NanoVNA w roli omomierza część 2 

W poprzednim artykule MR091 podane było, że pomiar parametrów S₁₁, S₂₁ to w istocie pomiar dopasowania (falowego), a dopasowanie zależy od stosunku oporności, więc przyrządy zwane VNA, w tym NanoVNA, są też omomierzami prądu zmiennego. Można też powiedzieć, że są to co najmniej dwukanałowe woltomierze napięć zmiennych, które mierzą nie tylko wielkości napięć, ale też zależności fazowe między nimi, czyli wielkości wektorowe. Wyniki pomiarów można przedstawić w bardzo różny sposób. Są to narzędzia do pomiaru różnych elementów i obwodów – sieci, stąd też nazwa VNA, skrót od Vector Network Analyzer.

Budowa NanoVNA

Rysunek 16 pokazuje uproszczony schemat blokowy klasycznej, podstawowej wersji NanoVNA.

Mamy tu przestrajany generator w.cz. zrealizowany z wykorzystaniem kostki Si5351A, która ma kilka niezależnych wyjść. Kluczową rolę w przyrządzie odgrywają trzy mieszacze zrealizowane na trzech kostkach SA612. Do pomiaru parametru S₁₁ wykorzystany jest mostek rezystorowy, oznaczony Bridge.

Główny sygnał pomiarowy z generatora Si5351A podawany jest na ten mostek, z niego na gniazdo Ch0 i ewentualnie dalej przez DUT na wejście Ch1. Co ważne, ten główny sygnał podawany jest też na jeden z mieszaczy i służy jako sygnał odniesienia (reference). Sygnał niedopasowania-odbicia z mostka podawany jest na mieszacz oznaczony reflect. Na trzeci mieszacz podawane jest napięcie z wejścia Ch1, czyli w istocie napięcie przechodzące przez DUT (thru). Trzy te sygnały podawane są na mieszacze SA612, a na drugie wejście każdego z mieszaczy z generatora SI5351A podawany jest sygnał, który można nazwać sygnałem heterodyny. Jest to sygnał o nieco innej częstot­liwości, różniącej się o 5kHz od sygnału głównego. Mieszacze, czyli miksery, dają więc na swych wyjściach trzy przebiegi o częstotliwości 5kHz, które zachowują zależności amplitudowe i fazowe trzech badanych sygnałów w.cz. Z wyjść mieszaczy te sygnały o małej częstotliwości 5kHz podane są na trzy (różnicowe) wejścia układu TLV320AIC3204, który jest przeznaczony do komputerowych kart dźwiękowych jako zespół przetworników ADC i DAC (kodek = koder + dekoder).

Schemat obwodów analogowych miernika NanoVNA pokazany jest na rysunku 17.

U góry z lewej strony widać taktowany generatorem kwarcowym 26MHz (Y1) generator, układ scalony Si5351A (U5), wytwarzający sygnał główny (CLK1) i sygnał heterodyny dla mieszaczy (CLK0). Żółtą podkładką wyróżniony jest  rezystorowy mostek pomiarowy (Bridge), współpracujący z gniazdem Ch0 (Port 1). Sygnał z przekątnej tego mostka pomiarowego doprowadzony jest do mieszacza U7. Do mieszacza U8 doprowadzony jest sygnał z wejścia Ch1 (Port 2). Należy pamiętać, że masa gniazd Ch0, Ch1 jest wspólna, a wyjście Ch0 i wejście Ch1 mają rezystancje 50Ω.

Zielonym kolorem wyróżnione są mieszacze SA612. Sygnały z symetrycznych wyjść tych mieszaczy podane są na trzy różnicowe wejścia przetwornika ADC w kodeku audio TLV320AIC3204. Wykorzystywane są wszystkie trzy dostępne kanały pomiarowe przetwornika analogowo-cyfrowego. Jest to przetwornik sigma-delta, który ma dynamikę do 93dB. Przetwarza on sygnały z trzech mikserów SA612, mierzy zarówno ich amplitudy, jak też określa fazy względem głównego sygnału odniesienia. Daje to dokładną informację o amplitudach i fazach mierzonych napięć w.cz. występujących na gniazdach Ch0, Ch1. Informacja ta w postaci cyfrowej jest przekazywana za pomocą popularnego interfejsu I2S do niewidocznego na rysunku 17 dość silnego mikroprocesora STM32, a ten wykorzystując różne matematyczne zależności, może wyliczyć i zobrazować na ekranie nie tylko stosunek napięć, nie tylko stosunek oporności, ale też wiele innych, jak właśnie parametry S₁₁, S₂₁ oraz interesujące radiowców impedancje, admitancje, współczynnik WFS (SWR) i inne.

Wyniki pomiarów i obliczeń w pierwszej kolejności mogą być w różnej formie zaprezentowane na kolorowym wyświetlaczu dotykowym 320×240 pikseli ze sterownikiem ILI9431. Mogą też być przesłane łączem USB do współpracującego komputera. Obsługa przyrządu jest możliwa dzięki przełącznikowi kołyskowemu (Lever SW) zintegrowanemu z przyciskiem (Push SW) oraz ekranowi dotykowemu. NanoVNA ma wbudowany akumulator z obwodami zasilania i kontroli ładowania przez USB.

Dla wielu Czytelników bardzo ważne jest to, że NanoVNA może też pełnić funkcję miernika RLC. A dzięki temu, że ma dwa gniazda pomiarowe, powiedzmy wyjściowe i wejściowe, zakres zastosowań genialnie się rozszerza – przyrząd może też pełnić funkcję wobulatora – wobuloskopu, a poniekąd też analizatora widma.

Analizatory VNA są wyjątkowo uniwersalne, ponieważ po pierwsze mierzą zarówno amplitudy jak i fazy, a po drugie, wyniki pomiarów mogą przedstawiać na ekranie w najróżniejszy sposób, wygodny dla osoby obsługującej.

Co zaskakujące, na podstawie pomiarów amplitudy i fazy przy różnych częstotliwościach, przyrząd może przeliczyć dane z wykorzystaniem transformacji Fouriera, przejść z dziedziny częstotliwości do dziedziny czasu i zobrazować wyniki takich przeliczeń w sposób jak klasyczny TDR, czyli jak przyrząd działający na zupełnie innej zasadzie, najprościej biorąc, jako radar badający odbicie sygnałów wysokiej częstotliwości.

Ponieważ dotychczas VNA były kosztownymi przyrządami mało znanymi wśród hobbystów, a ich pierwotnym przeznaczeniem były pomiary w obwodach wysokiej częstotliwości, dlatego najwcześniej tanimi wersjami VNA zainteresowali się radioamatorzy, którzy zastosowali je przede wszystkim do pomiaru dopasowania anten. Właśnie dlatego VNA są powszechnie nazywane analizatorami anten, choć zakres ich zastosowań jest dużo szerszy. Mogą mierzyć oporności, ściś­lej impedancje w szerokim zakresie częstotliwości i takim zastosowaniem VNA zajmiemy się szerzej. Ale najpierw kilka innych istotnych informacji.

Rzeczywiste i urojone… wady NanoVNA

Dla elektroników, którzy nie zajmują się techniką w.cz., czynnikiem odstraszającym od NanoVNA są domyślne ustawienia, powodujące wyświetlanie na ekranie tajemniczego wykresu Smitha, na który nałożone są inne charakterystyki. Gdy do gniazd nic nie jest dołączone, przyrząd pokazuje na ekranie przypadkowe „śmieci” – szumy, które rzeczywiście zachęcająco nie wyglądają – przykład na fotografii 18.

Aktualnie produkowane wersje NanoVNA domyślnie wyświetlają na ekranie cztery przebiegi, ale można łatwo zmienić sposób zobrazowania na zdecydowanie bardziej przyjazny dla zwykłego elektronika, przede wszystkim przez wyłączenie najbardziej straszącego wykresu Smitha.

Dla wielu czynnikiem odstraszającym jest konieczność częstej kalibracji, w praktyce po każdej zmianie zakresu pomiarowego. Ale tak samo jest z profesjonalnymi VNA. Konieczność częstej kalibracji to i wada, i zaleta, bo po precyzyjnej kalibracji wyniki pomiarów są zaskakująco dokładne. A zgrubne, wstępne badania można przeprowadzać bez kalibracji.

NanoVNA w porównaniu z profesjonalnymi VNA ma wąski zakres częstotliwości pracy oraz słabiutką dynamikę, czyli w sumie mały zakres mierzonych wartości. Owszem, to prawda, ale większość elektroników nie mierzy w zakresie mikrofalowym, czyli powyżej 300MHz. A NanoVNA zaskakująco dobrze radzi sobie w zakresie podstawowym, do właśnie 300MHz, gdzie dynamika pomiarów wynosi co najmniej 60…70dB. Przy wyższych częstotliwościach dynamika jest mniejsza, ponieważ NanoVNA, zawierając Si5351 i SA612, układy przeznaczone do pracy z sygnałami do 300MHz, sprytnie wykorzystuje wtedy wyższe harmoniczne sygnałów.

Dynamika 60dB w zakresie do 300MHz oznacza z grubsza, że przyrząd prawidłowo mierzy sygnały, których amplitudy różnią się 1000-krotnie. Bardzo małych nie może zmierzyć ze względu na szumy. W porównaniu ze sprzętem profesjonalnym to żałośnie mało, ale dla hobbysty te 60…70dB zwykle z powodzeniem wystarcza. Przez uśrednienie większej liczby pomiarów, czyli wydłużając czas pomiaru, można zredukować szumy i znacząco poprawić możliwości pomiarowe.

Poważnym realnym ograniczeniem NanoVNA jest fakt, że cykl pomiarowy zawsze obejmuje tylko 101 częstotliwości. Przyrząd dokonuje pomiarów przy 101 częstotliwościach, liniowo rozmieszczonych w wybranym przez użytkownika zakresie pomiarowym. Dla zakresu 50kHz…900MHz daje to skok co około 9MHz, przez co nie jest badane to, co dzieje się między tymi wybranymi częstotliwościami i można przegapić ważne szczegóły. Na szczęście generator z kostką Si5351A pozwala dowolnie zmniejszyć zakres mierzonych częstotliwości i nawet bardzo wąski zakres zbadać za pomocą 101 częstotliwości. Są też inne możliwości, o czym za chwilę.

Według informacji z Internetu, wielu użytkowników za poważną wadę uznaje malutki ekran o przekątnej 2,8 cala (7cm). Dla praktyka nie ma to istotnego znaczenia, ponieważ i tak może odczytać precyzyjne wartości z wykorzystaniem kursorów. Częściowym rozwiązaniem może być zakup wersji NanoVNA z ekranem 4,3” (11cm), ale większy ekran ma tę samą rozdzielczość, co mały (320×240), a elektryczne właściwości pomiarowe są te same, co w wersji mniejszej. Dyskusyjny jest więc sens kupowania wersji z większym ekranem (tylko najnowsze wersje NanoVNA mają nieco lepszy ekran).

Problem wielkości i czytelności treści ekranu dotyczy tak naprawdę tylko pomiarów w warunkach polowych, co jest możliwe, ponieważ prawie wszystkie wersje NanoVNA mają wbudowany akumulator Li-Ion. Problem jednak w tym, że w przyrządzie wykorzystywane są taniutkie wyświetlacze, wprawdzie z ekranem dotykowym (rezystancyjnym), ale słabo czytelnym przy silnym świetle otoczenia. Aby w warunkach polowych podczas słonecznego dnia odczytać informacje z ekranu, zwykle trzeba wręcz wejść pod ciemną płachtę (koc). Na szczęście dostępne są też aplikacje (fotografia 19), pozwalające na ekranie smartfona dołączonego za pomocą kabelka USB-C () zobrazować wyniki pomiarów (NanoVNA WebApp). W warunkach warsztatowych, w pomieszczeniu problem czytelności ekranu znika całkowicie przede wszystkim dlatego, że wtedy można, a wręcz koniecznie trzeba podłączyć NanoVNA do komputera, najlepiej laptopa i wykorzystać oddzielny program.

Prawie wszystko, co jest związane z NanoVNA, udostępniane jest na zasadzie open source. Z sieci można pobrać zarówno różne ulepszone wersje programu dla procesora w przyrządzie, jak też programy dla komputera albo smartfona współpracującego z NanoVNA. Dostępne są różne programy dla komputera. Część to modyfikacje prostego i małego (ok.100…150kB) programu NanoVNA.exe obrazującego tylko wyniki pomiarów (https://groups.io/g/nanovna-users/attachment/5406/0/nanoVNA_mod_v3.zip, w skrócie: https://bit.ly/3c36E4l). Wygląd okna takich programów pokazany jest na rysunku 20.

Warto się z nim zapoznać, ale od początku trzeba też zainteresować się innym programem, znacznie potężniejszym…

NanoVNA – Saver

Ten program komputerowy (właściwie skrypt Pythona) nie tylko na wiele interesujących sposobów obrazuje wyniki pomiarów odczytane z przyrządu, ale też całkowicie przejmuje kontrolę nad NanoVNA, dołączonym do komputera  kabelkiem USB (zawartym w zestawie). Program NanoVNA – Saver pobiera się ze strony: https://github.com/NanoVNA-Saver/nanovna-saver/releases/ w skrócie: https://bit.ly/3uxEZii.

Gdy kilka lat temu pisałem ten artykuł, dostępna była wersja v0.3.8 NanoVNASaver.x64 (73.9 MB). Teraz dostępne są nowsze, lepsze wersje, ale choć szczegóły są inne, podstawowe zasady pozostały takie same.

Po ściągnięciu pliku .zip trzeba go rozpakować, a program nanovna-saver.exe nie wymaga instalacji i można go uruchomić np. z pamięci USB, bo tak naprawdę jest to skrypt w języku Python (dlatego wymaga obecności w komputerze odpowiedniego środowiska – Pythona). Dlatego też po uruchomieniu nanovna-saver.exe najpierw na ekranie pojawia się czarne okno DOS i otwieranie programu może potrwać kilkanaście sekund, a nawet więcej.

Najlepiej jest najpierw podłączyć NanoVNA do komputera kabelkiem USB-C i włączyć przyrząd, a dopiero potem uruchomić na komputerze program nanovna-saver.exe. Wtedy po kilkunastu sekundach na ekranie komputera ukaże się duże okno, którego fragment pokazany jest na rysunku 21, w którym będzie informacja, do którego portu COM dołączony jest analizator NanoVNA, jak pokazuje zielona strzałka.

Jeżeli dołączymy lub włączymy NanoVNA dopiero po uruchomieniu programu na komputerze, trzeba kliknąć Rescan, jak pokazuje czerwona strzałka. W każdym przypadku następnym krokiem jest połączenie z analizatorem przez kliknięcie Connect to device, jak pokazuje strzałka niebieska. Wtedy ekran się ożywi i można przeprowadzać pomiary. W pierwszej kolejności warto zmniejszyć zakres pomiarowy do 300MHz, zmieniając w okienku Stop z dziewiątki na trójkę.

Co ważniejsze, dla wybranego w programie zakresu pomiarowego program NanoVNA-Saver potrafi zmusić NanoVNA do przeprowadzenia pomiarów dla więcej niż 101 częstotliwości. Nie mogąc ominąć kluczowego ograniczenia 101 punktów, zadany zakres częstotliwości dzieli na mniejsze zakresy. Pozwala to wielokrotnie zwiększyć liczbę punktów pomiarowych, ale niestety taki dokładniejszy pomiar trwa zdecydowanie dłużej. Przy szerokopasmowych pomiarach, w okienku Segments zamiast 1 warto wpisać liczbę 3…20, zależnie od potrzebnej gęstości punktów pomiarowych. Zasadniczo wybór tych częstotliwości pomiarowych jest liniowy, ale w ustawieniach przemiatania (Sweep settings…) warto zaznaczyć okienko Logarithmic sweep. Potem można też wybrać logarytmiczną skalę częstotliwości przy zobrazowaniu wyników na wykresach. Można też wstępnie zmienić częstotliwości markerów 2 i 3 na chociażby 100MHz i 200MHz, a potem podczas pomiarów przeciągać je według potrzeb myszką po zaznaczeniu okienka odpowiedniego kursora.

Koniecznie trzeba też przeprowadzić kalibrację.

Kalibracja

Uwierz mi na razie na słowo, że maleńki NanoVNA to zaskakująco precyzyjny przyrząd. Jak się przekonaliśmy, układ elektroniczny jest bardzo prosty, ale wysoką precyzję można uzyskać po pierwsze dzięki zastosowanemu precyzyjnemu przetwornikowi ADC, po drugie dzięki wyrafinowanym procedurom programowym zawartym w dość silnym procesorze STM32. Jednak dokładność pomiarów zależy od indywidualnej kalibracji. I nie wystarczy jednorazowa kalibracja! Ponowną kalibrację zawsze trzeba przeprowadzać po każdej zmianie badanego zakresu częstotliwości i po zastosowaniu innych złączy lub kabli pomiarowych.

Kalibracja jest bardzo łatwa. W zakupionym zestawie NanoVNA zawsze oprócz kabelków zawarte są trzy „nakrętki kalibracyjne”. Jedna z nich to wzorcowy rezystor 50-omowy (Load), jedna to zwora (Short), a jedna realizuje rozwarcie (Open). Dość często mówi się o kalibracji SOLT, ale jeżeli korzystamy tylko z portu 1 (Ch0) do pomiaru S11, to wystarczy kalibracja trzystopniowa SOL (Short, Open, Load), a przy korzystaniu z obu gniazd (Ch0, Ch1) trzeba przeprowadzić pięciostopniową kalibrację SOLIT.

Gdy nie podłączamy NanoVNA do komputera, to po włączeniu zasilania przyrządu trzeba delikatnie stuknąć paznokciem w jego dotykowy ekran (rezystancyjny, który obsługuje się dużo gorzej niż pojemnościowe w smartfonach), a wtedy pojawi się z prawej strony kilka przycisków. Trzeba stuknąć czwarty CAL, potem trzeci RESET,  pierwszy CALIBRATE, a potem po kolei trzeba na gniazdko S11 kolejno nakręcać „nakrętki kalibracyjne” i  wybierać: OPEN, SHORT, LOAD, pomijając ISOLN, THRU, a na koniec zapisać w pamięci jako C0, co będzie widać z lewej strony ekranu, bo mała literka c zmieni się na dużą C i wyświetli się oznaczenie C0. W razie wątpliwości można poszukać w Internecie dokładniejszych wskazówek co do kalibracji NanoVNA przy pracy autonomicznej.

Rysunek 22 pokazuje, jak sprawdzić prawidłowość kalibracji: otóż podczas pomiarów nakręcenie na gniazdo CH0 nakrętki Load (50 omów) ustawi zielony kursor dokładnie na środku okrągłego wykresu Smitha. Rozwarcie – Open (teoretycznie nieskończenie wielka impedancja) ustawi kursor po prawej krawędzi wykresu Smitha. Zawora – Short (0 omów) ustawi kursor po lewej stronie okręgu Smitha.

Ja przy takiej autonomicznej pracy z początku nie mogłem skalibrować przyrządu. Cały czas ustawione były jakieś niepasujące ustawienia fabryczne i przy rozwarciu punkt nie leżał na obrzeżu wykresu Smitha, tylko niedaleko od środka. Okazało się, że przed kalibracją nie przeprowadziłem koniecznego w tym przypadku resetu.

Gdy korzystamy z programu nanovna-saver.exe, taka kalibracja samego przyrządu NanoVNA nie jest konieczna, choć jest zalecana. Program ten bowiem przejmuje kontrolę nad przyrządem. Jeżeli z jego pomocą chcemy uzyskać przyzwoite wyniki, to po wybraniu zakresu częstotliwości i liczby jego segmentów, obowiązkowo należy przeprowadzić kalibrację, klikając przycisk Calibration… Otworzy się okno Calibration, gdzie należy kliknąć Calibration assistant, a następnie kliknąć OK, jak pokazują niebieskie strzałki na rysunku 23.

Pokażą się komunikaty, pokazane z rysunku 24.

Po pierwszym komunikacie trzeba zewrzeć zaciski pomiarowe (Short) i kliknąć OK. Gdy pojawi się następny komunikat, należy rozewrzeć zaciski (Open) i kliknąć OK, a potem należy dołączyć nominalne obciążenie (Load) 50 omów i kliknąć OK. Wtedy otworzy się okno z pytaniem o kalibrację drugiego portu Ch1. My na razie tego nie potrzebujemy i w ostatnim okienku z rysunku 24 należy kliknąć Apply, z nie Yes. Po takiej obowiązkowej kalibracji można wybrać, co chcemy mierzyć, a właściwie, co i jak chcemy przedstawić na ekranie. Klikamy Display setup…

W sześciu oknach (Displayed Charts), wskazanych zielonymi strzałkami na rysunku 25,

możemy wyświetlić wykresy według rysunku 26.

Możemy też dobrać rozmaite inne ustawienia. Wychodzimy bez zatwierdzania, po prostu zamykając okno Display setup…

Na początek chcemy mierzyć impedancję dołączoną do portu 1 (Ch0) z wykorzystaniem parametru S11, więc wystarczy w dwóch oknach wyświetlić  informacje o przebiegu modułu impedancji (S11|Z|) oraz przesunięciu fazowym (S11 Phase). Możesz też eksperymentować z innymi.

Jeżeli na wykresie klikniesz „prawą myszką”, możesz ustawić wygodną skalę logarytmiczną na osi częstotliwości (Frequency axis – Logarithmic) oraz zmienić zakres na skali pionowej.

Zawracaj uwagę na kolorowe markety i parametry podane w ich okienkach – znajdziesz tam dodatkowe informacje.

Zachęcam do eksperymentów – najłatwiej zacząć od pomiaru elementów RLC. A my w następnym artykule MR093 dokładniej przyjrzymy się dokładności oraz pomiarom, także z użyciem portu Ch1 i parametru S21.

Piotr Górecki