リニアライザＰＩＣＬＩＮを使用した高周波電力計の製作

アナログ電流計パネルをそのまま使えるようにしたい

今回の使用例に至る、事のなりそめ
実は、アナログ電流計を使用した、1mWフルスケール程度の、
ＲＦミリワット計を製作しようとしたのです。
実験した所、プリアンプが無いと10mWフルスケールが限界でしたが・・・
しかし、電源も不要ですし、まあこれはこれで便利かなと思ったのです。

さて、アナログ電流計を出力表示にした場合、元パネル表示がまるで使えない。
それは解っていたので、表示パネルの書き換えをしようとしたのです・・・
電流計の元パネルを取り出し、スキャナで取り込んで、
画像ソフトを立ち上げて、編集してっと・・・　う～ん、
な、何と・・・３分で飽きてしまったのです・・・　(-_-;)

電力表示は数字が大きくなるほど表示が詰まってしまいます。
これはRF電力の検波出力電圧が非直線となっているからです。
それを、例えば１ｍＷ～１０ｍＷを計測し、１００ｕＡの電流計で表示ならば、
１ｍＷなら１０ｕＡ、５ｍＷなら５０ｕＡ、１０ｍＷなら１００ｕＡ
となるように、直線化すれば、そのまま元表示が使用できます。

要は、アナログ電流計パネルの書換えは面倒くさいのでやりたくない。
そのための必要な変換作業をPICにやらせばＯＫじゃねえの。
と言った、ぐうたらな動機が今回の発端です。
良い？「ぐうたら」人間は「ぐうたら」するための考察と努力は怠らないのだ！！
兎も角・・・、プログラムとデータ次第で応用範囲は広がると思われます。
と言う訳で、リニアライザ　「PICLIN」　ミリワット計バージョンです。



構想

とにかく、なるべく簡単なハードウエアで、何とか使える高周波電力計を。
アマチュアですので、正確さはそれほど要求しない。
と、いつもの基本方針です・・・
と言う訳で、下記の様な構想です。

①高周波負荷50Ωからショットキーバリアダイオードで倍電圧検波（整流）
　当局在庫多数の1SS99を使用します。
　これはすでに、駄実験でデータ取得済み

②ＰＩＣ12F1822を使い、ＡＤＣに検波電圧入力
　検波出力電圧は実験によると、10mW(10dBm）で1640mV程でした。
　これをＰＩＣのＡＤＣ入力に入れ、８ビットでデジタル変換します。
　FVRを2.048Vに設定し、ADCに基準電圧として供給します。
　すると、ADC出力は8mV/Digitの解像度と言う事になります。
　結局、10mWフルスケールの電力計と言う事になります。
　もちろん電源も必要となります。

③プログラムで数値変換
　ここは安直に取得データに合わせて、データを入れ替える事に・・・
　これなら変換データの作成がだるいですが、数学理論は必要無いので当局向き
　下手な関数作るより、テーブルデータ参照の方が変換速度も早いですしね。

④変換データを元にＰＷＭ波出力
　使用するアナログ電流計の指針解像度は結構大雑把で、良くて1/50程度です。
　よって、PWM出力は１００分割程度の解像度で必要充分ですが。
　今回はADC分解能に合わせ、1サイクル０～２５５分割の変調とします。
　さて・・・何か・・・デジタル表示の方が簡単そうだが・・・　
　それを言っちゃあ、お終いだて・・・禁句指定！

⑤ＬＰＦで直流化し、アナログ電流計を制御
　完全にリップルを取り除く必要はない様です。
　実験的に定数を決める事に。

予備実験について（PICLIN本体の基本動作確認）

PWMの動作確認とデバッグを兼ねて、予備実験をブレッドボードで行いました。
ADCの基準電圧はFVRによる2.048Vとします。
ADCピンへの入力電圧はDMMにて測定します。
ADC出力は、まだ数値変換ルーチンを介さず、直接PWM出力ルーチンに接続。
ここにテスタの電流計を２．５ｍＡモードにし、接続しました。
PWM出力１００％で２ｍＡとなる様にＶＲを調整。
以上で、VRによる電圧入力、0Vから基準電圧までの変化を観察しました。
この結果は上々で、電圧変化と電流計の指示はほぼ正比例関係を示します。

プログラム
ソースを見るとすぐわかりますが、電圧入力のＡＤＣルーチンと、
ＰＷＭ出力ルーチン部分は「ＰＩＣＥＹＥ］のルーチンを使いまわしています。
それも、「ＰＩＣＥＹＥ］では３チャンネル出力だったのが今回は１チャンネル出力です。
大幅にカットして、そそくさに出来てしまいました・・・
そんな訳で、今回の新規ルーチンは数値変換ルーチンだけと言う事に・・・
それも、データテーブルを用意して、選択するだけと言う芸の無さ・・・
今回は「駄実験」にしようか「普通実験」にしようか迷いました・・・　(-_-;)

ＰＩＣとアナログ電流計
内部発振8MHZ、4XPLLで32MHZで動かしています。
それでもPWM出力周波数は1.2KHZ程度となりました。
ＶＲによる電圧入力で、スムーズに電流計を振らせる事ができました。
ただ、オシロで見ると完全な直流では無いようですが問題無いです。
出力電流は２～３mA程度までは大丈夫です。
よって、プログラムの変更無に100uAや1mAの電流計が使用できます。
もっと出力電流は取れますが、電流制限抵抗の影響等で、直線性が損なわれます。

データテーブルの作成

これが今回最も時間の掛っている所です。
ところが、手間は掛っていても頭は使っていません・・・

作成方法
これは次に表示されているデータ表を参考に作成しています。
dBmとmWの変換はキッパリとした数値は出ないのです。
よって、まずは手書きの曲線グラフを作り、（X軸mW、Ｙ軸mV）
そこから、mWと検波電圧を取り出しています。
そして、感覚的な近似値で変換しています。(適当とも言う・・・)
データテーブルはADC分解能に合わせ、２５６バイト用意
データ領域はプログラム領域に配列しています。
因みに、プログラム領域をリニアにアクセス出来ない旧PICには移植はできません。
プログラム本体は小さいので、さらなるデータ領域を確保可能です。

データ本体はフルスケール10mW表示用として作成しています。
それだけでは芸が無いので、、デジタルズームモードを作ってみました。
（デジカメのデジタルズームと光学ズームの関係に例えて言っています。）
このモードは、光学ズーム（プリアンプ）を使用している訳では無いです。
よって、元データは何も変わらないので、表示の信頼性が少し劣ります。
ついでに「dBm」表示もリニア化して・・・と変換データを作り始めたら・・・
電流計に「dBm」をスマートに表示させる方法が思い付かなかった・・・　(^_^;)
よって、これはデジタル表示の時にでも追加する事に・・・
今回はボツとなりました。
それではポートが１つ余るので、簡単なオートレンジ切替機能を付けてみました。

ＰＩＣ１２Ｆ１８２２プログラム概略

詳細はソースファイル及びコメントを読んでください。
他人が見ても解る様、なるべく詳しくコメントしたつもりです・・・

ＰＷＭ出力
デジタル出力ポートＲＡ２を０／２５５から２５５／２５５まで可変しています。
割込み等は使用せず、単純にメインループの中でポートをON-OFFしています。
周波数は約1.2KHZ程度です。

ＡＤＣアナログ入力　ＲＡ１ポート
ＡＤＣの基準電圧をＦＶＲとしています。
ノーマルモードではＦＶＲ＝２．０４８Ｖとして、入力解像度を稼いでいます。
データテーブルも必要十分な解像度を確保できました。
デジタルズームモードでは入力解像度不足のため、出力フィーリングが悪くなります。
そこで、ＦＶＲ＝１．０２４Ｖとし、専用データテーブルを用意しました。
その２点で、何とか出力フィーリングを確保しています。
入力オーバーとなった場合は、ＲＡ０ポートの警告ＬＥＤを発光させます。
デジタルズームモードで動作している場合は、モードＬＥＤを発光させます。
モードＬＥＤはＲＡ５デジタルポートです。

オートレンジ
ノーマルモードで動作中、表示の約８％以下になると、ズームモードに移行します。
ズームモードでは、表示の約１０６％以上になると、ノーマルモードに移行します。
どちらのモードで動作しているかは、ズームモードＬＥＤで判別します。
このモードで動作中の場合、デジタルズームモードスイッチは無視されます。

チューニングモード
基板上のチューニングスイッチをＯＮしながら立ち上げると、このモードになります。
ＰＷＭ出力は１００％同等となりますので、電流計のフルスケール調整をします。
このモードで動作中は、スイッチ類を無視します。
終了は電源を落とします。
スイッチ用のポートが足りなかったので、ADC入力ポートと共用しています。
1SS99の個性は考慮しておらず、あくまで簡易調整用です。

ブレッドボード上での試運転

高周波検波までは、駄実験で使用した倍電圧検波基板です。
この直流電圧出力を使用します。
PIC周辺はブレッドボードのままです。
アナログテスタの２．５ｍＡレンジをフルスケールとして使用しました。
プログラムもこの時点で、ほぼ完成しています。
ＳＳＧから入力信号入れてみました。
今の所は、目論み通りに動作しているように見えます。
ノーマルレンジ、デジタルズームレンジ共に、概ね正確に表示しています。
当局が使用するレベルでは十分な確度です。
電源無しでは、100uAの電流計でも10mWフルスケールが使用限界でした。
しかし、今回はPICの力で、とりあえず1mWフルスケールも使用可能となりました。
ついでに付けたオートレンジ切替は、鬱陶しいかと思ったのですが、
実際動作させてみると意外と面白かったので、ボツは何とか免れました。
アナログ電流計がマイコン制御されている事を実感するモードと言うのもあります。

問題なのは、とりあえず動作してしまうと、本番製作の意欲が急に・・・

実機製作

当局にしては珍しく？金属ケースを使用しました・・・
入力部はＢＮＣコネクタとしています。
測定用の、わに口クリップ・ＢＮＣコネクタ付同軸ケーブルを用意しました。

電源は単３電池６本からとし、ＬＭ３１７ＬＺで約５Ｖに安定化する事にした。
「約５Ｖ」と言うのは、固定抵抗を使用のため微調整不可だからです。
因みにLM317LZはこの回路定数で約5.2V出力となりました。
負荷変動に対して、出力電圧は極めて安定しています。
78L05等は当局部品箱に在庫が無いので、LM317LZを使用しています。
１００ｍＷまで測定可能とするため、１０ｄＢのアッテネータ（スルー付）を挿入。
電源消し忘れ防止のため、パイロットＬＥＤを付けた。
これは安定化前の電池に接続されており、電池消耗の目安にもなります。

秋月の両面C基板を使用も、部品点数が少ないので、結構余裕です。
基板上には電源部、ＰＩＣ部、検波部が配線されています。
1.5D2VでBNCコネクタからATTを通り、配線するつもりでした。
しかし基板製作後、基板上の検波部は使用しない事にしました。
新たに、秋月の16ホール小基板2枚に検波部を作製しました。
ＢＮＣコネクタとＡＴＴスイッチと、その小基板を連続最短で空中配線、
直流化した検波電圧を、主基板にゆったりと配線する方式に変更しています。
よって、1.5D2V等配線用同軸ケーブルは、結局使用しない事に。

電流計は「電子パーツのKURA」で販売している１００ｕＡの電流計です。
秋月の同価格帯のアナログ電流計に比べると、少々雑な感じがします・・・
しかし、安価で大きくて見易いのが当局にとって大きなポイントです。

で、それを分流して1mA程度の電流計として使っています。
フルスケールの電流は大まかでよいので、VR2は固定抵抗でＯＫです。
その際は内部抵抗の1/10程度に合わせ、２００～６００Ωとします。

所で、１ｍＡのアナログ電流計を見かけなくなりましたが、なして？



組立て
ケースはアイデアルのＣＢ－６０を使用しました。
画像の様な配置で、電流計を中心にスイッチ４個、ＬＥＤ３個、
ＢＮＣコネクタを側面に取付けました。
電池は００６Ｐにしようかと思ったのですが、単３電池６本とトランシーバ級です・・・
１０～２５ｍＡ程度（大半がLED消費）の電流を消費します。



最終調整

ＳＳＧがある場合
基板上のＶＲ１は高抵抗（右回転一杯）にしておきます。
電源投入後、ノーマルモードで動作させます。
ＳＳＧと短い同軸ケーブルで本器に接続し、ＳＳＧ出力は１０ｄＢｍとします。
ＶＲ１を調整し、電流計がフルスケールになる様に調整します。

ＳＳＧが無い場合
基板上のＶＲ１は高抵抗（右回転一杯）ししておきます。
ＴＵＮＥモードスイッチをONしたまま、電源投入します。
ＶＲ１を調整し、電流計がフルスケールになる様に調整します。
電源を切ります。

以上で終了です。

注）ＶＲ２が存在する場合は、中程度の位置にしておきます。

試運転

さて、被測定物への接続ケーブルですが、１～１．５ｍ程度は欲しいです。
1.5D2Vだと取り回しが良いですが、思いの外減衰します。
多分、10MHZが限度の様な気がします。
3D2Vだと十分な性能ですが、固くてケースごと吊られて暴れます。
う～ん・・・どうしよう

検波部の周波数特性は今の所、必要十分なレベルだと思います。
実際、発生電圧に大きな差はありません。

１ＳＳ９９による検波電圧では、個性は意外と大きくない気がします。
同じ検波回路を３～４個作りましたが、発生電圧に大きな差はありませんでした。
ＰＩＣからのクロック信号の影響も、ほとんど無いように見えます。

その他注意事項
通常動作中にチューニングスイッチをＯＮしないで下さい。
その場合、正しい測定が行われません。
電源ON時、10mW以上（ATT使用時は100mW）の大入力があった場合、、
スイッチがOFFでもチューニングモードになってしまいます。
ＡＭ変調が掛っていると、表示がおかしくなります。
特に、オートモードでは使用できないレベルとなります。
RF整流部回路はAM検波回路でもあるので、もっともな話・・・
対処は面倒なのと、ある意味これはこれで良いので、行わない事にしました。



追記　2014/07/26
ＰＩＣのＡ／Ｄコンバータ入力に対する、信号源インピーダンスについて
マニュアルではADCの内部コンデンサ充放電に関して、信号源インピーダンスは、
１０ＫΩを最大値とすると記されています。
今回はADCに対して信号源の電圧変化は高速性を要求しておりませんし、
実験でも無変調キャリアの測定では問題無いように見えます。
今の所はこのまま様子を見る事にします。

追記　2015/05/11
マイクロチップ社のホームページを見ていたら、PIC16F1823のADCについて、
FVR1.024Vは使用できない、1.8V以上必要とQ&Aに記載されていました・・・　(^_^;)
現状は動作している様に見える事から、保証範囲外の動作と言う事と思います。
いずれ打開策を考えてみます。