High-Impedance Millivoltmeter HF-Pegelmesserdl2khp.de/media/files/Doku_Millivoltmeter.pdf · Precision High-Impedance Millivoltmeter Pegelmesser -95 bis 16 dBm 1. Vorbemerkung Das

Precision High-Impedance MillivoltmeterPegelmesser -95 bis 16 dBm

Beschreibung

High-Impedance MillivoltmeterHF-Pegelmesser

Autor

Hans-Peter Prast, DL2KHP

Version 1.2

Millivoltmeter / Pegelmesser Seite 1 von 11 Autor: Hans-Peter Prast, DL2KHPDoku_Millivoltmeter.odt Letzte Änderung: 30.01.16


1. VorbemerkungDas Gerät wurde entwickelt, um Widerstandswerte mit hoher Genauigkeit zu messen. Derjeweilige Messwert sollte sofort als Widerstandswert in Ohm zur Verfügung stehen. Externmuss hierfür eine Konstantstromquelle mit 10 mA zur Verfügung stehen, damit der ange-zeigte Widerstandswert gültig ist. Die Messung erfolgt durch eine Spannungsmessung parallel zum Messobjekt. Damit eine Verfälschung des Messwertes ausge-schlossen wird, beträgt der Eingangswiderstand des Messgerätes 1012 MΩ.

Das Messgerät kann zudem auch als Präzisions-Millivoltmeter mit hoher Auflösungverwendet werden. Die maximale Messspannung beträgt 2,048 Volt; die maximalEingangsspannung 5Volt.

Zur Pegelmessung mit einem externen Messkopf wird ein weiterer Messbereichbereitgestellt. Hier ist ein Messbereich von -95 dBm bis 16 dBm vorgesehen. DerFrequenzbereich, in dem gemessen werden kann, richtet sich in erster Linie nachdem verwendeten Messkopf. Es können aber für verschiedene FrequenzbereicheKorrekturfaktoren eingegeben werden.

Das Gerät kann einfach und per Software kalibriert werden. Die Spannungsmessungkann durch Anlegen einer Referenzspannung von 1 Volt kalibriert werden. Die Pegelmes-sung wird in 1 dB-Schritten kalibriert. Für sechs Frequenzbereiche können Korrekturwer-te ermittelt werden. 2. AufbauDer Aufbau des Pegelmessers erfolgt auf eine doppelseitigen Platine mit den Maßen 86 x97 mm. Der Einbau erfolgt in ein Weißblechgehäuse oder besser noch in ein Aluminium-Gehäuse entsprechender Größe. Das zweizeilige Display mit Beleuchtung wird mit Ab-standhaltern auf die Platine aufgesetzt und mittels Pfostenleiste verbunden. Für die Kon-trasteinstellung des Displays ist ein Poti vorhanden. Die Betriebsspannung erfolgt übereinen 9 Volt-Block oder Akku. Eine externe Versorgung durch ein Gleichspannungsnetz-teil ist ebenfalls möglich. Die interne Batterie wird dann in der Hohlsteckerbuchse abge-schaltet. Der Anschluss der Messspannung oder des externen Messkopfes erfolgt übereine BNC-Buchse.

3. SchaltungDie angelegte Eingangsspannung gelangt auf einen Operationsverstärker mit einem Ein-gangswiderstand von 1012 MΩ. Der Operationsverstärker arbeitet hier als Impedan-zwandler (Unity-Gain-Mode) um dem nachfolgenden Analog/Digitalwandler eineniedrige Quellimpedanz zu liefern. Die Messung der angelegten Gleichspannung er-folgt dann über einen Analog/Digitalwandler mit einer Auflösung von 18 Bit. Der A/D-Wandler ist über den TWI-Bus (I2C-Bus) des ATMega-Controllers an diesen angeschlos-sen. Die interne – hochgenaue - Referenzspannung des Wandlers beträgt 2,048 Volt. Dasist damit auch der Messbereichsendwert. Auf der Platine ist eine Schutzbeschaltung (D3,D4) vorgesehen. Da diese den Eingangswiderstand aber herabsetzt, sollte diese nurbestückt werden, wenn der extrem hohe Eingangswiderstand nicht benötigt wird.Ansonsten wird empfohlen, zum Schutz gegen statische Aufladung, die BNC-Buchse miteinem Abschlusswiderstand zu versehen. Die gepufferte Eingangsspannung wird über



eine Klinken-Buchse 3,5 mm, für externe Verwendung, zur Verfügung gestellt.

Die interne Versorgungsspannung von 5 Volt wird über einen rauscharmen LM2940CT5erzeugt. Die Eingangsspannung des Reglers und die Spannung an der Buchse der exter-nen Versorgung werden durch den internen A/D-Wandler des ATMega16 gemessen undin der Software ausgewertet. Beim Absinken der Batteriespannung unter etwa 6,5 Volt,wird zunächst eine Warnung ausgegeben und bei weiterem Absinken wird der Pegelmes-ser gesperrt, um Fehlmessungen zu unterbinden.

Die Anzeige der Messwerte erfolgt auf einem zweizeiligen LCD-Display mit Standardbele-gung und Standardcontroller (HD 44780). Die Hintergrundbeleuchtung des Displays kanndurch den ATMega16, mittels PWM-Steuerung, eingestellt werden. Hierfür ist der Transis-tor T1 vorhanden. Der Anzeigenkontrast wird über das Potenziometer P1 eingestellt.

Für die Messfunktionswahl und die Auswahl andere Funktionen des Gerätes sind die Tas-ten MFT (Multi-Funktions-Taste), Up und Down vorhanden. Die zentrale Verarbeitung undSteuerung erfolgt im ATMega16. Der Controller kann über die ISP-Schnittstelle in derSchaltung programmiert werden. Der entsprechende 10pol. Stecker, mit Norm-Belegung,ist vorhanden. Ein externer Quarz ist nicht vorhanden und wird auch nicht benötigt, dakeine zeitkritischen Prozesse vorhanden sind. Die Taktung erfolgt durch den internen RC-Oszillator mit 8MHz.

Der Eingang wird auf einen CMOS-Operationsverstärker TLC-271 geführt. Dieser OpAmpwird im „Low Bias“ Mode betrieben. Laut Datenblatt ist eine Offset-Korrektur hierbei nichterforderlich. Diese Offset-Korrektur wird aber durch die Software durchgeführt und kanndaher jederzeit - während einer Messung – wiederholt werden, um die Genauigkeit derMessung zu gewährleisten.

Es ist keine Messbereichsumschaltung vorgesehen, da diese ein entsprechendes Netz-werk erfordert und damit der hohe Eingangswiderstand nicht realisierbar ist.

Der eingesetzte Delta-Sigma-Analog/Digitalwandler besitzt eine integrierte Referenzspan-nungsquelle von 2,048V mit einer Genauigkeit von 0,05 % mit einer Drift von 15 ppm/°C!Der Wandler ist selbstkalibrierend. Diese Selbstkalibrierung erfolgt bei jeder Wandlung.Der interne Vorverstärker (PGA) wird in dieser Anwendung nicht verwendet. Bei 18 BitAuflösung beträgt der LSB Wert 15,625µV und die Sample-Rate 3,75/s.



4. SoftwareDie Software ist in der Programmiersprache PASCAL realisiert. Als Compiler wurde dermikroPASCAL PRO Compiler von mikroElektronika, Version 6.0 eingesetzt.

Beim Einschalten des Gerätes wird zunächst ein „Startbildschirm“ ausgegeben und dasGerät initialisiert.

Anzeige: Millivoltmeter * Version 1.2 *

Diese Meldung wird für etwa eine Sekunde angezeigt und dann wird die zuletztverwendete Messfunktion aufgerufen.

4.1 Kalibrierung Damit mit diesem Gerät exakte Messungen durchgeführt werden können, muss es zuvorkalibriert werden. Das gilt insbesondere für die Pegelmessung. Die Messung von Span-nungen ist auch ohne Kalibrierung – aufgrund der sehr genauen Referenzquelle - schonsehr exakt. Eine Pegelmessung ist ohne Kalibrierung nicht möglich. Die Kalibrierung vonSpannungsmessung und Pegelmessung erfolgt in einer Routine.

4.1.1 Kalibrierung SpannungsmessungDie Kalibrier-Routine wird aufgerufen, indem beim Einschalten des Gerätes die Taste„MFT“ (Multi-Funktions-Taste) gedrückt gehalten wird. Dies muss solange erfolgen, bisfolgende Meldung im Display erscheint:

Anzeige: Eingang 0V ? weiter mit MFT

Der BNC-Eingang des Gerätes muss jetzt kurzgeschlossen werden, da vor der eigentli -chen Kalibrierung erst die Offsetspannung des Operationsverstärkers gemessen wird. Beikurzgeschlossenem Eingang wird jetzt die Taste „MFT“betätigt. Danach wird eine weiterMeldung ausgegeben:

Anzeige-Beispiel: Neuer Offset mV = 0,2043

Diese Meldung wird für etwa zwei Sekunden angezeigt und dann muss die Referenz-spannung von 1 Volt angelegt werden. Dies wird wie folgt angezeigt:

Anzeige: 1 Volt anlegen weiter mit MFT

Mit einem Druck auf die Taste „MFT“ wird dieser Wert übernommen, abgespeichert undbei Messungen zur Korrektur verwendet. Ein Druck auf die Taste „Down“ löscht eineneventuell vorhandenen Referenzwert und trägt einen Defaultwert ein. Wird die Taste „Up“betätigt, wird nichts verändert und die Kalibrierung der Spannungsmessung abgebrochenund zur Kalibrierung des Pegelmessers weiter verzweigt.



4.1.2 Kalibrierung Pegelmessung Der Aufruf dieser Kalibrier-Routine erfolgt automatisch nach der Kalibrierung der Span-nungsmessung. Soll die Kalibrierung der Pegelmessung aber nicht erfolgen, kann diesedurch einen Druck auf die Taste „Up“ abgebrochen werden.

Zum Kalibrieren muss ein Referenzpegel zwischen -95 dBm und 16 dBm in 1 dB-Schrit-ten erzeugt werden.Die Frequenz beim Kalibrieren beträgt 10 MHz.

Auch hier wird zunächst eine Offsetmessung durchgeführt. Es erscheint die gleiche An-zeige, wie vor der Kalibrierung der Spannungsmessung. Allerdings muss jetzt der Mess-kopf am Gerät angeschlossen und dessen Eingang mit 50 Ohm terminiert werden.

Anzeige: Eing. Det. 50 Ω weiter mit MFT

Hier wird jetzt, nach einem Druck auf die Taste „MFT“, die Offsetspannung des Messkop-fes gemessen und abgespeichert. Diese Offsetspannung wird nur für die Pegelmessungverwendet. Der Offset der Spannungsmessung bleibt unverändert.

Anzeige-Beispiel: Neuer Offset mV = 123,284

Jetzt müssen -95 dBm an den Eingang des Pegelmessers angelegt werden. Dann wirddie Taste „MFT“ gedrückt. Im Display erscheint jetzt die Meldung „-94 dBm anlegen“. Jetztmüssen -94 dBm an den Eingang des Pegelmessers angelegt werden. Dann wird dieTaste „MFT“ erneut gedrückt. Das wird solange fortgesetzt, bis 16 dBm erreicht sind.

Anzeige-Beispiel: -94 dBm anlegen DW=7985.0 MFT

In der zweiten Display-Zeile wird der Digitalwert des Wandlers angezeigt, sodas man dieÄnderung der Werte auf dem Display verfolgen kann. Nachdem der letzte Kalibrierwerteingegeben wurde, erscheint kurz die Meldung „Levelmeter kalibriert“, danach befindetsich der Pegelmesser im Messbetrieb.

Anzeige: Levelmeter kalibriert

Auch hier kann die Kalibrierung jederzeit durch einen Druck auf die Taste „Up“ abgebro-chen werden. Ein Druck auf die Taste „Down“ überspringt die aktuelle Position, ohne Ab-speichern oder Verändern eventuell vorhandener Daten.

4.1.3 Frequenzkorrekturwerte Für die Frequenzkorrekturwerte ist eine eigene Kalibrier-Routine vorhanden. Diese wirdaufgerufen, indem während des Einschaltens die Taste „Down“ gedrückt gehalten wird.Auch hier erfolgt zunächst eine Offsetmessung analog zu 4.1.2. Diese Messung wird da-her hier nicht weiter beschrieben. Anschließend muss ein Pegel von -30 dBm angelegtwerden. Die erforderliche Frequenz wird im Display angezeigt.



Anzeige-Beispiel: -30 dBm anlegen 145 MHz MFT

Wenn jetzt ein Pegel von -30 dBm und einer Frequenz von z.B. 145MHz anliegt, wird miteinem Druck auf die Taste „MFT“ die Differenz zum (bei 10MHz) kalibrierten Wert berech-net und als Korrekturwert abgelegt. Nachdem der letzte Wert ermittelt wurde, wird folgen-de Meldung ausgegeben und das Gerät befindet sich im Messbetrieb.

Anzeige: Korrekturwerte abgespeichert

Auch hier kann der Vorgang durch einen Druck auf die Taste „Up“ jederzeit abgebrochenwerden. Ein Druck auf die Taste „Down“ überspringt die aktuelle Position ohne Änderun-gen vorzunehmen.

4.2 BeleuchtungWenn beim Einschalten der Taster „Up“ gedrückt wird, kann die Hintergrundbeleuchtungeingestellt werden. Die Einstellung erfolgt über die Taster „Up“ und „Down“, bis der ge-wünschte Helligkeitsgrad erreicht ist. Dann wird die Taste „MFT“ gedrückt und es er-scheint kurz die Meldung „Beleuchtung eingestellt“,danach ist der Pegelmesser im Mess-betrieb. Der vorgewählte Wert wird abgespeichert und beim nächsten Einschalten wiederverwendet.

Wird eine externe Spannung (> 9V) erkannt, wird die Beleuchtung auf ca. 80% der max.Helligkeit eingestellt. Nach entfernen der externen Spannung wird wieder der vorgewählteHelligkeitswert eingestellt.

4.3 MessfunktionenDie Messfunktionen werden mit der Taste „MFT“ umgeschaltet.

4.3.1 Messfunktion 1, LeistungsmessungIn dieser Funktion wird in der oberen Zeile der Eingangspegel in dBm angezeigt und inder unteren Zeile der Eingangspegel in Milliwatt. Angezeigt wird die Leistung in den Be-zugsgrößen pW, nW, µW, mW und W.

In der oberen linken Ecke wird die Frequenz für die Messwertkorrektur angezeigt. Wirddie Taste „Up“ betätigt, wird der nächste Frequenzkorrekturwert angezeigt und dieser indie Messung eingerechnet. Es muss also darauf geachtet werden, dass nicht mit demfalschen Korrekturwert gemessen wird! Jeder Druck auf die Taste „Up“ schaltet den Wertweiter.

Anzeige-Beispiel: 145MHz -14.23 dBm µW = 37.74



4.3.2 Messfunktion 2, Millivolt-Messung mit Anzeige des Offset In dieser Funktion wird die Eingangsspannung gemessen und der Wert in den Bezugs-größen µV, mV und V in der unteren Display-Zeile angezeigt. In der oberen Display-Zeilewird der Offsetwert des Operationsverstärkers angezeigt.

Anzeige-Beispiel: Off. = 0.187 mV V = 1.5006

4.3.3 Messfunktion 3, Millivolt-Messung mit Anzeige des WiderstandesIn dieser Funktion wird die Eingangsspannung gemessen und der Wert in den Bezugs-größen µV, mV und V in der unteren Display-Zeile angezeigt.

Anzeige-Beispiel: Ω = 50.001 @10mA mV = 500.01

Mit dieser Messung können Widerstände sehr genau vermessen werden.

5. Offset-KorrekturIn dieser Funktion wird der Offset des Operationsverstärkers ermittelt und abgespeichert.Das kann jederzeit im Messbetrieb erfolgen und dient dazu, die Messgenauigkeit zu er-halten. Die Offsetspannung wird in Abhängigkeit von der Messfunktion ermittelt. Bei derSpannungsmessung muss der BNC-Eingang kurzgeschlossen werden. Bei der Pegel-messung muss der Messkopf angeschlossen und dessen Eingang mit 50 Ohm terminiertsein.

Der Aufruf der Offset-Korrektur erfolgt im normalen Messmodus durch einen Druck aufdie Taste „Down“. Die Vorgehensweise ist ansonsten, wie bei der Kalibrierung beschrie-ben.



AnhangStromlaufplan

Layout



Bilder

Fertiges Gerät, Messfunktion Pegelmessung Bestückte Platine, Fehlermeldung I2C-Bus

Messfunktion Widerstandsmessung Messkopf für die RF-Pegelmessung (optional)



Stückliste

Vom: 27.10.2015 um 18:30:42 UhrBlatt: "1: Präzisions-Millivoltmeter" Bat1 = 9V (Anschluß über Batterieclip, Best.Nr. CLIP 9V , Reichelt) BNC0 = BNC-Buchse (BNC Printbuchse 50 Ohm, BestNr. UG 1094W1, Reichelt) C1 = 100nF (SMD 1206, BestNr. X7R-G1206 100N, Reichelt)C2 = 100nF (SMD 1206, BestNr. X7R-G1206 100N, Reichelt)C3 = 100nF (SMD 1206, BestNr. X7R-G1206 100N, Reichelt)C6 = 100nF (SMD 1206, BestNr. X7R-G1206 100N, Reichelt)C7 = 10µF (Miniaturelko radial, 35V, RM 2,5 mm, BestNr RAD 10/100, Reichelt)C8 = 22µF (Miniaturelko radial, 63V, RM 2,5 mm, BestNr RAD 22/63, Reichelt)C9 = 100nF (SMD 1206, BestNr. X7R-G1206 100N, Reichelt)C10 = 100nF (SMD 1206, BestNr. X7R-G1206 100N, Reichelt)C11 = 100nF (SMD 1206, BestNr. X7R-G1206 100N, Reichelt)C16 = 10µF (Miniaturelko radial, RM 2,5 mm, BestNr RAD 10/100, Reichelt)C17 = 100nF (SMD 1206, BestNr. X7R-G1206 100N, Reichelt)C18 = 10µF (Miniaturelko radial, 35V, RM 2,5 mm, BestNr RAD 10/100, Reichelt)C19 = 2,2nF (SMD 1206, Best.Nr.X7R-G1206 2,2N, Reichelt) D1 = 1N4001 (Silizium-Diode, Best.Nr. 1N 4001, Reichelt)D2 = 1N4001 (Silizium-Diode, Best.Nr. 1N 4001, Reichelt)D3 = BAT 41 (Schottky-Diode Mini Melf, BestNr. BAT 41 SMD, Reichelt)D4 = ZF 5,1 (Zenerdiode Mini Melf, BestNr. SMD ZF 5,1, Reichelt) IC1 = ATmega16 (ATmega16, 16 MHz, DIL 40, BestNr. ATMEGA 16-16 DIP, Reichelt)IC2 = MCP3421 (SMD_SOT-23_A/D-Wandler, Best.Nr. MCP 3421A0T-E/CH, Reichelt)IC3 = TLC271 (Operationsverstärker TLC271, BestNr. TLC 271 DIP, Reichelt ) J1 = 3,5mm Klinkenbuchse (Klinkeneinbaukupplung Stereo 3,5mm, Best.Nr. 735508, Conrad)J2 = NEB21 Hohlbuchse (Einbaukupplung NEB21, Best.Nr.LUM NEBJ 21R, Reichelt) L1 = 10µH (Induktivität, Best.Nr. L-MICC 10y, Reichelt)L2 = 1µH (Induktivität, BestNr. L-1206AS 1,0µ, Reichelt)L3 = 1µH (Induktivität, BestNr. L-1206AS 1,0µ, Reichelt) LCD1 = 2x16 Zeichen (Dot-Matrix Display, HD44780 komp. Best.Nr. LCD 162C LED, Reichelt) P1 = 10k (Trimmer, liegend10mm, Best.Nr. PT 10-L 10K , Reichelt) PL1 = Version 1.0 (Platine "Millivoltmeter", PCB-Pool) R2 = 22 (Widerstand 1/4W, RM 10, Best.Nr. METALL 22, Reichelt)R3 = 12 (Widerstand 1/4W, RM 10, Best.Nr. METALL 12,0, Reichelt)R4 = 10K (Widerstand 1/4W, RM 10, Best.Nr. METALL 10,0K, Reichelt)R5 = 2,2K (Widerstand 1/4W, RM 10, Best.Nr. METALL 2,20K, Reichelt)R8 = 100 (Widerstand 1/4W, RM 10, Best.Nr. METALL 100, Reichelt)R9 = 8,2K (Widerstand 1/4W, RM 10, Best.Nr. METALL 8,20K, Reichelt)R10 = 2,2K (Widerstand 1/4W, RM 10, Best.Nr. METALL 2,20K, Reichelt)R14 = 4,7K (Widerstand 1/4W, RM 10, Best.Nr. METALL 4,70K, Reichelt)R15 = 4,7K (Widerstand 1/4W, RM 10, Best.Nr. METALL 4,70K, Reichelt)R16 = 10K (Widerstand SMD 1206, Best.Nr. SMD 1/4W 10K, Reichelt) S1 = Druckschalter (Taster 222,5mm, Best-Nr. TASTER 3FTL6, Reichelt + KAPPE 1S09-22.5)S2 = Druckschalter (Taster 222,5mm, Best-Nr. TASTER 3FTL6, Reichelt + KAPPE 1S09-22.5)S3 = Druckschalter (Taster 222,5mm, Best-Nr. TASTER 3FTL6, Reichelt + KAPPE 1S09-22.5)S4 = Schalter (1pol. Ein-Ein, Best.Nr. MS 500A, Reichelt) St1 = 10pol (Wannenstecker 10pol, Best.Nr WSL 10G , Reichelt) T1 = IRLR 110 (IRLU110 HEXFET für Logikansteuerung, Best.Nr. IRLR 110, Reichelt) VR1 = LM2940CT5 (Spannungsregler, Best.Nr. LM 2940 CT5, Reichelt)



Technische Daten:

Eingangsimpedanz 1012 Ω (ohne Schutzbeschaltung)

Messbereiche 0 bis 2,048 Volt, Auflösung 15,625 µV -95 dBm bis 16 dBm (abhängig vom verwendeten Messkopf)

Recorderausgang max. 2,048 V, Impedanz 100 Ω

Spannungsversorgung 9 V-Block, extern 9 – 12V über Hohlbuchse

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Erforderlich zur Kalibrierung:

Referenzspannung 1,000 Volt (Kalibrierung optional)

Kalibrierpegel -95 dBm bis 16 dBm (in 1 dB-Schritten)Kalibrierfrequenz 10 MHz

Korrekturfrequenzwerte 30, 50, 145, 435 MHz und 1,2 sowie 1,5 GHz (andere Werte durch Softwareänderung)


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