Der Wunsch

Ich wollte einen selbstgebauten µWattmeter haben; kaufen ist zu langweilig ;-).

Auf der Suche bin ich auf einen in der CQDL (9/2002,11/2002) gestoßen. Leider mit Spezial-Teilen, die ich nicht so bekommen konnte. Da der Programm-Code für die CPU nicht zur freien Verfügung steht, hätte vom Verfasser auch eine programmierte CPU gekauft werden müssen  (3-facher Materialpreis, zu teuer).

Außerdem wären keine Änderungen im Programm möglich gewesen.

Im WWW  wurde ich fündig: ein Projekt mit PIC Controller. Es konnte aber leider nur ein Powerkopf angeschlossen werden. War also auch nicht das, was mir vorschwebte.

(Mittlerweile ist das Projekt auch mit zwei Messeingängen verfügbar,  was soll’s; ich wollte eh selber entwickeln :-).

Gut, selber den Grips anstrengen und genau überlegen. Was will ich?

• Controller ein AVR (ich mag die lieber als die PIC’S)
• Zwei Powerköpfe 
• dBm / Watt Anzeige
• Abschwächer / Verstärker einrechenbar
• Erweiterbar
• Kalibrierbar über Software
• RS 232 Schnittstelle
• Einseitige Platine
• Teile beschaffbar und Bezahlbar ;-)
• Abgesetzte Messköpfe
• Von anderen nachbaubar

Das Ergebnis

Und hier meine Bauanleitung für ein µWattmeter auf Basis eines AVR Microcontrollers, Maxim 8 Kanal 12 bit A/D Wandler und linear Detektor von Analog Devices.

Ich hoffe, dass ich alle Informationen beigefügt habe, es soll letztendlich ein Bastel-projekt sein, das  jeder nach seinen Bedürfnissen selber ändern oder erweitern kann.

Das Controller Board ist meines Erachtens so universell gehalten, das prinzipiell andere  Messgrößen angezeigt werden können, vorausgesetzt, der eigene Messwandler wird für den A/D Wandler skaliert und die Software angepasst

(Wer möchte kann z.B. den Luftdruck mit Beleuchtungsstärke verknüpfen :-). Die Software für den  AVR ist mit FastAVR (Basic) geschrieben, so sollte es möglich sein, schnell seine eigenen Wünsche in die SW einzubringen.

Die C'ler und ASM Programmierer mögen mir den Spagetti-Code verzeihen!

Genaueres

Die CPU, ein AVR Mega 8515 16PU, der Nachfolger vom AT 90S8515.

Der Mega hat einen internen Oszillator, bei dem µW Meter Board ist allerdings ein Quarz on Board. Damit sind höhere Taktfrequenzen möglich. Wer mit einem Rechner-Takt bis 8 MHz leben kann, kann auf den Quarz verzichten und den internen Oszillator nutzen.

In diesem Fall muss die SW angepasst werden!

Bei 16 MHz muss man auf die Bezeichnung  16PU achten, das sind die Schnellen.

Der AVR hat ein 512 Byte großes EEprom, in diesem Speicher werden die Kalibrierdaten für die Powerköpfe abgelegt. Info am Rande: Das EEprom kann „nur“  etwa 100.000 mal überschrieben werden.

Der Programmspeicher ist ein 8kByte großer Flash-Speicher. Programmiert wird über eine ISP-Schnittstelle (auf dem Board vorhanden und als Standard ausgelegt).

Programmiert wird über ein Programmier-Adapter 10-polig, die Versorgung des Programmier-Adapters kann vom Board erfolgen.

Als Programmer kann ich PonyProg mit low-cost Adapter oder einen aktiven Adapter von ATMEL  mit SW (oder einen Clon aus dem WWW) empfehlen. Beide Versionen sind schnell selbst zu bauen oder können schon für wenige Euros fertig erworben werden.

Persönlich setze ich ein aktiven Programmer ein, der kann über einen USB zum
RS 232 Kabel betrieben werden.

Der Prozessor besitzt ein 512 Byte großes RAM, für Rechenoperationen und allgemeine, variable Daten.

Ein Blick in das AVR Manuel kann mit Sicherheit nicht schaden!

Der Analog/Digital Wandler von Maxim, ist ein MAX 186. Ein 12-Bit Wandler mit 8 Messkanäle, von denen 7 für eigene Aufgaben zur Verfügung stehen.

Der achte Kanal ist über einen 1: 1 Spannungsteiler an die Versorgungsspannung angeschlossen. Damit ist es möglich die Funktion des Wandlers schnell zu überprüfen.

Eine Referenzspannung ist für den Wandler nicht nötig. Er bringt eine 4.096 V Referenz mit, die für das Projekt ausreichend sein sollte, aber wer möchte, hat auch hier einen Punkt für Verbesserungen.

Im übrigen, der aufmerksame Leser hat sicherlich bemerkt, die 4.096 Volt Referenz und die 12-Bit des Wandlers ergeben eine Auflösung von 1 mV (nicht mit Genauigkeit verwechseln).

Auch hier lohnt ein Blick in das Datenblatt.

Sonstige Teile.

Es ist eine RS 232 Schnittstelle mit Maxim Max 232 Buffer integriert.

LCD-Display Anschluss für ein 4x20 Display, wahlweise mit oder ohne Beleuchtung. Ein Vorwiderstand für die Beleuchtung ist bereits auf dem Board.

14-poliger Anschluss für Tasten / LED’s.

Spannungs-Stabilisierung auf 5 V mit einem 7805.

Ein Erweiterungsport 5-polig, wofür auch immer.

16 MHz Quarz für den AVR.

+

Der Schaltplan

Bestückung

Wie es üblich ist, wird von „flach“ nach „hoch“ bestückt, also erst die Drahtbrücken zuletzt der Spannungsregler.

Der Powermesskopf mit AD 8313

Hier der Aufbau eines Powermesskopfes mit einem IC von Analog Devices, AD 8313. Das AD 8313 ist ein logarithmischer Detektor, einfach gesagt,  dB werden auf einer Voltskala abgebildet. 

Es ist sicherlich eine gute Idee das Datenblatt vom AD 8313 zu studieren.
Auch einen Blick in die Datenblätter der Artverwandten sollte nicht schaden (z.B  AD 606, AD 640, AD 641, AD 8301), wenn man sich mal einen anderen Detektor entwerfen möchte).

Schaltplan des Powerkopfes

Stückliste (Teile sind nur für einen Kopf aufgeführt.)

R1   1K5
R2   10
R3   10
R4   NC
R5*  53.6 (100||110 = 52.4) s.Text
R6   3k3
R7   3k3
C1   0.1µ
C2   0.1µ
C3   680p
C4   680p
C5   0.1µ
C6   0.1µ
C7   680p
OP     TS 912
IC1  AD 8313    Stecker HF-Seite
Regler 78L05    Stecker für Geräteseite

Die SMD-Bauteile sind in der Bauform 0805.
Nur der 110 Ohm Widerstand ist als Bauform 1206 bestückt.

Aufbau

R5 und R5’ im Schaltplan sind zwei SMD-Widerstände, die auf der Platine “Huckepack” aufgelötet sind. Bei den Widerständen handelt es ich um den Wert
100 Ohm (als Bauform 0805) und 110 Ohm  (als Bauform 1206).
Diese beiden Widerstände bestimmen den Eingangswiderstand. Nun wird der aufmerksame Leser einwenden, 100 Ohm || zu 110 Ohm sind doch
52.4 Ohm und wir wollen doch 50 Ohm als Eingangswiderstand haben! Goldrichtig!
Der AD 8313 hat laut Datenblatt einen Eingangswiderstand von ca 900 Ohm.
Um auf 50 Ohm zu kommen müsste laut Datenblatt eigentlich ein 53.6 Ohm Widerstand parallel zum AD 8313 kommen. So ein Widerstand ist nicht so einfach zu bekommen. Deswegen der Griff zum 100 Ohm und 110 Ohm Widerstand.
Durch Austausch der Parallelwiderstände sollte es auch möglich sein, einen anderen R_in z.B. 75 Ohm zu bekommen. Wer’s brauchen kann....

Die Platine ist ursprünglich größer, um sie selber ans Gehäuse anpassen zu können. Ich habe das ganze in ein Alu-Gehäuse eingebaut. Da das Gehäuse recht schmal  ist, hatte die Bestückungsseite links unten  keine Massekontakt mehr.  Es war dann nötig, durch eine Bohrung die Masse “von unten zu holen”.

Als OP habe ich einen TS 912 von ST-Microelectronics eingesetzt. Wer in der “Grabbelkiste” einen Pin Kompatiblen CA 3240 oder einen OPA 2604 hat, wird feststellen das diese Op’s nicht richtig funktionieren.
Die Verstärkung von dem Op ist auf 2 eingestellt.  V_u=1+(R6/R7) um auf eine Maximale V_out 4 V zu kommen (Man bedenke das der Op hier mit 5V versorgt wird)
Der TS 912 ist ein Rail to Rail Op dh sein Ausgang kann bis zur Versorgungsspannung “Ansteigen”, das können die andern Typen nicht. Hier müsste dann die Versorgungsspannung des OP’s auf 9V angehoben werden, dann sollte es auch mit diesen Typen klappen. (Habe das aber nicht getestet!)

Die Verkabelung

Die Software

Das Programm für den AVR ist in zwei Teile aufgesplittet, ein Teil zum Erzeugen der Kalibrierdaten und das eigentliche Powermeter-Programm.
Der Grund für die Aufteilung: es passt nicht alles zur gleichen Zeit in den Programmspeicher.
Als erstes wird der AVR mit dem Programm „Cal-Date-Maker.hex“ programmiert.
Nun können bis zu 21 Kalibrierdaten (21 Pro Kanal!) abgespeichert werden.
Dafür wird ein gelevelter Generator, eventuell Dämpfungsglied, oder ein Generator, Powersplitter und ein Powermeter benötigt.
Zum Abgleich muss der PC an die RS 232 Schnittstelle an das Board angeschlossen werden. (Terminal-Programm: 9600 Baud, Echo on, 8 Daten Bit, Parity NO, Stop Bit 1, Fluss-Steuerung off).

Ich schlage die Frequenzen 10, 30, 50, 100, 145, 430, 432, 435, 437, 439, 900, 1000, 1240, 1270, 1300, 1800, 1900, 2200, 2400 MHz für die Kalibrierung vor.
(Eigentlich ist der Kopf erst für Frequenzen ab 100 MHz vorgesehen).

Die Frequenzen nach dem Programmstart eingeben; sind es weniger als 20 Datensätze, die programmiert werden sollen, müssen die nicht benötigten Speicherplätze mit 0 MHz gefüllt werden.

Power Kopf Ch A an den Generator anschliessen.

10 MHz -10 dBm in dem Powerkopf einspeisen.

„10 MHz -10 dBm kalibrieren?“ auf dem Terminal-Programm mit „Enter“ bestätigen.

10 MHz -20 dBm in dem Powerkopf einspeisen.

„10 MHz -20 dBm Kalibrieren?“ auf dem Terminal-Programm mit „Enter“ bestätigen.

Usw.

Wenn die Meldung „Power Kopf Ch B an den Generator anschliessen“ kommt, muss der Messkopf am Generator gewechselt werden.

Und auch hier die Frequenzen und Level gemäß Anweisung einspeisen.

Jetzt kann das Programm „Power-Meter.hex“ in das Board programmiert werden.

Nun kommt die Meldung „CAL DATA ERROR“. Da das EEprom nach dem Programmieren auch gelöscht wurde, sind die Kalibrierdaten nicht verfügbar.

Die erstellten Kalibrierdaten werden in das EEPROM geschrieben. Nachdem das Wattmeter neu gestartet wurde, sollte keine Fehlermeldung mehr kommen.

Das Wattmeter ist nun betriebsbereit.

Die Bedienung / Anzeige

1. Anzeige des Kalibrier-Datensatzes als Frequenz in MHz
    
2. dBm Anzeige von Kanal A
    
3. dBm Anzeige von Kanal B
    
4. Sonderanzeige:
   Die Funktion Watt rechnete den dBm-Wert in Watt um. Eine Anzeige erfolgt erst bei größer > 1 mW (0 dBm). Ist der Wert kleiner 0 dBm, wird
    â€ž<< 1 mW“  ausgegeben.
   Wird die Funktion dBr gewählt, wechselt die Anzeige zum Relativ-Modus, die Anzeige wird auf 0 dBr gesetzt.
   Die Funktion dBr B-A versetzt die Anzeige in eine Relativanzeige, wobei der Kanal A von Kanal B abgezogen wird.
   Der eingestellte Offset wird selbstverständlich berücksichtigt
    
5. Offset Kanal A:
   Eingestellter dB Offset für Kanal A., z.B., angeschlossene Abschwächer oder Verstärker. Ein negativer Offset (bis -99.9 dB) bedeutet Verstärker am Eingang. Positiver Offset (bis 160.0 dB) ist ein Abschwächer.
   (Negativ > der „wirkliche“ Wert vor dem Verstärker ist –xx.x dB kleiner).
   (Positiv > der „wirkliche“ Wert ist vor dem Abschwächer xxx.x dB größer).
    
6. Offset Kanal B (s. Offset Kanal A)
    
7. Statusanzeige des Wattmeters:
   L > Localer Modus (Bedienung über die Tastatur)
   R > Remote Modus (Steuerung über die RS 232 Schnittstelle)
   S > Shift Modus, Auswahl der Zweitfunktion auf der Tastatur.

Die RS 232 Schnittstelle

Das Wattmeter hat eine RS 232 Schnittstelle, worüber nicht nur Daten für die Kalibrierung gesendet werden; das Gerät kann auch die Messwerte darüber ausgeben und Befehle zum dB Offset empfangen.
Durch den Tastenbefehl „Shift – REMOTE“  wird das Gerät in den Fernsteuermodus gebracht; auf dem Display und den LED ist alles in Ruhe. Die Messungen werden

Wenn anstelle „Enter“ das Kommando „set“ gesendet wird, kann man den Offset für Kanal A und Kanal B einstellen; danach wird der Data_Platz eingegeben (das ist der Speicher für die Kalibrierdaten). 1,2,3 usw. NICHT in MHz!

ACHTUNG!
Es wird keine Überprüfung auf Richtigkeit der Daten durchgeführt!
Der dB Offset wird ohne Komma bzw Punkt eingegeben. 100 = 10.0 dB,
 -235 = -23.5 dB

Der Befehl „local“ setzt das Wattmeter zurück in den normalen Modus.
Alle Befehle werden in kleinen Buchstaben eingegeben.

z.Zt. steht kein Remote-Programm für die Bedienung zu Verfügung, wenn ich Zeit habe, werde ich da mal was schreiben. 

FAQ

F: Das Wattmeter arbeitet extrem langsam, ist das so richtig ?

A: Nein. Ich vermute das beim Programmieren der CPU der interne Oszillator ausgewählt wurde (Standardeinstellung). Dann arbeitet der AVR nur mit
1 bis 8 MHz.

F: Wie kann ich den externen Quarz einschalten ?

A: Das ist vom Programm abhängig. Hier am Beispiel AVRProg:

F: Wie kann man den Selbsttest von dem A/D überprüfen ?

A: Vor dem Einschalten einen 1 kOhm Widerstand von GND an Pin 9 von
MAX 186. Dann einschalten. Nun sollte ein „Error“ kommen mit Spannungsanzeige; wird der Widerstand weggenommen, sollte das Programm normal starten.

F: Das Programm kommt nicht aus dem A/D Wandler Selbsttest, was nun?

A: Spannung an Pin 9 von MAX 186 messen. Stimmt das mit der Anzeige ?
½ Betriebsspannung ? Ein Fenster von 2420 mV bis 2580 mV wird als okay bewertet.
Beschaltung des Wandlers prüfen, sind die beide SMD Widerstände bestückt ? Haben die den gleichen Wert (1 kOhm) ?

F: Auf dem Display ist nichts zu sehen, obwohl das Programm korrekt in den AVR geschrieben wurde. Auch die LED’s blinken.

A: Eventuell ist der Kontrast falsch eingestellt, Poti R3 einstellen.

F: Nach dem Einschalten kommt die Meldung „CAL DATA ERROR“. Was soll das ?

A: Das Gerät wurde noch nicht abgeglichen. Wenn das Gerät abgeglichen wurde, sollte die Meldung nicht mehr kommen.

F: Kann man erste Tests auch ohne eigene Kalibrierdaten durchführen ?

A: Ja, ins EEPROM die Datei „Testdaten.hex“ schreiben. Die sind dann nicht auf den Kopf abgestimmt, damit kann ein Funktionstest durchgeführt werden. Die Daten sollten dann durch Kalibrierdaten der eigenen Messköpfe ersetzt werden.
Werden keine Daten in das EEprom geschrieben, werden nur Grunddaten geladen!

F: Kann man die Daten nach dem Abgleich irgendwie sichern ?

A: Ja, einfach die EEPROM Daten aus dem AVR lesen und abspeichern.

F: Welche Einstellungen sind für die RS 232 Schnittstelle nötig ?

A: Terminal-Programm: 9600 Baud, Echo on, 8 Daten Bit, Parity NO, Stop Bit 1, Fluss-Steuerung off.

F: Es soll erstmal nur ein Powerkopf betrieben werden, wie sag' ich es der Kalibrier-Software ?

A: Gar nicht, den Powerkopf  nach der Kalibrierung des Ch A an Ch B anschliessen und dort weiterkalibrieren. So ist es egal an welchem Kanal der Kopf betrieben wird.

F: Es soll nun doch ein zweiter Kopf angeschlossen werden. Was ist zu tun ?

A: Es muss eine neue  Kalibrierdatei erstellt werden. Also das Wattmeter mit der Kalibriersoftware „füttern“ und die Datei erstellen, speichern. Wattmeter SW laden und die Kalibrierdatei laden.

F: Wie ist die Tastenmatrix aufgebaut ?

A: So: Ich benutze eine fertige Folientastatur für ca. 6 €. Dies ist einfacher als die Tastenmatrix komplett mit Einzeltasten aufzubauen.

F: Welche Taste entspricht welcher Funktion ?

A: [1] > Watt Anzeige Ch A  Sonderfunktion: Messung slow

 [4] > Watt Anzeige Ch B   Sonderfunktion: REMOTE

 [7] > Anzeige dBr Ch A  

 [*] > Anzeige dBr Ch B

 [2] > dB Offset Ch A (up)  Sonderfunktion: Messung fast

 [5] > dB Offset Ch A(down)

 [3] > dB Offset Ch B (up)  Sonderfunktion: Ende

 [6] > dB Offset Ch B (down)

 [8] > Kalibrierdaten (Frequenz) down

 [9] > Kalibrierdaten (Frequenz) up

 [0] > Anzeige dBr Ch B – Ch A

 [#] > Sonderfunktion Select

F: Wie sind die Kalibrierdaten im EEprom organisiert ?

A: Die Speicherstellen haben folgende Bedeutung:

Kanal A

1  2  3  4                5  6                      7  8                9  10 11 12

Long           Integer                 Word       nicht genutzt

Cal. -10 dBm       Cal. Offset            Frequenz

Kanal B

13  14  15  16    17  18                   19  20            21 22 23 24

Long        Integer                 Word       nicht genutzt

Cal. -10 dBm    Cal. Offset            Frequenz

Kanal A 25….. usw….

Kanal B 37……usw….

              510 511

                 Byte

Anzahl der Kalibriersätze

F: Kann das Wattmeter auch über USB kalibriert / gesteuert werden ?

A: Ja, mit einem USB zu RS 232 Konverter-Kabel. Die RS Schnittstelle vom Wattmeter stellt keine großen Anforderungen.

Das Auslesen / Programmieren des Prozessors über die ISP-Schnittstelle kann mit einem USB RS Konverter problematisch sein. Es ist abhängig von dem Programmieradapter. Aktive AVR Programmer sind meiner Meinung nach die bessere Wahl.

F: Wenn das Wattmeter versehentlich in den REMOTE Mode versetzt wurde, wie kommt man zurück in den normalen Modus ?

A: Ausschalten/Einschalten. Oder es wird ein RESET Taster integriert. Der Reset PIN ist an der ISP Schnittstelle zu finden.

F: Wie ist das mit der Folientastatur gelöst ?

A: Ich werde allgemeine Tipps für den Frontplattenbau in einer extra Beschreibung nachreichen.

Rechtliches:

Das Projekt ist für die persönliche Weiterbildung, eine gewerbliche Nutzung wird untersagt.

Die Produktbezeichnungen von Hard- und Software sowie Firmennamen und Logos, sind in der Regel gleichzeitig eingetragene Warenzeichen und sollten als solche betrachtet werden.

Ich übernehme keine Haftung für Schäden jeglicher Art, die durch den Nachbau  und die Nutzung entstehen. Fehler können nicht ausgeschlossen werden!

Die Weitergabe der Projekt-Unterlagen ist nicht nur erlaubt, sondern gewünscht, soweit die Unterlagen vollständig weiter gegeben werden.

• V.1.0 vom 03.12.2006