HF/NF-Tastkopf mit Arduino Uno

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1 HF/NF-Tastkopf mit Ardino Uno Angestoßen von Frank, DD1FR, haben Ldwig nd ich in 014 angefangen, ns mit dem Ardino Uno z befaen. Das Ardino Uno Microcontroller-Board mit einem ATMega38 Chip von Atmel wird von verschiedenen Elektronik-Versandhändlern angeboten, z.b. von [1]. Einen ersten Einstieg gibt das Büchlein von Maimo Banzi, "Ardino für Einsteiger", das wir ns besorgt hatten []. Ldwig, DGKHL, hat fast alle darin beschriebenen Beispiele asprobiert nd ab nd an af nseren Dienstagstreffen an der Clbstation von G01 vorgeführt. Af der Ideensche nach eigenen Projekten, ist mir der HF/NF-Tastkopf der QRP AG eingefallen, den Ldwig nd ich vor ein paar Jahren im Zsammenhang mit nseren BITX-Verschen besorgt hatten [3], siehe Bild 1 nd. Statt ein Digitalvoltmeter an den HF/NF-Tastkopf anzschließen nd as dem Mewert über die Kennlinien in [3] af die Spitze-Spitze-Spannng am Eingang des Tastkopfs - der Tastspitze - z schließen, ist die Idee, die A/D-Eingänge des Ardino z ntzen nd die Kennlinien in die Software "einzbaen". Dabei gibt es für HF- nd NF-Signale verschiedene Kennlinien, die wiederm in zwei Mebereiche (nterer nd oberer Mebereich) nterteilt sind [3]. Die Spitze-Spitze-Spannng soll dann über ein LCD-Display angezeigt werden. Bild 1: HF/NF-Tastkopf der QRP AG. Mit der Krokodilklemme wird der Maeanschl hergestellt Bild : Das Innenleben des HF/NF-Tastkopfs. Mit den beiden nach links weggehenden Leitngen (rt, sw) wird die gleichgerichtete Spannng z einem Digitalvoltmeter oder z einer Verstärkerschaltng geführt Die Asgangspegel des HF/NF-Tastkopfs sind znächst an die A/D-Eingänge des Ardino anzpaen, die den Pegelbereich von 0-5 V erfaen können. Bild 3 zeigt die Schaltng mit Operationsverstärkern. Der Tastkopf richtet das HF- oder NF-Signal mit einer Greinacher-Schaltng zr Spannngsverdopplng gleich. Am Asgang des Tastkopfs sind zwei Anschlleitngen mit Bananensteckern vorhanden, die üblicherweise z einem Digitalvoltmeter geführt werden, m die Asgangpannng z meen (rote nd schwarze Leitng, siehe rt nd sw in Bild 1 nd ). Die Verstärkerschaltng ist am Asgang mit den drei A/D-Eingängen des Ardino A0, A1 nd A verbnden. Der Eingang nd die Asgänge der Schaltng sind jeweils mit 5,1 V Zenerdioden geschützt, damit die A/D-Eingänge des Microcontroller-Boards bei z hohen gleichgerichteten Spannngen des Tastkopfs keinen Schaden nehmen. Liegt am Asgang A ein Pegel von 0,3 V vor, so wird in der Software des Ardino der ntere Mebereich (abgekürzt: M) gewählt nd das Signal am Asgang A1 asgewertet. An A1 liegt das drch den Operationsverstärker OP1 m den Faktor 16 verstärkte Signal an: V = + R R 16, also maximal die Gleichspannng A1 = 16 ein = 4,8 V OP =. Diese liegt nter der Erfangsgrenze von 5 V des A/D-Wandlers nd noch hinreichend detlich nter der Zenerspannng von 5,1 V. Ist die Spannng an A größer als 0,3 V, so wählt das Programm zr Aswertng das Signal an A0, das drch OP m den Faktor zwei verstärkt wrde: V = + R R. Danach dürfte die OP = Eingangpannng an OP maximal,5 V betragen, damit der Erfangsbereich des A/D- Wandlers von 5 V nicht überschritten wird. Um einen sicheren Abstand von dieser Grenze 1/9

2 einzhalten, wird per Software ab Spitze-Spitze-Spannngen an der Tastkopfspitze von =,3 V angezeigt, da das Eingangignal z hoch ist. Bild 3: HF/NF-Tastkopf der QRP AG nd Verstärkerschaltng zr Anpang der Pegel an die A/D-Eingänge des Ardino Uno Operationsverstärker OP1 läft für Pegel von ein am Eingang der Verstärkerschaltng (siehe Bild 3) in dieser Größe schon längst in Sättigng. Der Stromverbrach der Verstärkerschaltng steigt daher an, erreicht jedoch bei maximal ca. 5,5 ma. ein 3 V Bild 4 zeigt die Beschaltng des Ardino Uno Boards. Das angeschloene LCD-Display hat zwei Zeilen nd verfügt über eine LED-Hintergrndbelechtng [4]. Mit dem Potentiometer P1 kann der Kontrast der LCD-Anzeige eingestellt werden. Bild 4: Ardino Uno Board mit angeschloenem zweizeiligen LCD-Display. Die Eingänge der A/D-Wandler A0, A1 nd A werden mit der Verstärkerschaltng von Bild 3 verbnden. Der Schalter S1 ist an den digitalen Eingangspin 7 angeschloen nd dient zr Wahl des Memods des Tastkopfs für HF oder NF /9

3 Af die mit der Dokmentation zm Basatz für den HF/NF-Tastkopf mitgelieferten Kalibrierkrven wollte ich mich nicht alleine stützen [3]. Bild 5 zeigt den hier gewählten Afba für die Kalibrierng. Vom Sinsgenerator DDS 0 G führt ein 40 cm langes RG 58 Koaxialkabel af den Eingang des Tektronix Oszilloskops DPO 014 mit einem Eingangswiderstand von 1 MΩ. Über ein BNC-T-Stück greift der Tastkopf mit seiner Spitze (vgl. Bild 1) die Spannng ab. Die tatsächliche Spitze-Spitze- Spannng des Sinignals wird am Oszilloskop abgelesen. Das am Tastkopf angeschloene Digitalvoltmeter PeakTech 3315 zeigt die Asgangsgleichspannng des Tastkopfs. Bild 5: Kalibrierng des Tastkopfs zr Ermittlng des Zsammenhangs zwischen nd Die ermittelten Datenpaare sind für den nteren Mebereich, 0 < 0,3 V, (ach mit "M" abgekürzt, Datenpnkte: Kreise) nd den oberen Mebereich ("om", Datenpnkte: Dreiecke) in Bild 6 für eine Meng bei 8 MHz dargestellt. Die Daten können drch Fitfnktionen angenähert werden: HF = f, (1) i ( ) wobei der Index i für M oder om steht, nd der Index HF die Näherngsfnktion für die HF- Meng bei 8 MHz bezeichnet. Die Näherngsfnktionen werden mit der Methode der kleinsten Fehlerqadrate ermittelt. Für den nteren Mebereich wird ein Polynom vierten Grades nd für den oberen Mebereich ein Polynom zweiten Grades gewählt. Die nmerische Lösng ergibt: 3 4 ( ) = 0,0173 +, , , , ( ) = 0, ,679 0, HF = f M 9154 =, () HF f om wobei in Volt einzsetzen ist. Die Näherngsfnktionen () sind in Bild 6 für den nteren Mebereich in rot nd für den oberen in bla eingezeichnet. Wie z erkennen ist, werden die experimentell bestimmten Datenpaare drch diese Fnktionen sehr gt angenähert. Das Bestimmtheitsmaß R erreicht für beide Fnktionen Werte größer als 0,999., Oszilloskop, Mewert nterer Bereich, V oberer Bereich, >0.3 V Fitkrven Polynome 4. Grades, R = Grades, R = HF Tastkopf, QRP; DDS 0 G, Sins, f = 8 MHz Bild 6: Kalibrierng des HF/NF-Tastkopfs für ein Sins-Signal mit 8 MHz. Kreise, Dreiecke = Datenpnkte, rote nd blae Krve = Fitfnktionen zr Beschreibng des nteren nd oberen Mebereichs, siehe () HF-Tastkopf, Mewert 3/9

4 Mit den Mewerten für nd kann der Spannngsabfall an den Gleichrichterdioden im HF/NF-Tastkopf abgeschätzt werden. Für die Asgangpannng des Tastkopfs gilt näherngsweise: = d, (3) wobei den Spannngsabfall an einer Diode des Tastkopfs beschreibt. Der Faktor zwei an d jedem der beiden Terme af der rechten Seite von (3) berücksichtigt die Spannngsverdopplerschaltng der Tastkopfs. Die Beziehng (3) wird nach d afgelöst: 1 d = ( ). (4) Mit den Medaten von Bild 6 folgt für d ein Bereich von 10 mv bis 10 mv. In analoger Weise wird der Tastkopf für NF bei einer Freqenz von 1 khz kalibriert. Für die Näherngsfnktionen im nteren nd oberen Mebereich resltiert: 3 4 ( ) = 0, ,801 1, , , ( ) = 0, , , NF = f M NF fom 0465 =, (5) wobei wieder in Volt einzsetzen ist. Bild 7 zeigt die afgenommenen Daten nd die beiden Näherngsfnktionen für den nteren nd oberen Mebereich, wieder in rot nd bla dargestellt. Mit den Fnktionen () nd (5) kann nn per Software af dem Ardino as einem gemeenen Wert der Asgangpannng des Tastkopfs die Spitze-Spitze-Spannng an der Tastspitze berechnet werden. Den Ablafplan der Software zeigt Bild 8. Znächst wird die Stellng des Schalters S1 abgefragt, m z entscheiden, ob eine NF- oder eine HF-Meng drchgeführt werden soll. Das Programm verzweigt in den entsprechenden Pfad nd liest zerst den Pegel an A ein. Anhand dieses Pegels wird entschieden, ob der ntere oder der obere Mebereich vorliegt. In nächsten Schritt wird der zgehörige OP-Asgang - also entweder A0 oder A1 - asgelesen nd mit den Fnktionen f HF, f HF im Falle der HF-Meng, vgl. (), oder NF, f NF f für die NF-Meng, vgl. (5), wird die M om M om Spannng an der Tastkopfspitze berechnet. Ist >,3 V, wird af dem Display für 3 s "Eingangignal z hoch" angezeigt. Schließlich wird das Ergebnis in V sowie der zgehörige Memods - NF oder HF - nd der gewählte Mebereich - M oder om - af dem LCD-Display, Oszilloskop, Mewert nterer Bereich, V oberer Bereich, >0.3 V Fitkrven Polynome 4. Grades, R = Grades, R = NF Tastkopf, QRP; DDS 0 G, Sins, f = 1 khz Bild 7: Kalibrierng des HF/NF-Tastkopfs für ein Sins-Signal mit 1 khz. Kreise, Dreiecke = Datenpnkte, rote nd blae Krve = Fitfnktionen zr Beschreibng des nteren nd oberen Mebereichs, siehe (5) NF-Tastkopf, Mewert 4/9

5 angezeigt. Bei der HF-Meng wird zsätzlich as der ermittelten Spitze-Spitze-Spannng die zgehörige Leistng an 50 Ω in dbm angegeben. Dies ermöglicht der Befehlsmfang der für den Ardino eingesetzten Programmiersprache Proceing (eine C ähnliche Sprache), da z diesem ach die Logarithmsfnktion gehört. Bild 8: Programmablafplan der Software für den Ardino Uno. MB Mebereich, M nterer Mebereich, om oberer Mebereich Die Verstärkerschaltng wird af einer kleinen Lochrasterplatine afgebat. Für den Entwrf dieser Platine habe ich wieder das Programm Loch Master eingesetzt [5]. Dabei werden die Komponenten R10 nd P1 as Bild 4 mit eingeplant. Bild 9 zeigt die geplante Anordnng der Bateile. Die Anschlüe zm Ardino Uno, dem LCD-Display sowie dem Tastkopf sind als Lötstifte asgeführt, so da steckbare Verbindngsleitngen z den anderen Komponenten verwendet werden können. Bild 10 zeigt den realisierten Afba. Die Abmengen der Platine betragen 40 x 40 mm. Jetzt kann alles in Betrieb genommen werden. Der Tastkopf wird an die Verstärkerplatine angeschloen nd diese wird dem Ardino Uno Board verbnden. Bild 11 zeigt eine Ansicht des Ardino Uno Boards. In Bild 1 ist die LCD-Anzeige bei einer Meng im Betriebsmods NF z sehen. In der ersten Zeile wird die ermittelte Spitze-Spitze-Spannng "U = 0.8 V" angezeigt nd der Betriebsmods "NF". Die zweite Zeile gibt an, da im nteren Mebereich gemeen wird. 5/9

6 Bild 9: Planng der Verstärkerschaltng af einer Lochrasterplatine Bild 10: Fertig bestückte Platine der Verstärkerschaltng Bild 13 zeigt ein Beispiel für eine Anzeige bei der HF-Meng mit der Spitze-Spitze-Spannng nd der Leistng an 50 Ω in dbm. Nachdem alles afgebat ist nd fnktioniert, wollen wir schließlich noch die Richtigkeit nseres HF/NF-Tastkopfs mit angeschloenem Ardino prüfen. Wir beziehen ns dabei af die Meng der Spitze-Spitze-Spannng mit dem Oszilloskop DPO 014 nd vergleichen diese mit der Anzeige af dem LCD-Display nserer Schaltng. Im Idealfall sollten diese Werte übereinstimmen. Bild 14 zeigt das Ergebnis der Prüfmengen für den HF-Betrieb bei einem Sinignal von 8 MHz. Afgetragen ist die Spitze-Spitze-Spannng, die af dem LCD-Display angezeigt wird, als Fnktion der Spitze-Spitze-Spannng, die mit dem Oszilloskop an der Tastspitze gemeen wird. Im Idealfall sollte die Steigng der Asgleichsgeraden eins betragen. Der ermittelte Wert der Steigng der Regreionsgeraden kommt dem sehr nahe, er liegt bei Ach das Bestimmtheitsmaß erreicht fast den Maximalwert: Bild 11: Das Ardino Uno Board mit dem Atmega 38P Prozeor. Links oben befindet sich ein Taster zm Reset. Die Bchse links oben dient zm Anschl des USB-Verbindngskabels zm PC. Links nten: Bchse für die Versorgng mit Gleichspannng über ein Steckernetzteil 6/9

7 Bild 1: Anzeige af dem LCD-Display bei einer NF-Meng Bild 13: Anzeige af dem LCD-Display bei einer HF-Meng. Neben der Spitze- Spitze-Spannng in der ersten Zeile wird in der zweiten Zeile die Leistng an 50 Ω in dbm angegeben Zsätzliche Datenpnkte bei anderen Signalfreqenzen - nd zwar 1 MHz nd 18 MHz - zeigt Bild 15. Ach diese liegen nah an der Asgleichsgeraden, ihre Abweichng ist tendenziell etwas höher als für die Datenpnkte des 8 MHz Signals. In analoger Weise habe ich die Richtigkeit der NF-Meng geprüft. Hier sind die Abweichngen etwas größer, sie liegen für -Werte zwischen 0,11 V nd,3 V bei < %. In Anhang 1 sind die technischen Daten des HF/NF-Tastkopfs mit Verstärkerschaltng nd Ardino Uno zsammengefat. HF-Tastkopf-Ardino, Anzeige Meng lineare Fitkrve, Steigng , R = Oszilloskop, Mewert HF-Tastkopf, QRP; DDS 0 G, Sins, f = 8 MHz Bild 14: Anzeige der Spitze-Spitze-Spannng af dem LCD-Display als Fnktion der Spitze- Spitze Spannng an der Tastkopfspitze. Offene Kreise = Mepnkte für ein Sinignal mit 8 MHz, blae Krve = Asgleichsgerade 7/9

8 HF-Tastkopf-Ardino, Anzeige Meng, 8 MHz lineare Fitkrve, Steigng , R = MHz 18 MHz HF-Tastkopf, QRP; DDS 0 G, Sins Bild 15: Anzeige der Spitze-Spitze-Spannng af dem LCD-Display als Fnktion der Spitze- Spitze Spannng an der Tastkopfspitze. Offene Kreise = Mepnkte für ein Sinignal mit 8 MHz (gleiche Daten wie Bild 14), rote Dreiecke = Mepnkte bei 1 MHz, grüne Qadrate = Mepnkte bei 18 MHz Oszilloskop, Mewert , Reinhard, DF1RN Anhang 1 Technische Daten des HF/NF-Tastkopfs mit Ardino Uno nd LCD-Display Kenngröße Daten Bemerkngen Mebereich HF/NF, mschaltbar Mebereich NF 0,06 V -,3 V Kalibrierfreqenz 1 khz, vgl. Bild 7 Mensicherheit NF < % für von 0,11 V bis,3 V bei 1 khz Mebereich HF P 50Ω 0,06 V -,3 V Kalibrierfreqenz 8 MHz, vgl. Bild 6-0 dbm - 11 dbm Mensicherheit HF 0,5 % für von 0,06 V bis,3 V bei 8 MHz Verstärkerschaltng OP, x, x 16 Bild 3 Stromversorgng des Verstärkers Stromverbrach Blockbatterie, 9 V, 5,5 ma Abmengen Verstärkerplatine 40 x 40 mm Bilder 9, 10 Ardino Uno ATMega38 Chip Bild 11 Stromversorgng Steckernetzteil, 9 V Abmengen Ardino Uno 53 x 70 mm Bild 11 LCD-Display zweizeilig, 16 x Bilder 1, 13 Abmengen Display 75 x 15 mm 8/9

9 Literatr [1] Reichelt GmbH, Preis 3,95 ( ) [] Maimo Banzi, Ardino für Einsteiger, O Reilly, 01, ISBN , 1 S. [3] HF/NF-Tastkopf, DL-QRP-AG, QRPproject, Motzener Str , 177 Berlin, Basatzpreis: 3,- ( ) [4] Reichelt GmbH, Pnktmatrix-LCD-Modl mit LED-Hintergrndbelechtng, 16 x, Artikel-Nr. LCD 16C LED. Preis 6,50 ( ) [5] Loch Master, Version 3.0, ABACOM Ingeniergesellschaft, 9/9