Radio club de CAEN

 

 

 

Milliwattmètre HF

par Mike, F4VRB / G8CUL

 

Traduction et adaptation F4ENL - F5PAX - F6FZU

 

 

 

Avant-propos :

Mike, F4VRB / G8CUL a reçu le trophée Ostermeyer remis par le RSGB pour la réalisation et la description d'un milliwattmère (Power Meter) qui a été publiée dans la revue des radioamateurs de Grande Bretagne, RadCom.

https://rsgb.org/main/about-us/agm-2020/2019-trophies-and-awards/

Mike, qui est aussi membre du radio club F6KCZ, nous a proposé de réaliser ce milliwattmètre. Une dizaine d'exemplaires ont été réalisés au radio club. Selon les intérêts de chacun, l'achat des têtes de mesure a été effectué par Sébastien, F4HFK, auprès de Makis, SV1AFN [ https://www.sv1afn.com/ ].

 

Nous remercions Mike pour le partage de ce projet et de ses connaissances.

Dominique - F5PAX

 

Introduction :

Le mesureur de puissance CUL030 est conçu pour mesurer des signaux HF de faible puissance jusqu'à 10 GHz, en fonction de la tête HF de mesure de puissance installée. Le milliwattmètre, bâti autour d'un PIC 16F887, peut accueillir 2 têtes HF sélectionnées parmi les AD8307, AD8310, AD8317 ou AD8318. La tête HF n'est pas intégrée dans la carte mais peut être achetée comme un module séparé et être montée sur la carte ou séparément. Un simple câble à 3 fils la relie à la carte principale, la HF étant directement injectée au niveau de la tête HF via un connecteur SMA.

Schéma ICI

Liste des composants ICI. Les références sont celles de RS Composants.

 

 

 

 

 

Photo 1 : Vue générale du milliwattmètre

 

 

 

 

 

Photo 2 : Têtes HF montées sur le milliwattmètre

 

 

 

Réalisation :

 

 

 

Le circuit imprimé est double face avec trous métallisés. Il a été dessiné par Mike et réalisé en Chine. Plusieurs entreprises peuvent réaliser des circuits imprimés, les paramètres étant la quantité. Cela peut aller d'une dizaine à des milliers ! Ces entreprises ont besoin du fichier Gerber pour la réalisation du circuit.

 

 

 

 

 

 

 

 

Les deux têtes de mesure, le circuit imprimé et l'écran LCD

 

 

 

 

 

 

 

 

Le circuit imprimé est étamé et sérigraphié

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Début du montage

 

 

 

 

 

Milliwattmètre en cours de calibration (version antérieure - version A)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mike, F4VRB / G8CUL

 

 

 

 

 

 

 

 

Le milliwattmètre de Mike, F4VRB / G8CUL, dans son boitier

 

 

 

 

Calibrage :

Le calibrage est réalisé en injectant un signal HF à différents niveaux de puissance dans la tête HF sélectionnée, puis en relevant le niveau de puissance injectée et en entrant les paramètres d'étalonnage dans le milliwattmètre.

Pour la version du firmware antérieure à 1.5a, un simple jeu de commandes transitant par le port série est incorporé dans le wattmètre qui, lorsqu'il est utilisé avec un programme d'émulation de terminal tel que Hyper Terminal ou Putty, permet de définir les paramètres d'étalonnage. Pour la version 1.5a et versions ultérieures du firmware, les constantes d'étalonnage sont entrées à l'aide du système de menus plutôt que via un port série. Les constantes sont alors conservées dans une mémoire non volatile au sein du processeur.

 

1. Commandes :

Trois commandes de base sont disponibles pour les versions de firmware antérieures à V1.5a :

 

 

 

Tableau 1 : Jeu de commandes

Pour la version 1.5a du firmware et les versions ultérieures, la commande «S» n'est pas disponible.

 

 

 

représente la touche Return ou Enter!

L'indicatif configuré avec la commande ''Set Callsign'' (C) s'affiche sur la ligne supérieure de l'écran au démarrage. Il est visualisé exactement comme il a été tapé avec la commande 'C', donc il devrait normalement être entré en majuscules. La longueur maximale est de 16 caractères (la longueur d'une ligne d'affichage) et est automatiquement tronquée à 16 caractères si plus de 16 caractères sont entrés.

La commande de lecture des paramètres (commande “R”) nécessite seulement les 3 caractères indiqués ($R) et ent – répond sur 4 lignes séparées :

$V1.4b 18/2/2018

$G8CUL/F6KCZ

$1,94,8.747

$2,83,8.387

$3,-15,-8.350

$4,-22,-9.356

Cet exemple montre la version actuelle du firmware interne (V1.4b 18/2/2018), l'indicatif précédemment défini (avec la commande C) et les paramètres d'offset et de coefficient de calibration pour les 4 têtes HF. L'indice pour chaque tête (1-4) est comme indiqué dans le tableau 2 ci-dessous.

Dans cet exemple, un offset de 94 et un coefficient de 8,747 pour la tête 1 (AD8307), un offset de 83 et un coefficient de 8,387 pour la tête 2 (AD8310), un offset de -15 et un coefficient de -8,350 pour la tête 3 (AD8317) et un de -22 et un coefficient de -9,356 pour la tête 4 (AD8318). Chaque paramètre peut être négatif.

Cette séquence est également envoyée sur le port série lors de la mise sous tension.

La commande “Set Parameters” (S) permet d'entrer de nouveaux paramètres d'étalonnage (version du firmware antérieure à V1.5a uniquement) pour une tête HF. Le format est celui indiqué où n est la tête (dans la plage de 1 à 4 comme indiqué dans le tableau 2 ci-dessous), ''offset'' est le décalage requis et ''slope'' est le coefficient de calibration requis, séparé par des virgules. Chacune de ces valeurs peut être négative. Les valeurs d'offset et de coefficient de calibration sont calculées pendant l'étalonnage et la méthode est décrite ci-dessous.

Ce sont les têtes qui sont calibrées, mais pour ce faire, elles doivent être connectées par l'intermédiaire d'un canal et sélectionnées pour ce canal. Cela est réalisé en utilisant l'encodeur rotatif via le menu de configuration utilisateur. Une fois qu'une tête HF est étalonnée (celle sélectionnée dans la liste du Tableau 2 ci-dessous), les valeurs d'étalonnage sont stockées dans le wattmètre et seront utilisées pour cette tête, quel que soit le canal auquel elle est connectée. D'une certaine manière, les paramètres d'étalonnage «suivent» cette tête HF particulière, connectée à l'un ou l'autre canal.

 

2. Étalonnage :

L'étalonnage est réalisé en appliquant à une tête HF, un signal HF avec 2 niveaux différents, à chaque extrémité de la plage de mesure de la tête HF. Cette plage de mesure varie en fonction de la tête HF utilisée et doit être choisie dans le Tableau 2 ci-dessous.

 

 

 

Tableau 2 - Différentes têtes HF

 

 

 

1 A ±3dB erreur, ou 88dB range à ±1dB erreur

2 A ±3dB erreur

3 Dépend de la fréquence

4 Dépend de la fréquence

 

 

 

Ces 2 points d'étalonnage (LP : Low Power et HP : High Power), afin d'éviter les non linéarités, sont choisis suffisamment éloignés des extrémités de la plage de mesure de chaque tête, mais suffisamment écartés l'un de l'autre pour permettre un étalonnage correct. L'étalonnage doit également être effectué à la fréquence requise.

La procédure est la suivante :

2.1 - (version du firmware antérieure à V1.5a uniquement) Pour le canal concerné, réglez l'offset sur 0 et la pente sur 1.000 ($Sn, 0,1.000 ) en utilisant la commande «S» où 'n' indique le canal en cours d'étalonnage, soit 1 à 4. Il est important d'entrer la pente avec 3 décimales, donc 1.000 (pas 1 ou 1.0).

2.2 - (Version du firmware V1.5a et future) Entrez les valeurs de l'offset (0) et de la pente (1,000) à l'aide de l'encodeur rotatif et visualisez comme décrit dans la section 4.2 ci-dessous.

2.3 - Appliquer un signal HF de faible niveau (point LP) comme indiqué ci-dessus et noter la lecture affichée (en dBm).

2.4 - Appliquer un signal HF de fort niveau (point HP) (et dans la limite du circuit ADxxxx) comme indiqué ci-dessus et noter la lecture affichée (en dBm).

2.5 - Calcul du coefficient de calibration.

 

 

 

 

 

 

Exemple :

 

 

 

Tableau 3 - Exemple de lecture d'étalonnage


 

 

 

Notez que le diviseur est le module (ou valeur absolue) de la différence entre à puissance élevée et à puissance faible, c'est à dire le segment en dBm compris entre les points de calibration HP et LP.

2.6 - (Version du firmware antérieure à V1.5a uniquement) Réglez le paramètre de pente du wattmètre en utilisant la commande «S» comme indiqué au point 2.1 ci-dessus, mais en laissant l'offset à zéro.

2.7 - (Version du firmware V1.5a et future) Réglez le paramètre de pente dans le wattmètre à l'aide de l'encodeur rotatif et de l'affichage comme décrit dans la section 4.1 ci-dessous, tout en laissant l'offset à zéro.

2.8 - Appliquer le signal à différents niveaux d'amplitude et noter la valeur affichée.  Toutes ces valeurs devraient maintenant montrer une erreur constante par rapport aux valeurs du signal injecté.

2.9 - (Version du firmware antérieure à V1.5a uniquement) Prendre la valeur de cette erreur et l'introduire en tant que paramètre d'offset comme indiqué dans la section 2.1 ci-dessus.
Notez que si les lectures sont trop élevées (par rapport au niveau du signal injecté), l'offset doit être positif. Si les lectures sont trop faibles, l'offset doit être négatif car l'offset est soustrait par le processeur de la lecture en dBm.

2.10 - (Version du firmware V1.5a et future) Introduisez le paramètre d'offset dans le wattmètre à l'aide de l'encodeur rotatif et de l'affichage comme décrit dans la section 4.1 ci-dessous.

2.11 - Effectuez une vérification finale de la puissance affichée à différents niveaux de puissance d'entrée.

Une fois l'opération terminée, les paramètres de calibration de chaque tête HF étalonnée sont conservés dans une mémoire non volatile.

3. Guide utilisateur :

Le fonctionnement du wattmètre est assez simple. La HF est appliquée à l'une ou l'autre des têtes HF et la puissance mesurée est affichée. A la mise sous tension, l'indicatif précédemment défini à l'aide de la commande "C" s'affiche sur la ligne supérieure de l'écran avec la version du firmware sur la ligne inférieure. Cet affichage reste pendant environ 5 secondes, après quoi le menu principal est affiché.

La ligne supérieure indique le canal en service (1 ou 2) et entre parenthèses, la tête HF sélectionnée (dans la liste AD8307, AD8310, AD8317 ou AD8318). Sur la ligne inférieure se trouve la puissance mesurée soit en dBm soit en Watts (si affichage en Watts : par conversion dBm →  watts) ainsi que la valeur d'atténuation, cette dernière étant de nouveau entre parenthèses.

 

 

 

Photo 3 - Mesure de puissance en cours

Le canal, la tête HF, le réglage de l'atténuateur et l'unité de mesure (dBm ou Watts) peuvent tous être configurés à l'aide de l'encodeur rotatif, avec des réglages distincts pour chaque canal. Dans le firmware des versions V1.5a et futures, les pentes et les offsets d'étalonnage peuvent également être configurés à d'aide de l'encodeur rotatif et de l'affichage.

3.1 - A partir de l'affichage de mesure de puissance `` normal '', une simple pression brève sur l'axe de l'encodeur affiche la première option de menu : le canal utilisé. La rotation de l'encodeur permet de sélectionner le canal à utiliser : 1 ou 2. Notez que le canal sélectionné est ensuite utilisé pour définir tous les éléments de menu à venir concernant ce canal.

 

 

 

Photo 4 - Configuration du canal

3.2 - Une autre appui court sur l'encodeur affiche les unités. La rotation de l'encodeur permet de sélectionner la mesure en dBm ou en Watts.

 

 

Photo 5 - Choix de l'unité de mesure

3.3 - Une nouvelle pression courte sur l'encodeur indique le réglage de l'atténuateur. La rotation de l'encodeur permet de définir le niveau d'atténuation avec des valeurs positives traitées comme une atténuation et des valeurs négatives comme une amplification. Placer un atténuateur (ou un amplificateur) devant la tête HF et fixer la valeur d'atténuation (ou de gain) correspondant aux caractéristiques de l'élément placé devant la tête HF (atténuateur ou amplificateur) ;  cela permettra alors au wattmètre de prendre en compte la valeur prédéfinie et par la suite d'afficher la puissance  réelle à l'entrée de l'atténuateur (ou amplificateur).

 

 

 

Photo 6 - Valeur de l'atténuateur placé à l'entrée

3.4 - Une appui court supplémentaire sur l'encodeur indique le circuit en service au niveau de la tête HF. Une rotation de l'encodeur permet la sélection de l'un des circuits de la liste ci-dessus. Notez que cette sélection n'est présentée sur l'écran principal qu'en tant que rappel du circuit utilisé. Il n'est pas utilisé directement dans les calculs internes, excepté par l'utilisation des paramètres de calibration qui ont été précédemment définis pour cette tête HF.


 

 

 

 

 

Photo 7 - Choix de la tête HF

3.5 - Un nouvel appui court affiche ensuite l'option « Enter CAL ». Par défaut, ce paramètre est présélectionné sur No, donc une nouvelle pression retournera au point 3.4 et affichera la première sélection. Si, cependant, le No est changé en Yes, une nouvelle pression affichera l'écran de saisie du coefficient de conversion pour la tête HF sélectionnée en 3.4 ci-dessus. Veuillez consulter la section 4 ci-dessous pour plus de détails pour effectuer la procédure d'étalonnage. (remarque : ce n'est pas l'entrée HF, mais l'entrée dans la procédure de calibration)

 

 

 

 

 

 

Photo 8 - Enter CAL ? - Sélectionnez No

 

 

 

 

 

 

Photo 9 - Enter CAL ? - Sélectionnez Yes

 

 

 

3.6 - Un appui long (supérieur à 2 secondes) à partir de l'un des écrans de configuration ou d'étalonnage permettra de revenir à l'écran principal de mesure. Cette action sauvegardera la valeur courante des paramètres de tous les écrans de configuration et d'étalonnage dans la mémoire non volatile du processeur.

Notez que les paramètres pour les unités, l'atténuation et les têtes HF sont conservés séparément pour les deux canaux, de sorte que des sélections différentes peuvent être faites pour les deux canaux indépendamment l'un de l'autre. Une fois définis, ces paramètres de configuration sont conservés dans une mémoire non volatile et seront réutilisés lors de la prochaine mise sous tension.

 

4. Paramètres d'étalonnage : Version V1.5a du firmware et versions ultérieures

Cette section ne concerne que la version V1.5a du firmware et les versions ultérieures. Les versions antérieures nécessitent l'utilisation d'un PC et d'une connexion par port série pour entrer les paramètres d'étalonnage.

4.1 - La saisie des paramètres d'étalonnage a été ajoutée au système de menus, permettant ainsi par l'intermédiaire de l'encodeur rotatif et de l'affichage d'entrer ces valeurs dans le processeur plutôt que via un PC et une connexion série. Comme décrit en 3.5 ci-dessus, une option de menu accessible après avoir sélectionné la tête HF permet d'accéder aux menus d'étalonnage. L'option par défaut pour le menu ''Enter Cal ?'' est « No ». Une nouvelle pression sur l'axe de l'encodeur avec «No» sélectionné reviendra à la première option de menu, ignorant sans tenir compte des menus d'étalonnage. Si le «No» est changé en «Yes» (en utilisant l'encodeur rotatif), une pression ultérieure sur l'axe de l'encodeur permettra alors d'entrer dans l'écran de menu du coefficient de calibration.

 

 

 

 

 

 

Photo 10 - Enter CAL ? - Sélectionnez No

 

 

 

 

 

 

Photo 11 - Enter CAL ? - Sélectionnez Yes

 

 

 

4.2 - L'écran du menu de calibration ''CAL slope'' affiche la valeur du coefficient de calibration en cours sur la ligne du bas. Lors du premier accès à cet écran, un curseur apparaît sous le premier chiffre du coefficient. Un tour de l'encodeur rotatif incrémentera ou décrémentera ce premier chiffre. Une décrémentation en dessous de 0 rendra le paramètre négatif et un signe moins sera ajouté ! Une fois que le chiffre souhaité est affiché, une pression sur l'axe de l'encodeur déplace le curseur sur le chiffre suivant où sa valeur peut également être modifiée à l'aide de l'encodeur rotatif. Cette action est répétée jusqu'à ce que les 4 chiffres soient affichés avec la valeur souhaitée. Une nouvelle pression sur l'axe de l'encodeur fera passer au menu de calibrage suivant, celui de l'offset. Il n'y a aucun moyen de revenir à un chiffre antérieur, sauf en parcourant à nouveau les menus. Le passage à l'écran de calibrage de l'offset enregistrera la valeur finale du coefficient de calibration.

 

 

 

 

 

 

Photo 12 - Réglage de la pente "CAL slope", sélection du premier chiffre (8 dans cet exemple)

 

 

 

 

 

 

Photo 13 - Réglage de la pente "CAL slope", sélection du troisième chiffre (1 dans cet exemple)

4.3 - L'écran du menu d'offset ''CAL offset'' affiche la valeur d'offset courante sur la ligne du bas. Un tour de l'encodeur rotatif incrémente ou décrémente la valeur. Une décrémentation en dessous de 0 rendra la valeur négative. Une fois atteinte la valeur désirée, une pression finale sur l'axe du codeur permettra de revenir au premier écran du menu de configuration, enregistrant la valeur finale de l'offset dans le processus.

 

 

 

 

 

 

Photo 14 - Réglage du décalage (offset)

 

 

 

4.4 - Une longue pression sur l'axe du codeur revient au mode ''normal'' : affichage du mode mesure. Cette action  sauvegardera toujours les valeurs définies à la fois pour la configuration et l'étalonnage.

 

5. Utilisation :

 Une fois que la tête HF utilisée est étalonnée, le milliwattmètre peut être utilisé pour mesurer la puissance. La fréquence à laquelle la puissance peut être mesurée avec précision dépend de la tête HF utilisée. Une lecture rapide des caractéristiques pertinentes du circuit de la tête HF indiquerait que la précision de la mesure diminue avec  l'augmentation de la fréquence. Le tableau 4 ci-dessous indique la plage de fréquence utilisable pour avoir une précision de mesure de ± 1 dB pour les 4 têtes HF.

 

 

 

Tableau 4 - Gammes de fréquence utiles

 

 

 

Des tests ont montré que chaque tête HF mesure effectivement la puissance jusqu'à la limite de fréquence indiquée, mais que dans les plages supérieures, l'erreur de mesure dépasse ±1 dB. À l'extrémité inférieure, la précision de la mesure semble être de ± 1 dB.

Cependant, il est possible d'évaluer l'erreur de mesure aux fréquences plus élevées pour chaque tête HF et de représenter graphiquement l'erreur de mesure en fonction de la fréquence. Une mesure prise ultérieurement dans la plage de fréquence supérieure peut ensuite être corrigée manuellement en utilisant le graphique comme référence.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Comme on peut le voir, l'AD8307 est à ± 1 dB entre 10 MHz et environ 180 MHz. Il est probable qu'il se situe également à ± 1 dB pour les fréquences inférieures à 10 MHz, mais cela n'a pas été testé.

L'AD8310 est à ± 1 dB entre 10 MHz et environ 140 MHz et est probablement à ± 1 dB en dessous de 10 MHz.

Pour l'AD8317 et l'AD8318, les mesures ont été réalisées à l'aide d'un HP8657B (2,06 GHz maximum) et un synthétiseur TPI jusqu'à 4,4 GHz (synthétiseur PLL ADF4351). La sortie de ce dernier a été ajustée pour donner le même niveau de lecture que le HP8657B à 500 MHz afin d'assurer la concordance des mesures.


L'AD8317 est à ± 1 dB entre moins de 1 MHz et environ 1,9 GHz. Au-dessus de cette fréquence, les lectures deviennent plus erratiques. Sa réponse globale peut facilement être considérée comme pire que celle du AD8318.


L'AD8318 est à ± 1 dB entre 10 et 20 MHz jusqu'à environ 1,5 GHz. Entre 1,5 GHz et 1,9 GHz, la lecture montre une précision médiocre mais au-dessus de 2,0 GHz, l'erreur est à nouveau de ± 1 dB à 4,3 GHz.

La limite supérieure en fréquence de l'équipement disponible est de 4,4 GHz.


Toutes les mesures ci-dessus ont été effectuées avec une longueur de 50 cm de coaxial RG402 entre le générateur de signal et le wattmètre. Les mesures supposent également que le générateur de signal utilisé produise une fréquence et un niveau de sortie corrects. C'est probablement une grande interrogation, mais les indications ci-dessus suggèrent que le niveau de sortie est égal ou très proche de la valeur affichée.

 

 

 

 

 

73 à tous

Mike F4VRB / G8CUL

 

 

 

 

 

 

Mis à jour le 09/05/2020