محلل هوائي HF مع وحدة Arduino و DDS: 6 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:39

أهلا

في Instructable سأوضح لك كيف قمت ببناء محلل هوائي منخفض التكلفة يمكنه قياس الهوائي وعرض VSWR الخاص به على أي من نطاقات التردد HF أو جميعها. سيجد الحد الأدنى من VSWR والتردد المقابل لكل نطاق ولكنه سيعرض أيضًا VSWR في الوقت الفعلي لتردد يحدده المستخدم لتسهيل ضبط الهوائي. إذا كانت تجتاح نطاق تردد واحد ، فسيعرض رسمًا بيانيًا لـ VSWR مقابل التردد. كما أن لديها منفذ USB في الخلف لإخراج التردد وبيانات VSWR ، للسماح برسم بياني أكثر دقة على جهاز الكمبيوتر. يمكن أيضًا استخدام منفذ USB لإعادة تحميل البرامج الثابتة إذا لزم الأمر.

دخلت مؤخرًا إلى راديو الهواة (لأنني أحببت فكرة الاتصال من نظير إلى نظير عبر مسافات شاسعة بدون بنية تحتية) وقمت بسرعة بعمل الملاحظات التالية:

1. جميع الاتصالات العالمية التي تهمني تتم على نطاقات التردد العالي (3-30 ميجاهرتز)

2. أجهزة الإرسال والاستقبال عالية التردد باهظة الثمن وسوف تنكسر إذا لم تدفعها إلى هوائي ملائم بشكل معقول

3. من المتوقع عمومًا أن تقوم بتجهيز هوائي HF الخاص بك من قطع الأسلاك المعلقة عبر الحديقة (إلا إذا كنت ترغب في إنفاق أموال أكثر مما أنفقته في 2).

4. قد يكون الهوائي الخاص بك مطابقًا بشكل سيئ ولكنك لن تعرف ما لم تجربه.

الآن من المحتمل أن يقول المتشدد إنه يجب على المرء أولاً اختبار الهوائي على طاقة منخفضة جدًا عند التردد المطلوب والتحقق من VSWR على عداد الحفارة لتقييم جودة المطابقة. ليس لدي الوقت حقًا للتلاعب بهذا النوع من الأشياء لكل تردد قد أرغب في استخدامه. ما أردته حقًا هو محلل هوائي. يمكن لهذه الأجهزة اختبار جودة مطابقة الهوائي بأي تردد عبر نطاقات التردد العالي. لسوء الحظ ، فهي باهظة الثمن أيضًا ، لذلك قررت التفكير فيما إذا كان بإمكاني صنعها. لقد عثرت على العمل الممتاز الذي قامت به K6BEZ (انظر https://www.hamstack.com/project_antenna_analyzer.html) ، الذي بحث في استخدام Arduino للتحكم في وحدة المزج الرقمي المباشر الرخيصة (DDS). سرعان ما تخلى عن Arduino لأسباب تتعلق بالتكلفة ، مفضلاً استخدام الموافقة المسبقة عن علم. حسنًا ، في عام 2017 ، يمكنك شراء Arduino Nano مقابل 3.50 جنيهًا إسترلينيًا تقريبًا ، لذلك اعتقدت أن الوقت قد حان لإعادة زيارة عمله ، والمتابعة من حيث توقف ومعرفة ما يمكنني التوصل إليه (لاحظ أنني لست الوحيد من فعل هذا: هناك بعض الأمثلة الرائعة التي يمكن العثور عليها على الإنترنت).

تحديث (29/7/2018) - تم بناء هذا العمل بشكل كبير بواسطة bi3qwq ، من الصين ، الذي أجرى بعض التحسينات الرائعة على واجهة المستخدم ، والتي شاركها بلطف. لقد صمم PCB احترافيًا للغاية (مع ميزة مقاومة معايرة رائعة) وقام بتصميم جيد المظهر حقًا. وفوق كل ذلك ، فقد أعد مخططًا ، وأنا أعلم أنه سيسعد الكثير ممن علقوا سابقًا. يرجى الاطلاع على قسم التعليقات لمزيد من المعلومات.

تحديث - لقد وصلت مؤخرًا إلى 60 مترًا ، ولم يغطها الرسم الأصلي. لقد قمت الآن بتحميل الإصدار 7 من البرنامج الثابت ، والذي يضيف نطاقي 160 مترًا و 60 مترًا. هذه ليست وظائف إضافية. يتم دمجها بالكامل في تشغيل المحلل. كان من حسن الحظ أنني تمكنت من العثور على خط u8glib الذي كان لا يزال مقروءًا ولكنه سمح لي بعرض عشرة نطاقات في وقت واحد على تلك الشاشة الصغيرة (على الرغم من أنها لم تكن أحادية الفضاء ، مما تسبب في بعض الحزن). لقد قدرت قيم المعايرة للنطاقات الجديدة ، بناءً على الاستيفاء / الاستقراء لقيم المعايرة الحالية. ثم قمت بفحصها باستخدام مقاومات ثابتة وأعطت نتائج جيدة جدًا.

تحديث - كما سأل العديد من الأشخاص عن المخططات ، فإن دائرة جسر Arduino / DDS / VSWR الأساسية لم تتغير إلى حد كبير عن عمل K6BEZ الأصلي. يرجى التحقق من عنوان URL أعلاه للحصول على مخططه الأصلي الذي بنيت عليه هذا المشروع. لقد أضفت برنامج تشفير وشاشة OLED وبرامج ثابتة مطورة بالكامل لتوفير تجربة مستخدم سهلة.

تحديث - يستخدم هذا النظام مصدر إشارة DDS منخفض الجهد للغاية بالتزامن مع جسر مقاوم يحتوي على كاشفات الصمام الثنائي. وبالتالي ، تعمل الثنائيات في مناطقها غير الخطية وتميل إصداري الأول من هذا النظام إلى عدم قراءة VSWR. على سبيل المثال ، يجب أن يُظهر حمل مقاومة 16 أوم أو 160 أوم VSWR حوالي 3 في نظام 50 أوم ؛ يشير هذا المقياس إلى VSWR أقرب إلى 2 في هذه الحالة. لذلك أجريت معايرة للبرنامج باستخدام أحمال معروفة يبدو أنها حل فعال لهذه المشكلة. تم وصف هذا في الخطوة قبل الأخيرة من هذا التدريب وتم تحميل رسم تخطيطي منقح.

تحديث - تمت إضافة ميزة الرسم البياني على اللوحة إلى عمليات المسح الفردية حيث كان من المفيد للغاية استبعادها ، لا سيما عند ضبط أطوال الهوائي للحد الأدنى من VSWR: يمنحك الرسم البياني اتجاهًا مرئيًا على الفور.

الخطوة 1: شراء الأشياء الخاصة بك

سوف تحتاج إلى العناصر التالية. يمكن الحصول على معظمهم بثمن بخس من موقع ئي باي. كان أغلى عنصر منفرد هو الصندوق ، عند إغلاق 10 جنيهات إسترلينية! قد يكون من الممكن استبدال بعض العناصر (لقد استخدمت 47 روبية بدلاً من 50 روبية ، على سبيل المثال). كانت الثنائيات غير عادية إلى حد ما (اضطررت إلى شراء 5 من إيطاليا) وسأستحق استبدال العناصر المتاحة بسهولة إذا كنت تعرف ما تفعله.

• اردوينو نانو
• وحدة DDS (وحدة مولد إشارة DDS AD9850 HC-SR08 موجة جيبية مربعة 0-40 ميجا هرتز)
• شاشة i2c OLED مقاس 1.3 بوصة
• MCP6002 المرجع أمبير (8 دبوس)
• 2 قبالة ديود AA143
• المكثفات الخزفية: 2 من 100 nF ، 3 من 10 nF
• 1 مكثف كهربائيا uF
• المقاومات: 3 من 50 R ، 2 قبالة 10 K ، 2 قبالة 100 K ، 2 قبالة 5 K ، 2 قبالة 648 R
• كتل طرف المسمار اللولبية مقاس 2.54 مم: 3 من 2 دبوس ، 2 من 4 سنون
• سلك ربط أحادي النواة
• 702 أو سلك توصيل مشابه
• شريط
• شريط رأس مربع (أنثى) لتوصيل Arduino و DDS - لا تشتري مواد المقبس الدائري عن طريق الخطأ!
• SO-239 مقبس تركيب الهيكل
• جهاز تشفير دوار (15 نبضة ، 30 أداة فصل) مع مفتاح دفع ومقبض
• "وحدة" التشفير الدوارة الرخيصة (اختياري)
• صندوق المشروع
• مفتاح الفصل الكهربائي
• موصل USB صغير بزاوية يمنى إلى منفذ USB B للتثبيت على الحاجز (50 سم)
• PP3 ومشبك / حامل البطارية
• المشاركات / المواجهات المتصاعدة PCB ذاتية اللصق

ستحتاج أيضًا إلى مكواة لحام وأدوات إلكترونية. تعد الطابعة ثلاثية الأبعاد وحفر العمود مفيدًا للحاوية ، على الرغم من أنك إذا كنت ترغب في ذلك ، فمن المحتمل أن تقوم بتجميع كل شيء على اللوح الشريطي ولا تهتم بصندوق.

من الطبيعي أن تقوم بهذا العمل وتستغل النتائج المتولدة على مسؤوليتك الخاصة.

الخطوة 2: ضع Stripboard

خطط لكيفية ترتيب المكونات على اللوح الشريطي. يمكنك إما القيام بذلك بنفسك ، بالإشارة إلى التخطيطي الأصلي لـ K6BEZ (الذي يفتقر إلى برنامج تشفير أو شاشة - راجع الصفحة 7 من https://www.hamstack.com/hs_projects/antenna_analyzer_docs.pdf) ، أو يمكنك توفير الكثير من الوقت و نسخ تخطيطي.

أقوم بهذه التنسيقات بطريقة بسيطة ، باستخدام ورقة مربعة وقلم رصاص. يمثل كل تقاطع فتحة شريطية. تسير المسارات النحاسية أفقيًا. يمثل التقاطع مسارًا مكسورًا (استخدم مثقاب 6 مم أو الأداة المناسبة إذا كان لديك واحد). تمثل خطوط الدوائر مع مربع حولها الرؤوس. الصناديق الكبيرة ذات البراغي تدل على كتل الموصل. لاحظ أنه في الرسم التخطيطي الخاص بي يوجد خط إضافي يمتد أفقيًا عبر منتصف اللوحة. اترك هذا عند تجميعه (يتم وضع علامة "حذف هذا السطر").

قد يبدو أن بعض المكونات قد تم وضعها بشكل غريب. هذا لأن التصميم تطور بمجرد تشغيل الأجهزة الأساسية (خاصة عندما أدركت أن المشفر يحتاج إلى مقاطعات للأجهزة ، على سبيل المثال).

عند لحام المكونات على السبورة ، أستخدم Blu-Tak لتثبيتها بإحكام في مكانها بينما أقلب اللوحة لألحم الأرجل.

حاولت تقليل كمية الأسلاك التي استخدمتها عن طريق محاذاة وحدة Arduino ووحدة DDS واستخدام اللوح الشريطي فقط لتوصيل دبابيس المفاتيح. لم أكن أدرك في ذلك الوقت أن مقاطعات الأجهزة اللازمة لقراءة المشفر تعمل فقط على المسامير D2 و D3 ، لذلك اضطررت إلى نقل DDS RESET من اتصال D3 الأصلي الخاص به بقليل من الأسلاك:

إعادة تعيين DDS - اردوينو D7

DDS SDAT - اردوينو D4.0

DDS FQ. UD - اردوينو D5.0

DDS SCLK - اردوينو D6

يتم استخدام Arduino D2 & D3 لمدخلات المشفر A & B. D11 يستخدم لإدخال مفتاح التشفير. لم يتم استخدام D12 لكنني اعتقدت أنني سأصنع طرفًا لولبيًا له على أي حال ، للتوسع في المستقبل.

يوفر Arduino A4 و A5 إشارات SDA و SCL (I2C) لشاشة OLED.

يأخذ Arduino A0 & A1 المدخلات من جسر VSWR (عبر OPAMP).

الخطوة 3: قم بتثبيت الوحدات ، وإرفاق الأجهزة الطرفية وفلاش الكود

يجدر اختبار اللوحة قبل مواجهة مشكلة تركيبها في حاوية. قم بتوصيل المكونات التالية باستخدام سلك مرن باللوحة باستخدام الكتل الطرفية اللولبية:

• شاشة OLED مقاس 1.3 بوصة (SDA و SCL متصلان بـ Arduino pin A4 و A5 على التوالي ؛ من الواضح أن الأرض و Vcc تذهب إلى Arduino GND و + 5V)
• المشفر الدوار (هذا يحتاج إلى أرضية وخطي إشارة وخط تبديل - قد تحتاج إلى قلب خطوط التبديل إذا كان المشفر يعمل بطريقة خاطئة - قم بتوصيلها بأرض Arduino و D2 و D3 و D11 على التوالي). لاحظ أنه بالنسبة لعملي في وضع النماذج الأولية ، قمت بتثبيت وحدة التشفير 15/30 على لوحة وحدة التشفير KH-XXX ، حيث أن المسامير الموجودة على أجهزة التشفير العارية واهية للغاية. بالنسبة للوظيفة النهائية ، قمت بلحام الأسلاك مباشرة على جهاز التشفير.
• بطارية 9 فولت
• مقبس SO-239 - قم بلحام الدبوس المركزي بخط إشارة الهوائي واستخدم طرف حلقة M3 ومسمار لأرضية الهوائي

قم بوميض الرسم التالي على Arduino. تأكد أيضًا من قيامك بتضمين مكتبة برامج تشغيل OLED الجيدة جدًا من Oli Kraus ، وإلا فسوف يتعطل التكميل ويحترق:

إذا كانت شاشة OLED الخاصة بك مختلفة قليلاً ، فقد تحتاج إلى إعداد تكوين مختلف في u8glib ؛ هذا موثق جيدًا في كود مثال أولي.

الخطوة 4: ضع كل شيء في صندوق جميل (اختياري)

فكرت بجدية في ترك المحلل كلوحة عارية ، حيث كان من المحتمل أن يتم استخدامه من حين لآخر فقط. على الرغم من التفكير ، اعتقدت أنه إذا كنت أقوم بالكثير من العمل على هوائي واحد ، فقد ينتهي به الأمر بالتلف. لذلك ذهب كل شيء في صندوق. لا فائدة من الخوض في التفاصيل حول كيفية القيام بذلك ، حيث من المحتمل أن يكون صندوقك مختلفًا ، ولكن بعض الميزات الرئيسية تستحق الذكر:

1. استخدم مواجهات PCB ذاتية اللصق لتركيب اللوح الشريطي. إنهم يجعلون الحياة سهلة حقًا.

2. استخدم سلك USB قصيرًا لإخراج منفذ Arduino USB في الجزء الخلفي من العلبة. ثم يسهل الوصول إلى المنفذ التسلسلي للحصول على التردد مقابل بيانات VSWR وأيضًا لإعادة تحميل Arduino دون إزالة الغطاء.

3. لقد قمت بتطوير جزء مخصص مطبوع ثلاثي الأبعاد لدعم شاشة OLED ، حيث لم أتمكن من العثور على أي شيء على الويب. يحتوي هذا على فترة راحة للسماح للمرء بإدخال قطعة 2 مم من الأكريليك لحماية الشاشة الهشة. يمكن تركيبه إما باستخدام شريط على الوجهين أو براغي ذاتية التنصت (مع وجود علامات التبويب على كلا الجانبين). بمجرد تركيب الشاشة ، يمكنك استخدام سلك ساخن (مثل مشبك الورق ومصباح النفخ) لإذابة دبابيس PLA في الجزء الخلفي من لوحة الدائرة لتأمين كل شيء. هذا ملف STL لأي شخص مهتم:

الخطوة 5: المعايرة

في الأصل لم أقم بأي معايرة لكنني اكتشفت أن مقياس VSWR كان يقرأ باستمرار منخفضًا. هذا يعني أنه على الرغم من أن الهوائي يبدو على ما يرام ، إلا أن جهاز التشغيل الآلي لجهاز الحفر الخاص بي لم يكن قادرًا على مطابقته. تنشأ هذه المشكلة لأن وحدة DDS تعطي إشارة سعة منخفضة للغاية (حوالي 0.5 Vpp عند 3.5 MHz ، تتدحرج مع زيادة التردد). وبالتالي فإن الثنائيات الكاشف في جسر VSWR تعمل في منطقتها غير الخطية.

هناك نوعان من الحلول الممكنة لهذا. الأول هو ملاءمة مضخم النطاق العريض لإخراج DDS. تتوفر الأجهزة المناسبة المحتملة بثمن بخس من الصين وستعمل على زيادة الإنتاج إلى حوالي 2 فولت ص. لقد طلبت أحد هذه الأجهزة ولكن لم أجربها بعد. شعوري هو أنه حتى هذه السعة ستكون هامشية بعض الشيء وستبقى بعض اللاخطية. الطريقة الثانية هي وضع أحمال معروفة على خرج العداد الحالي وتسجيل VSWR المعروض في كل نطاق تردد. يتيح لك هذا إنشاء منحنيات تصحيح لـ VSWR الفعلية مقابل VSWR المبلغ عنها ، والتي يمكن وضعها بعد ذلك في رسم Arduino لتطبيق التصحيح بسرعة.

لقد اعتمدت الطريقة الثانية لأنها كانت سهلة. ما عليك سوى الحصول على المقاومات التالية: 50 و 100 و 150 و 200 أوم. في هذه الأداة 50 أوم ، سوف تتوافق هذه مع VSWRs من 1 و 2 و 3 و 4 حسب التعريف. يوجد في الرسم مفتاح "use_calibration". اضبط هذا على LOW وقم بتحميل الرسم التخطيطي (الذي سيعرض تحذيرًا على شاشة البداية). ثم قم بإجراء القياسات في مركز كل نطاق تردد لكل مقاوم. استخدم جدول بيانات لرسم مخطط VSWR المتوقع مقابل المعروض. يمكنك بعد ذلك عمل منحنى لوغاريتمي مناسب لكل نطاق تردد ، والذي يعطي مُضاعِفًا وتقاطعًا بالشكل TrueVSWR = m.ln (MeasuredVSWR) + c. يجب تحميل هذه القيم في صفيف swr_results في آخر عمودين (انظر بيان التعليق السابق في الرسم التخطيطي). هذا مكان غريب لوضعهم لكنني كنت في عجلة من أمري ، وبما أن هذه المصفوفة تطفو ، بدا الأمر وكأنه اختيار معقول في ذلك الوقت. ثم أعد مفتاح use_calibration إلى HIGH ، وأعد تحميل ملفات Arduino وأوقف تشغيله.

لاحظ أنه عند إجراء قياسات التردد النقطي ، يتم تطبيق المعايرة للاختيار الأولي للنطاق. لن يتم تحديث هذا إذا قمت بإجراء تغييرات إجمالية في التردد.

الآن يقرأ العداد كما هو متوقع للأحمال الثابتة ويبدو أنه منطقي عند قياس الهوائيات! أظن أنني قد لا أزعج نفسي بتجربة مضخم النطاق العريض عند وصوله …

الخطوة 6: استخدام المحلل

قم بتوصيل الهوائي عبر سلك PL-259 وتشغيل الجهاز. سيعرض شاشة البداية ثم يقوم تلقائيًا بإجراء مسح لجميع نطاقات HF الرئيسية. تعرض الشاشة التردد قيد الاختبار ، وقراءة VSWR الحالية ، والحد الأدنى لقراءة VSWR والتردد الذي حدثت به. من أجل تقليل ضوضاء القياس ، يتم إجراء خمسة قياسات لـ VSWR في كل نقطة تردد ؛ ثم يتم تمرير القيمة المتوسطة لهذه القراءات الخمس من خلال مرشح متوسط متحرك من تسع نقاط فيما يتعلق بالتردد قبل عرض القيمة النهائية.

إذا كنت تريد إيقاف مسح جميع النطاقات ، فما عليك سوى الضغط على مفتاح التشفير. سيتوقف المسح وسيتم عرض ملخص لجميع بيانات النطاق التي تم جمعها (مع القيم الخالية لتلك النطاقات التي لم يتم مسحها بعد). ضغطة ثانية ستظهر القائمة الرئيسية. يتم إجراء الاختيارات عن طريق تدوير المشفر ثم الضغط عليه في النقطة المناسبة. هناك ثلاثة خيارات في القائمة الرئيسية:

سيؤدي مسح جميع النطاقات إلى إعادة تشغيل المسح لجميع نطاقات التردد العالي الرئيسية. عند الانتهاء ، ستعرض شاشة الملخص الموصوفة أعلاه. اكتب هذا أو التقط صورة إذا كنت تريد الاحتفاظ بها.

يتيح لك النطاق الفردي المطاطي تحديد نطاق واحد باستخدام المشفر ثم مسحه. يتم عرض كل من الطول الموجي ونطاق التردد أثناء التحديد. عند انتهاء المسح ، ستعرض ضغطة ثانية على المشفر رسمًا بيانيًا بسيطًا لـ VSWR مقابل رسم بياني للتردد للنطاق الذي تم اكتساحه للتو ، مع إشارة رقمية للحد الأدنى من VSWR والتردد الذي حدث. هذا مفيد للغاية إذا كنت تريد معرفة ما إذا كنت تريد تقصير أو إطالة أذرعك ثنائية القطب ، حيث إنه يظهر اتجاه VSWR مع التردد ؛ يتم فقدان هذا مع التقرير الرقمي البسيط.

يسمح لك التردد الفردي باختيار تردد ثابت واحد ثم تحديث قياس VSWR المباشر باستمرار ، لأغراض ضبط الهوائي في الوقت الفعلي. حدد أولاً نطاق التردد ذي الصلة ؛ ستعرض الشاشة بعد ذلك التردد المركزي للنطاق المختار وقراءة VSWR الحية. يتم تطبيق معايرة النطاق ذات الصلة في هذه المرحلة. سيتم وضع خط تحته أحد أرقام التردد. يمكن نقل هذا إلى اليسار واليمين باستخدام برنامج التشفير. الضغط على جهاز التشفير يشجع الخط ؛ عندئذٍ سيؤدي تدوير المشفر إلى تقليل الرقم أو زيادته (0-9 بدون التفاف أو حمل). اضغط على المشفر مرة أخرى لإصلاح الرقم ، ثم انتقل إلى الرقم التالي. يمكنك الوصول إلى أي تردد إلى حد كبير عبر طيف الترددات العالية بالكامل باستخدام هذه الميزة - يساعد اختيار النطاق في البداية على تقريبك من المكان الذي ربما تريد أن تكون فيه. ومع ذلك ، هناك تحذير: يتم تحميل معايرة النطاق المحدد في البداية. إذا ابتعدت كثيرًا عن النطاق المحدد عن طريق تغيير الأرقام ، فستصبح المعايرة أقل صحة ، لذا حاول البقاء ضمن النطاق المختار. عند الانتهاء من هذا الوضع ، انقل الشرطة السفلية بالكامل إلى اليمين حتى تكون أسفل "خروج" ، ثم اضغط على برنامج التشفير للعودة إلى القائمة الرئيسية.

إذا قمت بتوصيل جهاز الكمبيوتر الخاص بك بمقبس USB في الجزء الخلفي من المحلل (على سبيل المثال في Arduino) ، فيمكنك استخدام شاشة Arduino التسلسلية لجمع التردد مقابل قيم VSWR أثناء أي عملية مسح (تم ضبطها حاليًا على 9600 ولكن يمكنك تغيير ذلك بسهولة عن طريق تحرير رسم بياني). يمكن بعد ذلك وضع القيم في جدول بيانات حتى تتمكن من رسم المزيد من الرسوم البيانية الدائمة وما إلى ذلك.

تُظهر لقطة الشاشة ملخص VSWR للهوائي الرأسي لعمود الصيد بطول 7.6 متر مع 9: 1 UNUN. يمكن أن تستوعب منصة الحفر الخاصة بي 3: 1 بحد أقصى SWR مع وحدة الضبط التلقائي الداخلية الخاصة بها. يمكنك أن ترى أنني سأكون قادرًا على ضبطه على جميع النطاقات باستثناء 80 مترًا و 17 مترًا. لذا يمكنني الآن الاسترخاء في معرفة أن لدي هوائي متعدد الموجات قابل للاستخدام ولن أقوم بتحطيم أي شيء باهظ الثمن عند الإرسال على غالبية النطاقات.

حظا سعيدا وآمل أن تجد هذا مفيدا.