構成

• 発振器は AD9851 (DDS) のモジュール
• 検波は AD8307 (ログアンプ)
• 検出器はブリッジ
• 計測ポイントは3つ
  • リファレンス電圧 (入力電圧の半分)
  • 負荷電圧 (アンテナの入力電圧)
  • 平衡電圧 (リファレンス電圧と負荷電圧の差

測れる原理はアンテナアナライザの回路 - ブリッジの三つの電位差を測るタイプ | tech - 氾濫原で確認しました。

実際の回路

使えるか

こんな感じで測定できています。なぜか波うっています。ADCの±1エラーもありそうですが、インピーダンスミスマッチでどこかで反射が起きているのかもしれません。外来ノイズ (アンテナなので普通に受信状態にある) も関係ありそうな気がします。よくわかりません。

VSWR の測定 (測定値2つの単純な割り算) では波うってないので、そんなに気にすることもないかもしれません。

既製品で測定した結果のリアクタンスを絶対値になおしたグラフが以下です。そこそこ一致しているように見えます。波うっているのさえなんとかなれば普通に信用にたる測定器がつくれそうです。

いくつかあった問題

まとめ

まだアプリケーションとしては途中ですが、ひとまず動きそうだぞというところまではできました。

測定結果が波うっているのは未解決です。また、RFバッファも微妙なのでもうちょっとマシにするか、素直にバッファICにしてしまいたいです。

所感

128x128 は MCU で扱う解像度としてはかなり広く感じます。文字を dot by dot で表示させると 16x2 などの LCD モジュールと比べてかなり情報量が増えます。カラーなのでさらに情報量が増えます。

描画速度も 16x2 の LCD などよりは早いです。ただしバッファが1つなのであまり書き換えが早いとチラついてしまいます。

デメリットとしては制御コードが複雑になる (フットプリントが増える) ことだと思います。上記のコードはかなりシンプルに見えますがプログラムで23.3%、データで7.7%使っています。ライブラリ側の工夫でもうすこし縮められそうな気はしますが、テキスト表示するならフォントは持たざるを得ないので、16x2 と比べると確実にコード量が増えます。

コード

書いたコードでは、全桁BCDでやるようにしてみました。マッピング持つのが面倒なのと、実質自分が使おうと思う用途だと数字以外表示しなそうだな、という気がしています (7セグでアルファベット表示させるのは視認性が悪いので好きじゃない)

SPI 通信はビット数のキリがいいのでハードウェアを使ってやっています。MAX7219 は 10MHz の SPI らしいのでそのようにしてみました。チップセレクトだけコンストラクタに渡すようにしています。

#include <Arduino.h>
#include <SPI.h>

#include <string.h>
class MAX7219 {
	uint8_t CS;

public:
	enum class ADDRESS : uint8_t {
		NOOP = 0b0000,
		DIGIT0 = 1,
		DIGIT1 = 2,
		DIGIT2 = 3,
		DIGIT3 = 4,
		DIGIT4 = 5,
		DIGIT5 = 6,
		DIGIT6 = 7,
		DIGIT7 = 8,
		DECODE_MODE = 0b1001,
		INTENSITY = 0b1010,
		SCAN_LIMIT = 0b1011,
		SHUTDOWN = 0b1100,
		DISPLAY_TEST = 0b1111,
	};

	enum class SHUTDOWN_MODE : uint8_t {
		SHUTDOWN = 0b0,
		NORMAL = 0b1,
	};

	enum class DECODE_MODE : uint8_t {
		NO_DECODE_FOR_DIGITS_7_0 = 0b00000000,
		CODE_B_DECODE_FOR_DIGIT_0_NO_DECODE_FOR_DIGITS_7_1 = 0b00000001,
		CODE_B_DECODE_FOR_DIGIT_3_0_NO_DECODE_FOR_DIGITS_7_4 = 0b00001111,
		CODE_B_DECODE_FOR_DIGIT_7_0 = 0b11111111,
	};

	MAX7219(uint8_t _cs) :
		CS(_cs)
	{
		pinMode(CS, OUTPUT);
	}

	void write(ADDRESS address, uint8_t data) {
		SPI.beginTransaction(SPISettings(10000000, MSBFIRST, SPI_MODE0));
		digitalWrite(CS, LOW);
		SPI.transfer(static_cast<uint8_t>(address));
		SPI.transfer(data);
		digitalWrite(CS, HIGH);
		SPI.endTransaction();
	}
	void begin() {
		SPI.begin();

		setDecodeMode(DECODE_MODE::CODE_B_DECODE_FOR_DIGIT_7_0);
		setScanLimit(7);
		setShutdown(false);

		setIntensity(8);

		for (int i = 0; i < 8; i++) {
			write(static_cast<ADDRESS>(i + 1), 1);
		}
	}

	void setDecodeMode(DECODE_MODE mode) {
		write(ADDRESS::DECODE_MODE, static_cast<uint8_t>(mode));
	}

	void setScanLimit(uint8_t limit) {
		write(ADDRESS::SCAN_LIMIT, limit);
	}

	void setIntensity(uint8_t intensity) {
		write(ADDRESS::INTENSITY, intensity);
	}

	void setShutdown(bool shutdown) {
		write(ADDRESS::SHUTDOWN, static_cast<uint8_t>(shutdown ? SHUTDOWN_MODE::SHUTDOWN : SHUTDOWN_MODE::NORMAL));
	}

	void print(const char* buf) {
		size_t len = strlen(buf);
		uint8_t digit = 0, dp = 0;
		for (size_t i = 0; i < len && digit < 8; i++) {
			const char c = buf[len - i - 1];
			if (c == '.') {
				dp = 1<<7;
				continue;
			} 

			uint8_t b;
			if (c == '-') {
				b = 0b1010;
			} else
			if (c == ' ') {
				b = 0b1111;
			} else
			if ('0' <= c && c <= '9') {
				b = static_cast<uint8_t>(c - '0');
			} else {
				continue;
			}

			write(static_cast<ADDRESS>(digit + 1), b | dp);
			dp = 0;
			digit++;
		}

		for (; digit < 8; digit++) {
			write(static_cast<ADDRESS>(digit + 1), 0b1111);
		}
	}
};


MAX7219 leds(10);

void setup() {
	leds.begin();
	leds.print("-1234.567");
	delay(3000);
}

void loop() {
	leds.print(String((float)micros() / 1000).c_str());
	delay(29);
}

主要ピン幅

• DIP : 2.54mm
• SOIC: 1.27mm
• TSSOP: 0.65mm
• MSOP: 0.5mm

先端 0.1mm、60度のVカッターだと0.1mm の深さで幅 0.215mm。

ソルダーマスク

このように PCB Milling で普通に作るとソルダーマスクがないので、ハンダブリッジをとても起こしやすい状態になります。

いくつか作って実装してみてわかりましたが、表面実装品ではソルダーマスクがなくても案外ブリッジしません。一方でリード品をハンダづけすると高確率でブリッジします。

これはおそらく使用するハンダの量の違いだと思います。また、リード品だとリードが邪魔で正確にコテ先をあてにくいのも一因としてありそうです。

TSSOPでもパッドがしっかり成形できていれば、ハンダ付け自体にはそれほど困難に感じません。ただしフラックスは必須です。

「リード部品のほうがハンダ付けしやすい」という刷り込みを持っていたので、意外な発見でした。

使用感

実際10W入力すると3秒ぐらいでかなり発熱するのでこわいです。5W ぐらいまでなら〜5秒耐えられそうです。

確度

アッテネータの絶対的な誤差は簡単な校正で消せます (インターセプトが移動してるだけなので) 。AD8307 自体のログとの一致性は±1dB。

ただ、入力周波数によって出力電圧が結構変わりますので、確度を求めるなら周波数カウンタ機能をつけて、周波数も変数にして校正したほうが良さそうです。

例えば10MHzと500MHzだと、出力電圧にほぼ固定で10dB分の差があります (1ケタ!!)。一応、この差は周波数に応じてほぼ固定なので、入力周波数がわかっていれば簡単に補正はできます。

↓ はデータシート記載のものと、実測のもの

今回は周波数を測ってない以上、全域での絶対的な確度はあまり期待できません。

計測できた電力値が実際より大きい分にはあまり問題ではありませんが、実際よりも小さい値が表示されると、これを信じて他の機器につないだときに過大入力になることがあり、よくありません。安全策としては上限周波数で校正をかけることでしょう。

ただし、前段についているアッテネータの特性的に300MHzぐらいが上限です。

用途

明確な出力が不明な信号源の場合、直接スペアナに繋ぐまえに、一旦チェックする用として使いたい気持ちです。瞬間的になら10W入力できますし、これなら壊れても痛くありません。

コード

#include <Arduino.h>
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include "interval.hpp"

static const float SLOPE = 26.367;
static const float INTERCEPT = -63.51879243;


LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);
String formatWatts(const float watts) {
	if (watts < 1e-3) {
		return String(watts * 1e6) + "uW";
	} else
	if (watts < 1e-1) {
		return String(watts * 1e3) + "mW";
	} else {
		return String(watts) + "W ";
	}
}

void setup() {
	Serial.begin(115200);
	Serial.println("init...");

	Wire.begin();

	lcd.begin();
	lcd.backlight();
	lcd.setCursor(0, 0);
	lcd.print("Hello, World");
	lcd.setCursor(0, 1);
	lcd.print("TEST");
}

void loop() {
//	interval<1000>::run([]{
//		Serial.println("1000ms");
//	});

	uint16_t adc_raw = analogRead(0);
	Serial.print("ADC Got = "); Serial.println(adc_raw);
	float adc = static_cast<float>(adc_raw) / 1024 * 5;

	Serial.print("ADC Voltage = "); Serial.println(adc * 1000);

	float dBm = (adc * 1000 / SLOPE) + INTERCEPT;
	Serial.print("dBm = "); Serial.println(round(dBm));

	float watts = pow(10, dBm / 10) / 1000;
	Serial.print("W = "); Serial.println(watts);
	Serial.print("mW = "); Serial.println(watts * 1000);

	lcd.setCursor(0, 1);
	lcd.print(round(dBm));
	lcd.print("dBm");
	lcd.print("                ");

	lcd.setCursor(0, 0);
	lcd.print(formatWatts(watts));
	lcd.print("                ");

	delay(500);
}

回路

アッテネータの計算機 を使って必要な抵抗値を求め、抵抗計算のサイトでどうやって近い値を作るかを調べ、このようにπ型のアッテネータ回路にしました。

ボードレイアウト

小さくつくりたかったので全部縦に並ぶようにしてみましたが、入出力が近くなるので、こう実装するのはあんまり良くなさそうな気がします。

結果

回路とボードレイアウト

回路はAD8307のデータシートに記載がある以下の「基本的な接続」の回路ほぼそのままです。電源のデカップリング用の 4.7Ω はフェライトビーズに変え、入力抵抗 52.3Ωは100 // 110Ωで作っています (が、手元に110Ω抵抗がなかったため100 // 220 // 220 Ω)

ボードレイアウトは以下のようにしました。PCB Milling で作るため必ずしも理想的とはいえません。

測定

手元にある信号発生器だと、スペアナのトラッキングジェネレータ出力が一番信用できるので、これを使いました。ただし出力が-20dBm〜0dBmまでを1dB単位でしか出せないので、出力がもうすこし大きくなって飽和近くになったときどうなるかはわかりません。周波数は10MHz固定です。

ということでこのようになりました。確かにログアンプになっているようで、綺麗に dB に対して直線になっています。

傾きは 24mV/dB (= (2230-1750)/20 ), インターセプトは -92.9dBm ぐらいにあります。

AD8307 本来の仕様的にはインターセプトは -87〜-77dBm なのですが、これはずれています。原因はよくわかりません。入力インピーダンスが正確に50Ωになっていない(アンテナアナライザーで測ると約52Ω)影響かもしれません。

まとめ

ひとまずログアンプとしては動いているようなので使えそうです。インターセプトのずれは実装の問題なのかICの問題なのかはよくわかりませんのでとりあえず保留としようと思います。自分の場合出力を必ずADCに接続するので、ここが多少ずれていても大丈夫ではあります。

余談

表面実装品のテストにPCB Millingをはじめて使ってみました。PCB Millingとしては、こういう使いかたをするのが一番の目的だったので、ひとまずうまく実験できて良かったです。SOIC は割と足の間隔が広いので、あまり細かいことができないPCB Millingでも十分いけることがわかりました。

仕様

見ての通りパネル全面にダイオードと抵抗がついています。簡単にはずせそうで便利ですね。このダイオードと抵抗は無視して、電流計本体のフルスケールと内部抵抗を測りました。

フルスケールはだいたい1500uA(1.5mA)ぐらいのようです。このとき、電圧は 620mV でしたので、内部抵抗は約413Ωです。

あまり格好いいメータとはいえませんが、スケールを貼り替えてカバーを塗装すれば多少マシになるかもしれません。ただ針の振れかたも安っぽく、ヒゲゼンマイのトルクがいまいちという感じがします。

とはいえ、ちょっとしたケースでデジタルPWMに繋いでアナログ表示させてみるみたいなケースでは使えそうです。3.3V なら 1.8kΩ、5V なら 2.9kΩ を直列に繋げばちょうどよさそうです。

出力が頭うちに

しかし実際 3.3V で使ってみると、10dBm 入力しても想定した出力がでません。よくよく調べてみると、英語版の最新データシートだと以下のような記述がありました。

要約すると 出力回路に2つのトランジスタがあるので、4V未満ではこれらの 分出力が低下するよ、という感じのようです。出力回路の制限なわけですね。

が 0.7V とすれば2つで1.4V、電源電圧が3.3Vなら、出力電圧は1.9Vまで低減されます。これを入力 dBm に換算すると-8dBm付近になります (実際の や によります)。

が -84 dBm、 が 25mV/dB で が 1.9Vだと -8dBm になります。

ということで、実測だと 3.3V 時に出力が頭うちになるのは完全に「仕様」なのでした。

結論

つまり、3.3V で使う場合で、-8dBm 以上入力させたいなら、傾きの調整が必須なのです。

傾きを 20mV/dB にすれば、 1.9V で +11dBm になります。20mV/dB に設定する方法はデータシートにそのまま載っていて、32.4kΩの抵抗と50kΩの可変抵抗を直列にして AD9807 の OUT と COM に接続 (内部の出力抵抗と並列に接続) して調整すれば良いようです。

といっても調整するのが面倒なんですが…