Uživatelské jméno:   Heslo:   Pamatuj si mě  

Spektrální analyzátor do 4.4GHz

 Tisknout 

Již delší dobu jsem zvažoval pořízení spektrálního analyzátoru. Nejdostupnější se mi zdál SA od Rigolu, ale ten chodí do 1GHz a to se mi zdálo málo. Když jsme loni po soutěži diskutovali s Martinem OK2MRK, co by se dalo vytvořit za konstrukci, zmínil jsem konstrukci Scotty Spectrum Analyzer. Já už ji obhlížel několikrát, ale štvalo mne, že není z dostupných součástek, především VCO se již nevyrábějí a s náhradami bývá potíž. Chyběla mi motivace se do toho pustit... No Martina to chytlo, že do toho jdeme a že se na tom "mega naučí". Takže nyní se můžete podívat na jeden z důvodů, proč delší dobu žádná aktualizace těchto stránek.

Vzhledem k tomu, že Martin má tuto konstrukci také jako maturitní a SOČ výrobek, dovolil jsem si některé texty vybagrovat z jeho práce, stejně jsme to konzultovali a dávali dohromady společně.
Vzhledem k tomu, že se jedná o prototyp (vlastně 2, protože každý máme svůj postavený kus) nejspíš časem vznikne verze 2, která nebude mít mouchy prototypu, ale může mít zase jiné :D. Martin se snažil hlavně u návrhu plošných spojů, některé jsme dělali společně. Boje s dokumentací některých firem, především syntéz HMC83x, mi hodně připoměly katalogové listy obvodů TESLA z 80let.  A teď už k popisu.
 
image002.jpg
 
 
Požadavky na technické parametry byly při vývoji stanoveny takto:
             Napájení:                                12V (rozsah napájení alespoň 11-15V)
             Kmitočtový rozsah:                min. do 3GHz
             Krok nastavení kmitočtu:        < 3Hz
             Vlastní displej – rozlišení:       TFT min. 480x272 
             Dynamický rozsah:                 min. 90dBm             
             Možnost rozšíření o tracking generátor
 
PLL
Volba vhodné syntézy při volbě vysokého MF kmitočtu 1575MHz a požadavku na zpracování vstupního kmitočtu do 3GHz značně omezil možnosti výběru. Rozsah přeladění dostupných VCO je rovněž poměrně malý. Firma Analog Devices vyrábí obvody PLL včetně integrovaného VCO, ale obvody ADF4351 nemají dostatečně malý krok. Poměrně nedávno však Analog Devices zakoupil firmu Hittite, která se specializuje na VF techniku a také syntézy PLL. Mezi nejnovější obvody v době návrhu patřily obvody HMC830 (do 3GHz) a HMC833 (do 6GHz) s krokem pod 3Hz. Rozsah přeladění do 6GHz u HMC833 tak umožňuje použití analyzátoru až do 4,4GHz (6000MHz – 1575MHz = 4425MHz max.). Tomu se následně podřídila i volba směšovače a dalších obvodů. Signál pro 2. směšovač generuje HMC830, jejíž kmitočtový rozsah je pro tento účel dostatečný.
 
Řízení
Pro řízení analyzátoru byl zvolen obvod PIC32MX795F512L. I když v dnešní době již firma Microchip představila novou řadu PIC32MZ, vzhledem ke značně rizikovějšímu návrhu obvodové části byl nakonec zvolen starší typ. Jen errata dokument k PIC32MZ(rev.A5) má 20 stránek!  Jako rozhraní byl nejprve zamýšlen TFT displej 4,3“ s rozlišením 480x272 bodů, ale během psaní programového vybavení bylo nakonec rozhodnuto použít větší displej a to 7“ s rozlišením 800x480 bodů. V případě potřeby je možné analyzátor připojit k PC pomocí USB využívajícím HID protokol.
 
Detektor
Zapojení detektoru je převzato z konstrukce Scotty Spectrum Analyzer.
Logaritmický detektor AD8306 má vysokou vstupní impedanci kolem 1k. V datasheetu výrobce Analog Devices používá napěťové rozsahy (dBV), zatímco spektrální analyzátor chceme, aby měřil výkonově v dBm. Vstupní transformátor převádí impedanci z 50 ohmů na 800 ohmů. Tím transformujeme vstupní impedanci blíže ke vstupní impedanci AD8306.             
Co se týká měřícího rozsahu, vezměme referenční signál 1Vrms, neboli 0dBV (výkonově +13,03dBm). Napětí na výstupu transformátoru 1:4 (impedančně 1:16) jsou 4V neboli +12.04dBV. Transformátor tak vytváří napěťový zisk 12.04dB. K výkonovému zisku na transformátoru nedochází. AD8306 má dynamický rozsah na vstupu od -91dBV do +9dBV. Vzhledem k tomu, že se jedná o výstup transformátoru, dynamický rozsah na vstupu je -103,04dBV až -3,04dBV. To odpovídá výkonu na 50 ohmech -90,01dBm až +9,99dBm
 
image003.jpg
 
 
Vstupní atenuátor
Zajišťuje rozšíření rozsahu vstupních signálů a také umožňuje kalibraci přístroje.
 
image011.jpg
 
image012.jpg
Obvody směšovačů a syntéz PLL
Zkušené oko elektronika nepotřebuje sáhodlouhé vysvětlování, takže stručně: vstupní směšovač ADE-42MH, PLL1 HMC833 do 6GHz, MF 1575MHz, 2.směšovač ADE-11X, PLL2 HMC830 do 3GHz
 
image017.jpg
image018.jpg
image019.jpg
image020.jpg 
 
 
image016.jpg
 
Deska 2.MF 10,7MHz a přepínaných filtrů
MF zesilovač s BGA6589 zajišťuje potřebný zisk (v našem případě až moc a lepší by bylo použití HMC311ST89, které ještě vyzkoušíme). Přepínače byly použity podle TRX PicaStar a to FST3126.
 
image024.jpg
 
image025.jpg 
image023.jpg
 
Logaritmický detektor 
Schéma detektoru bylo převzato z konstrukce Scotty Spectrum Analyzer. ADC byly uz zvoleny jiné.
 
image029.jpg
image030.jpg 
 
image028.jpg 
 
Řídící jednotka 
Jádrem řídící jednotky je 32 bitový mikro kontrolér PIC32MX795F512L firmy Microchip. Velikost Flash je 512kB a RAM 128kB. Jádro je taktováno kmitočtem 80MHz na základě referenčního krystalu 8MHz. Dále je na desce řadič TFT displeje S1D13781 od firmy Epson. Řadič obsahuje 384kB RAM pro zobrazovaná data a umožňuje připojení displeje s rozlišením až 800x480 bodů (tj. 2400x480RGB). Dále je zde kontrolér pro obsluhu rezistivního dotykového panelu, EEPROM pro konfigurační data a také DataFlash paměť. Tato je však aktuálně nevyužita, původní zamýšlený účel bylo uložení fontů. Tyto jsou v současné době uloženy přímo ve Flash v PIC32.             
Na desce jsou také umístěny zdroje +5V a +9V pro napájení také ostatních desek analyzátoru a generátor napětí pro LED podsvícení displeje. V budoucnu je však plánována úprava s použitím výkonnějších zdrojů na samostatné desce, protože již nyní pracují zdroje blízko hranici svých parametrů odběru a další rozšiřování analyzátoru o modul fáze a tracking generátoru vyžaduje proud, který je již za hranicí povolených proudů použitých obvodů NCP3063.             
Komunikaci s PC zajišťuje rozhranní USB a naprogramován je protokol HID, který zajišťuje bezproblémové připojení a detekci tohoto připojení. VCP rozhraní je více komplikované a podpůrný SW často „tuhne“ při nečekaném odpojení atd. Pro požadovaný provoz plně postačí HID. Sejmutí obrazovky TFT displeje, na obrázcích v popisu SW, bylo provedeno právě za pomoci USB a HID protokolu.
 
image034.jpg image035.jpg
image036.jpg
image037.jpg
image033.jpg
 
Tracking generátor
V tuto chvíli je ve fázi ověřování. Schéma je obdobné jako zapojení PLL1, je zde navíc také atenuátor pro kalibraci výstupní amplitudy v celém rozsahu kmitočtů
 
image040a.jpg
 

Software
Software pro analyzátor byl napsán v prostředí MPLABX v. 3.10 s využitím volné verze překladače XC32 v. 1.40 a knihovny Harmony v. 1.06. Z knihovny funkcí Harmony byly využity pouze části pro SPI, I2C a ovladač HID pro komunikaci s PC pomocí USB. Ovladač pro řadič displeje byl se značnými úpravami převzat z konstrukce TFTa. Všechny ostatní funkce byly vytvořeny přímo pro řízení analyzátoru.
 
image040.jpg
 
Na obrázku je pracovní obrazovka analyzátoru. Vzhledem k použití dotykového panelu na displeji, lze všechny funkce volit bez nutnosti použít další tlačítka na panelu analyzátoru. Hlavní menu je umístěno v pravé části obrazovky. Některé položky při volbě spustí nebo přepínají funkce (TUNE, STOP/RUN, FILTER). Ostatní vyvolávají klávesnici pro zadání hodnoty (CENTER, SPAN, ATTEN) nebo vlastní menu. Položka SETUP umožňuje nastavit základní parametry analyzátoru, kalibrovat dotykovou plochu a kalibrovat analogovou část.
 
TUNE
Umožňuje přepínat nastavení parametrů otáčením enkodéru. Např. při zvolení „Center“ lze otáčením knoflíku enkodéru měnit střední kmitočet analyzátoru. Automatické nastavení funkce TUNE na vybranou funkci je provedeno při zvolení funkcí CENTER, SPAN, ATTEN a zobrazení MARKER 1 až 4.
 
STOP/RUN
Zastaví/spustí měření analyzátoru. Pokud je připojeno PC pomocí USB a spuštěn řídící SW, pak při volbě kopírování obrazovky displeje do PC je automaticky pozastaveno měření, aby nedocházelo k narušení snímaného obrázku.
 
FILTER
Přepíná filtry s různou šířkou pásma. V analyzátoru budou osazeny filtry s šířkou 250kHz, 7,5kHz, 500Hz a 30kHz (index 0 – 3). V tuto chvíli je osazen na pozici 500Hz filtr 12kHz (viz obr. 6.4) a bude zaměněn za 500Hz
 
CENTER
Umožní zvolit střední kmitočet sledovaného spektra. Po této volbě se zobrazí na displeji klávesnice a je zapotřebí zvolit kmitočet, jak lze vidět na obrázku. Barvou čísel klávesnice je rozlišeno o jaký vstup se jedná. Center má barvu žlutou. Zároveň se přepne enkodér na změnu středního kmitočtu. Potvrzení zadání provedeme volbou „kHz“ nebo „MHz“. Ukončení zadávání bez změny kmitočtu provedeme pomocí „ESC“.
image041.jpg 
 
SPAN
Volí rozsah sledování spektra kmitočtů. Např. při volbě 200MHz a Center = 500MHz je rozsah zobrazeného spektra od 400MHz do 600MHz. Opět se zvolí také enkodér a zobrazí klávesnice, tentokrát se světlomodrým písmem. Na obrázku je vidět stejný signál 1300MHz, jen se zvolenou větší šířkou filtru a rozsahem šířky analyzovaného spektra 9MHz. Zobrazeny jsou také 2 značky, které měří úroveň signálu na zvolených kmitočtech. Vzhledem k tomu, že analyzátor nastavuje kmitočet s krokem podle šířky analyzovaného pásma, bude se značka posouvat podle kroku analyzátoru. 
 
image042.jpg 
 
MARKER 
Umožňuje zobrazit až 4 další značky. Výchozí značka automaticky zobrazuje maximální (referenční) amplitudu signálu a jeho kmitočet. Při zapnutí značky je přednastaven střední kmitočet (Center) a pomocí enkodéru lze značku přesunout na potřebné místo. Volba „Auto 1-2 3dB“ umožňuje zobrazit značky pro pokles 3dB a volitelný pokles. „Auto 3-4 Stop“ vyhledá maximální útlum na křivce filtru a volba „3-4 set level“ umožní nastavit značky na požadovanou hodnotu útlumu signálu vůči referenční značce.  Vhodné především k měření šířky pásma např. filtru ve spojení s tracking generátorem.
 
image043.jpg
SPAN 
Umožňuje nastavení útlumu vstupního atenuátoru, krok je 0,5dB a max. útlum při kalibrovaném vstupu je 20dB. U nekalibrovaného vstupu je to max. 31,5dB. Z důvodu kroku je zde tlačítko „/2“, které zadané číslo vydělí 2 a umožní tak zadání útlumu s krokem 0,5dB. Možnost zadávání desetin by znamenala další ošetření vstupu hodnot tak, aby bylo číslo zaokrouhleno.
 
image044.jpg
 
SCAN 
Spustí skenování celého měřícího rozsahu analyzátoru tj. od 1MHz do 4,4GHz. Během skenování je zařazen nejširší filtr kvůli většímu kroku přelaďování. Po dokončení skenování se automaticky zobrazí nejsilnější signál a podle zvolené šířky filtru před spuštěním skenování se vypočítá nejvhodnější šířka spektra (SPAN) pro optimální zobrazení.
 
SETUP
Zobrazí menu pro volbu nastavení parametrů analyzátoru jak je vidět na obrázku. Lze provést kalibraci dotykového panelu, nastavení parametrů filtrů a kalibraci analogové části analyzátoru. 
 
image045.jpg 
 
 
Takže tolik k tomuto velmi stručnému popisu. Podle času, chuti a finančních možností se bude tento projekt dál rozvíjet, nebo taky ne :). Nedá se říct, že bych se v poslední době nudil, takže uvidíme co bude. I když se jedná o domácí konstrukci, náklady na soušástky nejsou nejmenší. Hrubým odhadem zhruba 10000,-Kč stály věci na jeden prototyp.
 
73! Robin OK2UWQ




Počet shlédnutí: 715