Milliwattmètre OZ2CPU “full CMS”

Publié: 14 mai 2011 dans Instrumentation

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A l’origine, le but était de pouvoir mesurer la puissance de sortie de certaines de mes bidouilles et d’avoir un ROSmètre capable de couvrir de 0 à 440 MHz, le tout avec une précision acceptable.

Sur une idée de F5UAM, et suite à la construction “en groupe”, au sein du radio-club f8KCF d’un UHFSDR, la “bidouille perso” s’est transformée en “appareil de mesure indispensable à tout OM, pas cher, facilement reproductible”… et pourquoi pas incitant les OM non impliqués dans le projet UHFSDR à se lancer dans le bricolage à base de composants CMS. Etant particulièrement flemmard de nature et ayant horreur de ré-inventer la roue, j’ai adopté le montage de OZ2CPU, qui a connu un succès considérable. Les sondes de mesure reposent sur un composant d’Analog Device, l’AD8307, qui est offert en échantillon à toute personne possédant une adresse email non “générique” (tout sauf Gmail, Hotmail et autres Free.fr…. avis aux amateurs, faites appel à des copains qui ont des emails “société” et qui ne bricolent pas)

Le temps de réalisation des trois platines –une carte microcontroleur et deux sondes- ne dépasse pas 2 heures pour des OM non spécialistes. La fabrication d’un boitier ou celle des éléments “périphériques” demande un peu plus d’implication… mais le plus gros est fait.

Une bidouille “pas chère”

Comptons donc zéro euros pour les sondes, environ 5 euros pour le microcontrôleur, 2 ou 3 euros de passifs divers, 3 ou 4 euros de régulateurs (il en faut 4 au total), 6 euros pour un afficheur 2×20 caractères (artronicpl, un vendeur polonais sur eBay) et un bon stock de récup provenant de la déchèterie locale, section “vieux postes TV et ordinateurs” : prises USB ou Ethernet  “pour châssis”, boutons poussoirs, prises bananes (optionnelle), fils de câblage etc. Pour respecter la ligne du parti, le boitier a été fait en pcb simple face soudé (une plaque de 20×30 cm à 6,90 TTC chez Gotronic… on peut trouver moins cher). Le boitier est  assemblé à l’étain, peint à la bombe, face avant décorée à coup de sortie imprimante collée sur la face avant.

Le cœur du milliwattmètre ne devrait donc pas dépasser 30 euros, et encore en comptant large. La programmation du PIC se fait “on board”, mon burineur de silicium (aka programmeur) étant à la disposition de tous les OM du club qui en feraient la demande… La programmation d’un PIC est une opération complexe qui consiste à cliquer deux fois sur un bouton à l’aide d’une souris après avoir chargé un fichier de données. Seuls ceux se sentant capable d’ouvrir un traitement de texte et enregistrer un document peuvent réaliser eux-même cette périlleuse opération.

Une bidouille “précise”

Le milliwattmètre en question mesure à 0,1 dB près tout signal situé entre –60 et + 30 dBm (10 –6 milliwatts à 1W). Les puissances supérieures sont lues en insérant un atténuateur dans la ligne de mesure ou en ponctionnant une fraction du signal par simple induction à l’aide d’un coupleur.

L’appareil dispose de deux entrées, dont l’usage simultané est nécessaire pour mesurer le ROS d’un étage (mesure du direct et du réfléchi et calcul du rapport entre ces deux valeurs). C’est le microcontrôleur qui se charge de la mesure et du calcul

Les multiples fonctions de l’appareil sont fournies sur le site de l’auteur.
On peut citer : milliwattmètre, Wattmètre avec prise en compte de la valeur de l’atténuateur inséré, mesure de la puissance “crête” et PEP, petit voltmètre de secours –surtout utilisé pour ceux qui veulent intégrer des accus rechargeables dans l’appareil- ROSmètre… mais également, moyennant quelques accessoires, impédancemètre.

L’affichage de la puissance sur l’afficheur se fait de manière alphanumérique en dBm ET milliwatts ou Watts, ainsi que sous forme de bar-graph mobile… très utile lors du réglage d’une antenne ou d’un filtre de sortie (ou “voir” ce qui se passe au niveau du PA au rythme de la modulation en BLU par exemple).

Les erreurs de linéarité de la sonde à base de AD8307 sont compensées par logiciel, au moment de la calibration de l’appareil.

Une bidouille “Full CMS”

Parce que les forets sont chers, que le perçage des trous fait de la poussière, que les composants traversants sont d’un autre âge et que se bruler les doigts et un plaisir, la carte principale d’OZ2CPU a été redessinée de façon à n’utiliser que des composants passifs au format 0805, des circuits intégrés SOIC (les plus gros C.I. de la famille CMS) ou Dpak. Idem pour les sondes, qui ont été étudiées pour être intégrées dans de petits boitiers.

Si l’on se réfère aux travaux d’OZ2CPU, on remarque que la majorité des réalisations OM intègre ces sondes dans le boitier principal du milliwattmètre. Cette option est toujours possible, mais la logique veut que ce “capteur de signal” soit le plus près possible de la source, sans atténuation aucune provoquée par des cordons et raccords parfois exotiques. La sonde est la partie qui convertie le signal HF en une tension continue proportionnelle à la puissance du signal. Moins le signal à mesurer est perturbé par de la “ficelle de liaison”, plus proche de la réalité est la mesure. La sortie de la sonde peut, quant à elle, être véhiculée sur de grandes longueurs sans souffrir de la moindre dégradation si le fil de jonction est protégé et blindé. La réalisation de la sonde est la partie la plus délicate de tout le montage. De la propreté de la réalisation dépend toute la fiabilité du montage.

La présente implantation a été réalisée sous Kicad (merci à F1TJJ pour ses cours). Deux prototypes différents ont été montés pour éliminer toute possibilité d’erreur et tout problème de montage (un proto monté par mes soins, puis une version Beta montée et testée par F1CHM… ce fut d’ailleurs la version qui connu le plus de petits problèmes).

Exemple de réalisation, présentation des étages

 

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La platine principale accueille le microcontrôleur PIC 16F876 et son régulateur de tension –non soudé sur la photo-. Ce circuit vient s’enficher en “piggy back” sur l’afficheur, lui-même fixé sur la face avant du boitier. Les raccordements des boutons poussoir, des entrées de sonde et voltmètre, ainsi que du câble nécessaire à la programmation du microcontrôleur se font par l’intermédiaire de picots HE10 standards. Le pcb est gravé sur du FR4 double face avec une “face aveugle”, utilisant 3 straps sur la ligne d’alimentation (le fil rouge-orangé que l’on devine au premier plan). A l’exception des diodes de protection d’entrée et de quelques condensateurs chimiques, tous les passifs sont des composants CMS au format 0805, donc pouvant être soudés sans problème “à la paluche et au fer pointe fine”

 

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Le boitier est fabriqué en coupant horizontalement 4 bandes de dimensions égales dans la largeur d’une plaque de PCB simple face –boitier donc de section carré-. Les flancs gauche et droit, les “butées de repos” et les raidisseurs en forme d’équerre proviennent de chutes de plaques. Attention de bien positionner les éléments interne de façon à ne pas gêner la fixation des platines.

Lors de la soudure des parois du boitier, les panneaux soudés à l’équerre ont tendance à se “refermer” sous l’effet de la rétractation de l’étain de soudure. Cela n’est pas dramatique. Après avoir assemblé le boitier en “forçant” un peu (en raison de cette rétractation qui ne facilite pas la construction), il faut passer le boitier au four (lorsque Madame est de sortie par exemple) aux environs de 150°C durant une dizaine de minutes. Le métal de brasure va alors se déformer en fonction des contraintes. Le refroidissement du four doit être progressif. On peut profiter de cette étape pour peindre préalablement le boitier à la bombe, le passage au four servant alors également au séchage de la peinture.

 

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Un premier montage à blanc de l’électronique dans le boitier permet de voir les endroits ou les coups de lime sont nécessaires, et si l’électronique fonctionne toujours au moment de la mise en boite (c’est généralement à ce stade que frappe le principe de Murphy)IMG_6422

La même avec les boutons, une sonde branchée et un signal injecté sur ladite sonde histoire de voir si le montage mesure réellement quelque chose (appareil non encore calibré, signal de –30dBm issu d’un géné HP 8654A)  J’ai utilisé des connecteurs USB pour des raisons de disponibilité, mais rien n’interdit de les remplacer par des fiches DIN ou des jacks stéréo par exemple (les fils de sonde véhiculent la masse, le signal de mesure et l’alimentation de la sonde aux environs de 7 Vcc, soit 3 fils uniquement).

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La sonde : organisée autour d’une entrée en microstrip 50 Ohm, celle-ci a été logée dans un boitier de coupleur Mini-Circuit fonctionnant dans les bandes téléphonie (donc inutilisable pour les bandes Amateur). L’intérieur a été éliminé. Les seules pièces d’origine sont le boitier en fonte d’alu, les couvercles en alu fraisé et une SMA. Le câble “signal/alimentation” est serré dans une petite gorge (en bas à droite) pratiquée dans le boitier et maintenu par pincement par le couvercle. On remarque à droite du circuit –gros carré noir- un régulateur “low drop” (LDO) 5Vcc qui alimente le circuit AD8307. La tension à l’entrée du LDO doit donc être légèrement supérieure à 5 V. Cette tension est fournie par un régulateur LM317 qui fourni une tension de 7,5 V (on pourrait descendre à 6V) aux deux sondes et au microcontrôleur qui chacun possèdent leur LDO 5V. Cette approche permet d’éliminer toute filasse entre le circuit et son alimentation. Le circuit est également gravé sur un support double face, avec de multiples traversées en “queues de composants” reliant les plans de masse. Les trous du boitier sont bouchés par de la bande métallique adhésive, un feuillard de cuivre situé sous le circuit vient compléter le blindage et la mise à la masse (l’alu n’est pas soudable au fer, hélas). La masse du connecteur SMA est brasée sur l’autre face du pcb (le fond doit donc être démontable).

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Une fois les platines soudées et mises en boite, on peut s’amuser à décorer la façade de l’appareil. La présente façade a été réalisée à l’aide du logiciel Designer de face avant de chez Schaeffer, imprimé sur une feuille de bristol, plastifiée (la découpe de l’afficheur est donc ainsi protégée de la poussière par la feuille plastique transparente), puis collé au ruban double-face. Il existe des feuilles de plastique transparent dont un coté est autocollant, et qui accepte de se faire imprimer avec une imprimante jet-d’encre classique.

 Le chapitre suivant traitera des éléments périphériques qui peuvent accompagner cet appareil. Le circuit imprimé et implantation de la platine principale sont rapidement décrits dans un troisième article.

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commentaires
  1. F1DWF dit :

    Bonjour

    Je viens de tomber sur votre réalisation ,la mienne est presque terminée ,j’attendais l’afficheur , par contre une chose que je n’ai pas trouvée sur votre site comment calibrer la « bête » je n’ai pas de banc hi ni d’oms pouvant me donner un coup de main ^..
    Une petite chose aussi ,j’ai l’affichage des données qui n’est pas stable ?? est-ce le fait que tout soit encore en l’air ??

    3) j’en profite hi j’ai la pin 17 marquée TX ??? ça correspond à quoi ??
    4 eventuellement les pcbs m’interessent ( eagle ??)
    5) les soic ( 16F…) vous les programmer in situ ou vous avez un truc , je me suis construit un « adaptateur ) soic / dip mais c’est pas évident ??

    Merci

    jluc

    • zenographie dit :

      Bonjour
      La réalisation est toute fraiche ici 🙂
      La calibration nécessite hélas de disposer d’une source stable de 1 mW… pas d’autre solution.
      – sélectionner la bande correspondante avec l’encodeur (LF/HF/VHF/UHF/SHF)
      – appuyer sur le bouton Menu
      – sélectionner alors l’item « Calibrate 0dBm »
      – Appliquer 1mW sur une fréquence basse (3,5 MHz par exemple pour le LF)
      – presser sur le bouton « Select »,
      le logiciel conserve alors en mémoire le niveau de calibration.

      Ayant la chance d’avoir un géné étalonné… Bien entendu, toute autre source stable précédée d’un atténuateur précis peut convenir… mais on en revient toujours à la question de la source et d’un véritable « 0 dBm » étalon pour chaque fréquence de callage (HF, VHF etc)

      Si vous avez une source apériodique mais réglable (un jeu d’oscillateurs a quartz par exemple, un vfo etc), en vertu de la merveilleuse loi P=Ue2/R, un Géné débitant sur une charge 50 Ohms à une puissance de 0 dBm (0,001W) fournira aux bornes de la résistance une tension de 0,2236V (rms). Soit, en crête à crête, Upp=Urms ( 2*racine de pi), autrement dit 0,2236*2,828 =0.632V
      Mais là, pour mesurer les 0,632 V en crête à crêt, il faut un scope… on en revient toujours à un instrument de mesure étalonné

      L’affichage des données, à vide ou en charge, n’est jamais stable… la constante d’intégration fait que la sonde est toujours en train de chercher son « dernier digit ». Et ce, y compris avec un source stable . Le comportement de votre Wattmètre est donc normal

      La broche TX est la TxD de la sortie série du milliwmtr, si vous souhaitez « loguer » les mesures de votre appareil sur un ordinateur (utile pour un relais autonome)

      Les fichiers ont étés réalisés sous Kicad… je vous envoie les « sources » immédiatement

      Le Soic est programmé « on board » après soudure… 4 fils à tirer entre le programmeur de pic et la carte, sur le connecteur « étudié pour » et le tour est joué… attention, le pic n’est pas testable en mode programmation… il est alimenté, mais l’activation de la broche WE (write enable) bloque les fonctions de mesure, affichage etc). A mon humble avis, l’usage d’un adaptateur SOIC/DIL est un jeu dangereux 🙂
      73++
      f6itu

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