatnią, poniżej 0dBm
amatorskiej okazuje się pomiar mocy. Istnieje z zasady działania detektorami wartości sku- (1mW) wartość ujemną i tak sygnał  10dBm
szereg rozwiązań tego problemu, zaczynając tecznej. Detektory scalone mają największy oznacza moc równą 0,1mW, +10dBm to moc
od detektorów diodowych, poprzez detektory zakres dynamiki, wynoszący często powyżej równa 10mW. Znając wzmocnienie (tłumie-
termiczne na specjalizowanych układach sca- 85dB, szeroki zakres częstotliwości pracy (ale nie) układu wyrażone w dB i poziom mocy
lonych kończąc. Każde z rozwiązań ma swoje mniejszy niż detektory termiczne czy diodo- na wejściu np. wzmacniacza, w bardzo prosty
wady i zalety, np.: detektory diodowe cha- we), mają również prosty układ aplikacyjny. Ze sposób jesteśmy w stanie obliczyć moc na
rakteryzują się wysoką częstotliwością pracy wzrostem maksymalnej częstotliwości pracy jego wyjściu, np.: jeśli na wejściu wzmac-
sięgającą dziesiątek GHz, prostotą aplikacji, układu scalonego maleje zakres dynamiki, jaką niacza mamy sygnał o poziomie  20dBm,
ale do ich wad należy niski zakres liniowo- posiada dany układ, i tak na przykład spotyka wzmacniacz ma wzmocnienie 15dB, w ukła-
ści, wynoszący maksimum 30dB (bez użycia się detektory scalone o paśmie 500MHz i dzie włączono filtr pasmowoprzepustowy o
specjalnych układów kompensujących nieli- dynamice 90dB, natomiast układy o maksy- tłumieniu 5dB, to poziom sygnału na wyjściu
niowość charakterystyki diody) i wrażliwość malnej częstotliwości mierzonej 10GHz mają układu wyniesie:  20dBm (poziom sygnału
na kształt mierzonego przebiegu. Detektory zakres dynamiki wynoszący maksimum 40dB. wejściowego) + 15dB (wzmocnienie wzmac-
termiczne charakteryzują się dużym skom- Detektory scalone mają najczęściej charakte- niacza)  5dB (tłumienie filtru) =  10dBm
plikowaniem mechanicznym układu, małym rystykę liniową w dB, to znaczy wzrost siły (poziom sygnału wyjściowego).
zakresem dynamiki, silnym wpływem tem- sygnału o np. 1dB powoduje zawsze taki sam
peratury na wynik pomiaru, ale mają najszer- przyrost napięcia wyjściowego. Firmą, która Detektor mocy
posiada najszerszy wybór układów detektorów Zastosowany układ detektora mocy AD8362
scalonych, jest bez wątpienia Analog Devices. przedstawia rysunek 1, a jego schemat montażo-
W opisanym układzie zastosowano detektor wy  rysunek 2. Detektor wyróżnia się maksy-
scalony typu AD8362 z pomiarem wartości malnym zakresem częstotliwości pracy równym
skutecznej (True RMS). 3,5GHz i dynamiką sięgającą 60dB. Przyrost
napięcia na wyjściu wynosi 50mV na dB. Układ
Jednostki używane pracuje poprawnie w zakresie od 1MHz do
w pomiarze mocy 750MHz, za ograniczenie pasma odpowiedzial-
Przeglądając kartę katalogową zastosowa- ne są rezonanse pasożytnicze zastosowanych
nego układu AD8362 zauważymy, że jego elementów i konfiguracja niesymetryczna wej-
czułość podawana jest w dBm. Warto się z ścia. W celi osiągnięcia maksymalnie wysokiej
tą jednostką mocy lepiej zapoznać, gdyż jest częstotliwości pracy całość układu zmontowano
ona powszechnie używana w technice w.cz. i z użyciem elementów 0805. Dla zdecydowanej
znakomicie ułatwia wykonywanie wszelkich większości użytkowników powyższe parametry
obliczeń. W dBm wyraża się moc odniesioną są bardziej niż wystarczające. Dodatkową zaletą
w dB do 1 mW. Poziomowi 1mW odpowia- tego układu jest pomiar wartości skutecznej.
Rys. 2 da wartość 0dBm. Sygnały powyżej 0dBm Detektory diodowe będące detektorami szczyto-
wymi dają błędy przy pomiarze przebie-
Rys. 1
gów odkształconych względem sinusoi-
100p
C2
BU1 C5 L1 dalnego sięgające nieraz kilkudziesięciu
+5V
C11
SMA
R2 procent. Nota katalogowa układu AD8362
U1 C6 C10
C8 1uH
1 16
100p
22n
zaleca użycie go w konfiguracji z syme-
2 15
R1
150 100p 100n
C7
3 14
100 10u
trycznym wejściem. Rozwiązanie takie
4 13
WyjS
cie
może być trudne do wykonania w prakty-
5 12
100n C4
R5 L3 moc/wfs
11
6
R3 R4 100n
ce amatorskiej. Głównym problemem w
7 10
1uH
68 68
100
GND tym wypadku będzie kupno (wykonanie)
C3 C1 C9 8 9
L2 ATmega8
transformatora symetryzujÄ…cego. Nota
AD8362 C12
22n 100p 100p
22n
1uH
Grudzień 2009
Grudzień
2009
El ekt roni ka dl a Wszyst ki ch
49
+
katalogowa wskazuje jednak na możliwość użycia zewnętrznej obudowie metalowej połą-
układu w konfiguracji z wejściem niesymetrycz- czonej kablem ekranowanym z częścią
nym. Przy zasilaniu sygnałem niesymetrycznym mikroprocesorową. Użyte w układzie
impedancja wÅ‚asna ukÅ‚adu wynosi okoÅ‚o 100©. dÅ‚awiki zapobiegajÄ… przenoszeniu zakłó-
W tym wypadku do wejścia układu podłączamy ceń na część mikroprocesorową, szcze-
równolegle opornik o wartoÅ›ci 100©, by otrzy- gólnie podczas pomiaru dużych mocy.
mać wypadkowÄ… wartość 50©. Wartość impe- Sondy najlepiej montować bezpoÅ›rednio
dancji 50© jest standardowo używana w technice na zÅ‚Ä…czu wyjÅ›ciowym urzÄ…dzenia, lub w
wysokich częstotliwości, impedancję taką mają przypadku urządzeń eksperymentalnych,
powszechnie stosowane, kable czy złącza w.cz.. łączyć je jak najkrótszym odcinkiem
Na wejściu układu znajduje się tłumik typu Ą o kabla koncentrycznego, przylutowane-
wartości tłumienia około 16dB. Ogranicza on go bezpośrednio do układu mierzonego.
minimalny poziom sygnału mierzonego do około Każdy kabel pomiarowy, jaki stosuje-
 37dBm, rozszerza jednak poziom mierzonego my przy pomiarach, a zwłaszcza cienki,
sygnału w górę do ponad 20dBm. Wejście sprzę- wnosi istotne tłumienie, szczególnie przy
Rys. 4
żone jest z tłumikiem przez równolegle połączo- wyższych częstotliwościach. Najlepsze
ne kondensatory o wartościach 100 pF i 100nF, do naszych celów są kable teflonowe, które dokonywany jest w zakresie od  37 do +20dBm.
montowane jeden na drugim. Na spodzie mon- można kupić w okazyjnej cenie np. na Allegro, Powyżej tego zakresu spada dokładność wska-
towany jest kondensator o pojemności 100pF. gdyż znoszą bez szkody dla siebie wielokrotne zań. Miernik ma możliwość korekcji parame-
Taka kombinacja zapewnia szeroki zakres czę- lutowania i nie topi się w nich izolacja między trów układów AD8362, czynność ta nie powinna
stotliwości pracy całego układu. Metalizowane żyłą gorącą a ekranem. Płytki sond wykonane być jednak wykonywana w przypadku osób nie-
otwory o średnicy 2,5mm w pobliżu elementów są z laminatu szklano-epoksydowego o grubości posiadających odpowiedniego zaplecza pomia-
tłumika wypełniamy roztopioną cyną, przez co 0,8mm. rowego. Jak pokazuje praktyka, odtwarzalność
przelotka ma bardzo małą indukcyjność. Większe parametrów układów AD8362 jest bardzo dobra
moce mogą być mierzone dzięki zastosowaniu Część procesorowa i można się kierować charakterystyką podaną
odpowiedniego tłumika czy sprzęgacza kierun- Program napisany został w języku Bascom w nocie katalogowej. Największą dokładność
kowego. W przypadku stosowania zewnętrznego i można go ściągnąć z Elportalu. Jak widać uzyskamy po kalibracji obu sond pomiaro-
tłumika należy pamiętać, że powinien on prze- na rysunku 3, w układzie użyto procesora wych, trzeba jednak posiadać w tym wypadku
nieść odpowiednią moc. Najlepiej jest wykonać Atmega8. Schemat montażowy płytki przedsta- wzorzec mocy i szereg tłumików. Układ ma
od razu dwie identyczne sondy, co umożliwi wia rysunek 4. Fusy procesora powinny być tak wstępnie wpisane w pamięci EEPROM stałe
pomiar nie tylko mocy, ale i dopasowania w ukła- ustawione, by wymusić pracę z wewnętrznym kalibracyjne oznaczone odpowiednio jako a, b,
dzie. Zewnętrzna sonda ułatwi szybką wymianę oscylatorem RC z częstotliwością taktowania d, e. Umożliwiają one samodzielne skorygo-
uszkodzonej sondy bez koniecznoÅ›ci natychmia- równÄ… 8MHz. Potencjometrem 4,7k© ustawia- wanie wartoÅ›ci, jaka ma pokazywać siÄ™ przy
stowej ingerencji w uszkodzony układ (można my kontrast wyświetlacza LCD. Pomiar mocy braku sygnału wejściowego (poziom zerowy
zastosować drugą z sond do pomia- detektora) i nachylenie charakterystyki obu
ru mocy). W praktyce najwięcej Rys. 3 detektorów (mogą się one różnić niewiele
pomiarów, jakie wykonujemy, to od 50mV na dB). Przyjęte rozwiązanie jest
U3
LCD
właśnie pomiary mocy. Jak pokazuje najprostszym z możliwych. Nie ma możli-
praktyka, najczęściej uszkodzeniom wości samodzielnej korekcji stałych kalibra-
+5V
ulegają oporniki tłumika, a przy- cyjnych we właściwym pliku hex programu,
czyna jest zawsze jedna: nieuwaga. wielkość programu wynosi ponad 6kB i
Sondy najlepiej połączyć za pomo- stałe nie mogą być samodzielnie wkom-
C8
R10
cą dwużyłowego przewodu stereo- pilowanie w program (ogólnie dostępna
4,7k
100n
fonicznego w ekranie. Jako złącza wersja demo Bascoma ma ograniczenia
Sonda
R9
WFS
najlepiej wykorzystać 2 złącza ste- do 4kB kodu wyni-
reofoniczne typu minijack 3,5mm, kowego). Procedura
470
C10
C7 C6
umożliwi to automatyczne zwiera- wgrywania stałych
1n
Sonda 100n
100u
nie wejścia 27 procesora do masy kalibracyjnych jest
R8
Moc
(przetwornik analogowo cyfrowy) następująca: wpisu-
470
C9
w przypadku, gdy nie wykorzy- jemy do pliku kali-
L1
1n
10uH
stujemy układu do pomiaru dopa- bracja stałe korygu-
sowania. ZÅ‚Ä…cze minijack stereo jÄ…ce, kompilujemy
+5V
umożliwia automatyczne zwieranie program, powstały
U2
+5V
7805
+9V
dwóch wyprowadzeń po wyjęciu C2 C3 C5 plik hex zapisuje
D1 OUT IN
wtyku. W układzie tłumika zasto- R1 odpowiednie warto-
R2 4,7k
R2
4,7k
GND
C4
10k
sowano elementy wielkości 0805, ści w EEPROM-ie,
100n
100u 100u 100n
R3 4,7k
R3
4,7k
zastosowanie elementów wielkości a następnie wgrywa-
C11
0603 pozwoli lepiej zabezpieczyć my właściwy plik
C1
R4 4,7k
R4
4,7k
1u 1u
układ. Jako gniazda w.cz. najlepiej hex programu miernika. Można również wgrać
stosować jest gniazda typu SMA plik kalibracja do innego procesora, odczytać
R5 4,7
R5
4,7
ze względu na wymiary i bardzo jego zawartość EEPROM-u i zaprogramować
R6 4,7k
R6
4,7k
pewny kontakt złączy (gwintowa- nim EEPROM, procesora z wgranym wcześniej
ne połączenia mas zapewniające plikiem hex miernika (pamięć flash). Jak wcześ-
doskonały kontakt elektryczny). S1 S2 S3 S4 R7 niej wspomniano, moce większe od +20dBm
4,7k
Układy sond najlepiej umieścić w można mierzyć z użyciem tłumika lub sprzę-
Grudzień 2009
Grudzień
2009
El ekt roni ka dl a Wszyst ki ch
50
GND
VCC
Cont
Cont
RS
R/W
ENA
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
LCD1
LCD2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
+
28
27
26
25
24
23
22
21
17
20
15
19
18
16
REF
PC5
A
PB5
PB4
Avcc
PC6
PD0
PC4
PD1
PC3
PD2
PC2
PD3
PC1
PD4
PC0
VCC
GND
GND
A
REF
PB6
PB7
PD5
PD6
PB3
PB0
PB1
ATmega8
U1
1
2
7
3
5
6
8
9
4
11
12
13
10
14
+
PD7
PB2
+
1N4148
W
Moc
/
/
B
F
o
TÅ‚umik
TÅ‚umik
d
m/W
dBm
W
S/M
c
WFS
gacza. Wartość tłumienia (sprzęgania) można dopasowania ważne jest prawidłowe podłącze- wać taką samą lub zbliżoną wartość SWR co
ustawić w zakresie od 0 do 30dB z krokiem nie sond. Sonda, która służy do pomiaru mocy, przed zamianą wejść. W przypadku zbyt dużego
1dB, co rozszerza zakres pomiarowy powyżej używana jest do pomiaru fali padającej, druga z poziomu mocy na wyjściu sprzęgacza należy
+50dBm (100W). Program wyświetla aktualną sond służy do pomiaru fali odbitej. W przypadku stłumić go tłumikami (pomiar dużych mocy,
wartość mocy w dBm lub w mW (oraz w jed- odwrotnego podłączenia sond (zamienione ze silne sprzężenie sprzęgacza). Kalkulator, który
nostkach pochodnych jak: źW, mW, nW lub sobą porty fali padającej z odbitą) układ poin- pozwala obliczyć dowolne wartości tłumienia,
W, w zależności od zakresu, z dokładnością do formuje nas o tym. Układ sygnalizuje również znajduje się np. w programie QUCS. Płytki
jednej lub dwóch cyfr znaczących). Liczba cyfr przekroczenie zakresu mocy mierzonej, gdy prototypowe różnią się od płytek końcowych
znaczących zależy od zakresu pomiarowego. poziom sygnału na wyjściu detektora przekro- ze względu na wprowadzone modyfikacje ukła-
Przełączanie jednostek, w jakich wyświetlana czy wartość 3,2V, opcja ta działa zarówno w dowe, które zastosowano w wersji finalnej.
jest moc, realizowane jest przełącznikiem sta- przypadku pomiaru dopasowania, jak i mocy. Na zakończenie chciałbym podziękować firmie
bilnym, tak samo wykonywany jest wybór trybu Dużą zaletą proponowanego układu jest wysoka Analog Devices i jej polskiemu przedstawiciel-
pracy (pomiar mocy, pomiar dopasowania). czułość zastosowanych sond (do  37dBm), co stwu Alfine z Poznania za nieodpłatne udostęp-
Przełącznikami chwilowymi ustawia się wartość umożliwia pomiar dopasowania już przy mocy nienie próbek układów AD8362.
tłumienia tłumika lub sprzężenie sprzęgacza wyjściowej generatora równej 0dBm, a z mniej-
kierunkowego. Drugim parametrem, jaki może- szą dokładności nawet od poziomu ( 5dBm), Rafał Orodziński SQ4AVS
my mierzyć, jest wartość współczynnika fali przy sprzężeniu sprzęgacza na poziomie  15dB. [e-mail]
stojącej  WFS, często stosowana jest również Podczas pomiaru dopasowania możemy jedno- Literatura:
nazwa angielska tego parametru: SWR. Do cześnie obserwować moc wyjściową układu. Wolfgang Shneider DJ8ES, Low power radio
pomiaru dopasowania potrzebne sÄ… dwie sondy frequency wattmeter (dBm) using an AD8362
i element nazwany sprzęgaczem kierunkowym. Sprzęgacze kierunkowe detector, VHF Communications 3/2005
W uproszczeniu można przyjąć, że umożliwia Podstawowym parametrem charakteryzują- http://michaelgellis.tripod.com/direct.html
on określenie, jaka część energii przekazywana cym układ sprzęgacza jest wartość sprzężenia http://www.analog.com
jest z układu do obciążenia (np. następnego mówiąca, o ile dB sygnał na wyjściu sprzęgacza http://www.analog.com/static/imported-files/
stopnia wzmacniacza czy anteny), a jaka odbija jest słabszy względem sygnału wejściowego. Data_Sheets/AD8362.pdf
siÄ™ i powraca do z
ródła sygnału. Występowanie Konstrukcja sprzęgacza kierunkowego zależy
zjawiska fali stojącej jest niekorzystne, gdyż od częstotliwości, na jakiej pracuje dany układ.
Wykaz elementów
świadczy o istnieniu zjawiska niedopasowania Dla małych poziomów mocy i niskich częstotli-
Sonda na AD8362 (wykonujemy 2
energetycznego w układzie (impedancja z
ródła wości zwykle stosuje się sprzęgacze wykonane
identyczne układy)
nie jest równa impedancji obciążenia), a w przy- na rdzeniach z materiałów ferromagnetycznych.
Rezystory
padku większych mocy może doprowadzić do Ze wzrostem wymiarów rdzenia rośnie moc,
R1,R5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100© (0805)
uszkodzenia np. tranzystora wzmacniacza mocy jaka może być przeniesiona przez sprzęgacz.
R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150© (0805)
(moc odbita wydzieli siÄ™ w stopniu poprzednim). Maleje jednak maksymalna czÄ™stotliwość pracy. R3,R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68© (0805)
Wartość współczynnika fali stojącej podaje się Przy starannym nawinięciu sprzęgacza i zasto- Kondensatory
w postaci paru parametrów, takich jak gamma, sowaniu materiału o odpowiednich parame- C1,C2,C5,C6,C9 . . . . . . . . . . . . . . . . . 100pF (0805)
C3,C11,C12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22nF (0805)
WFS, czy tłumienie odbicia. Najpowszechniej z trach, możliwe jest pokrycie pasma od kilku
C4,C7,C10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF (0805)
nich stosowanym jest WFS (SWR). Im wartość do ponad pięciuset megaherców. Sprzęgacze
C8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10źF/10V (1206)
WFS jest bliższa jedności, tym lepiej układ można zarówno kupić, jak i wykonać samemu.
Półprzewodniki
dopasowany jest do obciążenia. Przyjmuje się, Dla większych mocy i większych częstotliwości
U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AD8362
że w przypadku bardzo dobrego dopasowania sprzęgacze wykonuje się zwykle w postaci linii
Pozostałe
wartość WFS nie powinna przekraczać 1,3; mikropaskowych. Sprzęgacze na wyższe pasma
L1-L3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1źH (1008)
dobrego 1,5, a takiego, które może być jeszcze (większe moce) są szczególnie proste, gdyż jego
PÅ‚ytka procesora Atmega 8
bez problemu akceptowalne: 2. WFS równy funkcję pełni tylko wytrawiona płytka lamina-
Rezystory
2 oznacza, że okoÅ‚o 10% mocy nie wydzieli tu i dwa rezystory 51©. PrzykÅ‚ady wykonaÅ„
R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10k© (0805)
się w obciążeniu i pojawi się w postaci fali różnych sprzęgaczy można bez liku znalez
ć w
R2,R4-R6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,7k© (0805)
odbitej. PrzyjÄ™te wartoÅ›ci WFS i ich okreÅ›lenia Internecie po wpisaniu hasÅ‚a sprzÄ™gacz kierun- R3,R7 . . . . . . . . . . . . . . . 4,7k©  w danej chwili
jako bardzo dobre, dobre, czy akceptowal- kowy lub directional coupler transformer, direc- może być zastosowany tylko 1 rezystor (0805)
R8,R9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470© (0805)
ne są określeniami względnymi i arbitralnymi. tional coupler. Każdy bez problemu znajdzie
R10 . . . . . . . . . . . . . . . . . 4,7k© potencjometr
Według autora dużo lepszym i znacznie więcej konstrukcję najbardziej mu pasującą. Dobrze
wieloobrotowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
mówiącym parametrem jest wielkość nazywana wykonany sprzęgacz ma równe wartości sprzę-
Kondensatory
tłumieniem odbicia (z angielskiego return loss). żenia pomiędzy poszczególnymi wejściami i
C1,C11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1źF (0805)
Mówi nam ona, o ile dB fala odbita jest mniej- dobrą kierunkowość. Po obciążeniu impedancją
C2,C3,C7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100źF/16V
sza od fali padającej i przy odrobinie wprawy znamionową na wyjściu sprzęgacza wartość
C4-C6,C8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF (0805)
w rachunku decybelowym znacznie bardziej WFS powinna być jak najbliższa jedności (tłu-
C9,C10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1nF (0805)
przemawia do wyobraz
ni niż współczynnik fali mienie odbicia powinno być maksymalnie duże,
Półprzewodniki
stojącej. Wybór odpowiedniego trybu pomiaru układ charakteryzuje się dobrą kierunkowością).
D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148 (minimelf)
dopasowania (WFS, tłumienie odbicia) dokony- Prawidłowo wykonany sprzęgacz jest elementem
U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ATmega8
wany jest za pomocą opornika konfiguracyjnego odwracalnym, to znaczy po zamianie wejścia z
U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7805
podłączonego do pinu 5 procesora (montujemy wyjściem układu, wyjście, na którym pojawiała
U3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LCD 2x16 znaków
tylko jeden z rezystorów 4,7k©). Przy pomiarze siÄ™ fala padajÄ…ca, peÅ‚ni rolÄ™ wyjÅ›cia fali odbi- PozostaÅ‚e
L1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10źH (1008)
tej i na odwrót: wyjście
S1,S2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . stabilny
fali odbitej funkcję pełni
S3,S4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . chwilowy zwierny
wyjścia fali padającej.
Po odwróceniu sprzę-
Płytka drukowana jest dostępna
gacz powinien pokazy-
w sieci handlowej AVT jako kit szkolny AVT-2924.
51