Vector Network Analyzer BalmerDX

Автор: Дмитрий Поскряков
Опубликовано 02.09.2018
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2018!"

Векторный анализатор BalmerDX VNA 

Данный проект представляет собой двухпортовый векторный анализатор на частотный диапазон 10 КГц - 180 МГц с динамическим диапазоном 80 dB. Порт RX "полный", т.е. умеет как посылать сигнал, так и измерять отраженную волну. Порт TX может измерять только проходящий через измеряемую деталь сигнал.

Этот проект делался очень долго (около трех лет с перерывами). Поэтому даже рабочих прототипов набралось у меня порядочно.

Основные работы по проекту закончились уже год назад. Но проект был в неудобном для представления общественности виде. И таки этим летом собрался, стер многое устаревшее. Добавил документацию. И представляю вам этот проект.

А теперь самое главное - ссылка на GitHub. Собственно говоря там есть все - исходники проекта, схемы, платы, последняя прошивка. Так же там есть определенная документация в Wiki формате.

Кому интересно как разрабатывался проект, могут почитать соответствующую ветку форума. Тема называется RF network analyzer и там есть много интересного и поучительного для тех, кто интересуется этой тематикой. Без пользователей этого сайта pixar и khach не смог бы сделать этот проект настолько проработанным.

Последний вариант выглядит так. 

Он имеет вполне приличный динамический диапазон в 80 dB. Хоть на фотках везде 10 КГц-150 МГц, но по факту максимальная частота 180 МГц. На частоте 180 МГц динамический диапазон составляет 70 dB, что более чем прилично. На частоте 200 МГц динамический диапазон резко уменьшается до 40 dB. Поэтому честно пишем - максимальная частота 180 МГц, не выше.

Схемотехника

Полную схемотехнику приводит не буду, ибо это 5 листов в формате A4, тех кому интересны детали - отсылаю к документации.

Ключевые детали, которые используются в этом устройстве - это:

• SA612A - смеситель (3 штуки)
• AD9958 - DDS генератор (хороший, 10-ти битных двухканальный генератор)
• CS4272 - двухканальный, 24 бит ADC
• STM32F405 - центральный процессор
• ILI9481 - дисплей

Приведу схему аналоговой части и схему DDS генератора.

В аналоговой части все просто X1 - вход-выход RX канала. Он одновременно посылает сигнал выбранной частоты на деталь и ловит отраженный сигнал S11. X2 - TX канал, куда приходит сигнал S21, прошедший через деталь. Усиление усилителий подобранно так, чтобы обеспечить максимальный динамический диапазон системы. Частота 200 МГц это не такая уж и высокая частота по современным меркам, поэтому практически нигде не потребовалось проводить расчетов связанных с геометрией проводников. Единственное место, где расчеты потребовались нарисованно в левом нижнем углу. Так как RX и TX каналы разнесены достаточно далеко, то имело смысл правильно рассчитать линию передач и согласовать ее.

Вобщем то достаточно стандартная обвязка для DDS генератора. Низкошумящие стабилизаторы TPS79318 заботятся о том, чтобы фазовых шумов было поменьше. Усилители EL5166 используют дифференциальный вход для подавления четных гармоник сигнала.

История в картинках

А теперь несколько фоток "истории".

Самый первый вариант (из тех что остался и еще работает). Покупной AD9959 генератор. Собственноручно вытравленная аналоговая часть. Тут были отлажены основные алгоритмы и наступило осознание, что настолько близко расположенные RX и TX разъемы - это неудобно.

Второй вариант. Видно, что к питанию подошел тщательно. И действительно, кто делал высокочастотную технику - знает, насколько важно качественное питание для неё. На этом прототипе была отработанна большая часть интерфейса. Наступило осознание, что 2.2 дюйма дисплей - это слишком мало. Линейные стабилизаторы суммарно грелись ватт на 10. И это тепло выгнуло верхнюю крышку прибора. После этого решил - качественное питание это конечно хорошо, но и о экономичности думать нужно.

 Третья версия. Дисплей 3.2 дюйма 480x320 уже является достаточно удобным для просмотра графиков. Используются импульсные стабилизаторы для питания.

Третья версия с исправленными недочетами. Выглядит уже както пустовато. Но это отличная версия без косяков в разводке платы и правильным питанием.

Пара фоток финальных схем этого прибора вблизи.

Печатная плата аналоговой части. Кто найдет, где линия 68 Ом?

Печатные платы цифровой части. Тут еще есть мелкий косяк - слишком близко расположенны IDC-8, IDC-10 коннекторы. Кстати они мне понравились - легко обжимаются провода, легко вставляются и хорошо контачат.

Пример измерения

Под конец приведу пример графиков для кварца 16 МГц.

Кварц включается между RX и TX разъемами. Потому как на большей части частотного диапазона он пропускает сигнал отвратительно. Только около последовательного резонанса он начинает отлично пропускать сигнал через себя. У карца очень узкий резонанс, поэтомы мы сканируем очень узкий диапазон частот 15970 - 16040 КГц.

Первый график S11. S11 - эта часть сигнала, которая отражается обратно в порт RX. Рекомендую графики увеличивать и смотреть в оригинальном размере. Хорошо виден последовательный резонанс. На нем реальная часть S11 (красный график) резко уменьшается, после прохождения резонанса так-же резко увеличивается. Мнимая часть S11 (синий график) в районе последовательно резонанса резко меняет свой знак. Параллельный резонанс разглядеть сложнее - это место, где синий график пересекает ноль.

Второй график S21. S21 - это часть сигнала, которая проходит через кварц и достигает порта TX. Так как кварц это высокодобротный элемент, то почти весь сигнал либо отражается от него, либо проходит сквозь него. Поэтому там где на графике S11 минимум, там на графике S11 максимум.

Последний график dB(S21) . Это логарифмический график. Позволяет охватить очень широкий диапазон изменений. Первый пик - это хорошо видимый на остальных графиках последовательный резонанс. Следующая за ним впадина - это параллельный резонанс, при котором кварц работает как фильтр-пробка. При этом кварц начинает пропускать примерно на 80 dB хуже сигнал по мощности. А это в 100000000 раз меньше, чем при последовательном резонансе.

О требуемом иycтрументарии

Проект под микроконтроллер написан на чистом C99 и не имеет внешних зависимостей. Для компиляции проекта нужны лишь arm-none-eabi и make. Для редактирования использую QT Creator. хотя можно использовать любой текстовый редактор. Последняя прошивка лежит здесь.

Проект под ПК написан для QT. Поэтому тут QT Creator обязателен. Основную разработку веду на Ubuntu, но проверял его работоспособность и под Windows.

Все схемы сделанны в KiCAD редакторе.

Так-что проект сделан вполне в Open Source духе. Бесплатные arm-none-eabi, KiCAD и QT Creator. 

Заключение

Могу отметить, что гонял эти приборы в разных режимах. Измерил множество фильтров, трансформаторов, аттеньюаторов и усилительных каскадов. Прибор соответствует всем заявленным характеристикам.

Все вопросы в Форум.