#nanovna

測定対象は、3端子の21.4MHzクリスタルフィルタです。おそらく日米商会あたりで買ってきた部品です。NDK 21F15Bと銘があります。

測定のため、まずは周波数を設定します。中心周波数(CENTER)を21.4MHz, SPANを200kHzとします。タッチパネルで操作しています(使っているのはレバースイッチを省略した製作2台目です：ファームウェアは同じです)。

トレースは、通過信号(CH1=THRU)の、LOGMAGとPHASEを表示するように設定します。

そのままクリスタルフィルタを接続するとフィルタっぽい特性が見えます。しかし、インピーダンスが合っていないため、こんなふうにツノが出た特性になってしまいます。

クリスタルフィルタの入出力インピーダンスは、50Ωからはかなりかけ離れていて、かなり高いため、マッチングのためとりあえず入出力それぞれに470Ωの抵抗を入れてみました。(部品をケーブルを接続するために治具を使っています)

そうすると、ちゃんとフラットトップな特性が得られます。

この状態では、マッチングのために入れた抵抗のロスも含まれています。そのため、抵抗を含めてCALしてみます。いったんクリスタルフィルタを外し、抵抗同士を接続してスルーの特性を取ります。次に抵抗同士の接続を外してアイソレーションの特性を取り、その状態でCAL DONEします。そうすると、抵抗によるロスと、配線や治具による漏れがそれぞれキャンセルされた結果が得られます。

そうしてから、クリスタルフィルタを改めて接続すると、こんな結果が得られます。フラットな部分ではロスが0.7dB程度、幅は12kHz程度でした。CAL前では裾の部分に、通過信号と漏れのクロスによる跳ね返りがありましたが、CALでアイソレーションを適用することにより漏れ信号が打ち消されて、スカートの特性が綺麗に得られています。このように系の不完全性による誤差成分を取り除いた観測することができるのがCALの可能なVNAの強みです。

というわけでちゃんとそれらしい特性が取れました。

フィルタの通過帯域幅を数値で計測するのに、マーカーデルタの機能が欲しいところです。それから、自動で3dBの位置を見つけだす機能も欲しいです。ちゃんと使おうとすると、不足している機能に気がつきます。折をみて実装してみたいと思います。

ついでにPCでデータを取ってみました。USB経由でCAL後の特性をデータとして得られ、もちろんグラフにもできます。Jupyter notebookで作業していますが、とても便利だと思います。便利すぎて、スタンドアロンアプリを作る気にならないのです。

前回の状態ではレバースイッチを使った操作ができていました。必要な操作はできていたのですが、この液晶ディスプレイには抵抗膜方式(resistitive)のタッチパネルが付いているのでせっかくなので試してみます。

このタッチパネルからはX軸Y軸それぞれ2本づつの端子が出ています。専用のコントローラチップを使う場合もあるようですが、ADCがあればMCUでも制御可能です。4本の端子をMCUのGPIO兼ADC端子に接続し、GPIO端子を駆動するレベルや、ADCでの読み取り先を切り替えることで、タッチの有無、X軸Y軸の位置、押圧などを読み取ることが可能です。得られるのは電圧に応じた値ですので、これを座標に変換処理します。

タッチパネルの制御そのものはそんなに難しいものではなく、公開されているArduino等のライブラリが参考になります。少し工夫してみたところは、ADCを読み取って押下の判定を行うのに、これを常時MCUで行ってしまうと、肝心の測定や描画処理の邪魔になってしまいます。そこでSTM32のADCにあるAnalog Watchdog機能を使ってみました。常時連続的にAD変換して得られた値が、設定した閾値(HighとLow)を越えた場合に割り込みを発生させることができます。割り込みが発生するまではMCUのサイクルを消費しなくて済みます。この割り込みを受けてから、UIの各種処理を開始するようにしています。

メニュー操作だけではなく、周波数の設定等も行う必要があるので、数値を入力するためのキーパッドも作ってみました。パッドは単なる白い四角形を描画しているだけの手抜きです。

この写真ではタッチで押していますが、メニューと同様レバーでも操作することができます。

動画です。

画面右側にメニューが並ぶところや、数値ボタンの配置、そして用語や色遣いは往年のHP8753を意識してみました。いかがでしょうか。

まだ足りていない項目(ScaleやElectrical Delayなど)が残ってはいるのですが、おおむね作りたいと思っていたものはほぼ形になったかなと思います。できればもう少しスムーズに操作できるよう、ブラッシュアップしたいところです。

NanoVNAの液晶画面は基板の裏に張り付ける形で実装します。コントローラはILI9431で、LPC-Link2のSDRで使ったものと同じです。LPC-Link2 SDRでは、ピンヘッダ付きのモジュールを使用していましたが、同じコントローラで液晶ピンヘッダの無いものが販売されています。接続はフレキシブル基板となっていて、ピンヘッダ付きのモジュールは、これを基板に実装したものです。

この液晶モジュールは先に入手してあったのですが、動作させてみるのは今回が初めてです。基板裏に用意したランドに、フレキシブル基板を直接ハンダ付けします。液晶モジュールの裏側には両面テープが用意されていますので基板に張り付けることができます。試作では仮に固定しておきます。

LPC-Link2 SDRのコードから液晶制御の部分を持ってきて、STM32のペリフェラル用に書き換えていきます。当初はまったく動作せずしばらく悩みました。問題は2点、一つ目は基板にミスがありRESETが未配線でした。とりあえずVddに接続してOK。もう一点はSTMのSPIペリフェラルのデータレジスタへのアクセス幅がバイトでなければならないことでした。SPIの転送ビット数をバイト8ビットに設定していたとしても、データレジスタにワードで書込みをしてしまうと余計なバイトがFIFOに積まれてしまい、うまくデータ転送ができていませんでした。ペリフェラルの動作はMCUの種類によって差があり、NXPとSTMの違いが原因でした。これが判明、修正することでようやくラスタが出せるようになりました。

描画ができるようになったところで、さっそく測定した結果で描画してみます。スキャンしながら縦軸を振幅の対数で描いて行きます。この時点での描画は、周波数をスキャンしながら幅1ピクセル縦長に左から画面を埋めて行きます。このときグリッドも同時に描画します。メモリが足りないのでフレームバッファを使わずに描画できるよう工夫が必要です。LPFをDUTにしてみるとこんなグラフが描けました。

反射と通過を交互に測定しながら二つのトレースを描いてみました。LPFの特性が見えています。ついでにスミスチャートのグリッドも描いてみました。これの描画は円の式x^2+y^2=r^2を使って、ピクセル毎に円弧上にあるどうかを判断して描いています。こうすると円弧だけではなく、円の内外が判断しやすいのです。だんだんとVNAっぽくなってきます。

スミスチャートの描画に際して、グラフ表示の方法を大幅に変更しました。メモリを節約するためもあって、最初はスキャンと同時に左から右に向かってワイプするように全更新していました。こうすると普通のグラフは自然に描けるのですが、スミスチャートのようなグラフをうまく同時に描画できません。スミスチャートを後から描き足すようにしてみたのですが、表示されていない期間が生じるためイマイチです。動画だとこんな感じでした。

しばらく検討と試行錯誤のうえ、スキャンが完了した後、一気に全体を再描画することにしました。その際、画面全体を再描画すると要する時間が長くなるため、画面をタイル状に32x32ピクセルのセルに分割し、更新の必要なセルのみ再描画するようにしました。描画戦略としては画面にドットを描いていくのではなく、ピクセル位置ごとにグリッドやトレースなど何を描画するか判断する関数を作って1セル分のバッファを埋め、まとめてSPIで送り込む感じです。マーカと文字もセルに書き込むようにしています。周波数のスキャンに1.2秒、描画に0.6秒程度(描画量にも依ります)で、およそ2秒弱の更新サイクルで動作できるようになりました。

これでうまくLOGMAGとスミスチャートを同時に表示できるようになりました。この段階で実験的に校正を実装しています。

苦労したのは校正のエラータームを保存しておくためにメモリサイズが不足したことです。101ポイントの周波数、5個のエラータームを複素数=2個の浮動小数で保存する必要があり、4kByte強を消費します。今回使用したMCU　STM32F072C8T6は、SRAMが16kByteしかありません。当初は溢れていたのですが、USBのバッファやスタックの量を減らすなど微妙な調整した結果なんとか入れることができました。さらに校正結果は、フラッシュに保存し後で使えるようにしています。SRAMと違ってフラッシュの容量は余裕があるので5組保存できるようにしてみました。

下の写真は先端を開放した同軸ケーブルをつないだ状態です。全反射ですが同軸ケーブルの長さに相当する遅れ時間分の位相が回るので、ぐるっと円を描きます。本来なら外周の円弧に沿うはずですが、なぜか下にずれてしまっています。これの原因究明にかなり時間を要しました(信号源の駆動能力が影響していました)。それから些細なことですが回転方向が反対というミスもしてます。スキャンする周波数範囲を下に書いたのと、マーカ描画を検討するために試験的に左上にマーカのシンボルを描いてみています。

良い感じになってきたので、マーカがトレース上に乗るように実装を加えて、各トレースの測定値を表示するようにしてみました。スミスチャートでは、容量やインダクタンスでの表示にしています。

校正の実際ですが、自作の校正キットをアダプタを挟んで接続してみると、未校正の状態だとこんな感じで観測されます。これはオープンを接続した状態です。少し振幅が小さめで位相が回っていることがわかります。位相回転があるのは、アダプタ分の長さと、ブリッジ回路の付近の長さがゼロではないことが理由です。

ショートだとこうなります。振幅は概ね同様ですが、位相が反対側に変化しています。反射波の符号が逆なのでこうなります。

50Ωのターミネータを接続、すなわちロードだとこうなります。無反射なので、スミスチャートではほぼ中央の原点に来ます。プロットが点となりほとんど見えなくなりますが、マーカがあると視認しやすいです。一方、対数のグラフで見ると周波数の上昇である程度信号が見えてきています。まったくの無反射ではなく、ターミネータとブリッジの不完全性に相当する信号が見えています。

校正の実行は、現時点ではUSB経由でコマンドを送ることにより行います。screenコマンドでシリアルに接続するとプロンプトが表示されます。校正キットを順に一つづつ接続し、それぞれについて

cal open cal short cal load

と入力します。そして最後に

cal done

とします。そうするとそれぞれの観測値からエラータームを計算し、校正が適用した状態となります。

この状態で校正キットのオープンをつなぐと、スミスチャートは右側の1点となります。振幅は0dBの直線に正規化されます。これが校正された状態です。

同様にショートでは、左側の1点に来ます。

ロードは原点となります。スミスチャートではあまり違いが判りませんが、Edが差し引かれることにより、振幅が下がって、ノイズだけが残っている状態となっています。60dB前後のダイナミックレンジが確保できているようです。

スルーについても同様に校正できます。追加で行うのは2つの操作です。

cal thru cal isoln

すべての校正を行った状態で、DUTとしてLPFを接続すると以下のような画面となります。最大4トレース出せるようにしてあるのですが、写真では

ポート1の反射のLOGMAG

ポート1の反射のスミスチャート

ポート2への伝送のLOGMAG

ポート2への伝送の位相

を表示しています。トレースはUSB経由の設定で任意に表示を変更可能です。他にSWRやリニアの振幅を描けます。あとディレイも追加必要ですね。

上部にはマーカの各トレースの値を表示しています。5x7と小さいフォントなのでさすがに字が読みにくいです。工夫が必要かもしれません。

さらにレバースイッチでマーカを動かせるようにしてみました。動画です。

メニューもちょっと試しています。現在は必要な操作はUSB経由で行っていますが、最終的には全ての操作を単独で行えるようにする必要があります。

画面のテイストはネットワークアナライザの名機、HP8753っぽくしているつもりです。操作体系も似たものにしたいのですが、レバー一つしか無いのでさすがに厳しいところです。できるだけお手軽に使えるものにしたいと思っています。作業はかなり先行していたのですが、ようやく報告が追いつきました(信号処理の中身などかなりはしょってますが)。引き続き鋭意実装していきます。

リファレンス

校正処理をPythonで試してみる http://ttrftech.tumblr.com/post/152895955551/

校正用キャリブレーションキットCALKITを自作する http://ttrftech.tumblr.com/post/151148916536/