Eerder verschenen oktober-nieuwsbrief van VERON afdeling Leiden e.o. van december 2024.

Inmiddels is het al een hele collectie geworden, de SMA kalibratieweerstanden die ik heb verzameld; zie figuur 1. De eerste kreeg ik bij mijn eerste nanoVNA (SAA), een Chinese kloon, figuur 1 nummer 3. De tweede bij mijn nanoVNA-H, figuur 1 nummer 2). Dan heb ik een 1 Watt belastingsweerstand aangeschaft om versterkertjes te kunnen proberen, figuur 1 nummer 4. Dan een 1% SMD-weerstand van 50 Ohm gemonteerd op een steekcontact, figuur 1 nummer 5.

Van geen van die weerstanden kon ik de precieze weerstand bepalen, daar is mijn multimeter niet nauwkeurig genoeg voor. Maar dat ze verschillend van waarde waren was wel zeker, de meetresultaten verkregen met verschillende weerstanden waren niet dezelfde. Om die reden heb ik een kalibratiestandaard voor de DG8SAQ VNWA bij SDR-kits aangeschaft. Maar … u raadt het vast al: die waren weer net even anders.

Hoe nu verder? Een betere multimeter kopen? Na wat rondneuzen werd het me al snel duidelijk dat dat tot een aanzienlijke investering zou leiden. En dan zou de weerstandsmeting nog steeds behoorlijk on-nauwkeurig zijn tenzij er een vierpuntsmeting wordt toegepast. Nu kwam ik onlangs in contact met Kurt Poulsen, OZ7OU. Die houdt er een eigen webpagina hamcom.dk op na. Hij beschreef daar een SMA load tester waarvan het schema bij hem te verkrijgen was. Na wat e-verkeer had ik die schema’s in mijn bezit. Het zag er redelijk eenvoudig uit maar verderop zal blijken dat dat toch wat bedrieglijk was.

nanoVNA kalibratieweerstandmeter

Hiernaast is een iets aangepaste versie van het schema van Kurt Poulsen weergegeven, figuur 2. Het meetprincipe is eenvoudig. De schakeling rond U₁, een spanningsstabilisator voor 5 Volt, zorgt voor een stroom van 10 mA door de weerstand R₆, een precisieweerstand van 50 Ohm met een tolerantie van 0.01%, in serie met de te meten SMA kalibratieweerstand via connector J₁. Als aan J₁ geen weerstand is aangesloten dan wordt de stroom afgevoerd via de LED en de zenerdiode.

Zodra een SMA kalibratieweerstand is aangesloten ontstaat er een spanning over R₆ die op precies 500 mV kan worden afgesteld met de op J₂ aangesloten voltmeter. Het afregelen gebeurt met de 10-slagen potmeter R₅. Door de schakelaar over te halen wordt de spanning over de te meten weerstand gemeten via de voltmeter die is aangesloten op J₂. De speciale manier van bedrading zorgt er voor dat alleen de meterstroom loopt door de leidingen naar de voltmeter. Dat is de essentie van een vierpuntsmeting.

Aanvankelijk was ik wat naïef en nam voor de spanningsstabilisator U₁ gewoon een eenvoudige 78L05. Wat ik ook deed, de stroombron leverde veel te veel stroom! Ik realiseerde me toen dat bij de spanningsstabilisatoren de verschilstroom tussen in- en uitgang afgevoerd wordt naar de derde aansluiting, hier met GND aangeduid; volgens specificaties kon dat makkelijk 2 mA zijn. Toen maar eens de specificaties van de MIC5200-5.0 – de door Kurt Poulsen voorgestelde spanningsstabilisator – nagekeken. Daar is die verschilstroom maximaal 2μA, dat scheelt een factor 1000!

De schakeling kent nog een listigheid namelijk de weerstand R₃. Kurt Poulsen schrijft daarbij dat je die moet aanpassen om de meetwaarde op de voltmeter op 500 mV te krijgen. Later begreep ik dat die weerstand enerzijds dient om de afwijkingen van R₁ en R₂ op te vangen en anderzijds om de parallelschakeling van R₄ en R₅ te compenseren. Hij stelde 82 Ohm voor. Bij mij werkte 90 Ohm, een parallelschakeling van twee 180 Ohm weerstanden, het beste.

Door de spanning voor de referentieweerstand af te regelen op 500 mV garanderen we een stroomsterkte van precies 10 mA door de te meten weerstand. Als over die weerstand dan een spanning V wordt gemeten, dan vinden we de waarde van die weerstand door die spanning V te delen door de stroomsterkte van 10 mA.

Resultaten

Het zij duidelijk dat als over de te meten weerstand precies dezelfde spanning staat als over de referentieweerstand R₆ de conclusie moet zijn dat de waarde van de te meten weerstand gelijk is aan de waarde van de referentieweerstand. Een tolerantie van 0.01% zou betekenen dat de waarde van de gemeten weerstand dan ligt tussen de waarden 49.995 Ohm en de 50.005 Ohm. Dat wordt natuurlijk begrensd door de nauwkeurigheid van de voltmeter.
De hierboven afgebeelde weerstanden zijn gemeten met twee voltmeters. De eerste was mijn eenvoudige multimeter, Metex M4630B. De tweede een HP34401A die ik van Jos PA3ACJ leende.

Uit de vergelijking van de twee voltmeters, zie bovenstaande tabel, blijkt dat ze niet voor elkaar onderdoen. Weliswaar geeft de HP een decimaal meer maar voor alle praktische doeleinden is mijn eenvoudige multimeter ruim voldoende.

De kalibratieweerstand van SDR-Kits valt ruim binnen de 1% marge die is gespecificeerd. De kalibratie-weerstanden van de nanoVNA’s zijn behoorlijk afwijkend, bijna 2% voor de nanoVNA-H en voor de Chinese kloon. Dat de belastingsweerstand wat afwijkt is acceptabel, de tolerantie werd niet gespecificeerd. De SMD weerstand daarentegen is verassend nauwkeurig! In ieder geval zijn de afwijkingen die ik meende aan mijn kalibratieweerstanden te moeten toeschrijven inderdaad aanwezig. Dit was een nuttige exercitie!

Over de meetnauwkeurigheid

Het meetprincipe van de digitale voltmeters (DVM) is multislope integration, als je daar meer van wilt weten kun je de zo betreffende Wikipedia-pagina lezen. De nauwkeurigheid is vele malen beter dan ge-wone ADC’s. Bovendien hebben de DVM’s een bemonsteringsprincipe waardoor de invloed van de netspanning (brom) onderdrukt wordt.
De nauwkeurigheid wordt natuurlijk in de eerste plaats beïnvloed door de instelling van de potmeter, dat kun je niet beter dan 0.5 LSD (Least Significant Digit) doen. Je kunt dit controleren door de + en – aan-sluiting van de DVM te verwisselen.

Dan specificeert HP voor de DVM:

• Niet-lineariteit: 0.0020% van de aflezing + 0.0006% van het bereik;
• Ruis: Met een aflezing van 6 1/2 cijfers heeft men 0.6 of 6 waarden/s en door de integratie is daardoor de fout 0% van het bereik.
• Ik gebruikt het 1V bereik wat resulteert in een maximale fout van (0.001 + 0.006) Ohm.

Voor de Metex wordt een nauwkeurigheid voor het 2 Volt bereik gespecificeerd van 0.05% van de afle-zing + 3 LSD. Dat zou betekenen dat de maximale fout (0.025 + 0.03) Ohm bedraagt.

Gebaseerd op de vergelijking van de twee DVM’s zou ik willen concluderen dat de nauwkeurigheid voor mijn DVM niet meer dan 0.01 Ohm over het bereik van 49 tot 51 Ohm.

Conclusie

Een schakeling is gemaakt om van SMA kalibratieweerstanden de waarde met grote precisie te bepalen. De kleine meetserie die hier is uitgevoerd laat in ieder geval zien dat weerstanden met een niet-gespecificeerde tolerantie aanzienlijke afwijkingen kunnen vertonen ook al worden ze toch aangeduid als “kalibratieweerstanden”.

Of het nu allemaal zo belangrijk is? Nou ja, dat ligt er aan wat je met bijvoorbeeld een nanoVNA wilt doen. Laten we het even hebben over een antenne die ik nu onder handen heb. Zonder de juiste waarde van de kalibratieweerstand in te vullen meet ik bij 870 MHz een SWR van 1.36 en een Return Loss van 16.3 dB, dus dan wordt ongeveer 2.3% van het aangeboden vermogen niet gebruikt. Vul ik wél de juiste kalibratieweerstand in dan is de SWR 1.39 en de Return Loss 15.8 dB, dus 2.6% van het vermogen blijft ongebruikt. Dus een klein verschil in weerstandswaarde, bijna 2%, heeft een misrekening van 13% voor het niet gebruikte vermogen tot gevolg. Samenvattend: afhankelijk van de grootheid waar je in geïnteresseerd bent is het effect minimaal – zoals voor de SWR – of best wel groot – zoals voor de Return Loss.