Amateurfunk verbindet Menschen in der ganzen Welt

Präzisions High-Impedanz-Millivoltmeter, Pegelmesser

Here you can read the English version of this page.

Kurt Poulsen, OZ7OU gab den eigentlichen Anlass dazu, das Millivoltmeter zu entwickeln. Auf seiner Homepage (http://www.hamcom.dk/) findet man alle Unterlagen um die Messbox, zur präzisen Messung eines SMA 50 Ohm Abschluss-widerstandes zur Kalibrierung des VNWA, zu bauen. Das Millivoltmeter ersetzt hier ein hochpreisiges DMM.

Mittlerweile gibt es auch eine Konstant-Stromquelle, die man für diese Messungen nutzen kann. Diese Constant-U/I Source findet man hier.

Norbert, DG1KPN, hatte dann die Idee, dieses Millivoltmeter aufzubauen. Im Prinzip war ja alles vorhanden. Als Hardware diente die des Pegelmesser_MK. Lediglich der Eingang wurde leicht verändert und ein CMOS-Operations-verstärker mit einem Eingangswiderstand von 1012 Ω eingesetzt. Hier hat Norbert viel Zeit und einige Tests investiert, um einen  geeigneten Operationsverstärker  zu finden.

Die Software musste natürlich auch entsprechend angepasst werden. Als "Abfallprodukt" wurde noch eine Messfunktion für die Messung von Leistungspegeln mit einem externen Messkopf mit AD8307 vorgesehen.


Das fertige Millivoltmeter im Modus Pegelmessung mit Messkopf


Schaltbild des Millivoltmeters / Pegelmessers

Der verwendete AD-Wandler MCP3421 hat eine Auflösung von 18 Bit und damit eine Auflösung von 15,625 µV bei einer Referenzspannung von  2,048 V.

Die Spannungsmessung kann bei Bedarf auch noch kalibriert werden. Auch ohne diese Kalibrierung sind die Messungen, dank der präzisen, internen Referenzspannungsquelle des Wandlers, sehr genau. Durch die sehr hohe Eingangsimpedanz wird das Messobjekt nicht belastet. In der Schaltung ist, aufgrund des hohen Eingangswiderstandes, eine Schutzbeschaltung vorgesehen, die bei Bedarf und wenn der hohe Eingangswiderstand nicht erforderlich ist, bestückt werden kann.

Die Offsetspannung des Operationsverstärkers im Eingang wird softwareseitig kompensiert. Diese Spannung kann durch Tastendruck jederzeit neu bestimmt werden, um die Genauigkeit der Messung noch zu erhöhen. 

Als Anzeigeoption stehen drei Messmodi zur Verfügung.
1. Anzeige der Eingangsspannung und der aktuellen Offsetspannung des OP.
2. Anzeige der Eingangsspannung und des Widerstandswertes bei 10mA Mess-strom.
3. Anzeige von HF-Pegeln in dBm mittels externem logarithmischem Messkopf.

Für die Messung von HF-Pegeln muss ein externer Messkopf vorgeschaltet  werden. Vorgesehen ist hier ein Messkopf mit dem AD8307. Dieser wird hier über den linearen Bereich hinaus betrieben. Der nutzbare Messbereich reicht von ca. -95 dBm bis 16 dBm. Die Kalibrierung erfolgt daher hier nicht - wie  üblich - durch eine Zweipunkt-Kalibrierung, sondern - wie bei einem Diodenmesskopf - in Schritten von 1 dB. Zwischen den 1 dB-Schritten wird interpoliert. Hierdurch kann auch im nicht linearen Bereich des logarithmischen Detektors genau gemessen werden. Dafür lohnt sich der Mehraufwand beim Kalibrieren allemal.

Um auch einen Frequenzbereich oberhalb von 500 MHz abdecken zu können, wird ein Korrekturfaktor ermittelt. Dieser kann durch Tastendruck umgeschaltet werden. Damit kann dann auch z.B.  auf 23 cm noch korrekt  gemessen werden. Vorgesehen ist eine Kalibrierung bei einer Frequenz von 10 MHz. Korrekturwerte werden dann bei 30MHz, 50MHz, 145MHz, 435MHz, 1,2GHz und 1,5GHz ermittelt. Mehr Korrekturwerte sind aufgrund des begrenzten EEPROM-Speichers leider nicht möglich. Bei Bedarf können aber die gewählten Frequenzen in der Software geändert werden. Bei einem Nachbau ist es aber denkbar, einen ATMega32 einzusetzen, der dann auch mehr Speicherplatz zur Verfügung stellt.

Hier kann eine vorläufige Doku des Gerätes als PDF-File herunter geladen werden.
Eine durchkontaktierte Leiterplatte kann z.B. bei PCB-Pool  bestellt werden. Das HEX-File mit der Software stelle ich auf Anfrage zur Verfügung. Wer mir einen Controller sendet, bekommt ihn programmiert  zurück.

Logarithmischer Detektor nach DG1KPN
Zur Messung von Leistungspegeln in dBm hat Norbert, DG1KPN, den nachfolgend gezeigten Messkopf mit dem logarithmischen Detektor AD8307 entwickelt. Zielsetzung war hierbei, auch außerhalb der Spezifikation des Datenblattes  zu messen und die Abweichungen softwareseitig, durch eine entsprechende Kalibrierung in 1 dB Schritten, zu kompensieren.


Schaltbild des logarithmischen Detektors (Bild DG1KPN)

Um auch noch sehr geringe Pegel messen zu können, wurde ein rauscharmer Spannungsregler vorgesehen und auch der Ausgang des AD8307 nochmal gefiltert. Die Zuleitungen sind über Ferrit-Perlen bedämpft. Großen Wert hat Norbert auf die Eingangsschaltung des Detektors gelegt. Durch die Verwendung von 100 und 110 Ohm parallel zum AD8307 Eingang wird der exakt benötigte Widerstand von 52,3 Ω erreicht, der zusammen mit dem Eingangs-widerstand des AD8307, die erforderlichen 50 Ω ergibt. Die Induktivität von 6,8 nF im Eingang kompensiert den ansonsten leicht kapazitiven Eingangskreis.  Hiermit erreicht der Detektor deutlich bessere Ergebnisse, als ein Detektor mit einem 51 Ω Widerstand als Abschluss und fehlender Kompensation.

Mittels R3 und R5 wird die Ausgangsspannung an den Eingang des Messgerätes angepasst. Beim Millivoltmeter kann die max. Spannung 2,048 Volt betragen. Der Messkopf wird ebenfalls beim HF-Powermeter von Georg, DL6GL, verwendet.

Um die geplanten Werte zu erreichen, hat  Norbert eine Platine für den Messkopf entworfen, die in ein handelsübliches Weißblechgehäuse FG2B (55 x 20 x 20 mm) passt.


Bestückung (Bild DG1KPN)


Layout der Platine, unmaßstäblich (Bild DG1KPN)

Eine maßstäbliche Vorlage kann hier heruntergeladen werden.


Bestückte Platine im geöffneten Weißblechgehäuse (Bild DG1KPN)


Fertiger Aufbau des Detektors

Die Spannungsversorgung erfolgt aus dem Millivoltmeter über eine zusätzliche Buchse, auf die die Eingangsspannung des Gerätes herausgeführt wird.

Eine ausführliche Beschreibung dieses Log. Det. gibt es auf der Webseite von DL6GL

Logarithmischer Detektor von Makis, SV1AFN
Eine alternative Lösung ist der logarithmische Detektor von Makis, SV1AFN, mit dem ADL5513 von Analog Devices. Dieser Baustein hat einen Frequenzbereich von 1 MHz bis 4 GHz. Der Dynamikbereich beträgt - laut Datenblatt - 80dB und die Empfindlichkeit -70 dBm. In der Praxis ist die Empfindlichkeit noch besser. Da die Kalibrierung in 1 dB-Schritten erfolgt, kann ja auch hier der nichtlineare Teil der Kennlinie ausgenutzt werden.  Allerdings muss man berücksichtigen, dass die Kennlinie sich oberhalb von etwa 1500 MHz verschiebt und man für genaue Messungen mit der entsprechenden Frequenz neu kalibrieren muss. Mit einem Korrekturfaktor kann hier nicht gearbeitet werden, da sich die Kennlinie nicht nur parallel verschiebt, sondern sich auch in der Steilheit ändert.


Der log. Detektor von SV1AFN in einem Standard Weißblechgehäuse FG2B


Fertiger Aufbau des log. Detektors

Der Detektor wird von Makis, SV1AFN, zu einem günstigen Preis vertrieben. Ein Selbstbau lohnt sich daher kaum und man bekommt ihn als fertig bestückte Platine geliefert. Nur den Stecker muss man noch selbst anlöten.  

 

 

 

Millivoltmeter im Messmodus "Widerstandsmessung bei 10 mA Konstantstrom"
Millivolt meter in the mode "resistor measuring by 10 mA constant current"

Norbert, DG1KPN, hat ein kleines Video erstellt, in dem er die dBm-Messung mit dem Millivoltmeter (mit angeschlossenem Messkopf) demonstriert. Der Pegel wird zunächst in 10 dB Stufen abgesenkt, dann, unter -90 dBm, in 1 dB Stufen.

Norbert, DG1KPN created a small video. With the Log. Amp. Probe connected, the millivoltmeter demonstrates the capability to measure dBm. The input power level is reduced in 10 dB steps down to -90 dBm and in 1dB steps below -90 dBm.

Logarithmische Detektoren
Logarithmic Detectors