Projets:Lab:2011:SA-Scotty:SLIM-LD-8306
SLIM-LD-8306 Détecteur logarithmique
Description Technique
SLIM-LD-8306, Détecteur logarithmique, PCB de taille –A
Avec votre souris, effectuez un “clic droit” et sélectionnez “enregistrez la cible sous… » pour télécharger la version la plus récente:
a. SKSLIM-LD-8306.sch Rev 0, Schémas de la carte de commande SLIM, format ExpressPCB
b. PWB-LD-8306.pcb Rev 0, Dessin du PCB au format ExpressPCB.destiné à repérer l’emplacement des composants sur la carte de commande SLIM.
c. PLSLIM-LD-8306.txt Rev 0, Liste des composants de la carte de commande SLIM au format .txt. Ouvrir avec un tableur (Excel, LibreOffice etc).
Le SLIM-LD-8306, détecteur logarithmique, remplit une double fonction. C’est tout d’abord un détecteur chargé de convertir une puissance HF en tension (RSSI, Received Signal Strength Indication, ou IPS Indicateur de Puissance de Signal). Il joue également le rôle de limiteur/amplificateur à grand gain.
L’impédance d’entrée sur J1 est de 50 Ohms, et la bande passante de 3 à 160 MHz.. La dynamique du RSSI et de -90 dBm à +10 dBm, soit une sortie en tension variant entre O,4 et 2,4 V (sortie sur J2, alias sortie « MagVolts »). La sortie F.I. limitée (J3) est une sortie Cmos 50 Ohms de 50 mVpp. La dynamique d’entrée du limiteur couvre de -77 dBm to +10 dBm. Note importante : ce module est excessivement sensible aux interférences extérieures. Il doit être parfaitement blindé.
SK-PWB-LD-8306, Schéma du détecteur log SLIM-LD-8306
Une résistance R3 sert à ajuster l’impédance pour correspondre à celle du circuit intégré (impédance qui est de 1 KΩ) et celle du transformateur de sortie. La sortie F.I. limitée, J3, est polarisée par R6 pour fixer un niveau de sortie minimum, dans le but d’éviter toute contre-réaction excessive et risques d’emballement et d’auto-oscillation. La sortie délivre 50 mVpp.. Elle peut piloter une charge de 50 Ohms. Si la sortie F.I. limitée n’est pas utilisée, l’on peut s’abstenir d’installer R4, R5, R6 et C12.
La bande passante du module est déterminée par celle du transformateur. L’ AD8306 offre une bande passante en fait bien supérieure
PWB-LD-8306, Implantation des composants du Log Detector, SLIM-LD-8306
Le transformateur peut être remplacé par un autre modèle, selon l’impédance que l’on souhaite utiliser. Il peut même être ommis et remplacé par un réseau d’adaptation d’impédance, dans le cadre d’applications à bande étroite.
L’impédance d’entrée du module est de 50 Ohms, celle de l’AD8306 est de 1000 Ohms. C’est la raison pour laquelle un transformateur avec un rapport de tension de transformation 1 :4 a été ajouté. Le rapport de transformation d’impédance est de 1 :16, soit 800 Ohms en sortie. Le rapport de puissance est bien entendu de 1 :1. La résistance shunt R3 de 4,02 kOhms placée sur l’enroulement secondaire est une résistance de charge qui sert à diminuer l’impédance de 1000 Ω à 800 Ω. C’est ce transformateur qui est responsable de la limitation de bande passante de 3 à 160 MHz.
Comme l’AD8306 présente une haute impédance d’entrée, Analog Device exprime les caractéristiques de son circuits en tension (dBv) et non en puissance (dBm), unité que nous avons utilisé jusqu’à présent. Une fois franchie la barrière du transformateur, nous ne nous trouvons plus dans un système sous 50 Ohms. Il est plus précis et adapté d’employer des mesures en tension.
Comme point de référence partons du principe que la tension d’entrée (sur le primaire du transfo) est de 1 Vrms (soit 0 dBv). La sortie du transformateur 1 :4 sera donc à 4 V, ou +12,04 dBv. C’est comme si le transformateur avait un gain de 12,04. Cela est vrai en tension mais pas en puissance (car le transformateur n’a pas de gain à proprement parler).
Analog Device précise que la dynamique de son circuit couvre de -91 dBv à +9 dBv. Comme le circuit est situé du côté secondaire du transfo, la dynamique d’entrée (coté primaire) va de -103 dBv à -3 dBv. Ce qui correspond, dans un système 50 Ohms, à une dynamique « puissance » de -90 à +10 dBm.
L’action de l’étage limiteur de l’ AD8306 commence à -78 dBv et reste stable jusqu’à +9dBv. Cela correspond à une tension d’entrée (primaire transfo) de -90 dBv à -3 dBv. Ce qui correspond, dans un système 50 Ohms, à une plage « puissance » de -77 à +10 dBm.Si la sortie F.I. limitée n’est pas utilisée, l’on peut s’abstenir d’installer R4, R5, R6 et C12, ce qui aura pour effet de limiter la consommation générale du module et surtout d’écarter tout risque d’auto-oscillation.
Optimisation et modification expérimentale du module SLIM-LD-8306
Le rapport cyclique de la sortie limité de l’AD8306 est déterminée par la linéarité de l’étage d’entrée. L’AD8306 intègre un système d’ajustement (bias) destiné à compenser les larges variations de température. Le système est bien conçu mais peut être amélioré. L’étage d’entrée n’est pas exactement polarisé en milieu d’échelle, imperfection probablement due aux marges de tolérance des processus de fabrication. J’ai découvert qu’en modifiant cette polar d’entrée, le rapport cyclique pouvait être ajusté à 50/50 très précisément, même lorsque le signal est proche du niveau du bruit.
Voici comment j’ai découvert la relation entre le niveau d’entrée et le rapport cyclique. Connectez un signal de 10,7 MHz sur l’entrée J1 ? Ajustez le signal d’entrée à un niveau situé entre 0 et -40 dBm. Le rapport cyclique est proche de 50%. Diminuez progressivement la puissance d’entrée et notez le moment ou le rapport cyclique va commencer à être modifié en fonction du niveau de signal injecté. Le rapport va devenir très important au fur et à mesure que la puissance du signal s’approchera des limites de la dynamique du limiteur. Il est possible d’améliorer cet état de fait en « biaisant » la polarisation sur l’une des entrées du C.I..
Voici la marche à suivre
1. Coupez l’alimentation
2. Coupez la piste en créant un espace entre U2 pin 4 et T1
3. Installez une capa de 10 nf pour ponter ces deux points.
4. Prenez une résistance format 1206 entre 400 kΩ et 1 MΩ, que l’on appellera Rx
5. Mettez sous tension et répétez le test de rapport cyclique comme expliqué au paravant.
6. Choisissez une puissance d’entrée telle que vous puissiez obtenir un rapport cyclique nettement différent de 50%.
7. Positionnez Rx entre U1 pin 4 et la masse (la pin 6 de U1 est parfaite pour çà)
8. Si le rapport cyclique augmente dans la « direction du 50/50 » ou dépasse ce point, c’est que la résistance est bien positionnée. Si le rapport cyclique se dégrade encore plus, alors la Rx doit être soudé entre U1 pin 5 et la masse.
9. Avec un couteau X-Acto ou une lame de cutter, grattez la couche de protection et la couche de graphite, en ne laissant que le substrat et les deux extrémités soudables. Notez que sur la photo ci-dessus, Rx est bien plus propre que ne peut le faire l’opération de grattage. J’avoue avoir triché. (ndt : je soupçonne Scotty d’avoir tout simplement placé la résistance à l’envers).
10. Coupez l’alimentation, soudez de manière permanente Rx à la position déterminée.
11. Remettez sous tension et recommencez l’opération de mesure de rapport cyclique.
12. Ajustez la puissance de sortie à un niveau tel que le rapport cyclique ne soit pas de 50/50.
13. Avec un crayon papier, tracez un trait sur Rx allant d’une extrémité metalique à l’autre. Le rapport cyclique doit s’approcher des 50/50. S’il s’avère plus important, le trait de carbone est trop conducteur. Nettoyez le corps de résistance avec un coton-tige imbibé d’alcool, et recommencez avec un crayon moins gras. Plus le marquage est important, plus le dépôt de carbone sur le corps de résistance est important, plus la résistance est faible.
14. Diminuez la puissance d’entrée, le rapport cyclique doit se dégrader. Rajoutez du carbone jusqu’à atteinte d’un rapport cyclique équilibré, et ainsi de suite jusqu’à ce que le signal paraisse bruité. L’on peut pousser le réglage en repositionnant le blindage sur le module pour diminuer le bruit provoqué par les influences extérieures.
16. Si vous déposez trop de carbone, nettoyez le corps de résistance à l’alcool et reprenez la procédure depuis le début.
17. Lorsque vous pensez avoir atteint le réglage optimum, éteignez et recouvrez la résistance avec une goutte de vernis (ndt : l’auteur mentionne la « Q-Dope », mélange pas franchement saint de toluène de polystyrène expansé… le vernis à ongle transparent est plus pratique. TRANSPARENT ! Les colorants sont parfois à base métallique ou carbonée).
18. Après séchage, répétez le test de mesure du rapport cyclique. Si le résultat à changé de manière significative, éliminez le vernis (acétone pour le vernis puis alcool pour nettoyer) et recommencez.
Cette opération est très délicate, et est inutile pour la plupart des applications. Je l’ai faite par soucis du détail. Cette bidouille n’améliore pas seulement le rapport cyclique, mais également la sortie log du circuit. Le niveau de bruit est abaissé et offre une dynamique plus grande encore.
Il y a un autre point susceptible d’amélioration et qui permet d’étendre la dynamique de quelques dB. L’entrée minimale du module est de -90 dBm, soit le niveau de bruit propre au 8306. Cependant, j’a découvert qu’en abaissant la température du 8306, son niveau de bruit diminuait également. Avec un niveau de bruit plus bas, sa réponse va en deçà de -90 dBm. Histoire de vérifier dans quelle proportion cette diminution pouvait jouer, j’ai collé un glaçon dans un sac plastique, le tout sur le boitier du C.I., abaissant la température du composant de 32°C à 0°C (température de la glace fondante, ndt.. je me souviens, c’était au programme « certificat d’étude primaire »). Le niveau de bruit s’est écroulé de 5 dB, améliorant la mesure de 3 dB. Depuis, j’ai installé un module à effet Peltier sru le 8306. Ces composants sont des monstres de consommation, mais sont d’une efficacité redoutable. Il est conseillé de bien isoler le module s’il est ainsi refroidi, afin d’éviter tout phénomène de condensation à l’intérieur du blindage.
Réalisation
Détecteur logarithmique SLIM-LD-8306
Le SLIM-LD-8306 possède deux sorties. La sortie « Mag(nitude) Volt » sur J2, utilisée par le MSA « version de base », et la sortie « Lim(mited) IF Out » sur J3, utilisée en mode VNA. Si vous n’envisagez pas d’utiliser cette sortie, n’installez pas R4 à R6 et C12.
Après divers essais, il apparait que le niveau de bruit du détecteur dépend de sa température de fonctionnement. Si vous utilisez un filtre à très faible bande passante –moins de 2 KHz- je vous suggère de placer le détecteur à l’endroit le plus « froid » du boitier, sous un ventilo ou éloigné de toute source de chaleur (ndt : régulateurs de tension de la carte de commande, alim de l’ordinateur si intégrée, oscillateur 64 MHz qui est un peu « chaud »… A noter qu’il est envisageable de développer, dans le cadre de l’Electrolab, un asservissement thermostaté. Une « sur-boite » taillée dans du polystyrène expansé peut également limiter la sensibilité à la température). Ce bruit n’est pas fondamentalement important pour des bandes passantes de filtre plus larges. Une modification visant à améliorer le rapport cyclique de l’AD8306 est éventuellement à apporter par les plus courageux (opération délicate et très bidouillesque). Pour les détails, se reporter au bas de la page de description technique du SLIM-LD-8306 (ndt : bon courage car ce n'est pas trivial)
Test Unitaire
Le module détecteur log SLIM-LD-8306 converti un niveau de puissance HF en tension selon une fonction logarithmique. La bande passante du module est de 2 MHz à 160 MHz (le signal d’entrée du MSA ne dépassera de toute manière pas 10,7 MHz). La sortie sur J2 est la tension proportionnelle à l’amplitude du signal (courbe « Magnitude ») qui est ensuite envoyée sur le module Convertisseur A/N. La dynamique de l’entrée J1 -90 dBm à +10 dBm et peut être améliorée (voir plus haut). La tension de sortie varie de 0,35 Volts à 2,35 Volts.
L’entrée J3 est celle du limiteur du signal d’entrée. Il fourni le signal destiné au module détecteur de phase (PDM) qui n’est utilisé qu’en mode VNA. Ce module n’exige aucune commande directe en provenance de l’ordinateur. Il peut être partiellement testé avec seulement un voltmètre. Si testé en conjonction avec la Carte de Commande et le module convertisseur A/N, aucun voltmètre n’est nécessaire. Nous allons effectuer les tests selon la seconde méthode.
Pour effectuer la batterie de tests, les modules suivants sont nécessaires :
- Alimentation externe pouvant fournir un courant de +13,6V, 1000 mA
- Un ordinateur, son moniteur et un câble d’imprimante parallèle
- Le module Carte de Commande
- Un voltmètre
- Le module de conversion Analogique/Numérique (A to D)
- Le module détecteur de phase (PDM, option)
- Le module Détecteur Logarithmique
- Le logiciel : spectrumanalyzer.tkn ou spectrumanalyzer.bas
Note : Il est possible de modifier l’entrée du module détecteur en coupant la
piste d’entrée du signal et en soudant une capa de 100 nf en série. Ceci ne modifiera
en rien les caractéristiques techniques du détecteur mais supprimera l’absence d’isolation
galvanique qui nécessite l’usage d’un câble « DC Block » (coupure de composante continue)
au cours des tests d’autres modules.
test
1. Connectez l’alimentation du détecteur logarithmique. Doivent également être raccordés à la carte de commande le convertisseur A/N (et le module détecteur de phase si employé).
2. Reliez la sortie J2 du détecteur log à la prise J1 du module de conversion A/N, inter vidéo positionné sur « Mid » (afin d’activer le filtrage vidéo)
3. Si le détecteur de phase est utilisé, connectez la sortie J3 du détecteur log au connecteur J2 du module détecteur de phase.
4. Mettez sous tension. Vous devez mesurer une tension de +10 V sur l’entrée alim du détecteur log et sur les modules convertisseur A/ N et le détecteur de phase.
Déroulement du test
1. Vérifiez que la tension sur U1-3 soit de +10 volts, +/- 0,2 volts
2. Mesurez la tension sur U1-1. Elle doit être de 5.0 volts, +/- .1 volts.
3. Mesurez la tension sur U2-2 et U2-8. Elle doit être de 92 millivolts inférieur à la tension mesurée sur U1-1
4. Mesurez la tension sur U2-15. Elle doit être de 64 millivolts inférieur à la tension mesurée sur U1-1
5. Mesurez la tension sur U2-9. Elle doit être de +0,41 volts, +/- 0,05V sir R6 est de 390 Ohms.
6. Mesurez la tension sur U2-12 and U2-13. Elle doit être de 25 millivolts inférieur à la tension mesurée sur U1-1. C’est la sortie F.I. « limitée » (60 mVpp de bruit mesuré avec un scope 20 MHz).
7. Lancer le logiciel MSA. La fenêtre principale va s’afficher, un balayage va se lancer en mode Analyseur de Spectre. La trace d’amplitude de signal sera probablement une droite horizontale située vers le bas du graticule. Cette position est due à l’absence de signal à l’entrée du détecteur log et que la tension aux bornes de J2 est celle du niveau plancher du bruit de l’AD8306. Ce niveau doit se situer à 0,45V ou moins. Si la courbe d’amplitude ce ne peut pas être vue sur le graticule, arrêtez le balayge et changez la valeur de la limite basse de l’échelle d’amplitude pour la porter à -120 dB. Appuyez sur le bouton « Restart » ou « Continue ».
8. Regardez la valeur des données du converisseur A/N créé par la mesure d’amplitude. Arrêtez le balayage, ouvrez la fenêtre des « Variables », puis cliquez sur « Continue ». La valeur du champ « Magdata » doit être mise à jour durant le balayage. Notez cette valeur à fin de référence ultérieure.
"Magdata bits = _______ en l’absence de charge à l’entrée J2 du détecteur log".
9. Touchez la pinoche centrale de J1 avec votre doigt (injection de bruit local). La sortie J2 MagVolts doit monter en tension. Le tracé d’amplitude doit décoller du bas du graticule.
10. Installez une charge 50 Ohms sur J1. Vérifiez que la tension sur J2 a chuté par rapport à celle relevée à l’étape 2. Cela est dû à l’abaissement de l’impédance « source » de l’AD8306, ce qui abaisse son niveau de bruit intrinsèque. Notez cette valeur à fin de référence ultérieure.
"Magdata bits = _______ avec une charge à l’entrée J2 du détecteur log".
La sortie F.I. du module détecteur log sera à nouveau testé au fur et à mesure que seront intégrés de nouveaux modules dans l’ensemble MSA.
Pré-réglage du détecteur log
Cette procédure sert à faire un préréglage grossier et temporaire pour que les données d’amplitudes générées par le détecteur logarithmiques soient utilisables. Ces opérations une fois achevée, l’échelle d’amplitude de l’afficheur indiquera le niveau de puissance injecté sur l’entrée du détecteur log (et non sur l’entrée du MSA). Ce préréglage sera réécrit lors de la phase d'étalonnage de l’appareil complet et assemblé.
Si vous possédez un géné HF calibré (ou un géné HF, un atténuateur et un milliwattmètre), vous pouvez utiliser la "procédure directe" décrite en fin de paragraphe.
Arrêtez le balayage
a. Ouvrez le gestionnaire d'étalonnage initial via le menu « Setup ». La fenêtre du gestionnaire de fichier d'étalonnage va s’ouvrir
b. Sous «Available Files » (fichiers disponibles) cliquez et ouvrez path 1
c. La table d'étalonnage des voies de mesure va s’ouvrir et afficher deux lignes de données. Effacez ces lignes de données et remplacez-les par les valeurs numériques que vous avez précédemment inscrit lors des tests précédents. Vous deviez avoir les données suivantes :
"Magdata bits = _______ avec une charge à l’entrée J2 du détecteur log" (niveau de bruit de détecteur log à -116 dBm, valeurs obtenue durant les tests du détecteur log)
"Magdata bits = _______ à +11 dBm." (valeur du Log Det à +11 dBm en entrée. Donnée obtenue durant les tests du DDS 1)
"Magdata bits = _______ à -8 dBm." (valeur du Log Det à -8 dBm en entrée. Donnée obtenue durant les tests du DDS 1)
e. Entrez la valeur du bit Magdata, suivi par un espace, puis par “-116”, suivi par un espace, suivi enfin par "0.0"
f. Entrez la valeur du bit Magdata, suivi par un espace, puis par “+11”, suivi par un espace, suivi enfin par "0.0"
g. Entrez la valeur du bit Magdata, suivi par un espace, puis par “-8”, suivi par un espace, suivi enfin par "0.0"
h. Cliquez sur « Clean Up »
Vous avez maintenant trois lignes de données d'étalonnage qui doivent ressembler à ce qui suit (à quelques différences près sur les valeurs du bit Magdata).
- ADC dbm in increasing order of ADC
4820 -116.000 0.00
26553 -8.000 0.00
31534 +11.000 0.00
i. Cliquez sur « Save File »
j. Cliquez sur « Return to MSA »
Procédure directe
- Réglez votre générateur HF sur 10,7 MHz
- Ouvrez la fenêtre des variables
- Injectez sur l'entrée du détecteur log un signal de +10, 0, -10, -20, -30 [...] 110 dBm
- Notez la valeur de magdata pour chaque niveau de puissance injecté
- Créez un fichier avec, pour chaque ligne : Valeur de Magdata/espace/niveau du signal injecté (ne pas oublier le signe+ ou -)/espace/0.0/retour chariot
- Faites un couper-colle de ce tableau dans la fenêtre Setup/Initial Cal Manager/Path Calibration Table après avoir sélectionné Available Files/ligne "1"
Platine bg6khc
Le circuit intégré est assez imposant pour considérer comme "très facile" le montage de cette platine. Cependant, bg6khc a prévu des "pads" de soudure qui ne sont pas du tout adaptés au transformateur d'origine Mini-Circuits. Il faut donc, dans un premier temps, souder un fil fin (fil à wrapping, fil argenté ou étamé) d'environ 6 à 8 mm de long sur chaque patte du transformateur, sauf pour le point milieu du secondaire. Le fil est ensuite tordu pour tomber en face des pads. La soudure doit être rapide pour ne pas dessouder l'autre point coté transfo.
La photo ci-contre montre le détecteur "avant" les multiples modifications recommandées par Scotty Sprowls.
N.B. : Attention : les condensateurs C10 et C11 montrés sur cette photo sont mal positionnés.
La modification suivante évite tout risque de court-circuit durant les tests et évite d'avoir à fabriquer un raccord "DC Block" d'isolation galvanique.
Il suffit de couper la piste reliant J1 au transformateur et d'y insérer un condensateur de 100 nf
