Модернизация N2PK Vector Network Analyser, для 300кГц<f<100МГц Опции

[Finarfin]

Я модернизирую анализатор цеепй N2PK для обеспечения измерений до 100МГц или выше. Цель этого занятия - выполнить дипломный проект по теме "Комплекс для идентификации продуктов деструкции в маслах по параметрам диэлектрической проницаемости", собрать анализатор и провести исследования, которые лягут в основу алгоритма идентификации продуктов деструкции с помощью обычного КСВ-метра, дополненного микроконтроллером или интерфейсом с компом.

отдельная тема создана дабы не создавать отдельные темы по каждому вопросу, а их у меня возникает немало, и не засорять темы Vector Network Analyzer и Анализатор цепей (Network Analyzer)

Итак, для расширения частотного диапазона будет применена (если не найдутся еще недостатки такого решения) микросхема DDS AD9958, содержащяя 2 канала вместо двух микрух DDS в оригинале.

В первом приближении схема включения DDS выглядит так:

сорри за оформление, так требует нормоконтроль (не считая красного)
то же самое в форматах dxf и cdw:  DDS_CAD.rar ( 47.92 килобайт ) Кол-во скачиваний: 259

Так же как в оригинале управление DDS осуществляется через LPT. Это хорошо тем что не нужен микроконтроллер, и всегда можно изменить программу на компе, например, усовершенствовать алгоритм внесения поправок, или изменить шаг по частоте и т.д.

ВОПРОСЫ:

• на схеме в LC ФНЧ красно-оранжевым цветом выделен кондюк Cx, который обычно присутствует в практических схемах, но отсутствует в книжках. Например я расчитал ФНЧ по Рэд Э. Справочник по высокочастотной схемотехнике, там такого кондюка нет в помине. Вопрос: зачем он нужен?
  на всякий случай - расчет ФНЧ  Mathcad_______________.rar ( 214.96 килобайт ) Кол-во скачиваний: 310
  
• понятно что много кондюков между шинами питания и земли непосредственно вблизи микросхемы эт хорошо, вопрос в том как определиться с их количеством
• по цифровой части - информация записывается в регистры по фронту сигнала SCLK, для того чтобы записались правильные данные, надо чтобы фронт SCLK отставал от всех остальных данных. Обычно для небольшой задержки цифрового сигнала ставят два инвертора, а нельзя ли поставить RC-цепь, как показано на схеме красным цветом?
• интерфейс обмена данными микросхемы AD9958 имеет уровень лог. единицы 2 Вольта (питание 3,3 В), а нуля - 0,8В. впринципе возможно управление от пятивольтовой ТТЛ sn74act1284. Ваше мнение?
• Про LPT: после того как данные выведены на порт LPT они держатся на выходах определенное время, а потом выводы переходят в высокоимпедансное состояние, или выводы сохраняют свое состояние до следующей операции вывода???

По программированию:
будем использовать четырехбитный режим, частота одновременно изменяется у обоих каналов, фаза одного канала отличается от другого на 90 градусов.
Итак, после включения анализатора
1) подаем сигнал Master Reset, микруха переходит в состояние по умолчанию
2) в однобитном режиме записываем инструкцию и данные:

Код

запись            адрес - Channel Select Register
    0       00      00000
выбираем 1-й канал                          ставим 4-х битный режим
    0       1                   000                     11                        0

посылаем I/O_Update (в конце каждой записи)
3) в четырехбитном режиме заставляем фазу 1-го канала отставать от фазы нулевого канала на 90 град.

Код

запись            адрес - регистр фазы
    0       00      00101
записываем 14 битное значение фазы
xxxxxxx
ууxxxxxx

уу - не используемые разряды;
Вопрос - откуда взять эту цифирь xxxxxxxxxxxxxx, если в датащите не сказано в каком коде записывается фаза???
5) выбираем оба канала

Код

запись            адрес - Channel Select Register
    0       00      00000
выбираем оба канала              остальное оставляем как есть
    1       1                     000                     11                        0

6) вход в основной цикл программы, там в начале каждого цикла устанавливается частота:

Код

запись            адрес - Freq Tuning Word
    0       00      00100
загоняем 4 байта частоты
xxxxxxxx
xxxxxxxx
xxxxxxxx
xxxxxxxx

Вопросы - 1) откуда взять эту цифирь для частоты;
2) не сбрасывается ли регистр фазы после обновления регистра частоты??

Вот такие вопросы остались после перевода датащита и изучения схем N2PK. Всем заранее СПАСИБО.

ССЫЛКИ:

• Датащит AD9958: http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/AD9958.pdf
• оценочная плата для AD9958/AD9959: http://www.analog.com/UploadedFiles/Evalua...54AD995EB_0.pdf
• обсуждение N2Pk VNA на форуме CQHAM: http://forum.cqham.ru/viewtopic.php?t=8976
• Первоисточник N2PK VNA: http://n2pk.com/index.html, все доки лежат тут http://n2pk.com/VNA/VNAarch.html
• Принципиальные схемы и перечень элементов N2PK VNA: http://n2pk.com/VNA/n2pk_vna_pt_2_ver_b2.pdf

[OnLis]

Приветствую Сергей. Сам не так давно возился с AD9958, постараюсь ответить на твои вопросы.
В своем макете LPT не использовал, для управления применил C8051F320. Передачу данных осуществлял в однобитном режиме, так вроде проще.
Итак, относительно вопросов:
1. LC ФНЧ. Насчет Сх в данном виде точно сказать не могу. Можно построить цепь в MicroCap и оценить его влияние. Чаще всего в конструкциях с DDS встречал использование НЧ эллиптического фильтра 3-го порядка. Поиски информации навели на сайт coilcraft.com, где и удалось заказать пару образцов готовых модулей.
2. С фильтр. на питании. Чем больше тем лучше, ставь везде, где можно. Лит. обзор DDS конструкций показывает: от 10 до 50 штук 0,1 uF
3. На мой взгляд использование RC задерживающей цепочки - это немного лишнее. С одной стороны задержку можно сформировать программно, с другой - 12 ns (Figure 41 datasheet) не такое уж и большое значение.
4. Управление пятивольтовой ТТЛ можно, при этом предусмотри последовательные резисторы 50 - 100 Ом.

Программирование:
1. Инициализация
Reset = 1;
Reset = 0;
//
DDS_Set(0x01); // Адрес регистра
DDS_Set(0xA3); // Установка множителя
DDS_Set(0x00);
DDS_Set(0x20);
//
IO_Update = 1;
IO_Update = 0;

2. Установка частоты / амплитуды / фазы

DDS_Set(0x00); // Адрес
DDS_Set(0x70); // Выбор 1 канала
// *** IO_Update не нужно
DDS_Set(0x04); // Установка частоты DDS1 --------------------
i = 4;
while (i != 0)
{
FDAT = FREQ1/0x00FFFFFF;
DDS_Set(FDAT&0xFF);
FREQ1 = FREQ1*256;
i--;
}
DDS_Set(0x05); // Установка фазы DDS1 -----------------------
DDS_Set(0x10); // Фаза 90
DDS_Set(0x00);

DDS_Set(0x06); // Установка амплитуды DDS1 ------------------
DDS_Set(0x00);
DDS_Set(GAIN1);
DDS_Set(GAIN2);

// -----------------------------------------------------------------------
DDS_Set(0x00); // Выбор 2 канала ----------------------------
DDS_Set(0xB0);
//
DDS_Set(0x04); // Установка частоты DDS2 --------------------

i = 4;
while (i != 0)
{
FDAT = FREQ2/0x00FFFFFF;
DDS_Set(FDAT&0xFF);
FREQ2 = FREQ2*256;
i--;
}

DDS_Set(0x05); // Установка фазы DDS2 -----------------------
DDS_Set(0x00); // Фаза 0
DDS_Set(0x00);

DDS_Set(0x06); // Установка амплитуды DDS2 ------------------
DDS_Set(0x00);
DDS_Set(GAIN1);
DDS_Set(GAIN2);

//
// -----------------------------------------------------------------------
DDSUpdate = 1; // Применить *********************************
DDSUpdate = 0;


Насчет расчета цифр, в даташите всё написано (см. стр 17).
Пример: фаза 90 градусов
POW = ( фаза * 2^14 ) / 360 = (90 * 16384) / 360 = 4096 = 0x1000 (HEX)

[Finarfin]

// *** IO_Update не нужно

То есть когда кончается регистр, то есть все биты засланы, следующие биты автоматически воспринимаются как инструкция, верно?
кроме того оказывается выбор канала сохраняется без IO_Update? вот это уже удивляет, ведь цифирь не стала активной, и выбраны должны оказаться оба канала *shock*

Насчет расчета цифр, в даташите всё написано (см. стр 17).

блин, увидев "THEORY of operation" просто пролистал это место =)

[OnLis]

При заполнении регистра CSR I/O Update не нужен:

CSR <7:4> bits are active immediately after being written. They
do not require an I/O update to take effect. (стр 36)
После заполнения последнего бита данные становятся активны.

Пошаговая инструкция программирования тоже описана в даташите:
(стр 18) SINGLE-TONE MODE

The following steps present a basic protocol to program a
different frequency tuning word and/or phase offset word for
each channel using the channel enable bits.
1. Power up DUT and ....

После проведения всех операций передачи данных, лишь 5-ой графой идет
посылка I/O Update.

Странно на первый взгляд, но тем не менее всё работает для двух каналов.

[Finarfin]

C программированием DDS дело прояснилось , спасибо OnLis. Отвечу на некоторые собственные вопросы

Про LPT: после того как данные выведены на порт LPT они держатся на выходах определенное время, а потом выводы переходят в высокоимпедансное состояние, или выводы сохраняют свое состояние до следующей операции вывода???

нашел в инете (http://www.pcports.ru/) - сохраняются до следующей операции вывода

по цифровой части - информация записывается в регистры по фронту сигнала SCLK, для того чтобы записались правильные данные, надо чтобы фронт SCLK отставал от всех остальных данных. Обычно для небольшой задержки цифрового сигнала ставят два инвертора, а нельзя ли поставить RC-цепь, как показано на схеме красным цветом?

в платных библиотеках DLL для работы c LPT есть возможность формировать Строб, возможно есть и в бесплатных. кроме того раз выяснилось что инфа с выходов никуда не девается можно сформировать фронт импльса SCLK программно

Теперь надо модернизировать синхронный детектор. У N2PK он сделан на балансном модуляторе MC1496D:
датащит  mc1496d_______________________.pdf ( 217.98 килобайт ) Кол-во скачиваний: 469

схема детектора N2PK
В датащите есть строка
Transadmittance Bandwidth (Magnitude) (R = 50 Ohm)
Signal Input Port, V = 300 mVrms sine wave
|Vc | = 0.5 Vdc...............................................................80 MHz
Я не разбираюсь в балансных модуляторах, но видимо на 100МГц он не потянет, поэтому предполагаю все же использовать перемножитель AD835, а после него поставить фнч, далее логарифматор на AD8310(важна чувствительность к маленьким сигналам) и АЦП.
датащит перемножителя AD835 http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/AD835.pdf
Вопросы к спецам:
1) Существует ли ИМС детектора сразу с логарифмическим выходом до 100МГц...
2) Как думаете, господа, как скажется такая подмена MC1496D на AD835+ФНЧ на точности, и главное СТАБИЛЬНОСТИ характеристик, ибо вся точность основывается на калибровке, которая эффективна при стабильных характеристиках.

Сообщение отредактировал Finarfin - Apr 8 2008, 20:53

[proxi]

1) Существует ли ИМС детектора сразу с логарифмическим выходом до 100МГц...
2) Как думаете, господа, как скажется такая подмена MC1496D на AD835+ФНЧ на точности, и главное СТАБИЛЬНОСТИ характеристик, ибо вся точность основывается на калибровке, которая эффективна при стабильных характеристиках.
[/quote]
Дык вот ИМС детектора сразу с логарифмическим выходом до 10GHz http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/ADL5519.pdf
еще у натионал...

[Finarfin]

Дык вот ИМС детектора сразу с логарифмическим выходом до 10GHz http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/ADL5519.pdf

да, бывают
Но, к сожалению, ADL5519 отхватывает только часть заявленного диапазона 300кГц-100МГц, так как работает от 1 Мгц
Да, такие МС как ADL5519 дешевле чем перемножитель_AD835+логарифматор_AD8310+ФНЧ раза в три, но если придется наворачивать дополнительный канал для более низких частот то также по цене и выйдет. так что хотелось бы все-таки накрыть весь диапазон... Поиск по analog.com, freescale.com, national.com и onsemi.com пока не дал результатов

если так и не найду, придется делать перемножитель-->ФНЧ--> DC_логарифматор, только логарифматор наверно не AD835, ибо избыточен по частоте и стоимости, а тупо операционник с транзюстором в обратной связи... опять же не могу найти на указанных сайтах НЧ-логарифматор

Вот у TAPR Vector Network Analyzer (http://radio.tentec.com/Amateur/vna , http://www.tapr.org) из-за использования AD8302 точность по фазе всего лишь

1 degree for phase measurements

, в то время как N2PK обещает 0,005 deg. Интересно, 1 deg для TAPR указан с учетом калибровки или нет ?

Сообщение отредактировал Finarfin - Apr 9 2008, 08:59

[khach]

Я расширяю нечто подобное N2PK VNA вверх, а не вниз по частоте (в гигагерцы). В детекторах MC1496D заменен на AD8343. Вообще в этой схеме может работать любой смеситель по схеме gilbert cell (транзисторное дерево) с дифференциальным выходом. При расширении диапазона "вниз" обратите внимание на полосу пропускания трансформаторов - обычно они тянут до 1-5 мегагерца, а потом начинается сильный завал, режим работы смесителя поменяется сильно. Для работы ДДС на НЧ собирали смешенный выход - трансформатор и операционный усилитель с ФНЧ в парралельном включении. Частоты более 1 МГц шли через трансформатор, а менее-через быстрый операционник, на нем же был собран и фильтр НЧ ДДСа.

[Finarfin]

При расширении диапазона "вниз" обратите внимание на полосу пропускания трансформаторов - обычно они тянут до 1-5 мегагерца, а потом начинается сильный завал, режим работы смесителя поменяется сильно.

не, вот например ADTT1-1, которые в схеме в первом посте стоят, норм работает от 300кГц (впритык ) до 300МГц: датащит - http://www.htmldatasheet.com/zip/mini/adtt11.zip

смеситель по схеме gilbert cell

так это и есть перемножитель
P.S. сейчас выбирал перемножитель между ADL5391 и AD835, последний победил несмотря на его бОльшую цену и более новое ядро ADL5391. Причина - значительно меньше инфы, особенно в графическом виде в датащите ADL5391, чем в AD835.
P.P.S. сайт http://www.minicircuits.com глючит нипадеццки , ни поиск не робит, ни инфа по компонентам не показывается
"Internal Server Error"

[Finarfin]

...T1-6T трансформаторы, примененные в оригинале N2PK VNA вобще от 15кГц до 300МГц полосу имеют http://www.minicircuits.com/pdfs/T1-6T-KK81.pdf

khach, интересно, какие частоты перекрывает вот этот самодельный ответвитель -

[khach]

khach, интересно, какие частоты перекрывает вот этот самодельный ответвитель -

Смотря на чем мотали (призводитель и величина сердечника). Я мотал на больших биноклях от польских антенн 8х8х16. Полоса получалась от менее чем 1 Мгц (АЧХометр нетянет) до 800МГц. Но на ВЧ приходилось аккуратно подпихивать витки катушек спичкой до исчезновения горбов и впадин АЧХ и крепить потом каплей эпоксидки. А вообще при таких фотографиях надо обязательно класть масштабный предмет- точно такие (из того же материала) бинокли, но с габаритом 3х4х6мм работали нормально от 5МГц до полутора ГГц.

[proxi]

[quote name='Finarfin' date='Apr 9 2008, 11:06' post='393936']
да, бывают
Но, к сожалению, ADL5519 отхватывает только часть заявленного диапазона 300кГц-100МГц, так как работает от 1 Мгц
Да, такие МС как ADL5519 дешевле чем перемножитель_AD835+логарифматор_AD8310+ФНЧ раза в три, но если придется наворачивать дополнительный канал для более низких частот то также по цене и выйдет. так что хотелось бы все-таки накрыть весь диапазон... Поиск по analog.com, freescale.com, national.com и onsemi.com пока не дал результатов

если так и не найду, придется делать перемножитель-->ФНЧ--> DC_логарифматор, только логарифматор наверно не AD835, ибо избыточен по частоте и стоимости, а тупо операционник с транзюстором в обратной связи... опять же не могу найти на указанных сайтах НЧ-логарифматор

Книжка Шило там рассмотренны НЧ логарифматоры довольно неплохо...классика жанра, однако...

[Finarfin]

НЧ-логарифматоры пару раз по Пейтону Волшу "Аналоговая электроника на ОУ" делал, низнаю как на практике, но в воркбенче работали норм с учетом всяких гадких погрешностей.
Считаю эту книжку тоже "классикой жанра"

[Finarfin]

Похоже, в конструкции N2PK VNA есть существенный недостаток! Сам автор писал что работал с различными нагрузками с существенной реактивностью. Я набросал трансформаторный reflection bridge в MWO и увидел то что и ожидал - параметр S11 входного порта зависит от того какая подключена нагрузка. При моей нагрузке (кондюк с потерями) и S11 тоже приобретает емкостной характер
Самое плохое в этом то, что это искажает АЧХ и ФЧХ антиальязингового фильтра! Следовательно Изменяется степень неквадратурности, впринципе можно с учетом этого откалибровать, но вот искажение спектра - то что могут в ачх возникнуть всплески, увеличивающие спуры, это уже калибровкой точно не убьешь! вот так-то куча людей в мире собрали и юзают n2pk vna, а там такой косяк

Есть модели в MWO и Multisim, в MWO я недавно, поэтому там нифига не получилось. А вот мультисим показывает вот такую разницу в ФЧХ и АЧХ при подключенном мосте и при нагрузке 50 Ом:

АЧХ

ФЧХ

модель

параметры R7 и С5 - схема замещения моего объекта измерения, у меня в мосте будет вместо R4 - конденсатор, чтобы меньше была зависимость от частоты, а больше от контроллируемых параметров, то есть от этого АЧХ с ФЧХ еще более кривится.
Как бы мост с фильтром развязать без усилителя, чтоб не было этого влияния??

Не нашел на форуме темы "вопросы по MWO" поэтому прошу подсказать как в MWO получить графички подобные прилепленым картинкам.
emp-файл:  ______________N2Pk.rar ( 11.3 килобайт ) Кол-во скачиваний: 162

[khach]

Нормальные люди не жлобятся за копейки, когда в приборе применена микросхема за 60 баксов, и ставят развязывающий усилитель после фильтра (крестик MAR или MAV, хотя можно сделать и на дискретном транзисторе из сотовика). А что бы согласование вообще было надежным, даже после усилителя, ставят согласованный аттенюатор (2 или 3 дБ)- тогда нагрузки всегда настолько близки к 50 омам что про влияние неизвестной обмеряемой нагрузки можно забыть.
Кстати, если после ДДС поставить трансформатор и дифференциальный НЧ фильтр с заграждающим звеном на половинной тактовой частоте ДДСа то можно очень сильно улучшить спектр ДДСа (из-за симметричной нагрузки выходного каскада ДДС).
А если еще сделать систему аналоговой стабилизации амплитуды ДДСа (диодный детектор перед направленным ответвителем и обратная связь через операционник на ножку Rset DDSa) то можно получить еще лучшие характеристики по краям диапазона, там где АЧХ пассивки уже начинает валиться.
Это то что касается системы возбуждения этого нетворканалайзера.