Мілівольтметр

Прилад, зовнішній вигляд якого показано на рис. 3 січня-й з. обкладинки журналу (тут не показаний), вимірює ефективні значення синусоїдальної напруги від 1 мВ до 1 В, при використанні додаткового дільника-насадки до 300 В, в інтервалі частот 20 Гц … 20 МГц. Застосування в мілівольтметри широкосмугового підсилювача з випрямлячем, охоплених загальною негативним зворотним зв'язком (ООС), дозволило отримати високу точність свідчень і лінійну шкалу. Основна похибка на частоті 1920 кГц – не більше ± 2%. Додаткова частотна похибка в інтервалі 100 Гц … 10 МГц не перевищує ± 1, а в інтервалах 20 … 100 Гц і 10 … 20 МГц – ± 5%. Похибка від перемикання меж вимірювання в інтервалах частот до 10 і від 10 до 20 МГц – відповідно не більше ± 2 і ± 6%. З достатньою для радіоаматорського практики точністю (± 10 … 12%) приладом можна вимірювати напруги частотою до 30 МГц, проте мінімальна напруга при цьому становить 3 мВ. Вхідний опір мілівольтметри – 1 МОм, вхідні ємність – 8 пФ. Прилад живиться від батареї з одинадцяти акумуляторів Д-0, 25. Споживаний струм – близько 20 мА. Час безперервної роботи від свежезаряженной батареї – не менше 12 ч.

Мілівольтметр містить (див. схему) дільник-насадку (R1. R2, С1), внесений пробник (VT1, VT2), дільник напруги (R8-R13), широкосмуговий підсилювач (VT3-VT10, VT16-VT19), випрямляч (VD1. VD2), навантажений вимірювальним приладом РА1, стабілізатор напруги (VTI 1-VT15, VD3) і зарядний пристрій (VD4).

Коефіцієнт ділення подільника-насадки 1 / 300. Конденсатор С1 усуває вплив паразитної ємності.

Каскад виносного пробника охоплений 100%-ної ООС. Його навантаженням і одночасно елементом ланцюга ООС служить дільник напруги R8-R13. Додатковий резистор R8 включений для узгодження дільника з хвильовим опором (1500м) з'єднувального кабелю. Конденсатори С4. С5 компенсують частотні спотворення.

Широкосмуговий підсилювач мілівольтметри зібраний на транзисторах VT3 – VT10. Власне підсилювач – трехкаскадний, на транзисторах VT4. VT7, VT10 з навантаженням, функції якої виконує підсилювач на транзисторах VT3, VT6, VT9. Включені діодами транзистори VT5 і VT8 збільшують напругу між колекторами і емітером транзисторів VT3 і VT4.

Вхід підсилювача підключений через конденсатори С6, С7 і перемикач SA1.2 до виходу дільника напруги. Поляризуючий напругу в точку з'єднання конденсаторів подано через резистор R14. Резистор R15 утворює з вхідною ємністю транзистора VT4 фільтр нижніх частот, що забезпечує зниження посилення за межами робочої смуги частот підсилювача.

По постійному струму підсилювач охоплений загальною ООС через резистори R15 і R21. Каскади навантаження також охоплені загальною ООС, причому глибина її дорівнює 100%, так як база транзистора VT3 безпосередньо сполучена з емітером транзистора VT9. Ця ООС діє і на змінному струмі (резистор R25 НЕ шунтувати конденсатором), що значно збільшує вихідний опір транзистора VT9 (і всього підсилювача) і зменшує його вихідну ємність до одиниць пікофарад. При цьому створюються умови для передачі всієї потужності, що підсилюється сигналу на випрямляч (VD1. VD2) в широкому інтервалі частот. Висока вихідний опір забезпечує режим генератора струму в ланцюзі випрямляча і лінійну шкалу.

При зазначеному на схемі включення транзисторів VT9 і VT10 домогтися стабільності робочого режиму підсилювача дуже важко. Хороших результатів вдалося досягти з'єднанням колекторів транзисторів VT3 і VT4 через резистори R18 і R19 [1] та підключенням колекторів транзисторів VT6 і, VT7 до точки їх з'єднання (2).

Якщо з будь-якої причини, наприклад, через збільшення температури транзистора VT3, зростає його колекторний струм. У результаті зменшуються напруга між його колектором і емітером і струми транзисторів VT6, VT9, а напруга колектор-емітер останнього зростає. Однак колекторний струм транзистора VT6 зменшується значно більшою мірою, ніж збільшується струм транзистора VT3. тому їх сумарний струм стає суттєво менше. Це викликає зниження струму транзистора VT7, а отже і VT10, що призводить до зростання напруги колектор-емітер транзистора VT10 і зміні напруги в точці з'єднання колекторів транзисторів VT9, VT10 у бік первинного значення. Таким чином забезпечується відносно висока стабільність роботи пристрою: при зміні вихідної температури (+18 … 20 ° С) на ± 30 "З постійне напруга на виході змінюється на 10 … 25%.

Основний недолік описуваного підсилювача – необхідність (з-за великого розкиду параметрів транзисторів) початкової установки постійної напруги на виході підбором одного з резисторів R25 або R26. Щоб цього не робити, підсилювач доповнений що слідкуватимуть каскадом на транзисторах VT16-VT19, який забезпечує додаткову загальну ООС по постійному струму і служить для стабілізації робочого режиму підсилювача [3]. Корисна особливість каскаду полягає в тому, що струми баз транзисторів VT16 і VT18 протікають через резистор R27 в протилежних напрямках, результуючий струм дуже малий, тому опір резистора може бути дуже великим, а стабілізуючу дію каскаду високим.

Якщо з-за будь-яких причин напруга на виході підсилювача збільшується, струми транзисторів VT18, VT19 зростають, а транзисторів VT16, VT17 – зменшуються. У результаті падіння напруги на резисторі R17 стає менше, і напруга між емітером і базою транзистора VT3 підвищується, що викликає збільшення його колекторного струму і зменшення напруги між емітером і колектором. Це призводить до зниження струму транзисторів VT6 і VT9, в результаті чого напруга на виході прагне до первісного значення. Крім того, при зменшенні колекторного струму транзисторів VT16, VT17 стає менше напруга на резисторі R26, а отже, і колекторний струм транзистора VT4. Напруга на його колекторі і струми транзисторів VT7 і VT10 зростають, що викликає зменшення напруги між колектором і емітером транзистора VT10 і відновлення початкового режиму роботи підсилювача. До того ж зменшення колекторного струму транзистора VT4 призводить до зниження струму транзистора VT6, а отже і VT9, що також сприяє підтримці заданого режиму роботи підсилювача.

Слід зазначити, що відновне дію з колекторної ланцюга транзисторів VT16 і VT17 значно слабкіше, ніж по емітерний, так як їх колектори підключені до ланцюга емітера транзистора VT10 вихідного каскаду підсилювача. Тим не менше воно покращує роботу слідкуючого каскаду.

Аналогічним чином стабілізує режим роботи підсилювача складовою транзистор VT18VT19.

Завдяки застосуванню слідкуючого каскаду широкосмуговий підсилювач не вимагає встановлення режимів транзисторів і може працювати в широкому інтервалі температури.

Випрямляч мілівольтметри – двухполуперіодний з роздільним навантаженням в кожному плечі (R28C15 і R29C16). Резистор R30 служить для калібрування приладу РА1.

Широкосмуговий підсилювач і випрямляч охоплені загальною ООС по змінному струму через резистор R22. Це забезпечує підвищення лінійності випрямляча і стабільності показань приладу, а також розширення робочого інтервалу частот. Для збільшення глибини ООС по змінному струму в ланцюзі емітерів транзисторів VT4, VT10 включені блокувальні конденсатори С10 і С12. Ланцюг R16C8, шунтуючих резистор R22, коригує частотну характеристику підсилювача на вищих частотах.

Стабілізатор напруги (VT11-VT15, VD3) – параметричного типу.

Транзистори VT11-VT13 використані в якості стабісторов в ланцюзі стабілітрон Д814Г (VD3), що має великий розкид напруги стабілізації. Сполучаючи перемичкою точки 1 і 2, 1 і 3 або 1 і 4, отримують потрібного для роботи приладу напруга живлення 12 ± 0,3 В.

Зарядний пристрій зібрано за схемою однополуперіодного випрямляча з обмежувальними резисторами R39, R40.

У мілівольтметри передбачений контроль напруги акумуляторної батареї GB1 в положенні "Контр. харч. "перемикача SA2. При. це резистор R38 задає верхню межу вимірювання 20 В-

Резистори R1, R2, R9-R13, R15, R22 і R38 повинні мати малий температурний коефіцієнт опору, тому слід використовувати резистори С2-29. С2-23, БЛП, Улі і т. п. Якщо ж підвищені стабільність і точність у широкому інтервалі температури не потрібні, то можна застосувати резистори МЛТ. У цьому випадку прийнятна для радіоаматорського практики похибка вимірювань буде забезпечуватися при температурі 20 ± 15 ° С. Решта резистори – МЛТ з допуском 5%. Всі оксидні конденсатори в мілівольтметри – К50-6, решта – КМ4-КМ6 і т. п.

Транзистори серій КТ315, КТЗ6З, К.Т368 і діоди серії КД419 можна використовувати з будь-яким буквеним індексом. Діод VD4 – будь-який кремнієвий малопотужний з допустимим зворотним напругою 400 В і прямим струмом не менше 50 мА. Стабілітрон Д814Г можна замінити будь-яким іншим малопотужним з напругою стабілізації 11 В. У випрямлячі (VD1, VD2) можна використовувати детекторні або змішувальні діоди НВЧ (Д604, Д605 та ін), а в крайньому випадку і германієвого діоди Д18, Д20, однак при цьому верхня межа робочого інтервалу частот зменшиться до 10 … 15 МГц.

Перемикач SA1 – ПГ-3 (5П2Н), але можна використовувати ПГК, ПМ і інші галетним, краще керамічні; SA2 і SA3 – тумблери ТП1-2.

Вимірювальний прилад РА1 – мікроамперметр М93 з внутрішнім опором 350 Ом, струмом повного відхилення 100 мкА і двома шкалами з кінцевими відмітками 30 і 100. Можна використовувати й інші прилади (Наприклад, М24 і аналогічні) з іншим струмом повного відхилення, але не більше 300 мкА, необхідно тільки підібрати резистори R32 і R38.

Мілівольтметр змонтований у корпусі (див. обкладинку) розмірами 200Х115Х66 мм з дюралюмінію товщиною 1,5 мм; лицьова панель виготовлена з того ж матеріалу товщиною 2,5 мм. В останній є два отвори діаметром 28 мм для розміщення виносного пробника і дільника-насадки.

Деталі пробника змонтовані на платі – пластині з органічного скла (можна з гетинаксу або склотекстоліти) товщиною 1,5 мм – відповідно до рис. 2 обкладинки. З'єднання виконані відрізками мідного лудженої дроту діаметром 0,4 мм, вставленими з боку деталей і припаяними до їх загнутим висновків з іншого боку (друкований монтаж не застосований з метою зменшення паразитних ємностей і втрат в діелектрику). Конденсатор СЗ прикріплений до плати проводом діаметром 0,5 мм, пропущеним через спеціально передбачені для цього отвори.

Внесений пробник і дільник-насадка виконані у вигляді стикуємих одна з іншого частин коаксіального роз'єму (штепсель – пробник, гніздо – дільник-насадка). Конструкція першого з них показана на рис. 3 обкладинки. До латунної штиря припаяний висновок конденсатора С2, розташованого на монтажній платі, яка щільно вставлена в конусоподібний наконечник з органічного скла. Як циліндричного екрану використаний корпус оксидного конденсатора. Зовнішній діаметр екрана – 28, довжина – 54 мм. На екрані закріплений хомут з жерсті з гнучким проводом для підключення до контрольованого пристрою. Через отвір в торці екрану в пробник введені два кабелю довжиною близько 1 м:

один з них (коаксіальний з хвильовим опором 150 Ом) використано для з'єднання пробника з дільником напруги, інший (екранований провід) – для подачі напруги живлення. Екранують обплетення обох кабелів припаяні до загальних точок пробника і підсилювача. До них же підключені екран пробника і корпус приладу.

Приблизно так само влаштований і дільник-насадка (див. рис. 4 обкладинки). До конусоподібному наконечника з органічного скла на відстані приблизно 20 мм від штиря пригвинчені перегородка з жерсті з екранує трубкою внутрішнім діаметром в 2 … 3 рази більшим, ніж діаметр резистора Rl, і довжиною на 1 … 2 мм більшої його довжини (без висновків). Перегородка припаяні до трубки в середній частині і має електричний контакт із зовнішнім циліндричним екраном. Резистор Rl розміщений в трубці коаксіальному, один його висновок припаяний до штир, другий – до латунної гнізда, розташованому на відстані 14 … 15 мм від перегородки. Гніздо закріплено в диску з органічного скла товщиною 7 і діаметром 27 мм, з'єднаному з перегородкою двома Г-подібними латунними куточками і гвинтами.

Резистори R8-R13 і конденсатори С4, С5 з попередньо укороченими висновками припаяні безпосередньо до контактів перемикача SA1. Висновок рухомого контакту перемикача SA1.2 розташований поблизу від входу підсилювача, а висновок, до якого припаяні резистори R12 і R13, – на відстані, трохи більшому довжини резистора R13 (без висновків), від загальної точки підсилювача. Висновки резистора R13 укорочені до 2 … 2,5 мм для того, щоб їх індуктивний опір на вищій робочій частоті було значно менше активного опору резистора (інакше зростуть частотні спотворення на високих частотах).

Елементи зарядного пристрою R39, R40 і діод VD4 змонтовані на невелику плату, закріпленої на лицьовій панелі біля вилки ХРЗ.

Інші деталі мілівольтметри розміщені на платі з склотекстоліти товщиною 1,5 мм, як показано на рис. 5 обкладинки. Вона закріплена на різьбових шпильках-висновках мікроамперметра РА1. Оксидні конденсатори встановлені на платі вертикально, висновки загнуті з протилежного боку у відповідних монтажу напрямках. Висновки резистора R22 укорочені до 2 … 3 мм.

Через отвори а-а в лівій (на обкладинці) частини плати пропущено 3 рази лудженої провід діаметром 0,7 мм і залитий припоєм. Цей провід – спільна точка підсилювача. З'єднання з нею, показані штриховою лінією,, виконані проводом того ж діаметру з протилежного деталей боку, причому від конденсатора СІ прокладений подвійний дріт для зменшення індуктивності. Таким же способом підключені висновки резисторів R28, R29 і конденсаторів З 15, З 16 до точки з'єднання резистора R22 і конденсаторів С8, С10. При повторенні конструкції всі ці проводи слід прокласти найкоротшим шляхом, але так, щоб вони по можливості не перетинали інших проводів і не проходили над точками пайки (на обкладинці вони для наочності показані без урахування цих вимог).

Акумуляторна батарея GB1 встановлена на платі між двома пружинячим куточками, службовцями її висновками. Акумулятори поміщені в трубку, склеєну з щільного паперу (2 – 3 шари). Краю трубки довжиною 110 … 115 мм розвальцьовані з обох кінців. На платі батарея закріплена гнучким монтажним проводом.

Налагодження мілівольтметри починають з установки напруги живлення, з'єднуючи при необхідності перемичкою контакти 2,3 або 4 з контактом 1. Далі перевіряють напругу на витоці транзистора VT1. Якщо воно менше 1,5 В, то на затвор транзистора слід подати невелике (частки вольта) позитивне напругу з резистивного дільника загальним опором 130 … 140 кОм. Потім перевіряють режими роботи транзисторів в підсилювачі. Виміряні значення напруги не повинні відрізнятися від зображених на схемі більш ніж на ± 10%.

Після цього на вхід мілівольтметри (КР2) подають з генератора стандартних сигналів коливання частотою 100 кГц і напругою 10 мВ. Перемикач встановлюють у положення "0,01". Змінюючи опір резистора R30, добиваються відхилення стрілки приладу РА1 на кінцеву позначку шкали.

Нарешті, плавно перебудовуючи генератор, перевіряють частотну характеристику приладу в області високих частот, попередньо відключивши висновок конденсатора С8 від резистора R22. На частоті 20 МГц показання мілівольтметри не повинно зменшуватися (по відношенню до 100 кГц) більш ніж на 10 … 20%. Якщо ж це не так. необхідно зменшити опір резистора R15.

Після цього відновлюють з'єднання конденсатора С8 з резистором R22 і домагаються рівномірності частотної характеристики на високих частотах, підбираючи при необхідності конденсатор С8 і резистор R16. В окремих випадках для більш точної коригування частотної характеристики в інтервалі від 16 до 20 МГц в цей ланцюг послідовно включають дросель, намотавши на резисторі МЛТ-0, 25 опором більше 15 кОм 10-25 витків дроту ПЕВ-1 діаметром 0,11 … 0,13 мм в один ряд

Для перевірки частотної характеристики в області низьких частот використовують генератор ГЗ-33, ГЗ-56 або аналогічний під час використання внутрішньому опорі 600 Ом і в положенні "АТТ" перемикача вихідних опорів. Частотні спотворення в цій області залежать виключно від ємності блокувальних і розділових конденсаторів С2, СЗ, С6, С7, С9 – С13 (чим вона більше, тим спотворення менше).

Г. МІКІРТІЧАН

м. Москва

ЛІТЕРАТУРА
1. Авт. свід. СРСР № 559363 (Бюл. "Відкриття, винаходи …", 1977, № 9).
2. Авт. звив. СРСР J6 634449 (Блюл. "Відкриття, винаходи …". 1978, № 43).
3. Авт. звив. СРСР № 1084955 (Блюл. "Відкриття. Винаходи …", 1984. № 13).

РАДІО № 5, 1985 р. с. 37-42.