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QRP-Leistungsmesser

Messbrücke nach dem Stockton-Prinzip; Ugly Style Aufbau

Das Bild zeigt meinen Probeaufbau einer SWR-Messbrücke nach dem
Stockton-Prinzip für 1,5 bis 60 MHz. Dimensioniert habe ich sie für
eine Leistung bis 20 Watt. Die Ferritringkerne haben je ein
Übersetzungsverhältnis von 1 : 12, was einer Dämpfung von 21,584
dB entspricht. 
Forward Auskoppeldämpfung 1 bis 100 MHz
















Forward Auskoppeldämpfung 1 bis 200 MHz

Die Kurven zeigen die Auskoppeldämpfung über die Frequenz. Die Dämpfung
beträgt nahezu exakt dem erwarteten Wert von -21,6 dB und der Frequenzgang
bis über 200 MHz beträgt weniger als 0,1 dB... das sind sehr gute Werte.
Reflected Richtschärfe bei 50 Ohm Abschluss
Reflected bei offenem Antennenanschluss


Die Kurve des oberen Digrammes spiegelt die Richtschärfe wider. Hier müssen
wir die Auskoppeldämpfung von  21,6 dB abziehen, es ergeben sich dann aber
immer noch Werte von typisch 30 dB. Das ist ebenfalls sehr gut. Bei 1,5 MHz
sind es allerdings nur etwas über 20 dB. Mit einem anderen Kernmaterial
könnte das noch optimiert werden. 

Zum Test zeigt das untere Diagramm die Auskoppeldämpfung bei offenem Antennenanschluss.
 DisplayDie Entwicklung der Software hat mir besonderen Spaß gemacht. Nach vielen
 Jahren der Programmier-Abstinenz war dies mein erstes Softwareprojekt. Als
Plattform habe ich mir den Arduino Nano ausgesucht und als Display verwende
ich ein günstiges Handy-Display mit der Bezeichnung Nokia5110. An nur einem Nachmittag habe ich mich in die Arduino-Programmierung eingearbeitet und
die Software fertiggestellt.

Das Bild zeigt die einem analogen Kreuzzeigerinstrument nachempfundene
Grafik. Die Grafik ist "umschaltbar" von "quadratisch" auf "linear". Natürlich
werden die Werte auch numerisch angezeigt. 
Mögliche Erweiterungen könnten sein:
- farbige Leuchtdioden zeigen die entsprechenden SWR-Bereiche an und
- eine automatische Messbereichsumschaltung der Grafik

Jetzt fehlt nur noch die für mich schwierigste Aufgabe: der saubere Einbau in
ein Gehäuse.
SWR-Messkopf nach dem Stockton-Prinzip

So sieht der finale Messkopf in einem passenden Gehäuse aus. Das Gehäuse
für die Anzeigeeinheit fehlt leider noch :-( 
 
Leistungsmesser im Mode "groß"
Hier die Weiterentwicklung des kleinen Projektes: der Breadboardaufbau wurde
durch eine kleine Lochrasterplatine ersetzt, ein Taster zur Bedienung wurde
hinzugefügt und die Hintergrundbeleuchtung wurde auf einen PWM-Pin gelegt.

Nun sind über einen kurzen Tastendruck drei verschiedene Darstellungen
wählbar:
- Vorwärtsleistung, Rücklaufleistung und SWR in etwas größerer Schrift und als Balkendiagramm
- Vorwärtsleistung und Rücklaufleistung als Kreuzzeiger und alle drei
Messgrößen als Zahlenwert
- Vorwärtsleistung und Rücklaufleistung in Watt und in dBm und das SWR

Über einen Doppelklick kann die Hintergrundbeleuchtung aus, dunkel, mittel
und hell getoggelt werden.

Das Programmieren macht mir viel Spaß und eigentlich bräuchte ich überhaupt
keinen weiteren Leistungsmesser. Aber während der Entwicklung sind mir ein
paar nützliche Funktionen eingefallen, die ich bereits realisiert habe, bzw. noch
realisieren werde. Die Anzeige in dBm habe ich bereits eingebaut. Eine geplante
Funktion ist z.B. die akustische Ausgabe des SWR. (Ich verwende häufig eine
Magnetic Loop im Outdoorbetrieb. Die rasche Abstimmung über das Rauschen
funktioniert manchmal bei lauteren Umgebungsgeräuschen nicht.) Eine oder
mehrere LEDs, die die interessanten SWR-Bereiche visualisieren würden hier
ebenfalls helfen...

Die Tastenabfrage habe ich übrigens über Interruptroutinen realisiert. Das
wäre zwar nicht notwendig gewesen, aber ich wollte mich in diese Thematik
einarbeiten... und das hat wunderbar funktioniert.
 
Leistungsmesser im Mode "Kreuzzeiger"


Hier die bereits bekannte Darstellung über "Kreuzzeiger". Das bringt in unserer komfortablen Welt zwar keinen Vorteil, sieht aber cool aus...
 
Anzeige auch in dBm und mit Spitzenwerten und RL
SWR zwischen 1.2 und 1.6 werden ungefähre Spitzenwerte angezeigt

Zur Kalibrierung und zur exakten Einstellung der Ausgangsleistung z.B. in
WSPR ist die Leistungsangabe in dBm sehr hilfreich.

Außerdem wird in diesem Mode auch Return Loss angezeigt.

Bei einem SWR besser 1.2 werden Spitzenspannung und Spitzenstrom
ausgewiesen. Zwischen 1.2 und 1.6 wird ein "~"-Zeichen vorangestellt. 
 
QRP Leistungsmesser im Tone-Mode
LED-Animation


Hier ist ein kleines Video zum aktuellen Projektstatus.

 Hier der nächste Entwicklungsstand des kleinen QRP-Leistungsmessers:

- nach dem Einschalten ertönt ein "r" in Morsecode

- ein vierter Bildschirm ist verfügbar. Hier wird das SWR auch akustisch
ausgegeben. Die Frequenz berechne ich so: f= SWR * 500 - 468 . Ein SWR von
1.0 wird also einen 32 Hz Ton produzieren. Ein SWR von 2.0 532 Hz und 3.0
1032. So kann ein SWR von 20 gerade noch gehört werden und im Bereich um
die Anpassung ist die Auflösung sehr gut, so dass z.B. eine Magnetic Loop
einfach abzustimmen ist. 

- zwei Leuchtdioden zeigen ebenfalls das SWR an: von 1.0 -1,6 leuchtet 100%
grün, über 1,6 bis 2.0 leuchten grün 100% und rot 30%, zwischen 2,0 und 3,0
leuchten grün 30% und rot 100%; über 3.0 leuchtet nur noch rot mit 100%. Die
LEDs werden außer im Tonmodus bei allen Anzeigen angesteuert. (Im
Tonmodus beeinflusst die tone()-Funktion die PWM-Ansteuerung (Puls-Weiten-Modulation) der LEDs).
Ein Klick auf das Bild links unten startet eine Animation.

- Zur Verbesserung der Genauigkeit messe ich jede Leistung (FWD und REF) 12
mal und bilde dann den Mittelwert

- Außerdem habe ich eine Korrektur der gekrümmten Germaniumdioden-Kennlinie vorgenommen. Dazu habe ich die Soll- und Ist-Werte aufgenommen, eine Korrekturkennlinie erzeugt und ein Polynom 2er Ordnung erzeugt. Zur direkten Berechnung des Korrekturfaktors reicht leider die Rechengenaugkeit des
Arduinos nicht aus und deshalb habe ich 20 Korrekturwerte in einer Tabelle
gespeichert. Bei jeder Messung wird nun der entsprechende Wert ausgelesen
und berücksichtigt. Das Gerät misst nun im Bereich von unter 0,25 W bis ca.
20 Watt mit einem typischen Fehler kleiner 3 %

Diodenkorrekturkurve

- Zur weiteren Steigerung der Genauigkeit habe ich die Germaniumdioden gegen Shottky-Dioden (BAT43) ausgetauscht. Auch hier habe ich eine Kennlinienkorrektur mit einem Polynom 6er Ordnung vorgenommen.