Каталог радиолюбительских схем

РАЗРАБОТАНО В ЛАБОРАТОРИИ ЖУРНАЛА “РАДИО”

Б. СТЕПАНОВ

При налаживании самой различной радиоэлектронной аппаратуры нередко возникает потребность в милливольтметре, который позволял бы измерять напряжения частотой от десятков герц до десятков мегагерц. На страницах журнала “Радио” были опубликованы описания милливольтметров, выполненных по принципу “широкополосный усилитель — детектор”. Подобные милливольтметры имеют достаточно высокие технические характеристики, но сложны в повторении и налаживании, особенно, если необходим прибор с верхней границей рабочего диапазона частот, превышающей 20...30 МГц.

Высокочастотный милливольтметр можно изготовить, основываясь на принципе “детектор — усилитель постоянного тока”. Как известно, чувствительность детекторов (отношение выпрямленного постоянного напряжения к поданному на диод высокочастотному напряжению) весьма быстро падает с уменьшением амплитуды ВЧ напряжения. Однако эксперименты показали, что она остается вполне достаточной для создания на этом принципе очень простого прибора, полностью отвечающего потребностям среднего радиолюбителя. Верхняя граница рабочего диапазона частот в этом случае определяется лишь параметрами диода, примененного в детекторе, и при использовании современных ВЧ и импульсных диодов превышает 100 МГц.

Прибор, о котором рассказывается в этой статье, имеет семь поддиапазонов измерений с верхними пределами 12,5; 25, 50, 100, 250, 500 и 1000 мВ. Шкалы милливольтметра на всех поддиапазонах нелинейные, поэтому при отсчете показаний необходимо пользоваться либо градуировочными таблицами, либо градуировочными графиками. Естественно, что в этом случае погрешность измерений определяется в первую очередь той контрольно-измерительной аппаратурой, которая будет использована при построении таблиц или графиков (если, например, для этой цели применить милливольтметр ВЗ-38, она не будет превышать ±10 %). Минимальное уверенно регистрируемое ВЧ напряжение — примерно 3 мВ. Прибор не имеет частотной погрешности, по крайней мере, до 30 МГц, Входное сопротивление — разное на различных поддиапазонах, однако даже в худшем случае оно превышает 100 кОм. Входная емкость (во многом зависит от конструкции выносной головки) составляет примерно 3 пФ.

Принципиальная схема милливольтметра приведена на рис. 1.

Он состоит из усилителя постоянного тока (УПТ) и выносной головки. УПТ (рис. 1,а) собран на операционном усилителе (ОУ) DA1. Выпрямленное напряжение с выносной головки поступает через разъем XS1 на неинвертирующий вход ОУ. На первых трех поддиапазонах коэффициент усиления УПТ больше 1, на остальных ОУ используется как повторитель напряжения. Пределы измерений выбирают переключателем SA1, которым коммутируют резисторы R3—R5 в цепи ООС, охватывающей ОУ, и подстроенные резисторы R6—R12 в цепи микроамперметра РА1. Этими резисторами калибруют прибор на соответствующих поддиапазонах. Балансируют УПТ (в отсутствие ВЧ напряжения) переменным резистором R2. Питают ОУ от двуполярного источника напряжением +-15 В.

Выносная головка (рис. 1,б) представляет собой обычный однополупериодный выпрямитель напряжения на диоде VD1. Для измерения параметров колебательных контуров (об этом будет рассказано далее) целесообразно изготовить еще одну выносную головку (рис. 1,в). Помимо выпрямителя (он отличается от показанного на рис. 1,б лишь емкостью конденсатора связи С1), в неё введен нагрузочный резистор R2 для генератора сигналов и конденсатор связи С3.

Деталей в милливольтметре немного, поэтому габариты его корпуса в первую очередь определяются стрелочным измерительным прибором. Вариант компоновки передней панели милливольтметра при использовании микроамперметра М4205 приведен на рис. 1 3-й с. обложки (масштаб — 1:1).

Внешний вид выносной головки (без кожуха-экрана) показан на рис. 2 обложки. Ее детали размещают на плате из одностороннего фольгированного гетинакса или стеклотекстолита толщиной 1...1.5 мм (левый чертеж на рис. 3, масштаб 2;1). Выводы деталей и коаксиальный кабель припаивают непосредственно к контактным площадкам, Плату выносной головки для измерения параметров колебательных контуров изготавливают из двустороннего фольгированного материала. С одной стороны размещают элементы детектора, а с другой — нагрузочный резистор генератора и конденсатор связи (правый чертеж не рис. 3, масштаб 2:1).

При самостоятельной разработке платы головки для измерения параметров контуров необходимо добиться минимальной связи между нагрузкой генератора и детектором. В частности, контактные площадки следует расположить так, чтобы с другой стороны под ними были участки фольги, соединенные с общим проводом. Отверстия в нижней части платы используются для крепления к ней коаксиального кабеля. В отверстие, расположенное примерно в середине платы, вставляют отрезок луженого провода и припаивают с обеих сторон к фольге, соединяя тем самым “общие провода” обеих сторон (это, разумеется, необходимо сделать только в плате головки для измерения параметров контуров). Наконец, в прорезь, находящуюся в верхней (по рисунку) части платы, впаивают отрезок луженого медного провода диаметром 1...1,2 мм, который служит “щупом” головки. К общему проводу проверяемой конструкции головку подключают зажим “крокодил” (см. рис. 2 обложки).

Часть элементов УПТ (в том числе и ОУ DA1) размещена на небольшой плате из одностороннего фольгированного гетинакса (рис. 4 обложки). Как и в выносных головках, выводы деталей припаивают непосредственно к контактным площадкам. Круглые площадки удобно делать приспособлением, описанным в [1]. Резисторы R3—R5 (рис. 1,а) припаивают непосредственно к выводам переключателя, а подстроечные резисторы R6—R12 размещают на шасси или задней стенке прибора.

Поскольку коэффициент усиления УПТ не превышает 30, то в милливольтметре можно применить любой ОУ общего назначения, естественно, с соответствующими корректирующими цепями, исключающими самовозбуждение УПТ при единичном коэффициенте усиления, и напряжениями ' питания. Если ОУ не имеет выводов для балансировки по постоянному току, то в схему УПТ надо внести небольшие изменения (рис. 1,г).

Номиналы резисторов R3—R12 (рис. 1,а) указаны для микроамперметра М4205 с током полного отклонения 50 мкА и внутренним сопротивлением около 1,4 кОм. Вместо него можно применить любой микроамперметр с током полного отклонения не более 500 мкА и сопротивлением не менее 500 Ом (при соответствующем изменении сопротивлений указанных выше резисторов).

Диод VD1 в выносной головке должен быть обязательно высокочастотным германиевым. Как уже отмечалось, от него зависит верхняя граница рабочего диапазона частот прибора. Некоторые рекомендации по этому вопросу даны в [2]. В крайнем случае можно использовать диоды серии Д9 и им подобные, у которых частотная зависимость чувствительности детектора начинает проявляться уже на частотах в несколько мегагерц. Однако а этом случае необходимо сделать еще один градуировочный график (для коррекции показаний прибора в зависимости от частоты).

Налаживание милливольтметра начинают с балансировки УПТ. Делают это на поддиапазоне 12,5 мВ примерно через 5 мин после включения питания. Следует отметить, что на этом поддиапазоне иногда наблюдается постепенный уход стрелки микроамперметра с нулевой отметки на 1—2 деления. Этот “дрейф нуля”, как показала экспериментальная проверка, вызван изменениями параметров диода детектора в зависимости от температуры окружающей среды, и именно он ограничивает дальнейшее повышение чувствительности милливольтметра.

После балансировки УПТ на вход прибора подают ВЧ напряжение 12,5 мВ (эффективное значение), подстроечным резистором R6 устанавливают стрелку микроамперметра на последнюю отметку шкалы и снимают градуировочный график. Эту операцию последовательно повторяют для каждого поддиапазона. Образец семейства таких графиков показан на рис. 5 обложки. Здесь N — показания микроамперметра, a U — значения ВЧ напряжения в относительных единицах (нормировано на верхний предел каждого поддиапазона). В общем случае зависимость показаний прибора описывается формулой N=Uⁿ. Значения n постоянны для каждого поддиапазона и лежат в пределах 1,1...2. Интересно, что для напряжений, меньших 25 мВ, эта зависимость чисто квадратическая (n=2), что позволяет создать очень простой среднеквадратический вольтметр (притом весьма широкополосный).

Схема измерения параметров колебательных контуров показана на рис. 2 в тексте.

Сигнал высокочастотного генератора G через конденсатор связи Ссв поступает на контур LC, к которому через конденсатор С'св подключен милливольтметр PV. Если емкость конденсаторов связи выбрать очень маленькой, то ни выходное сопротивление генератора, ни входное сопротивление милливольтметра не будут влиять на определение резонансной частоты контура и его добротности.

Параметры контура измеряют в такой последовательности. Переключив милливольтметр на предел 12,5 или 25 мВ, подсоединяют его к контуру и, установив максимальное выходное напряжение генератора сигналов, находят резонансную частоту. Затем регулировкой выходного напряжения генератора устанавливают стрелку микроамперметра на последнюю отметку шкалы. Перестраивая генератор в обе стороны от резонансной частоты, отсчитывают по шкале генератора частоты F1 и F2 (см. рис. 3 в тексте),

соответствующие уменьшению напряжения на контуре до уровня 0,707 от максимального. Добротность рассчитывают по формуле Q=Fo/AF, где Fo — резонансная частота; AF= |F1—F2|. Для удобства работы на шкалу микроамперметра целесообразно нанести метку (см. рис. 1 обложки), соответствующую этому уровню.

г. Москва

ЛИТЕРАТУРА

1. Жутяев С. УКВ трансвертер. — Радио, 1979, № 1, с. 13—16.

2. Степанов Б. Измерение малых ВЧ напряжений.— Радио, 1980, № 7, с. 55— 56 и № 12, с. 28.

РАДИО № 8, 1984 г. с. 58.