LJ2000M SWR Power Meter
Een goede SWR en Power meter is een belangrijk instrument voor een zendamateur. Anders dan de SWR meter in mijn radio’s, de ICOM IC-705 of IC-7300, had ik helemaal geen handige meter die goed de SWR kan meten. Nu kon ik direct naar een webwinkel gaan en een commerciële optie aanschaffen, maar zelf een bouwen is veel leuker! Zelfbouw dat gaat bij mij altijd met enorm veel vallen en opstaan, maar daar leer ik het meeste van. Daarnaast wilde ik graag een mooie digitale meter die meer kon dan alleen de SWR meten.
De meter van PD0PHA
Gelukkig hoefde ik niet ver te zoeken voor een briljante tip. Radio- en Volvo vriend Peter de PD0PHA wees me op een mooi project van Loftur Jónasson, TF3LJ. Peter had zelf een vroege versie van dit project gemaakt toen dit nog een heel actief project was. Ik ontkwam er niet aan een hele reeks met foto’s te aanschouwen van zijn project met zelfgemaakte printplaat. De interface was misschien iets gedateerd, maar het zou een meter moeten zijn met een extreem bereik waarmee van mWatts tot aan kWatts gemeten kan worden. Dat vond ik machtig mooi. Dat wil ik ook!
De meter van PD0PHA
Het project was oorspronkelijk al meer dan 10 jaar oud en rond juni 2020 werd het stil op de webpagina van Loftur. Ojee, moet ik dit wel willen?! Maar na enig zoeken bleek het project allesbehalve stoffig: het is inmiddels opgepakt door Johan Holstein, PD0LEW, en blijkt springlevend als actief open source project. Een mooi voorbeeld van hoe kennis binnen onze hobby blijft doorleven — van de ene bouwer op de andere.
Het LJ2000M project
Dit is een open source SWR- en Power meter project met een Teensy 4 als kloppend hart. Het ontstond ooit als het “Tiny Power and SWR Meter” van Loftur Jónasson en is sindsdien flink doorontwikkeld. Johan heeft die doorontwikkeling naar zich toegetrokken en houdt het project springlevend op zijn Groups.io-pagina RadioStuff.. Samen met Paul Davis, K9MR, die veel bijdrage heeft geleverd aan de nieuwe interface van het project.
Technisch gezien meet de meter het vermogen via twee AD8307 logaritmische versterkers, waarbij een AD7991 A/D-converter de analoge uitgangen omzet en dit wordt uitgelezen door de Teensy 4. Voor de weergave heeft men gekozen voor een mooi groot 5" TFT scherm met touch bediening. In een recentere ontwikkeling is er zelfs een extra een ESP32c3 toegevoegd die de gegevens via wifi en een webpagina kan tonen direct op de computer.
Kenmerken van de LJ-2000M:
- Meet zowel SWR als uitgezonden vermogen
- Zeer groot meetbereik (µW tot kW), afhankelijk van de gebruikte coupler
- Touchscreen display, met varianten van 5" tot 7" (RA8875-gebaseerd)
- Ondersteunt meerdere meetbruggen tegelijk via een dual-CPU coupler opstelling
- Ondersteunt netwerktoegang via een ingebouwde webserver (WiFi-webpagina)
- Volledig open source: hardware, firmware en documentatie vrij beschikbaar
Bouw
SMD componenten, HELP!
Bij SMD componenten gaat bij menig amateur de alarmbel rinkelen. Men heeft het gevoel dat het te onhandig is, veel te klein en niet te doen. Dat is ook meetal waar, maar in dit geval is er bij het ontwerp van de componenten rekening gehouden met de grootte van de smd onderdelen. Johan heeft de printplaten dusdanig opnieuw ontworpen dat smd-solderen ook voor de minder geoefende amateur haalbaar is. In plaats van piepkleine smd’s van het type 0402 of 0603, is bijna alles ontworpen rond 1206 of 2512.
Om een vergelijking te maken: zie 0402 als kiezelsteentjes en de 2512 aan de andere kant van het spectrum als flinke stoeptegels. De meeste componenten hebben formaat 1206 — ongeveer zo groot als een doorsnee steekweerstandje, maar dan in SMD-vorm. Prima te doen, zelfs voor een ongeoefend mens als ikzelf.
| Type | Lengte | Breedte |
|---|---|---|
| 0402 | 1,0mm | 0,5mm |
| 0603 | 1,6mm | 0,8mm |
| 0805 | 2,0mm | 1,25 mm |
| 1206 | 3,2mm | 1,6mm |
| 2512 | 6,3mm | 3,2mm |
Alleen bij de allerkleinste IC’s, zoals de AD7991 en de PE4259-63, had ik externe hulp nodig. Gelukkig was daar PA3COR, een bevriende amateur uit onze knutselgroep, die wél over de juiste apparatuur beschikte om dit piepkleine spul te lijf te gaan.
Dual CPU Coupler - Het hart van het systeem
Het solderen van zo’n print heeft natuurlijk weinig spannends in het verhaal. De meeste van jullie zijn gewend om rustig aan een printje op te bouwen van lage naar hoge componenten, om niet vast te lopen met de soldeerbout. Hierbij dan ook een kleine collectie aan foto’s gestaag opbouwen van de print.
De Dual CPU Coupler 1 van 4 De Dual CPU Coupler 2 van 4 De Dual CPU Coupler 3 van 4 De Dual CPU Coupler 4 van 4
De geoefende kijker zal zien dat de U.FL / IPX mounts nog niet gesoldeerd zijn voor de tweede meetbrug ingang. Die waren op het moment van het schrijven van het artikel nog niet geleverd.
HF Coupler - De meetbrug
Voor het bouwen van de HF-coupler geldt grotendeels hetzelfde als hiervoor. Onderdeel van het solderen is ook het inbouwen in een aluminium kastje. Vandaar ook een aantal foto’s die hierna volgen.
De HF Coupler bouw 1 van 3 De HF Coupler bouw 2 van 3 De HF Coupler bouw 3 van 3
Wat bij mij als eerste vragen opriep — en wellicht ook bij de geïnteresseerde lezer — is de volgende: waarom gebruik je niet gewoon een draad door de gewikkelde kernen heen, en waarom is het coax? Wat hier gebeurt, is dat we de capacitieve werking tussen de wikkelingen om de ferrietkern en de draad die door de kern loopt, proberen te voorkomen. Dat doen we door de mantel van de coax als afscherming te gebruiken, en deze aan de antennezijde met de aarde te verbinden. Enige vorm van capacitieve werking wordt daarmee gelijk afgevoerd zodat deze geen invloed heeft op de draad waarover we meten.
Zie hieronder de meer detail foto’s waarbij de mantel van de coax is aangesloten op de aarde van de PCB.
De HF Coupler Coax detail 1 van 4 De HF Coupler Coax detail 2 van 4 De HF Coupler Coax detail 3 van 4 De HF Coupler Coax detail 4 van 4
Na het bouwen is dit het uiteindelijke resultaat. Mooi weggewerkt in een aluminium doosje.
De HF Coupler afgebouwd
Alles aansluiten en testen
Nu alles eindelijk gesoldeerd te hebben werd het tijd voor het kleine stukje PCB dat het scherm aan de CPU Coupler verbindt. Dit is een vrij eenvoudig klusje waarbij 9 poorten worden doorgestuurd vanaf de CPU Coupler naar het scherm. Hiervan weinig detail foto’s anders deze die ik terloops tijdens het troubleshooten had gemaakt.
Scherm PCB
Na het aansluiten kwam er helaas een tijdelijke teleurstelling. Het apparaat start op, het scherm gaat aan. Ik zie het beginscherm, het initialisatiescherm van de AD7991 en GSL1680, en daarna wordt het scherm zwart. Tijdens het project heb ik een aantal keren contact gehad met Johan, die mij heel behulpzaam heeft geholpen het geheel werkende te krijgen. Eenmaal met een juist scherm aangesloten bleek het niet helemaal lekker te werken. Na een videobelletje en het doorlopen van het hele systeem met diagnose firmware, leek er geen vuiltje aan de lucht, maar het wilde niet werken. Toen de hele set even naar Johan op de post gedaan. Hier moet wat mis zijn in mijn bouw. Iets waar ik zelf niet uit ga komen. Na meer testen en andere versies van de software bleek het toch dat de AD7991 niet goed was. Deze is door Johan vervangen voor een nieuw exemplaar en nu werkte het systeem wel. Waarvoor nog steeds heel veel dank, Johan!
Toen ik de set eenmaal weer in huis had, werd meteen alles aangesloten en… “hoera!” het werkt.
Na dit hele avontuur heb ik het geheel ingebouwd in een oud koffiebonen blik. Vanuit het idee “gebruik wat je al hebt” had ik nog een leeg koffieblik liggen. Het Nederlandse bedrijf Upfront verkoopt allerlei sportvoedingsmiddelen, maar richt zich ook sterk op ‘schoon’ en ’eerlijk’ voedsel. Zo hebben ze ook koffie in de aanbieding, voor zeer schappelijke prijzen: voor zo’n €9,- krijg je 450 gram bonen in een plaatstalen blikje. Prachtig, en bijna perfect op maat om het scherm in te bouwen.
Zelf heb ik er een 3D geprint frontje omheen ontworpen en afgedrukt.
Het koffieblik Het past bijna helemaal perfect
Vervolgens alle benodigde gaten en gemaakt en alles in het blik aangesloten:
Achterkant van het koffieblik met de aansluitingen Het binnen aanzicht van het blik Alles afgewerkt in het blik en aangezet
Kalibratie
Toen alles eenmaal werkend was en mooi ingebouwd werd het tijd om de set te kalibreren. Let op: Sluit de antenne-uitgang van de meetbrug aan op een dummyload — bij voorkeur eentje die minimaal 100 Watt kan dissiperen.
Kalibratie van de Forward (FWD)
Zodra alles is aangesloten, kan het kalibreren beginnen. Druk op de knop SETUP en ga naar de CALIBRATE knop in dit menu. Voor een accurate kalibratie kies je voor de tweestaps-kalibratie, waarbij je eerst op 1ST LEVEL CAL klikt. In het menu dat dan verschijnt, stel je de dBm-waarde in waarop je wilt kalibreren — bijvoorbeeld 40 dBm (10 Watt) of 60 dBm (100 Watt). Zorg dat de twee kalibratiepunten voldoende uit elkaar liggen, zodat je over een zo breed mogelijk bereik kalibreert. Het advies is om bij de 1ST LEVEL te kalibreren op 100 Watt en bij de 2ND LEVEL op 10 Watt.
Je ziet in het scherm eerst in het rood POOR SIGNAL QUALITY staan — dat komt omdat je nog niet zendt. Zet je zender in FM-mode, zodat je een draaggolf hebt. Kalibreer niet in SSB-mode!!
Druk de PTT-knop in. Staat er “Reverse signal detected” op het scherm, dan zijn de SMA-kabels verwisseld aangesloten. Draai ze om en druk de PTT-knop nogmaals in. Gaat alles goed, dan wordt in het groen aangegeven dat het signaal is gedetecteerd, en kun je op SAVE drukken om de kalibratie op te slaan. Druk daarna op BACK en selecteer 2ND LEVEL CAL. Herhaal hierbij dezelfde stappen met de PTT-knop en sla ook deze kalibratie op met SAVE.
Kalibratie van de Reflected (REF)
Eigenlijk is dit precies hetzelfde. Maar dan moet je bewust de SMA kabels omgedraaid hebben om de reflected te Kalibreren. Ofwel, volg de stappen die hierboven genoemd zijn, maar zodg dat je Reverse Signal Detected in je scherm ziet staan.
Installatie van de ESP32 webserver
Voor het activeren van de webserver is een kleine extra PCB nodig. Deze komt op de originele plek van de teensy te zitten en op deze PCB plaatsen we vervolgens de Teensy en de ESP32c3.
Het CPU Coupler bordje met webserver
Als MacOS-gebruiker beschrijf ik hier alleen de stappen die nodig zijn om de ESP32 werkend te krijgen vanaf een Mac.
Allereerst moet esptool geïnstalleerd zijn op de Macbook. Dit kan op twee manieren:
- Via Homebrew:
brew install esptool - Via Python pip:
pip install esptool
Na een succesvolle installatie sluit je de ESP32 via USB aan op de Mac. Vervolgens controleer je in de terminal op welke poort de ESP32 is aangesloten, met ls /dev/cu.usbmodem*. Er komen dan één of meerdere poorten naar voren, meestal iets als cu.usbmodem1101.
Daarna is het tijd om de software te flashen. Ga in de terminal naar de map waarin de bestanden staan en voer het volgende commando uit:
esptool.py --chip esp32c3 --port /dev/cu.usbmodem11401 --baud 115200 write_flash 0x0 <FILENAME.bin>
In mijn geval was dit het bestand ESPC3W1.2a-full.bin, waarmee de nieuwste volledige versie op de ESP32-C3 wordt geïnstalleerd. Gebruik dit commando niet als ‘update’-commando — het overschrijft namelijk alle instellingen.
Dan uiteraard de vraag, hoe ziet het er uit? Bij deze een overzichtsplaatje:
De webpagina van de LJ2000M
Wat heeft dit nu gekost?
Dit is een volledig open source project waarbij de onderdelen zelf besteld moeten worden. Doe je het in een groepje, dan kunnen de kosten enigszins verdeeld worden. Doe je het alleen, hou er dan rekening mee dat onderdelen vaak in hoeveelheden van 5 of 10 besteld moeten worden. Daarmee liggen de kosten zeker hoger, maar wie weet kan je die in een later project nog gebruiken…
Hieronder een lijstje van wat ik allemaal heb gebruikt. Dit is zonder het koffieblik waar ik alles in heb gebouwd.
| Project | Ref | Part | Aantal | Supplier | Part Number | Unit incl | Sub incl |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CPU Coupler | Dual Coupler PCB | 5 | PCB Way | sub includes shipping, handling + taxes | € 5,00 | € 8,19 | |
| HF Coupler | HF Coupler PCB | 10 | PCB Way | sub includes shipping, handling + taxes | € 5,00 | € 8,19 | |
| CPU Coupler | Screen connector PCB | 10 | PCB Way | sub includes shipping, handling + taxes | € 5,00 | € 8,19 | |
| Web Server | ESP32 Breakout PCB | 10 | PCB Way | sub includes shipping, handling + taxes | € 5,00 | € 8,19 | |
| CPU Coupler | R4, R5 | 52.3Ω, 1206, 1% | 2 | Farnell | ERJP08F52R3V | € 0,1585 | € 0,32 |
| CPU Coupler | R7, R8, R11, R12 | 69.8Ω, 1206, 1% | 4 | Farnell | CRCW120669R8FKEA | € 0,0411 | € 0,16 |
| CPU Coupler | R9, R10 | 150Ω, 1206, 1% | 2 | Farnell | WR12X1500FTL | € 0,0109 | € 0,02 |
| CPU Coupler | R13, R14 | 2.2kΩ, 1206 | 2 | Farnell | MCMR12X2201FTL | € 0,0145 | € 0,03 |
| CPU Coupler | C18, C19 | 10pF, 1206, C0G/NP0 | 2 | Farnell | C1206C100J5GACTU | € 0,0774 | € 0,15 |
| CPU Coupler | C15 | 1nF, 1206 | 1 | Farnell | C1206C102J5RACTU | € 0,0883 | € 0,09 |
| CPU Coupler | C5, C6, C13, C25 | 10nF, 1206 | 4 | Farnell | C1206C103J5RACTU | € 0,0544 | € 0,22 |
| CPU Coupler | C1-4, C9-12, C14, C16, C17, C20-23, C26 | 100nF, 1206 | 16 | Farnell | C1206C104J3RECTU | € 0,1174 | € 1,88 |
| CPU Coupler | C24 | 22µF/35V | 1 | Farnell | EEE1VA220SP | € 0,3206 | € 0,32 |
| CPU Coupler | L1-4 | 22nH, 0805, high-Q | 4 | Farnell | CW201212-22NJ | € 0,2311 | € 0,92 |
| CPU Coupler | FB1-4 | 600Ω @ 100MHz, 1206 | 4 | Farnell | MH3261-601Y | € 0,1162 | € 0,46 |
| CPU Coupler | U1, U2 | AD8307, SOIC-8 | 2 | Digikey | AD8307ARZ-REELCT-ND | € 21,5259 | € 43,05 |
| CPU Coupler | U7, U8 | PE4259-63,SPDT RF sw | 2 | Digikey | 1046-1011-1-ND | € 0,8591 | € 1,72 |
| CPU Coupler | U3 | ISL60002DIH326Z | 1 | Farnell | ISL60002DIH326Z-TK | € 2,8798 | € 2,88 |
| CPU Coupler | U4 | AD7991 | 1 | Farnell | AD7991YRJZ-0500RL7 | € 10,8658 | € 10,87 |
| CPU Coupler | U6 | TSR 1-2450 | 1 | Farnell | TSR 1-2450E | € 3,6905 | € 3,69 |
| CPU Coupler | LS1 | PT-1245P-PQ | 1 | Farnell | KXG1205C | € 1,1132 | € 1,11 |
| CPU Coupler | F1 | 500mA/40V, 1812 | 1 | Farnell | 1812L050/30PR | € 0,9390 | € 0,94 |
| CPU Coupler | J4 | 5×2 pin header | 1 | Farnell | 61201021621 | € 0,5469 | € 0,55 |
| CPU Coupler | X1, X3 | U.FL-R-SMT IPX board SMT | 2 | AliExpress | Sold per 10 at € 4,49 | € 0,449 | € 0,90 |
| CPU Coupler | X2, X4 | SMA Connector 90 degree mount | 2 | AliExpress | € 0,40 | € 0,80 | |
| CPU Coupler | Cable | Connector Cable to screen | 1 | AliExpress | 2x5 (10p) sold per 2 | € 1,045 | € 1,05 |
| HF Coupler | R1, R2 | 100Ω, 2W, 2512 | 2 | Farnell | MCHP122WF1000T4E | € 0,2977 | € 0,60 |
| HF Coupler | R3, R4 | 68Ω, 2W, 2512 | 2 | Farnell | MCHP122WF680JT4E | € 0,2662 | € 0,53 |
| HF Coupler | R5, R6 | 100Ω, 0.25W, 1206 | 2 | Farnell | RT1206FRD07100RL | € 0,0351 | € 0,07 |
| HF Coupler | C1, C2 | 15pF, 1206, NP0, 50V | 2 | Farnell | C1206C150J5GACTU | € 0,0569 | € 0,11 |
| HF Coupler | L1-4 | 82nH, 0805, high-Q | 4 | Farnell | 0805HP-82NXGRB | € 1,1011 | € 4,40 |
| HF Coupler | T2 (Large) | Toroid FT83-43 (Fair-rite 5943000501) | 1 | Digikey | 1934-1217-ND (verschil met een gewone ft82a-43 is dat deze dubbel zo hoog is.) | € 1,8513 | € 1,85 |
| HF Coupler | T1 (Small) | Toroid FT50-43 | 1 | HFkits | https://www.hfkits.nl/product/amidon-ft50-43-ferriet-ringkern/ | € 0,60 | € 0,60 |
| HF Coupler | Coax | RG-142 *1 | 1 | AliExpress | € 2,26 | ||
| HF Coupler | Coax | RG-213 *2 | 1 | PA1HJT | Donatie van gulle amateur vriend | € -,– | |
| HF Coupler | Wire | 22 Gauge Heat Strippable (155C) | ± 50-55cm | AliExpress | Nodig voor het wikkelen van de FT50-43. Dit is 0,6mm dik geemailleerd koperdraad. | € -,– | |
| HF Coupler | Wire | 18 Gauge Heat Strippable (155C) | ± 90 cm | AliExpress | Nodig voor wikkelen van de FT83-43. Dit is 1mm dik geemailleerd koperdraad. | € -,– | |
| HF Coupler | SO-239 | SO-239 Panel mount connector | 2 | AliExpress | € 1,94 | € 3,88 | |
| HF Coupler | SMA | SMA Female mount connector | 2 | AliExpress | Verkocht per 4 a € 2,88 | € 0,72 | € 1,44 |
| HF Coupler | Case | Hammond 1590BS clone | 1 | AliExpress | € 4,95 | € 4,95 | |
| COMPUTE | Teensy 4.0 | 1 | TinyTronics | € 26,25 | € 26,25 | ||
| COMPUTE | ESP32c3 | 1 | TinyTronics | € 6,50 | € 6,50 | ||
| SCHERM | BuyDisplay.com | 1 | BuyDisplay.com | Het scherm luistert heel nauw. Wijk aub niet af van onderstaande url om problemen te voorkomen!! https://www.buydisplay.com/5-inch-tft-lcd-display-capacitive-touchscreen-ra8875-controller-800x480 bestel deze subcomponenten mee:
|
€ 40,80 | € 54,10 | |
| Totaal | € 211,24 |
- *1 = Coax bij Aliexpress kan duur zijn. Het goedkoopste was een connectie kabeltje en dat kapot knippen.
- *2 = Zelf had ik geen RG-213, maar een 10mm dikke coax werkt prima.
En NU?!
Concept nieuw scherm
Zoals gezegd is het project springlevend, en vinden er nog steeds nieuwe ontwikkelingen plaats. De laatste mooie stap, sinds de start van mijn avontuur, is een geheel nieuw scherm op basis van een ESP32-P4-WiFi6-Touch-LCD-5. Dit plaatje is een recente ontwikkeling van Johan, die hij met mij deelde om bij dit artikel te plaatsen. Een schitterend nieuw scherm: zeer helder, en met nieuwe mogelijkheden voor de toekomst.
Voor nu ga ik eerst genieten van de meter die ik heb — maar ik sluit niet uit dat ik in de toekomst de ombouw naar het nieuwe scherm maak. Wat een machtig mooi ding. En dat is voor mij nu juist het mooiste aan een open source project: zo’n nieuwe toevoeging opent weer de deur naar nieuwe zelfbouwprojecten en uitbreidingen voor de toekomst.