NanoVNA I : Introducción al NanoVNA (NanoVNA-H)

Viene de NanoVNA 0:  Los Analizadores Vectoriales de Redes de bolsillo


El NanoVNA (Nos referiremos en todo momento al modelo de NanoVNA-H de NanoVNA.COM con firmware 0.2.3-20191008 ) es un analizador vectorial de redes  (VNA) de bolsillo que trabaja en el rango de 50 MHz a 900 MHz ( 50-300 MHz en el modo fundamental, 300MHz- 900MHz 3er armónico) (Hay modificaciones /versiones que permiten trabajar de 900MHz- 1500MHz con el 5º armónico compruebe si su dispositivo la tiene). Aquí está el repositorio con el firmware de NanoVNA.COM


Esquema del nanoVNA

Imagen del circuito de un NanoVNA-H . En la parte inferior izquierda la batería, en la parte superior el boton de ajuste, el interruptor ON/OFF, el conector USB y a la derecha los dos conectores SMA de RF.  A la derecha en vertical los tres circuitos SA612AD (osciladores + mezcladoees doblemente balanceados)

En la parte inferior los tres circuitos SA612AD (osciladores + mezcladores doblemente balanceados) y en la parte superior el TLV320 AIC3204 Stereo audio Codec


TLV320 AIC3204 Stereo audio Codec y en la parte derecha el chip del VXCO 5351 y junto a el cristal  25 MHz (encapsulado metálico)

Esquema del VXCO - Oscilador de Cristal Controlado por Voltaje (Tensión) 5351 


STM32 F072C8T6 (Micro controlador MCU 32-bit ARM Cortex M0 RISC 64KB Flash 2.5V/3.3V 48-Pin LQFP Tray)

NanoVNA utiliza un microcontralador  STM32F072 , con arquitectura ARM de 32b, y que ejecuta el Sistema Operativo ChibiOS/RT. 

ChibiOS/RT es la parte RTOS (Real Time Operating System - Sistema Operativo de TiempoReal) del sistema operativo para dispositivos  embebidos ChibiOS. RT ha sido diseñado con la idea de crear un RTOS con muchas funciones que pueda destacar tanto en rendimiento como en tamaño de código.

 El  códec de audio TLV320AIC34 actúa como la unidad de captura de datos multicanal 

El chip oscilador de tres canales Si5341 genera todas las señales de RF necesarias, incluido el reloj STM32 con tres mezcladores SA612AD

Las ultimas versiones se ha sustituido el SI5351 como reloj y VXCO (Oscilador de cristal controlado por tensión)  por MS5351 (importante para seleccionar el firmware)


Características

Concretamente NanoVNA mide:

    • Voltaje de entrada de una señal  en fase y en cuadratura ( I / Q )
    • Voltaje reflejado de una señal I / Q 
    • Voltaje de paso de una señal  I / Q 

Esto permite calcular dos coeficientes:

    • De reflexión  S11
    • De transmisión S21
Esquema de deepelec en el que se muestra graficamente el significado de los parametros de una línea de transmisión que debe ser visto como una caja negra: S11: señal reflejada en la entrada (Port 1) , S22 señal reflejada en la salida(Port 2) S21 señal transmitida  S12 señal recibida. Z impedancia


Con ello podemos conocer

    • Reflection loss - Las perdidas por reflexión, por ejemplo las que se producen por la diferencia de impedancia de una antena
    • Passing loss - Las perdidas de paso de un filtro, o lo que es lo mismo obtener la curva característica o de respuesta
    • Complex impedance - La impedancia compleja
      • resistance - resistencia
      • reactance - reactancia
    • SWR - Las ondas estacionarias
    • TDR (Time Domain Reflectometer) actualizando el firmware permite medir la longitud de un cable
    • Factor Q  actualizando el firmware(0.8.0)

PUESTA EN MARCHA

  • Enchufe el NanoVNA a una alimentador USB  o salida USB del ordenador
  • Mueva el interruptor para encenderlo y apagarlo
  • Después de un tiempo conectado la batería se carga y puede funcionar de forma autónoma
  • Al encenderlo debe ver una imagen como la adjunta en la que 
    • 1 - Frecuencia de inicio del barrido (START), para nuestro modelo  50 MHz  
    • 2 - Frecuencia de fin del barrido  (STOP) para nuestro modelo  900 MHz
    • 3 - es un indice que permite conocer los valores de un punto concreto de las cuadro curvas que vemos (azul, rosa, verde y amarillo) que podemos desplazar moviendo la rueda o dial (Jog). Si apretamos el botón del dial aparece el menú a la derecha  
    • 4 -  Muestra el número de ranura guardado de la calibración que se está utilizando y la corrección de errores aplicada. 
      • C0 C1 C2 C3 C4 : Cada uno indica que se cargan los datos de calibración correspondientes
      • c0 c1 c2 c3 c4 : Cada uno indica que se carga la cantidad correspondiente de datos de calibración, pero el rango de frecuencia ha cambiado después de la carga, lo que indica que la corrección de errores utiliza el complemento.
      • D : Indica que se aplica la corrección del error de directividad.
      • R : Indica que se aplica la corrección de errores seguimiento de reflexión (Calibración con corto)
      • S : Indica que se aplica la corrección de errores coincidencia de fuente (calibración con latiguillo)
      • T :  indica que se aplica la corrección de errores seguimiento de transmisión
      • X : indica que se aplica la corrección de errores de aislamiento (diafonía)
    • 5  - Indica la posición de referencia de la traza que se puede modificar con
    • DISPLAY →SCALE →REFERENCE POSITION.
    • 6 -  (1:) indica la frecuencia en la que está el índice y al que corresponden las medidas mostradas en los diagramas y en los canales 
    • 7 -  son las medidas del canal de salida CH0 el de entrada CH1 en fase y en cuadratura, y el valor de la carta de Smith
    • 8 -  es el estado de carga de la batería
Pantalla de inicio del NanoVNA

Conectores
    • CH0: salida o TX
    • CH1: entrada o RX
Colores:
    • Amarillo CH0
    • Azul CH1 componente I - en fase 
    • Purpura CH1 componente Q - en cuadratura 
    • Verde: carta de Smith
Menu:
    • DISPLAY: que parámetros queremos ver en cada canal naranja y azúl
      • TRACE permite activar y desactivar las trazas o curvas de los parametros asociados
        • TRACE0 -  TX (Amarillo) CH0
        • TRACE1  - RX (Azul)  CH1 I - en fase 
        • TRACE2 - (Verde) carta de Smith
        • TRACE3 - RX  (Purpura) CH1 Q - en cuadratura (desfase 90º)
        • <-BACK
      • FORMAT: cada traza tiene su propio formato pero puede cambiarse
        • LOGMAG Logarithm of absolute value of measured value
        • PHASE Phase in the range of -180 ° to + 180 °
        • DELAY  Delay - Retardo
        • SMITH Carta de Smith
        • SWR ( Standing Wave Ratio) Ondas estacionarias. Por ejemplo si selecciona esta opción y en CH0  pone la carga de 50 Ω  obtendremos unas SWR de 1.! (la ideal, no se refleja ninguna porcentaje de la señal transmitida pues hay adaptación de impedancias). Tiene el formato CH0 SMITH X.XFS XX.XΩ xx.x NM Siendo M=H si es inductiva la reactancia Henrios y sus submultiplos pH o M=F si es capacitiva la reactancia (FAradios)  y sus submultiplos pF
SWR:1:1


        • -> MORE
          • POLAR Formato en coordenadas polares
          • LINEAR Valor absoluto del valor medido (El valor absoluto o módulo de un complejo es la raíz cuadrada de la suma de los cuadrado de la componente real e imaginaria |Z| =(R2 + X2)1/2
          • REAL Valor de la parte real medida R de Z=R+jX 
          • IMAG Valor de la parte imaginaria medida X de Z=R+jX 
          • RESISTANCE  Componente de resistencia de la impedancia (La impedancia Z es un número complejo Z=R+jX con una parte real  que es la resistencia R y una parte imaginaria que es la reactancia R, la unidad de impedancia es el Ohmio Ω. Se puede simplificar en muchos casos la impedancia por la resistencia) 
          • REACTANCE  Componente de reactancia  de la impedancia.
          • <-BACK
        • <-BACK
      • SCALE
        • SCALE/DIV En teclado
        • REFERENCE POSITION  En teclado
        • ELECTRICAL DELAY  En teclado
        • <-BACK
      • CHANNEL
        • CH0 REFLECT Perdidas de reflexión o S11
        • CH1 THROUGH Pérdidas de inserción  o S21
        • <- BANCK
      • TRANSFORM
        • TRANSFORM ON Visualiza la señal en el dominio del tiempo, es decir se comporta como un osciloscopio. Cambiando el valor representado en el eje horizontal X o abscisas de la frecuenncia f (Hz) a el tiempo t(s). De esta forma podemos por ejemplo ver la forma de onda (sinusoidal, cuadrada, pulso, etc.). Hay que tener en cuenta que al aumentar la frecuencia máxima aumenta la resolución temporal. O en otras palabras cuanto más corto sea el intervalo de frecuencia de medición (es decir, cuanto menor sea la frecuencia máxima), mayor será la duración máxima del tiempo.
        • LOW PASS IMPULSE Se selecciona. En modo de paso bajo, puedes simular TDR - Time-Domain Reflectometry. En el modo de paso bajo, la frecuencia de inicio se debe configurar en 50 kHz y la frecuencia de parada se debe configurar de acuerdo con la distancia a medir. Se ve con REAL
        • LOW PASS STEP Se selecciona. En modo de paso bajo, puedes simular TDR-Time-Domain Reflectometry,. En el modo de paso bajo, la frecuencia de inicio se debe configurar en 50 kHz y la frecuencia de parada se debe configurar de acuerdo con la distancia a medir. Se ve con REAL
        • BANDPASS Se selecciona. En el modo de paso de banda, puede simular la respuesta del dispositivo probador a una señal de impulso. Se ve con LINEAR LOGMAG SWR 
        • WINDOWS:  El rango que se puede medir es un número finito y existen frecuencias mínimas y máximas. Se puede utilizar una ventana para suavizar estos datos de medición discontinuos y reducir el timbre. Hay tres niveles de ventanas: MÍNIMO, NORMAL y MÁXIMO. MINIMUM proporciona la resolución más alta y MAXIMUM proporciona el rango dinámico más alto. NORMAL está en el medio.
          • MINIMUM Se selecciona. sin ventana, es decir, igual que la ventana rectangular)
          • NORMAL Se selecciona  (equivalente a la ventana Kaiser β = 6)
          • MAXIMUN Se selecciona (equivalente a la ventana Kaiser β = 13)
          • <-BACK
        • VELOCITY FACTOR:  La velocidad de transmisión de las ondas electromagnéticas en un cable varía según los materiales de los que está compuesto y el tipo de cable. La relación de esta velocidad de transmisión con la velocidad de transmisión de ondas electromagnéticas en el vacío se denomina factor de longitud de onda (factor de velocidad, velocidad de propagación). Esto siempre se indica en las especificaciones del cable que proporciona el fabricante. En el dominio del tiempo, el tiempo mostrado se puede convertir en distancia. La relación de acortamiento de longitud de onda utilizada para la visualización de la distancia se puede configurar con MOSTRAR FACTOR DE VELOCIDAD DE TRANSFORMACIÓN. Por ejemplo, si mide el TDR de un cable con una tasa de reducción de longitud de onda del 67%, especifique 67 para el FACTOR DE VELOCIDAD.
        • <-BACK
      • <- BACK
    • MARKER: la posición de las flechitas de pantalla, es más fácil usar el botón basculante.
      • SELECT MARKER Hasta 4 marcas pueden mostrarse en pantalla
        • MARKER 1
        • MARKER 2
        • MARKER 3
        • MARKER 4
        • ALL OFF
        • <-BACK
      • ->STAR  Establece la frecuencia del marcador activo en la frecuencia de inicio.
      • ->STOP  Establece la frecuencia del marcador activo en la frecuencia final.
      • ->CENTER Establece la frecuencia del marcador activo en la frecuencia central. El intervalo se ajusta para mantener el rango actual tanto como sea posible.
      • ->SPAN Establece los dos marcadores mostrados, incluido el marcador activo, en el intervalo. Si solo se muestra un marcador, no sucede nada.
      • <-BACK
    • STILUMUS: Permite configurara las frecuencias de barrido del VNA. Hay dos formas de hacerlo con START-STOP o con CENTER-SPAN
      • START: frecuencia inicial minima, se introduce por teclado
      • STOP: frecuencia final o máxima, se introduce por teclado
      • CENTER: frecuencia central, se introduce por teclado
      • SPAN: ancho de banda, se introduce por teclado 
      • CW FREQ (ZERO SPAN): no hay barrido da respuesta en el tiempo
      • PAUSE SWEEP: para el barrido tenemos una pantalla congelada
      • <-BACK
    • CAL: Calibración y guardado
      • CALIBRATE: permite calibrar, antes hacer RESET
        • OPEN :  terminal en abierto (sin nada conectado) en CH0 y pulsar
        • SHORT: terminal en corto (el que tiene pincho  o alma en el interior, el mas corto de los dos que se adjuntan con el dispositivo)  en CH0 y pulsar
        • LOAD:terminal con carga de 50 ohm  (es el mas largo de los tapones SMA)  en CH0 y pulsar
        • ISOLN: tapón o terminal con carga de 50 ohm  (el largo)  en CH1 y pulsar
        • TRHU: conectar un cable o latiguillo entre CH0 y CH1
      • SAVE: se elige la memoria donde se quiere almacenar. Almacena: Rango de ajuste de frecuencia, Corrección de errores en cada punto de medición., Estado de configuración de seguimiento, Estado de configuración del marcador, Configuración del modo de dominio, Configuración de la tasa de acortamiento de la longitud de onda, retraso eléctrico
      • RESET : pulsarlo antes de calibrar
      • CORRECCCION
      • <- BACK
    • RECALL: Guardar en memoria los parámetros de trabajo para luego llamarlos
    • CONFIG
      • TOUCH CAL: permite calibrar la pantalla tocando la esquina superior izquierda y la esquina inferior derecha. Tras ello haga SAVE
      • TOUCH TEST: permite comprobar que la pantalla funciona correctamente dibujando líneas aleatorias.
      • SAVE: Salva la configuración del dispositivo (calibración de la pantalla, colores de la traza y de la parrilla). No guarda las calibraciones del dispositivo
      • VERSION: Muestra la pantalla inicial con la versión del dispositivo (nanoVNA-H de NANOVNA.COM V0.2.3-2-g8ac9166)
      • -> DFU:  Seleccione RESET AND ENTER DFU para restablecer el dispositivo e ingresar DFU Modo (Actualización del firmware del dispositivo). En este modo, el firmware se puede actualizar mediante USB. También se puede ingresar al modo DFU manteniendo presionado el botón "izquierdo" mientras el dispositivo está apagado y encendido 
        • RESET AND ENTER DFU
        • <-CANCEL
      • <- BACK

Estructura completa de los menús de NanoVNA (Fuente: EA5WA)

CALIBRACION

El NanoVNA es un aparato de medida, y dado que es imposible la fabricación de un dispositivo perfecto y además aumentar la exactitud del mismo implicaría costes inasumibles es necesario calibrarlo antes de trabajar con él. Básicamente hay tres tipos de errores: sistemáticos (p.e. imperfecciones en el diseño), aleatorios (p.e. ruido) y de deriva (p.e. la temperatura)

 

DFU es un software para programar el procesador STM32 a través de un puerto  USB (UM0412)

El paquete contiene todos los archivos binarios y el código fuente para el software de actualización del firmware del dispositivo USB (DFU) DfuSe, incluida la demostración, las GUI de depuración y las capas de protocolo.

Incluye el controlador DFU compatible con el último sistema operativo Microsoft®.

La utilidad DfuSe se puede utilizar para interactuar con el gestor de arranque de memoria del sistema STM32 o cualquier firmware de programación en aplicaciones (IAP), ejecutándose desde el Flash del usuario, permitiendo así la programación de memorias internas a través de USB.

Versiones de Firmware 

El fichero a cargar en el nanoVNA tiene la extensión .DFU  pero hay diferentes repositorios dependiendo del modelo

nanoVNA-H /nanoVNA-D: pero que hay dos lineas de desarrollo para los modelos nanoVNA-H:

nanoVNA V2 

 nanoVNA-F

Mi consejo es siempre ser conservador en estos temas, si el NanoVNA va bien no cambie el firmware, pues puede que tenga un modelo original o un clon, que no sabe exactamente el hardware que tiene instalado, que hay tres modelos en constante evolución, ...


Para seguir leyendo

Referencias

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