AD8307

AD8307を使ってログアンプ検波するバージョンの SWR 計の例があることは知っていましたが、前回はそこまですることはないと思ってとりあえず簡単な方法で作りました。

というのもログアンプは大変高価だからです。秋月でAD8307のDIP版が売っていますが、単価が1100円します。なお DigiKey で買うともっと高価なので、秋月は安いほうです。

(最近知りましたが中華性AD8307というセカンドソース品、というよりコピー品があり、こちらは単価が50円!!と激安のようです。SOICで、ebay で手に入ります)

方向性結合器 + 検波 + ADC

例の回路をほぼ完全にパクって実装しました。

方向性結合器は、タンデムマッチで、FT82-43 を使い、20T にしてみました (26.02dB のカップラに)。線間容量を減らして、高い周波数での特性が改善しないか?と思い巻数を減らしています。#43 は透磁率が高いので、多少巻数を減らしてもインピーダンスは高いままですが、ロスは多くなるはずです。

検波部は結合器からの出力をアッテネータ(16.1dB)を通し、インピーダンス変換を行なって AD8307 に入力しています。AD8307 のオフセットや切片調整はしていないので、25mV/dB の出力にはるはずです。

方向性結合器で 26.02dB、アッテネータで16.1dBなので、AD8307 には 42.12dB 減衰された信号が入力されます。言いかえると、AD8307の入力範囲は -72〜+16dBm ですから、-29.88〜+58.12dBm の入力範囲 (約1μW〜648W) にシフトしたことになります。

ADC は ADS1015 という 4ch + PGA 付き I2C デバイスにしてみました。ここは入手性の問題からオリジナルと違います。

実装

最初は方向性結合器の部分も基板を起こしていましたが、どうも作りにくいので立体配線に変えました。2つのトロイダルコアの間に容量結合防止のためのGNDを立てたいわけですが、プリント基板だとかえって面倒でした。

そんなこともあろうかと、基板を作る段階で途中で切って使えるような感じにしておいたので良かったです。

検証

作ったはいいのですが、どうもうまくいかず悩みました。

一つはコイルを逆付けしていてまともに方向性結合器として動いていなかったのが原因でした。

もう一つはAD8307の出力の問題で、どうしても入力電力から計算される出力電圧が出ず、未だ完全に理由がわかっていません。

方向性結合器

SWR はこんな感じでした

SWR だとよくわからないので、リターンロスでみるとこんな感じです

肝心のディレクティビティなどの特性です。蓋をあけた状態で電圧をオシロで計って50Ω換算で出しています。残念ながら前回作ったものよりも良くありません。

ログアンプの効果

ダイオード検波の場合、微小電力ではダイオードの Vf を超えることができず、それはそのまま誤差になります。

ログアンプ検波することで、ダイオード検波の欠点はなくなり、微小電力から計れるようになりました。具体的には、スペアナのトラッキングジェネレータ出力を 0dBm にして計っても、多少の誤差はありますがちゃんと 1mW ぐらいの値が出てきます。

通常送信機の電力測定ではこんな微小電力まで計れる必要は特にないかと思いますが、SWR 計として反射電力を計りたい場合、SWR が低いときには反射電力も非常に小さくなりますから、ダイナミックレンジの広い測定が必要になります。ダイオード検波と通常のリニアなADCを使うことに対する最大のメリットはここだと思います。

方向性結合器部分はまだ追試が必要

SWR計としてまとめるのではなく、方向性結合器として一旦作って評価をしてから、検波回路を外付けするほうが安定したものが作れそうです。次はそのようにしたいと思います。

制御

インターフェイスはまともに作っていなくて、Arduino で I2C から値を呼んで計算させてシリアルに出力だけさせてテストしていました。今のところまだ実用にはなっていません。

ghq で全部落としとくぞ

Mercurial (hg) のレポジトリとして公開されている。

 ghq get https://cho45@developer.mbed.org/users/mbed_official/code/mbed-src/
 ghq get https://cho45@developer.mbed.org/users/mbed_official/code/mbed/ 

してmbed 関係のヘッダと実装を手元に置いておく

mbed LPC1114

メインのレポジトリはこっちなのですが、ヘッダファイルだけ
https://developer.mbed.org/users/mbed_official/code/mbed/file/252557024ec3/TARGET_LPC1114/TARGET_NXP/TARGET_LPC11XX_11CXX/TARGET_LPC11XX

実装は mbed-src にあった。
https://developer.mbed.org/users/mbed_official/code/mbed-src/file/a11c0372f0ba/targets/cmsis/TARGET_NXP/TARGET_LPC11XX_11CXX/TARGET_LPC11XX/system_LPC11xx.c

コード

Arduino のコードとほぼ一緒です。というか殆ど正規表現で置換しただけで動かすことができました。GPIO の操作だけなので本当に頭を一切使わずに移植できました。

GCC かつ -std=c++14 な環境なため mbed のオンラインコンパイラではコンパイルできないと思います (すこし修正すればいけるはずですが C++14 が使えない環境に興味がないので……)

また、なんとなくシリアル経由で周波数を変えるインターフェイスにしてみました。mbed のライブラリに CircularBuffer があるので簡単です。C++ の STL に circular buffer / ring buffer 相当のものがないのが不思議なんですが、いつか入る予定はあるんでしょうかね？

#include "mbed.h"
#include <CircularBuffer.h>
#include <cstdlib>
#include <string>

template <uint32_t CLKIN, bool MULTIPLIER>
class AD9851 {
	static constexpr double PHASE_FACTOR = 0x100000000 / (double)(CLKIN * (MULTIPLIER ? 6 : 1));

	DigitalOut PIN_DATA;
	DigitalOut PIN_FQ_UD;
	DigitalOut PIN_W_CLK;
	DigitalOut PIN_RESET;

	void serial_write(uint32_t freq, uint8_t phase, bool powerdown) {
		// freq (delta phase)
		for (int i = 0; i < 32; i++) {
			PIN_DATA = (freq>>i & 1);
			PIN_W_CLK = 1; wait_us(4);
			PIN_W_CLK = 0; wait_us(4);
		}

		// control bits
		PIN_DATA = MULTIPLIER ? 1 : 0;
		PIN_W_CLK = 1; wait_us(4);
		PIN_W_CLK = 0; wait_us(4);
		PIN_DATA = 0;
		PIN_W_CLK = 1; wait_us(4);
		PIN_W_CLK = 0; wait_us(4);

		// powerdown
		PIN_DATA = powerdown ? 1 : 0;
		PIN_W_CLK = 1; wait_us(4);
		PIN_W_CLK = 0; wait_us(4);

		// phase
		for (int i = 0; i < 5; i++) {
			PIN_DATA = (phase>>i & 1);
			PIN_W_CLK = 1; wait_us(4);
			PIN_W_CLK = 0; wait_us(4);
		}

		PIN_FQ_UD = 1; wait_us(4);
		PIN_FQ_UD = 0; wait_us(4);
	}

public:
	AD9851(
			PinName data,
			PinName fq_ud,
			PinName w_clk,
			PinName reset
		) :
			PIN_DATA(DigitalOut(data)),
			PIN_FQ_UD(DigitalOut(fq_ud)),
			PIN_W_CLK(DigitalOut(w_clk)),
			PIN_RESET(DigitalOut(reset))
	{
		PIN_DATA = 0;
		PIN_FQ_UD = 0;
		PIN_W_CLK = 0;
		PIN_RESET = 0;
	}

	/**
	 * W0 ... W31  -> Freq (LSB first)
	 * W32, W33    -> Control (for factory test)
	 * W34         -> Power-Down
	 * W35 ... W39 -> Phase (LSB first)
	 */

	void reset() {
		// ensure low
		PIN_DATA = 0;
		PIN_FQ_UD = 0;
		PIN_W_CLK = 0;

		// reset
		PIN_RESET = 1; wait(1);
		PIN_RESET = 0; wait(1);

		// reset to serial mode
		// Pins of D0, D1 = 1, D2 = 0 for serial mode
		PIN_W_CLK = 1; wait_us(4);
		PIN_W_CLK = 0; wait_us(4);

		PIN_FQ_UD = 1; wait_us(4);
		PIN_FQ_UD = 0; wait_us(4);
	}

	void set_frequency(uint32_t frequency) {
		set_frequency(frequency, 0);
	}

	void set_frequency(uint32_t frequency, uint8_t phase) {
		uint32_t deltaPhase = PHASE_FACTOR * frequency;
		serial_write(deltaPhase, phase, 0);
	}

	void powerdown() {
		serial_write(0, 0, 1);
	}
};

AD9851<30000000, true> ad9851(/*data*/dp28, /*fq_ud*/dp26, /*w_clk*/dp25, /*reset*/dp1);

//AnalogIn adc1(dp9);
//AnalogIn adc2(dp10);
//AnalogIn adc3(dp11);
//AnalogIn adc4(dp13);

Serial serial(USBTX, USBRX);

CircularBuffer<char, 80> serial_buffer;

int main() {
	serial.baud(115200);
	serial.printf("init\n");

	ad9851.reset();
	ad9851.set_frequency(10e6);

	for (;;) {
		if (serial.readable()) {
			char c = serial.getc();
			if (c == 0x0D) continue; // ignore CR
			if (c == 0x0A) { // treat LF as line end
				std::string line(80, '\0');
				line.clear();

				char c;
				while (serial_buffer.pop(c)) {
					line += c;
				}
				serial_buffer.reset();

				serial.printf("GOT: %s\n", line.c_str());

				uint32_t new_freq = std::atoi(line.c_str()) * 1e6;
				ad9851.set_frequency(new_freq);
				continue;
			}

			serial_buffer.push(c);
		}
	}
	return 0;
}

メモ: mbed 移植正規表現

S/digitalWrite\(([^,]+), ([^)]+)\)/\1 = \2/
s/delayMicroseconds/wait_us/g
s/delay/wait/g