Високочастотний мілівольтметр

РОЗРОБЛЕНО У ЛАБОРАТОРІЇ ЖУРНАЛУ "РАДІО"

Б. СТЕПАНОВ

При налагодженні самої різної радіоелектронної апаратури нерідко виникає потреба в мілівольтметри, який дозволяв би вимірювати напруги частотою від десятків герц до десятків мегагерц. На сторінках журналу "Радіо" були опубліковані описи мілівольтметри, виконаних за принципом "широкосмуговий підсилювач – детектор". Подібні мілівольтметри мають достатньо високі технічні характеристики, але складні у повторенні та налагодженні, особливо, якщо необхідний прилад з верхньою межею робочого діапазону частот, що перевищує 20 … 30 МГц.

Високочастотний мілівольтметр можна виготовити, грунтуючись на принципі "детектор – підсилювач постійного струму". Як відомо, чутливість детекторів (відношення випрямленої постійної напруги до поданого на діод високочастотному напрузі) досить швидко падає зі зменшенням амплітуди ВЧ напруги. Однак експерименти показали, що вона залишається цілком достатньою для створення на цьому принципі дуже простого приладу, що повністю відповідає потребам середнього радіоаматора. Верхня межа робочого діапазону частот у цьому випадку визначається лише параметрами діода, застосованого в детекторі, і при використанні сучасних ВЧ та імпульсних діодів перевищує 100 МГц.

Прилад, про який розповідається в цій статті, має сім піддіапазонів вимірювань з верхніми межами 12,5; 25, 50, 100, 250, 500 і 1000 мВ. Шкали мілівольтметри на всіх піддіапазонах нелінійні, тому при відліку показань необхідно користуватися або градуювальних таблиць, або градуювального графіка. Природно, що в цьому випадку похибка вимірювань визначається в першу чергу тієї контрольно-вимірювальною апаратурою, яка буде використана при побудові таблиць або графіків (якщо, наприклад, для цієї мети застосувати мілівольтметр ВЗ-38, вона не буде перевищувати ± 10%). Мінімальна впевнено реєстроване ВЧ напруга – приблизно 3 мВ. Прилад не має частотної похибки, по крайней мере, до 30 МГц, Вхідний опір – різне на різних піддіапазонах, однак навіть у гіршому випадку воно перевищує 100 кОм. Вхідна ємність (багато в чому залежить від конструкції внесений головки) становить приблизно 3 пФ.

Принципова схема мілівольтметри наведена на рис. 1.

Він складається з підсилювача постійного струму (УПТ) і виносної головки. УПТ (рис. 1, а) зібраний на операційному підсилювачі (ОП) DA1. Випрямлена напруга з виносною головки надходить з гнізда XS1 на неінвертуючий вхід ОП. На перших трьох піддіапазонах коефіцієнт посилення УПТ більше 1, на інших ОУ використовується як повторювач напруги. Межі вимірювань вибирають перемикачем SA1, яким коммутіруют резистори R3-R5 в ланцюзі ООС, що охоплює ОУ, і підстроєні резистори R6-R12 в ланцюзі мікроамперметра РА1. Цими резисторами калібрують прилад на відповідних піддіапазонах. Балансують УПТ (за відсутності ВЧ напруги) змінним резистором R2. Живлять ОУ від двополярної джерела напругою + -15 В.

Виносна головка (рис. 1, б) являє собою звичайний однополуперіодний випрямляч напруги на діод VD1. Для вимірювання параметрів коливальних контурів (про це буде розказано далі) доцільно виготовити ще одну виносну головку (рис. 1, в). Крім випрямляча (він відрізняється від показаного на рис. 1, б лише ємністю конденсатора зв'язку С1), в неї введений на витримку навантаження резистор R2 для генератора сигналів і конденсатор зв'язку С3.

Деталей у мілівольтметри небагато, тому габарити його корпусу в першу чергу визначаються стрілочним вимірювальним приладом. Варіант компонування передній панелі мілівольтметри при використанні мікроамперметра М4205 наведено на рис. 3 січня-й з. обкладинки (масштаб – 1:1).

Зовнішній вигляд внесений головки (без кожуха-дисплея) показано на рис. 2 обкладинки. Її деталі розміщують на платі з однобічного фольгованого гетинаксу або склотекстоліти товщиною 1 … 1.5 мм (лівий креслення на рис. 3, масштаб 2; 1). Висновки деталей і коаксіальний кабель припаюють безпосередньо до контактних майданчиків, Плату внесений головки для вимірювання параметрів коливальних контурів виготовляють з двостороннього фольгованого матеріалу. З одного боку розміщують елементи детектора, а з іншого – на витримку навантаження резистор генератора і конденсатор зв'язку (правий креслення не рис. 3, масштаб 2:1).

При самостійній розробці плати головки для вимірювання параметрів контурів необхідно добитися мінімальної зв'язку між навантаженням генератора і детектором. Зокрема, контактні площадки слід розташувати так, щоб з іншого боку під ними були ділянки фольги, з'єднані із загальним проводом. Отвори в нижній частині плати використовуються для кріплення до неї коаксіального кабелю. В отвір, розташоване приблизно в середині плати, вставляють відрізок лудженої проводи й припаюють з обох сторін до фользі, з'єднуючи тим самим "загальні проводу" обох сторін (це, зрозуміло, необхідно зробити лише в платі головки для вимірювання параметрів контурів). Нарешті, в проріз, що знаходиться у верхній (за рисунком) частини плати, упаюється відрізок лудженої мідного дроту діаметром 1 … 1,2 мм, який служить "щупом" головки. До загальному проводу перевіряється конструкції головку підключають затиск "крокодил" (див. рис. 2 обкладинки).

Частина елементів УПТ (у тому числі і ОУ DA1) розміщена на невелику плату з одностороннього фольгованого гетинаксу (рис. 4 обкладинки). Як і в виносних голівках, виводи деталей припаюють безпосередньо до контактних майданчиків. Круглі майданчики зручно робити пристосуванням, описаним в [1]. Резистори R3-R5 (рис. 1, а) припаюють безпосередньо до висновків перемикача, а підлаштування резистори R6-R12 розміщують на шасі або задній стінці приладу.

Оскільки коефіцієнт посилення УПТ не перевищує 30, то в мілівольтметри можна застосувати будь-який ОУ загального призначення, природно, з відповідними коригуючими ланцюгами, що виключають самозбудження УПТ при одиничному коефіцієнті підсилення, і напругою 'харчування. Якщо ОУ не має висновків для балансування по постійному струму, то в схему УПТ треба внести невеликі зміни (рис. 1, г).

Номінали резисторів R3-R12 (рис. 1, а) вказано для мікроамперметра М4205 зі струмом повного відхилення 50 мкА і внутрішнім опором близько 1,4 кОм. Замість нього можна застосувати будь-який мікроамперметр з струмом повного відхилення не більше 500 мкА і опором не менше 500 Ом (при відповідному зміну опорів зазначених вище резисторів).

Діод VD1 в внесений голівці повинен бути обов'язково високочастотним германієвого. Як вже зазначалося, від нього залежить верхня межа робочого діапазону частот приладу. Деякі рекомендації з цього питання дано в [2]. У крайньому випадку можна використовувати діоди серії Д9 і їм подібні, у яких частотна залежність чутливості детектора починає виявлятися вже на частотах у кілька мегагерц. Однак а цьому випадку необхідно зробити ще один градуювального графіка (для корекції показань приладу в залежності від частоти).

Налагодження мілівольтметри починають з балансування УПТ. Роблять це на піддіапазоні 12,5 мВ приблизно через 5 хвилин після включення живлення. Слід зазначити, що на цьому піддіапазоні іноді спостерігається поступовий відхід стрілки мікроамперметра з нульової відмітки з 1-2 зупинками. Цей "дрейф нуля", як показала експериментальна перевірка, викликаний змінами параметрів діода детектора в залежності від температури навколишнього середовища, і саме він обмежує подальше підвищення чутливості мілівольтметри.

Після балансування УПТ на вхід приладу подають ВЧ напруга 12,5 мВ (ефективне значення), підлаштування резистором R6 встановлюють стрілку мікроамперметра на останню відмітку шкали і знімають градуювальних графік. Цю операцію послідовно повторюють для кожного піддіапазону. Зразок сімейства таких графіків показано на рис. 5 обкладинки. Тут N – показання мікроамперметра, a U – значення ВЧ напруги в відносних одиницях (унормовано на верхню межу кожного піддіапазону). У загальному випадку залежність показань приладу описується формулою N = U n . Значення n постійні для кожного піддіапазону і лежать в межах 1,1 … 2. Цікаво, що для напружень, менших 25 мВ, ця залежність чисто квадратична (n = 2), що дозволяє створити дуже простий середньоквадратичний вольтметр (притому вельми широкосмуговий).

Схема вимірювання параметрів коливальних контурів показана на рис. 2 в тексті.

Сигнал високочастотного генератора G через конденсатор зв'язку ССВ надходить на контур LC, до якого через конденсатор С'св підключений мілівольтметр PV. Якщо ємність конденсаторів зв'язку вибрати дуже маленькою, то ні вихідний опір генератора, ні вхідний опір мілівольтметри не будуть впливати на визначення резонансної частоти контуру і його добротності.

Параметри контуру вимірюють у такій послідовності. Переключивши мілівольтметр на межу 12,5 або 25 мВ, під'єднують його до контуру і, встановивши максимальну вихідну напругу генератора сигналів, знаходять резонансну частоту. Потім регулюванням вихідної напруги генератора встановлюють стрілку мікроамперметра на останню відмітку шкали. Перебудовуючи генератор в обидві сторони від резонансної частоти, відраховують за шкалою генератора частоти F1 і F2 (див. рис. 3 в тексті),

відповідні зменшення напруги на контурі до рівня 0,707 від максимального. Добротність розраховують за формулою Q = Fo / AF, де Fo – резонансна частота; AF = | F1-F2 |. Для зручності роботи на шкалу мікроамперметра доцільно нанести мітку (див. рис. 1 обкладинки), що відповідає цьому рівню.

м. Москва

ЛІТЕРАТУРА

1. Жутяев С. УКХ трансвертер. – Радіо, 1979, № 1, с. 13-16.

2. Степанов Б. Вимірювання малих ВЧ напруг .- Радіо, 1980, № 7, с. 55 – 56 і № 12, с. 28.

РАДІО № 8, 1984 р. с. 58.