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Milliwattmètre à AD8307

Note: tous les liens s’ouvrent dans un nouvel onglet.

Introduction

Le circuit AD8307 d’Analog Devices est un détecteur logarithmique. Il est capable de mesurer la puissance d’un signal radio jusqu’à 500 MHz.

Voyons pourquoi la caractéristique logarithmique est intéressante. Un détecteur à diode (un pont de diodes utilisant des diodes Schottky rapides) produit un signal de sortie proportionnel à la puissance du signal radio. C’est pratique pour des signaux importants, mais en pratique, si le signal est trop faible, le détecteur sort soit aucune tension, soit une tension trop faible pour être mesurée sans amplificateur additionnel.

Un détecteur logarithmique, au contraire, est construit comme une suite d’amplificateurs saturables, et produit une tension correspondant au… logarithme de la puissance radio, en général quelques millivolts par décibel. Pour faire simple, cela fonctionne comme un multimètre à calibre automatique. Chaque fois que le signal est trop grand ou trop petit, le chip passe au “calibre” précédent ou suivant et donne une information mesurable. Cela lui permet d’avoir une plage de sensibilité (dynamique) beaucoup plus grande, tout en gardant un signal de sortie qui varie dans des proportions limitées.

On peut alors utiliser ce composant comme milliwattmètre (ou wattmètre avec le bon atténuateur). Mesurer de manière précise une puissance RF dans une large plage dynamique a de nombreuses applications pratiques, comme par exemple la réalisation d’un analyseur scalaire, ou la mesure de composants RF, comme des atténuateurs ou amplificateurs.

Dans le cas de l’AD8307, la dynamique est de 90 dB.

10dB représentent un rapport de 10^(10/10)=10 entre le mini et le maxi détectable, soit par ex. de 1 a 10 mW ou de 100 mW à 1W.

90dB représentent un rapport de 10^(90/10) = 10^9, soit 1 milliard, par ex de 1uW à 1 kW, ou encore 1nW à 1W, ou de 1pW à 1mW

Dans notre cas le maximum détectable est de de +15 dBm (30mW), ce qui amène le minimum à -75 dBm (30 pW, oui pico-watts!)

Ce rapport de 1 milliard entre la puissance la plus basse mesurable et la plus élevée est ramené a une plage de tension de 5V, la fonction logarithme “écrase” donc considérablement ces variations extrêmes de puissance pour les rendre mesurables. Une variation de 10 dB produira un résultat de 200 mV que le signal mesuré varie de -70 à -60 dB ou bien de -10 à 0 dB.

Le schéma

Le schéma est un classique qu’on retrouve un peu partout sur le web. L’impédance d’entrée du circuit est spécifiée a 1.1 kohms, une résistance parallèle de 52.3 ohms  permet de la ramener au classique 50 ohms. On peut alors faire une mesure directe de la puissance envoyée par une source de cette impédance sans réflexions parasites.

500 MHz est une bande passante très large, donc attention aux bruits divers mesurés en même temps que le signal utile: Il faudra bien blinder le boitier!

L’alimentation est régulée à 5V et nettoyée par des condensateurs de découplage. une résistance série de faible valeur sur l’alimentation de l’AD8307 améliore encore ce découplage (en cas de “pics” (bruit) de consommation, une différence de potentiel apparait aux bornes de cette résistance, ce qui évite de faire varier d’autant la tension du bus commun d’alimentation. Les potentiomètres de réglage de la pente et de l’offset sont repris du datasheet du composant et permettent de régler précisément le “gain” du circuit a 20 mV par décibel.

La sortie du circuit est bufferisée par un ampli-io rail to rail qui permet de fournir assez de courant sous une impédance suffisamment basse pour attaquer un cable et un multimètre ou un convertisseur analogique-numérique. Lui aussi est alimenté a travers une résistance série, et les condensateurs de découplage sont au plus près de la patte d’alimentation

Réalisation

Le PCB (13x45mm, panel de 8 circuits à l’échelle 1) est réalisable par la méthode du toner transfer sur de l’époxy double face. Il y a un straps et trois vias de masse (0.6mm, faisable a la main avec un petit mandrin pour éviter de casser le foret dans une dremel qui vibre!) Nul besoin de trous métallisés, on s’en sort en soudant des bouts de fil rigides de chaque coté du PCB. Le circuit a été étamé au fer a souder pour éviter son oxydation, en utilisant du flux colophane pour faciliter le mouillage. Souder d’abord l’ad8307 et l’ampli op, puis les passifs 0805 et finir par les potentiomètres (5Eur le bout, soyez délicats!) Finir par une SMA “flange” ou “end launch” en laiton (les modèles inox ou nickelés ne sont pas soudables).

Le montage

Le circuit finalisé, après test, est enveloppé d’une petite boite faite en clinquant de laiton. La version “flange” de la fiche SMA facilite la réalisation du blindage.

On peut ensuite visser à la SMA un adaptateur SMA male-male pour protéger la fiche SMA femelle, car celle ci est fragile.

Tests et calibration

Alimenter le montage sous 9V DC.

Pour calibrer il faut disposer:

  • d’une source RF de puissance suffisante (10 dBm) à une fréquence moyenne, par ex. 10 MHz. J’utilise un OCXO mais un oscillateur DIL suivi d’un DC-block (100nF en série, Xc=0.16 ohms @ 10 MHz) fonctionne aussi.
  • d’atténuateurs 10,10,20,30 dB. Attention à ne pas appliquer la composante continue d’un signal TTL (Vcc/2) à un atténuateur résistif!

Connecter l’atténuateur 10 dB (signal sur l’AD8307 aux alentours de 0 dBm). Mesurer le niveau, de sortie et le noter.

Connecter des atténuateurs supplémentaires pour diminuer le signal de, disons 50 ou 60 dB supplémentaires. Mesurer encore la tension. On doit trouver 60×20 = 1200 mV de moins. Régler le potentiomètre Slope (RV1) pour que ce soit le cas (théoriquement le potard permet un réglage entre 18 et 22 mV/dB). OK, la pente est calibrée.

Note: il faut mesurer boitier fermé, même si on doit l’ouvrir pour régler RV1 !

Ensuite, court-circuiter l’entrée et calibrer l’intercept (RV2) pour avoir xxx mV (TBD).

Une meilleure calibration, plus absolue est possible avec un générateur d’amplitude connue (ce n’est pas si évident).

Mais dans la plupart des cas, on va vouloir mesurer des atténuations ou des amplifications par rapport à une référence, donc seul le réglage de la pente est réellement “critique” et pourrait être à revoir pour des fréquences vraiment faibles ou élevées. D’après le datasheet, il devrait être encore bon à 100 MHz. En général une mesure large bande commence par une acquisition permettant la calibration automatique du détecteur sur chaque fréquence. Nous en reparlerons plus tard.

Utilisation

Il suffit d’alimenter le montage et de lire le niveau de signal a l’aide d’un multimètre ou d’un galvanomètre.

On peut bien entendu connecter la sortie du montage à un ADC pour lire le niveau de signal sur un arduino ou autre. La résolution de l’ADC donnera directement l’incrément de puissance mesurable:

8 bits: 256 steps -> 90/256 = 0.35 dB/step
10 bits: 1024 steps -> 0.09 dB/step
12 bits: 4096 steps -> 0.02 dB/step

A partir de 12 bits on atteint une précision qu’il n’est pas réaliste d’obtenir, même avec des calibrations métrologiques de haute précision (pour des mesures plus précises, comme on le fait en radiastronomie, il faut un radiomètre, il y a plusieurs technologies). Les effets de la température, de la linéarité, et de la réponse en fréquence sont plus importants que cette précision théorique. Même 0.1 dB significatifs sont difficiles à justifier. Donc inutile de donner des mesures en dB avec plus d’un chiffre significatif, cette précision n’a aucune signification. 0.5 dB est déja une bonne indication. Lors de votre mesure avec un arduino, pensez à moyenner plusieurs mesures pour éviter les effets du bruit de la mesure et de l’ADC.