Ein kalibrierbares S-Meter

Einleitung

Bei Contesten werden die Empfangs-Rapporte, wie Lesbarkeit (R) und Feldstärke (S), häufig mit „Five Nine“ bestätigt.
R und S hängt von verschiedenen Faktoren, sowie den widrigen Bedingungen der Ausbreitung des elektromagnetischen Feldes, ab.
Beide Antennenanlagen haben einen großen Einfluss auf die Feldstärkeverhältnisse zwischen den Stationen.
Was in der einen Richtung sehr gut funktioniert, muss sich in umgekehrter Richtung nicht genau so gut darstellen.
Innerhalb von Sekunden können sich die Bedingungen in der HF-Ausbreitung kolossal ändern.
 
Die Anzeige eines S-Meters ist von der zu empfangenen Frequenz abhängig.
 
S9 < 30MHz = 50µV = -73dBm
S9 > 30MHz =  5µV =  -93dBm
 
Somit ergibt sich hier ein Problem bei den Geräten die in Ihrer Frequenz durchgängig abstimmbar sind,
z.B. bei den Panoramaempfängern.
In einem solchen Fall ist eine Umschaltung der Kalibrierung für das S-Meter vorzunehmen, da sonst das Ergebnis nicht korrekt ausfällt.
Dieses gilt auch für zuschaltbare Vorverstärker.
Hier stimmt sonst gar nichts mehr.
 
 

Das analoge S-Meter

Ein Problem dieser globalen Rapporte liegt darin, dass viele S-Meter reine „Schätzeisen“ sind.
Diese S-Meter scheinen einfach nur „digital“ zu funktionieren.

So wird vielfach zwischen S 1-7 gar nichts, dann wiederum in einem kleinen Bereich dazwischen recht genau und zum Ende der Anzeige die Werte nur noch stark komprimiert angezeigt.

Eine Anzeige über S 9 wird recht ungenau und der höchste Wert oftmals nicht erreicht.
Wenn die S-Meter seitens des Herstellers kalibriert wurden, dann bestenfalls auf S 9.
Testberichte bestätigen dieses Phänomen und eigene Messungen ebenfalls.

Das S-Meter zeigt die Empfangsfeldstärke am Eingang der Antennen-Buchse eines Transceivers (TRX)/Receivers(RX) mit 50 Ohm in dBm an. Alles was danach folgt interessiert hierbei nicht.

Beginnend mit S 0 ist praktisch nur ein Rauschen wahrnehmbar und die Nadel hebt gerade aus ihrer Ruhelage ab, analog dazu beginnt gerade die erste LED einer LED-Zeile an zu leuchten. Das Rauschen führt hier zu einer etwas unruhigen Anzeige und ist erklärbar.

Schaltet man nun einen Empfangs-Vor-Verstärker (VVR) hinzu, so muss man sich entscheiden worauf kalibriert werden soll, da hier Rauschanteile und Signalverstärkung des VVR’s mit in die Anzeige einfließen. Dieser führt i.d.R. zu einer katastrophalen Anzeigeverfälschung des S-Wertes. Da die VVR meistens zuschaltbar sind, müsste man im Idealfall einen weiteren, umschaltbaren S-Meter Verstärker mit einer zweiten Kalibrierung, parallel aufbauen.

Da der VVR jedoch bei tauben Empfängern ohnehin eingeschaltet bleibt, kann man sich diesen Aufwand sparen, sollte aber den Umschalter des VVR’s entsprechend beschriften, um berechtigte Entrüstungen einiger OM’s zu vermeiden, wenn sie einen so geringen S-Wert erhalten.

Die Kabelverluste und den eventuellen Antennengewinn lasse man hierbei einmal im Raum stehen.
Das Stecken eines HF-Stecker in die Antennenbuchse des TRX, lässt das S-Meter oftmals um eine S-Stufe ansteigen, auch wenn es sich hierbei nur um Rauschen handelt.
 
Fazit: Gib deiner Gegenstation 5 und 9++, auch wenn du 5 mal nachfragen musstest wie ihr Call denn nun lautet und sie ist seelig.
Na, dann weiterhin, viel Spaß........
 
Als Tipp für ehrliche Rapporte sind die automatisch arbeitenden Stationen, sie sind genauer und ihre Ergebnisse sind wenigstens reproduzierbar.
 
 

Die S-Stufen

Von S-Stufe zu S-Stufe sind es 6 dBm Verstärkung.
Ab etwa S1-S6 nimmt der Rauschanteil immer mehr ab und ist mit S7 eigentlich kaum mehr hörbar und somit das Nutzsignal praktisch rauschfrei aufzunehmen.

Um eine S-Stufe mehr zur Anzeige zu bringen benötigt die Gegenstation in etwa die 4 fache Sendeleistung.

Über S9 rechnet man mit weitaus höheren Pegeln.

Somit kann man sich vielleicht in etwa vorstellen wie viel Hf-Ausgangsleistung bei +60 dBm aufzubringen ist.
Somit benötigt man für ein exakt anzeigendes S-Meter einen auf unterschiedlichen Logarithmen aufbauenden Anzeigeverstärker.
Digital wäre eine solche Anzeige mit modernen Geräten sehr wohl darstellbar, analog eher nicht, ohne hier für entsprechendes Hilfsmittel einzusetzen.
Am einfachsten zeichnet man sich eine neue S-Meter Skala, stellt dann jedoch fest,
dass der Anfang und das Ende der Skala unübersichtlich eng zusammen gedrückt werden und die schöne Einteilung des Herstellers eigentlich viel besser aussieht.
 
Genau hier findet nun die vorgestellte Schaltung ihren Ansatz, nämlich eine analoge Anzeige in digitale Sprünge zu realisieren, die den vorgegebenen Strichen der Skala exakt entsprechen.
 
Ein vom Hersteller beschriftetes S-Meter kann somit problemlos weiter verwendet und eine analoge LED-Zeile problemlos angepasst werden.

Auf der Suche nach einer Möglichkeit dennoch eine korrekte Anzeige zu erhalten, folgten zunächst eigene Messungen am Regelspannungsverstärker und am S-Meter.

Schnell wurde hierbei klar, das man diesen Spannungsverlauf so wie er sich dort darstellt, nicht anzeigen kann.
Nur eine geringe Anzeige zu Beginn der Skala in der Mitte etwas gestreckter und zum Ende wieder sehr komprimiert.
Zwischen S9 +60 dBm tun sich Welten auf, hier muss man sich etwas einfallen lassen diese Werte korrekt zur Anzeige zu bringen.
Hier ist die Regelung dann auch sehr schnell überfordert.
 
 

Zum Aufbau

16 Anzeige-Stufen haben sich bei der Entwicklung dieser Schaltung als ausreichend erwiesen.

Im unteren Bereich von S1 - S5 werden halbe S-Stufen, von S5 - S9 ganze S-Stufen und ab S9 +20 - +60 dBm, je nach dem wie die Skala vom Hersteller beschrifteter wurde, angezeigt.

Jeder eingezeichnete Wert auf Skala ist mit dieser Schaltung für sich kalibrierbar.
Zwischen den Werten gibt es dann allerdings keine Anzeige mehr.
Je nach Größe der Skala des S-Meters kann man sich nun für einen passenden Teilungsfaktor entscheiden.
Je mehr Teilungen desto feiner die Anzeige.
16 Teilungen/Striche sind meiner Meinung nach das Maximum und somit völlig ausreichend.

Das S-Meter zeigt nun quasi „digital“ an.

Das ist auch so gewollt, da man sonst diese gewaltigen Anzeige-Sprünge, mit so wenig technischen Aufwand, nur schwer in den Griff bekommt.

 

Die Operationsverstärker (OP)

LM324 4fach OP verrichten in der vorgestellten Schaltung ihren Dienst.
4 Stück im DIL Gehäuse mit je 4 Trimmer pro Baustein fordern, seitens des Platzbedarfs, ihren Tribut an die Größe der Platine.
Daher sind SMD-Bauteile hier nicht zu empfehlen.
 
 

Schaltungsbeschreibung

Die Schaltung wandelt analoge Spannungswerte in digitale Signale um.

Diese digitalen Signale werden an den Ausgängen der OP’s über entsprechende Vorwiderstände entweder einer digitale LED-Zeile zugeführt oder an ein externes oder das vorhandene analoge S-Meter im Transceiver (TRX) sowie auch beide zusammen, optisch angezeigt.

Ein Zurückschalten in den original Zustand der Anzeige ist mittels Umschalter möglich.
Somit ist ein großer Spielraum für eigene Anwendungen offen……
Überlegung und Festlegung einer sinnvollen Aufteilung der 16 Anzeigewerte.
Tabelle anlegen und die Reihenfolge der OP’s festlegen (die ersten vier mit Spindeltrimmer (besser alle))
z.B. S0/S1 Zeiger liegt in der linken Ecke und zittert….Hi…
S1 S1,5-S4,5 S5-S9 und S9+20-+40-+60 dBm (S0=0 S1 - 9+60 wie aufgeführt 16 Stellen)
 
Hilfsspannung mittels Poti und Konstanter anlegen und durchdrehen.
Ausgänge für das analoge S-Meter vorbereiten.
 
S1 Startwert als 5k Spindeltrimmer ausführen und auf S1 der Skala kalibrieren.
Alle weiteren Timmerwerte addieren sich hiernach auf.
Für den Trx muss an Stelle des S-Meters ein passender Ersatzwiderstand, hier
200 Ohm Spindeltrimmer, eingefügt werden.
Umschaltung vorsehen (zweipolig um) Original oder A/D-Wandler
Auf S9 Pegeln und vergleichen

Im IC211E geschieht die Umschaltung des S-Meters zwischen SSB und FM mittels Dioden, bei der Betätigung des MODE-Drehschalters, automatisch.

 

Anmerkung

Die Versorgungsspannung (VSS) wird mittels 8V Spannungsregler stabilisiert.
Die Stabilität ist, in Hinsicht der geringen Abstufung von wenigen 10mV am Eingang der OP’s, sehr wichtig.
Die VSS der Schaltung kann zwischen 9-15V bei einem Strom von 20-100mA betragen. Der LED-Typ bestimmt den Löwenanteil des Stromverbrauchs. Der 1A Regler wird bei LED-Betrieb, ohne Kühlung und bei hoher VSS, schon sehr warm!
Bei der Feinheit einer halben S-Stufe, wird die Justage auf der Eingangsseite der einzelnen OP’s, recht kritisch.
Gute Trimmer oder kleine Spindeltrimmer erleichtern an dieser Stelle eine genaue Einstellung (gerade bei 16 OP’s).
Die Reproduzierbarkeit ist in beiden Fällen jedoch recht gut.
Eine LED-Zeile ist, zumindest bei der Kalibrierung der einzelnen Stufen, sehr hilfreich.
Die Regelspannungskurve ist zuvor im Originalzustand des RX zu notieren.
Hiernach kann später die Kalibrierung der 16 OP’s schneller erfolgen, als durch ständiges Drehen des Pegelknopfes am Messsenders.
Das hier wiedergegebene Schaltbild enthält nur 4 von 16 Anzeigeverstärkern. Die Anzahl von 16 Verstärkern reicht für eine Anzeige, von etwa 120°an einem Drehspulinstrument, jedoch völlig aus.
Die LED-Zeile dient nur zur Kalibrierung der einzelnen Stufen und wird danach wieder abgezogen. Den nötigen Einbauplatz habe ich unter dem PLL-Gehäuse gefunden.

 

Messmittel

Labornetzteil
Testpoti als Spannungsteiler ( mV Bereich)
Digitales Multimeter
Messsender R+S SMDA BN41313 o.ä.-130 - -40 dBm variabler 50 Ohm Ausgang
 
 
 

Info

Diese Schaltung ist einsetzbar

a nur für eine LED Zeile (geringster Aufwand für 4-16 LED‘s)
b nur für eine analoge Anzeige (für den Abgleich steckbare LED-Zeile verwenden)
c oder für eine LED Zeile und eine analoge Anzeige

Für den IC211E wurde die Schaltung b bevorzugt.

Für die ersten vier OP’s (IC1, OP1-4) ist der Einsatz von
Wendel-Trimmern empfehlenswert, jedoch kein „muß“.

Die zusätzlichen Widerstandskombinationen R3-10 an den vier Eingängen OP1-4 P4-7 sind ausgemessen und befinden sich nur an IC1, da hier die Einstellungen etwas sensibel sind (daher die Spreizung mit den zusätzlichen, ausgemessenen Spannungsteilern R3-R10 (siehe Bild Auszug1).
Heute würde ich wenigstens hier vier Wendel-Trimmer einsetzen.


Einige Tipps

Vielleicht sollte man bei dem Aufbau erst einmal nur mit den ersten acht Stufen (2 IC's) beginnen, aber dennoch genug Platz für weitere Stufen lassen.
Die IC’s unbedingt sockeln.

Damit der grobe Abgleich etwas leichter fällt, ist eine Aufnahme der Spannungsreihe mittels Messsender am Eingang der Schaltung, in Verbindung mit dem RX, recht hilfreich.
Messsendersignal am Antenneneingang einspeisen und die Gleichspannungen an einem Ersatzwiderstand für das Messwerk messen und die 16 Spannungen der einzelnen S-Werte notieren.
Mittels Potenziometer und DVM kann so jeder Spannungswert leicht reproduziert werden, ohne ständig am Eichteiler des Messsenders einstellen zu müssen.
Für den weiteren Aufbau der Schaltung wird der Empfänger dann erst einmal nicht mehr benötigt.

Der Feinabgleich geschieht zum Schluss, wenn zuvor die Widerstände P1-3 und nachfolgende Stufen IC2-4 ausgemessen und an Stelle der Trimmer feste Widerstände eingelötet wurden.
So spart man sich die 15 Trimmer (der erste 5 KOhm Spindeltrimmer 1 bleibt, ebenso der 200 Ohm Spindeltrimmer 2, sie dienen der Grundeinstellung).
Alle Widerstandswerte sind vom Ri des Messwerks und dessen Skalenteilung abhängig.
Die OP’s arbeiten als logische Schalter, beginnend mit OP1 und der Addition der nachfolgenden OP Stufen.
Eine LED-Zeile (low current mit 4,7 KOhm Vorwiderständen, um die Ausgänge der OP’s geringer zu belasten) dient der Kontrolle des Schaltverhalten der OP’s, da die Reihenfolge von OP1-16 unbedingt nacheinander erfolgen muss.

Standard LED‘s mit 1KOhm Vorwiderstand gehen geringfügig in den Abgleich des S-Meter mit ein (hängt vom S-Meter ab).
Für die LED‘s kann man eine 20 Pin Steckleiste aus IC-Sockel mit gedrehten Pins vorsehen. Diese lassen sich auch sehr gut als Stecker verwenden und zum Abgleich in die Buchsenleiste stecken.

Der Abgleich erfolgt immer beginnend mit dem IC1 OP1.
Da alle nachfolgenden Einstellungen hierauf aufbauen, sollte man später die vorhergehenden Trimmer nicht mehr verstellen.
Das Empfängerrauschen soll die Nadel vom Messwerk, bzw die 1. LED noch nicht ansteuern (S0) an einem 50 Ohm Abschlusswiderstand an der Antennenbuchse ( In der Schaltung wurden daher zwei Dioden in Reihe vorgeschaltet.
(Vorsicht, da sie temperaturabhängig sind).

 

Sonderfall Vorverstärker (VVR)

Ein schaltbarer VVR verfälscht die S-Meter Anzeige.
Ältere VHF Geräte, mit nicht sehr empfindlichem RX, sollten immer mit eingeschalteten VVR abgeglichen werden.

Da durch einen zusätzlichen VVR das Großsignalverhalten des RX u.U. stark beeinträchtigt sein kann, sollte dieser abschaltbar sein.
Somit stimmt dann allerdings die Anzeige des S-Meters nicht mehr, es sei denn man schaltet auch das S-Meter zur Ursprungsschaltung zurück.

Die unterschiedlichen Pegelwerte HF/VHF müssen bei der Kalibrierung Beachtung finden.
Ebenso die S-Abstufungen i.R. 6dB (3dB).


Alle hier aufgeführten Angaben erfolgen unter Ausschluss jeglicher Garantie.
Die Werte müssen grundsätzlich dem Gerät und dem Anzeigeinstrument explizit angepasst werden.

Das Funktionsprinzip ist jedoch immer identisch.
Dieses Projekt dient lediglich der Inspiration zum Selbstbau und ist als Hilfestellung gedacht.
Da es sich hier um eine Eigenentwicklung handelt, existieren keinerlei Platinen oder Bausätze.

Der Schaltungsauszug

 

Vorbereitet für den Einbau in den IC211E