DDS Generator zum ZF-Wobbeln

      Lieber Andreas, Mitleser,

      Wie die Amateurfunker, also Andreas, ja viel besser wissen, ist die Messung von Hochfrequenz-Pegel so eine Sache für sich. Für die Kalibrierung des ELV DDS30 Signalgenerators sieht die Geräteanleitung vor, dass der Ausgang des DDS30 direkt an ein Oszilloskop anzuschliessen sei, worauf dann die Amplitudenkalibrierung bei drei Pegeln, 100mVs-s, 500mVs-s und 1000 mVs-s nach Oszilloskop durchzuführen sei. Dabei stellt die Software des DDS30 selbsttätig als Festfrequenz 1 MHz ein.

      Da aber die Verwendung im MHz-Bereich ohne Abschlusswiderstand (Ausgang "offen") nicht praxisnah ist und mit Abschlusswiderstand (50 Ohm) der abgegebene Pegel geringer ist, habe ich die Kalibrierung mit 50 Ohm Abschluss durchgeführt. Mir ist dabei aufgefallen, dass der am Oszilloskop angezeigte Pegel auch mit Abschluss stark frequenzahängig ist, und zwar nicht nur beim DDS30, sondern auch bei meinen anderen Signalgeneratorn, einem Leader 3216 und einem Radiometer Copenhagen "re101". Wenigstens die beiden letzteren sind erprobte Werkstattgeräte und haben nach Spezifikation sehr gute Pegelkonstanz über den Frequenzbereich (innerhalb +/- 1dB oder besser). Die beobachtete starke Frequenzabhängigkeit des Pegels am Oszilloskop wird also hauptsächlich durch die Eingangsschaltung des Oszilloskops (ein 100 MHz Gerät) verursacht.

      Da mein Radiometer Copenhagen re101 ein Sondermodell ohne Ausgangsabschwächer und auch ohne Anzeige des Ausgangspegels ist, benötigte ich dafür einen geeigneten Pegelsteller und ein zuverlässigeres Pegel-Messequipment als das Oszilloskop.

      Für die Pegeleinstellung benutze ich einen HF-Stufenabschwächer (0 - -80 dB), in Deutsch auch "Eichleitung" genannt, sowie einen stufenlos regelbaren Dämpfungssteller (aus altem Gerät ausgebaut, Hersteller war Fa. Preh) , der von -3dB (Anfangsdämpfung) bis knapp -85 dB reicht. den konnte ich mit der Eichleitung kalibrieren.

      Bei der Web-Suche nach HF-Leistungsmess-Geräten, die für Hobby-Zwecke erschwinglich sind, stösst man schnell auf auf den Sensor basierend auf dem AD8703 AD8307 Chip, der bei den für mich interessanten Frequenzen von bis etwas über 100 MHz exzellent arbeitet (mit eingen Abstrichen sogar bis 500 MHz) und einen Dynamikbereich von 90 dB hat. Dafür gibt es von chinesischen Lieferanten für nur knapp mehr als 10 EUR eine bereits in SMD-Technik bestückte Platine, die diesen Chip komplett mit Spannungsstabilisator und Eingangsbuchse enthält. Den muss man nur noch ein ein HF-dichtes Abschirmgehäuse einbauen und kann bekommt über eine Kalibriergerade der Ausgangsspannung direkt die Leistung in dBm an 50 Ohm Eingangsimpedanz (50 Ohm Widerstand ist bereits Bestandteil der Eingangsschaltung auf der Platine). Funkamateure kennen das seit 2001, Andreas, erzähle ich nichts Neues. Der Ausgang dieses "Messkopfes" ist sehr hochohmig, kann deshalb nur an DVM direkt angeschlossen werden. Für den Anschluss an niederohmige Drehspulinstrumente für analoge Anzeige muss deshalb noch eine Impedanzanpassung vorgesehen werden, die zweckmässigerweise auch gleich zwei Trimmpotis für die Kalibrierung der Anzeige (Nullpunkt und Meter-Empfindlichkeit) enthält. In der hier abgebildeten Schaltung habe ich noch den Anschluss eines DVM (Innenwiderstand 10 MegOhm) ergänzt, das im Messbereich 200 mV DC den dBm Pegel digital anzeigt (R19 ist das DVM).

      Dies ist das Ergebnis des Power-Meter Bastelprojekts nach im web verfügbaren Unterlagen und Bauvorschlägen, ursprünglicher Artikel von Wes Hayward W7ZOI and Bob Larkin W7PUA vom Juni 2001 in QST ARRL.

      Die Impedanzwandlung, Offsetkalibrierung und Empfindlichkeitskalibrierung habe ich mit einer Schaltung nach wb9jps.com/Gary_Johnson/S_Meter_files/S_Meter_Schematic.jpg mit einigen Änderungen für den von mir eingesetzten LM358 OpAmp realisiert (dort: Peak Detector).



      +5V Spannungsversorgung stabilisiert mit 78L05, am Ein- und Ausgang mit 0,2 µ und 1 µ abgeblockt.

      Strom der kalibrierten Schaltung durch das 1mA / 200 Ohm Drehspulinstrument als Funktion der Ausgangsspannung des Messkopfes (1 mA = +20 dBm) , LTSpice, abgebildete Schaltung:



      Trimmpotis: 200k --> unteres Ende des Messbereichs ("Nullpunkt"); 2 k --> oberes Ende des Messbereichs ("Steigung")
      R7 = 2kOhm ist ein im Drehspulinstrument eingebauter Vorwiderstand, der in Serie zum Drehspulwiderstand von 200 Ohm liegt.


      Von aussem, mit dem Messkopf im abgeschirmten Gehäuse:





      Bei 123 dBµ EMF, also 117 dBµ an 50 Ohm, Pegel +10 dBm (vom Leader 3216) habe ich meinen oberen Kalibrierpunkt der Skala des Eigenbauinstruments. Mit der Eichleitung ergibt das um 80 dB abgeschwächte Signal den unteren Kalibrierpunkt bei -70 dBm. Sehr gute Linearität von -72 dBm bis 113 dBm und genaue Skalenanzeige innerhalb von ca. +/-0,5 dBm konnte ich mit dem Stufenabschwächer bestätigen (Datenblatt sagt: Linear von -74 dBm bis +118 dBm innerhalb +/-1 dB).

      So sieht das aus (interne Versorgungsspannung des AD8307 ist 5,0Volt, die Kalibriergerade verschiebt sich bei anderen Spannungen, ist z.B. bei Versorgung mit 3,3V anders)




      Tatsächlich messe ich mit dem AD8307 Powermeter innerhalb von +/- 0,5 dB konstanten Ausgangspegel über den gesamten HF-Bereich des Leader 3216 Generators (bis 140 MHz) als auch über alle Frequenzbereiche des Radiometer Copenhagen re101 Signalgenerators (bis 130 MHz). Das bestätigt: (Mein?) Oszilloskop ist zur Pegelbestimmung für HF nicht uneingeschränkt geeignet, allenfalls bis zu eingen MHz. Ich habe anhand des Eigenbau-Powermeter die Kalibrierung des DDS30 bei 1 MHz wiederholt (nur bei dieser Frequenz ist im Menue die Kalibrierung möglich). Ich wollte dann wissen, inwieweit nun auch beim DDS30 der Pegel - wiederum mit dem Eigenbau-Powermeter gemessen, frequenzunabhängig ist (was ja beim Leader 3216 und beim re101 sehr gut gegeben war).

      Das Ergebnis zeigt leider, dass der Ausgangspegel des ELV DDS30 nur bis etwa 10MHz konstant ist, darüber stark mit der Frequenz abfällt.
      Hier die Messwerte von 1-30 MHz. Der Wert bei 1 MHz ist der Kalibrierwert bei 500mVs-s (-2dBm).




      Danach sehe ich den brauchbaren Bereich (Abfall von max. 3dB) bis 22 MHz. Für 6dB Abfall bis 29 Mhz. 30 MHz sind beim DDS30 nicht mehr wirklich brauchbar; sehr geringer Pegel und stark verzerrt. Die 30 MHz sind offenbar auf ungefähr -6dB Abfall bezogen. Ich bin aber eher ein Freund von konservativeren Angaben.

      Soweit zur Ergänzung zu meinen früheren Berichten.



      Nachtrag 14. Februar 20116:

      Die Anzeigeerweiterung auf Digitalanzeige mit direkter Ablesung von dBm ist vorteilhaft. Ein gewöhnliches (gegen Spannungsnormal kalibriertes) DVM (Messbereich 200 mV DC) kann verwendet werden. Nach Kalibrierung bei 1 MHz / 0,0 dBm Pegel als Referenz erhalte ich die nachstehende Fehlerkurve (Anzeigefehler in dBm gegen abgelesene Leistung/dBm). Bis -72 dBm bleibt der Fehler innerhalb 1 dBm. Von -72dBm bis -74 dBm steigt er von 1 dBm auf 3 dBm. Das entspricht der Genauigkeit des AD8307 Chips nach Datenblatt von Analog Devices und deckt sich mit Berichten von Funkamateuren zu ähnlichen Selbstbauprojekten im web.





      Es ist essentiell, dass die Koaxialleitung des Signalgenerators (bzw. vom Abschwächer) zum Messkopf so kurz wie nur möglich ist. Sonst fängt sich auch ein gut abgeschirmtes BNC Kabel HF-Smog ein und eine Messung unterhalb von -50 dBm oder -60dBm ist dann nicht mehr möglich. Mein BNC-Kabel ist nur ca. 15 cm lang. Ohne Signal liegt damit der "Nullpunkt" des Messkopfes im Bereich -78 bis -76 dBm.


      Gruss,
      Reinhard

      Dieser Beitrag wurde bereits 44 mal editiert, zuletzt von „oldiefan“ ()

      Eine weitere Beobachtung ist interessant.

      Der AD8307 Powersensor arbeitet nicht nur im HF-Bereich 1- über 100 MHz einwandfrei, sondern auch im Frequenzbereich darunter. Ich habe das am Signalgenerator Radiometer Copenhagen re101 überprüft, mit dem ich mit der Frequenz von 130 MHz bis auf 77 kHz herunterkomme. Sowohl Amplitude am Oszilloskop wie auch der AD8307 Sensor bestätigen konstanten Pegel. Und Oszilloskop stimmt hier mit der Anzeige vom Sensor überein, wie man ja nicht anders erwarten würde.

      Ich war dann überrascht, das am DDS30 das Ergebnis ganz anders aussah. Zwar war auch da der Pegel am Oszilloskop bis hinunter in den Bereich von 1 kHz und auch darunter konstant, nicht jedoch die Anzeige vom AD8307 Power-Sensor. Bei 500 kHz beginnt beim DDS30 der angezeigte Pegel einzubrechen und geht mit fallender Frequenz sogar um bis etwa 40 dBm zurück - wie gesagt trotz unverändertem Sinus p-p Pegel am parallel angeschlossenen Oszilloskop. Mit abgehängtem Oszilloskop genau dasselbe.

      Was ist passiert? Warum zeigt der AD8307 Sensor bis zu niedrigen Audiofrequenzen korrekt an, wenn das (niederfrequente) Sinus-Signal mit einem Oszillator erzeugt wird, aber versagt bei <500 kHz breits, wenn das Sinussignal mit dem DDS-Generator erzeugt wird, obwohl die Oszilloskop-Schirmbilder keinen Hinweis auf einen Unterschied erkennen lassen?

      Die Auflösung gibt das AD8307 Datenblatt. Dort steht:




      Mit anderen Worten: In der Standard-Beschaltung ist das im Chip integrierte Low-Pass Filter so ausgelegt, dass Frequenzen von grösser als 1 MHz gemessen werden kann, WENN das Signal mit höherfrequenter HF "verseucht" ist. Oder anders gesagt, bei Frequenzen von kleiner als 1 MHz ist in Gegenwart von höherfrequenten Signalbeimischungen damit zu rechnen, dass diese höheren Frequenzen in die Gegenkopplung gelangen und so den detektierten Pegel des Signals reduzieren. Um niedrigere Frequenzen unter solchen Umständen dennoch sicher messen zu können, muss durch eine geänderte Aussenbeschaltung die Eckfrequenz des LP-Filters geändert werden. Das hat dann den Nachteil, dass dadurch die Bandbreite begrenzt wird.

      Das ist offensichtlich des Pudels Kern! der DDS30 generiert höherfrequente Beimischungen (war nicht sichtbar mit dem Oszilloskop), die der Signalgenerator mit klassischem Oszillator nicht generiert.

      Dazu die Schaltungsbeschreibung des DDS30 Signalgenerators (Zitat):
      "Das Chebyshev-Filter...besitzt eine Grenzfrequenz von ca. 34 MHz und sorgt für eine Filterung von "ungewollten" Signalanteilen aus dem Ausgangssignal. Da es sich beim DDS-Verfahren im Prinzip um eine digitale Signalerzeugung mittesls Digital-Analogwandlung handelt, ist das Ausgangssignal mit entsprechenden "Rückständen" des Taktsignals verunreinigt."

      Die Vermutung wird damit bestätigt.

      Herzliche Grüsse,
      Reinhard
      Auch wenn das Thema dieses Beitrags trotz vieler Leser nicht so recht auf Resonanz stösst, was ich wiederum verstehe, da "Radio-Messtechnik" ja nur indirekt mit dem Thema "Saba Radio" zu tun hat und auf einen eher kleinen Kreis von Interessierten stösst, habe ich zum Beitrag 21 einige Nachträge gemacht, die das nun abschliessen.

      Das war mein Ausflug in Gefilde, die sonst eher den Funkamateuren vorbehalten sind.

      Gruss,
      Reinhard
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