Схема вч вольтметра линейной шкалой. Высокочастотный милливольтметр с линейной шкалой
Одним из самых необходимых приборов в арсенале радиолюбителя коротковолновика безусловно является высокочастотный вольтметр.
В отличии от НЧ мультиметров и недорогих, компактных ЖК осциллографов такие приборы значительно более редки, а новые, фирменные, еще и достаточно дороги.
Поэтому было решено собрать самодельный прибор, с учетом обычно предъявляемых требований.
При выборе варианта индикации остановился на аналоговой. В отличии от цифровой, аналоговая индикация позволяет легко и наглядно оценивать изменения показаний количественно, а не только путем сравнения результатов. Это особенно важно при настройке схем, где амплитуда измеряемого сигнала постоянно меняется.
В то же время, точность измерений при соответствующей схемотехнике вполне достаточна.
Как правило разделяют два вида ВЧ вольтметров. В первых, используются широкополосные усилители , обеспечивающие работу детекторного элемента на линейном участке ВАХ, либо включением выпрямителя в цепь ООС такого усилителя.
Во вторых, используется простейший детектор, иногда с высокомным УПТ. Шкала такого ВЧ вольтметра нелинейна на нижних пределах измерений и требует применения специальных таблиц, либо индивидуальной калибровки шкалы.
Попытка линеаризировать в какой то мере шкалу, а также сдвинуть порог чувствительности вниз, за счет пропускания небольшого тока через диод не решает проблему. Полученные ВЧ вольтметры до начала линейного участки ВАХ остаются по сути, индикаторами. Тем не менее, такие ВЧ вольтметры как в виде законченных приборов, так и в виде приставок к цифровым мультиметрам весьма популярны, о чем свидетельствуют многочисленные публикации в журналах и интернете.
Существует еще один способ линеаризации измерительной шкалы, когда линеаризирующий элемент включается в цепь ОС УПТ, обеспечивая необходимое изменение усиления в зависимости от амплитуды входного сигнала.
Подобные схемы нередко используются в узлах профессиональной аппаратуры, например, в широкополосных высоколинейных измерительных усилителях с АРУ. Именно на базе такого решения был создан описываемый здесь прибор .
Автором данной статьи впервые такой прибор был собран примерно в годы его публикации, недавно пересобран, перенесен в другой корпус, на новые печатные платы и под новые комплектующие.
При всей очевидной простоте схемы, данный ВЧ вольтметр обеспечивает очень неплохие параметры.
Диапазон измеряемых напряженией (конечные деления шкалы) от 10мВ до 20В. Диапазон частот от 100Гц, до 75МГц, входное сопротивление не менее 1МОм, при входной емкости не более нескольких пФ (определяется, в основном, конструктивом ВЧ головки). И, естественно, имеет линейную шкалу, избавляющую от проблем с градуировкой. Точность измерений, при качественной настройке, не хуже 5%.
Схема прибора показана на рисунке1.
Рис. 1
Конструктивно прибор состоит из трех частей. Измерительный детектор (ВЧ головка), плата УПТ с узлом линеаризации и плата стабилизаторов.
Линеаризирующий узел выполнен на микросхеме ОР1 с диодом в цепи ООС. Из-за наличия в цепи отрицательной обратной связи диода D2, усиление этого каскада УПТ при малых входных напряжениях увеличивается. Благодаря этому, уменьшение выходного напряжения детектора компенсируется и шкала прибора оказывается линейной.
Конденсаторы С4, С5 предотвращают самовозбуждение УПТ и уменьшают возможные наводки.
Прибор примененный в вольтметре на ток 1мА.
Резисторы нестандартных номиналов состоят из 2-х. ОУ можно применить любые, с высоким входным сопротивлением. Конденсатор С3 монтируется непосредственно на входном BNC разъеме.
Резистор R7 случит для оперативной установки стрелки головки на 0. При этом ВЧ головка должна быть замкнута по входу.
Налаживание прибора начинают с балансировки усилителя на ОУ OP2. Для этого переключатель пределов измерения ставят на 5В, замыкают ВЧ головку и подстроечным резистором R13 устанавливают стрелку прибора на 0. Далее, переключаем на 10мВ, подаем такое же напряжение, устанавливаем резистором R14 стрелку на последнее деление шкалы. Подаем на вход 5мВ, стрелка должна быть примерно на середине шкалы. Линейности добиваемся подбором резистора R2.
Далее, калибруем прибор на всех поддиапазонах соответствующими подстроечными резисторами.
Внешний вид готового прибора:
Детекторная ВЧ головка
Рисунки печатных плат вольтметра и стабилизаторов можно взять
При налаживании любительской связной аппаратуры, ее ремонте или проверке часто требуется измерение напряжения высокой частоты в полосе до 30 МГц (КВ аппараты) и даже до сотен мегагерц (УКВ аппараты).
Значения напряжения исследуемых сигналов обычно лежат в пределах от десятков милливольт до десятков вольт. Наиболее простой вариант выполнения ВЧ вольтметра для таких измерений - выносная головка с полупроводниковым диодом к вольтметру постоянного тока (например, к цифровому мультиметру). Недостаток такого решения в том, что при измерении напряжения менее 1 В (действующее значение) эффективность детектирования снижается и для отсчета уже нельзя пользоваться шкалами мультиметра без предварительной его калибровки вместе с ВЧ головкой.
Именно поэтому в измерительных головках таких приборов рекомендуют использовать германиевые диоды, поскольку у них заметные значения токов наблюдаются при меньших значениях напряжения чем у кремниевых На рис. 1 показаны участки прямых ветвей вольт-амперных характеристик германиевого ВЧ диода (ГД507А), диода Шотки (ВАТ41) и обычного кремниевого (КД503А). Как видно, изменение тока через диод КД503А на два порядка (от 1 мА до 10 мкА) происходит в очень узкой зоне напряжений (0,5... 0,75 В). Иными словами, вольтметр с измерительной головкой на обычном кремниевом диоде регистрировать ВЧ напряжение меньше 0, 5 В уже не будет.
У германиевого диода изменение тока в тех же пределах происходит при более низких значениях напряжения (0, 1.. .0,3 В) и более плавно. Именно это и позволяет создавать с такими диодами вольтметры способные измерять ВЧ напряжения 0, 1 В и менее. Правда при таких значениях напряжения вольтметр уже не будет линеен. Подробно вольтметр на германиевом диоде рассмотрен в .
Необходимо отметить два его недостатка (помимо уже отмеченной нелинейности при малых напряжениях). Во-первых у полупроводниковых приборов на основе германия характеристики заметно зависят от температуры. В результате калибровочная кривая несколько смещается при изменении температуры, и это смещение особо заметно при ВЧ напряжении менее 0,1 В. Во-вторых, у высокочастотных германиевых диодов, как правило, невелико максимальное обратное напряжение, что не позволяет измерять большие (десятки вольт) значения ВЧ напряжения Напомним, что при однополупериодном выпрямлении ВЧ напряжение не должно превышать примерно одной трети от максимально допустимого обратного напряжения диода.
Решение задачи - применить в измерительной головке диод Шотки. У него прямая ветвь вольт-амперной характеристики не такая крутая как у обычного кремниевого диода, и лежит заметно "левее". Как видно из рис. 1, изменение прямого тока через диод Шотки от 10 мкА до 1 мА происходит при изменении напряжения в пределах 0, 2 ..0,4 В. Можно ожидать, что ВЧ вольтметр на основе такого диода также позволит измерять малое ВЧ напряжение хотя эффективность его выпрямления будет несколько хуже, чем у вольтметра с германиевым диодом.
Схема выносной измерительной головки с диодом Шотки к распространенному мультиметру М832 (или другому аналогичному с входным сопротивлением не менее 1 МОм) изображена на рис. 2. Как и в аналогичном устройстве с германиевым диодом , калибруют ВЧ вольтметр подбором резистора R1 - при подаче на вход ВЧ напряжения 2 В (действующее значение) показания мультиметра должны быть также 2 В.
Зависимость показаний мультиметра от уровня ВЧ напряжения на входе головки дана на рис. 3 (кривая 1). Здесь же для сравнения приведена и аналогичная зависимость для головки с германиевым диодом (кривая 2) Участки кривых 1 и 2 в интервале 0, 2... 2 В практически идентичны. Как и следовало ожидать, при ВЧ напряжении, меньшем 0, 2 В эффективность головки с диодом Шотки хуже, но все же достаточна для измерения напряжения примерно до 50 мВ.
Незначительное усложнение детекторной головки с диодом Шотки позволяет сдвинуть нижнюю границу измерений до значений в несколько милливольт. Способ этот не нов - его применяли еще на заре полупроводниковой
электроники. Речь идет о пропускании через диод небольшого постоянного тока в прямом направлении. Схема детекторной головки такого типа показана на рис. 4 . Значение тока через измерительный диод VD1 определяется сопротивлением резистора R1 и в данном случае примерно равно 20 мкА. При этом падение напряжения на диоде будет около 0, 2В. Для того чтобы исключить его влияние на результаты измерении, на второй вход мультиметра надо подать точно такое же напряжение. Его можно получить с помощью обычного резистивного делителя, но лучше это сделать введением второго диода Шотки (VD2 на рис 4). Одинаковые напряжения на обоих диодах устанавливают переменным резистором R2 по нулевым показаниям мультиметра в отсутствие напряжения на входе головки. Этот диод не используется для измерения напряжения, но если его поместить рядом с диодом VD1 (в тепловом контакте с ним), повысится температурная стабильность работы измерительной головки. Это особенно важно при измерении самых малых ВЧ напря жений. Дело в том, что при изменении окружающей температуры изменения падения напряжения на обоих диодах будут примерно одинаковыми и балансировка головки не будет нарушаться. Испытания головки показали, что ее чувствительность при малых напряжениях заметно повысилась (по сравнению с вариантом на рис. 2) а зависимость показаний мультиметра от ВЧ напряжения на входе головки у нее практически совпадает с аналогичном зависимостью для головки с германие вым диодом (кривая 2 на рис. 3).
Максимально допустимое обратное напряжение диодов Шотки ВАT41 - 100 В. Следовательно, максимальное ВЧ напряжение, которое можно изме рять головкой с таким диодом - примерно 35 В (действующее значение). Емкость перехода диода при обратном смещении 1 В не превышает 2 пФ Измерения показали что у головки с диодом ВАТ41 нет частотной зависимости показаний, по крайней мере до 30 МГц на более высокой частоте проверка не производилась) Этот диод выпускается з миниатюрном стеклянном корпусе без маркировки на нем Вывод катода помечен на корпусе темной полоской.
Диод ВАТ41 - один из наиболее распpocтраненных высокочастотных диодов Шотки в стеклянном корпусе с проволочными выводами. Автор приобрел его в московском магазине фирмы "Чип-и Дип". В октябре прошлого года розничная цена была всего 7 руб 60 коп за штуку. В измерительной головке можно применить и другие импортные диоды, например BAR28, 1N5711 или 1N6263. Все три диода имеют близкие характеристики. Они немного уступают BAR41 по максимально допустимому обратному напряжению (70 В), но имеют заметно меньшую емкость - около 2 пФ при нулевом напряжении на диоде (!) и должны работать на частотах несколько сотен мегагерц.
Из отечественных диодов Шотки в головке можно применить КД922А, КД922В и КД923А. Однако у них заметно более низкие значения максимального допустимого обратного напряжения - у лучшего из них по этому параметру диода КД922Б оно всего 21 В.
Наличие у мультиметра М832 в розетке для измерений параметров транзисторов стабилизированного напряжения - около 3 В, и то, что для головки требуется ток всего несколько десятков микроампер, наводит на мысль использовать его для питания головки. Однако поскольку мультиметр при измерениях ВЧ напряжения не соединяется с общим проводом (он фактически включен в диагональ моста), невозможно это сделать напрямую. Использовать в этом случае какие-либо электронные устройства (например как это сделано в ) нецелесообразно. Два дополнительных гальванических элемента типа АА обеспечат работу измерительной головки на протяжении очень длительного време ни, даже без отключения питания, поскольку потребляемый ею ток сопоставим с током саморазрядки элементов. При питании головки от двух эле ментов АА сопротивление резисторов R1 и R3 (рис 4) следует уменьшить до 300 кОм. Уменьшение тока через диод до 10 мкА не сказывается на характе ристиках измерительной головки.
коомная и ток через диод ограничен, превышение максимально допустимого входного напряжения не приводит к немедленному выходу диода из строя. Но при этом вольтметр также перестает быть линейным (занижает результаты измерений). Это явление иной раз приводит к курьезам вроде "КСВ зависит от уровня мощности передатчика", хотя КСВ конечно не изменяется. Просто в этом случае диодный вольтметр в измерительном узле КСВ метра при повышении мощности выходит за пре делы линейного выпрямления ВЧ напряжения.Борис Степанов
ЛИТЕРАТУРА
1. Степанов Б. ВЧ головка к цифровому
мультиметру. - Радио, 2006, № 8, с. 58, 59.
2 Бирюков С. Приставка к мультиметру для измерения температуры. - Радио, 2001, № 1, с. 54, 55.
Милливольтметры с линейной шкалой, описанные в литературе, традиционно выполняют по схеме с диодным выпрямителем, включенным в цепь отрицательной обратной связи усилителя переменного тока. Такие устройства довольно сложны, требуют применения дефицитных деталей, кроме того, к ним предъявляются достаточно жесткие конструктивные требования.
В то же время существуют весьма простые милливольтметры с нелинейной шкалой, где выпрямитель собран в выносном щупе, а в основной части используется простой усилитель постоянного тока (УПТ). По такому принципу построен прибор, описание которого предлагалось в журнале «Радио», 1984, № 8, с. 57. Эти приборы широкополосны, обладают высоким входным сопротивлением и малой входной емкостью, конструктивно просты. Но показания прибора условны, а истинное значение напряжения находят либо по градуировочным таблицам, либо по графикам. При использовании узла, предлагаемого автором, шкала такого милливольтметра становится линейной.
Рис.1
На рис. 1 изображена упрощенная схема прибора. Измеряемое высокочастотное напряжение выпрямляется диодом VD1 в выносном щупе и через резистор R1 поступает на вход УПТ А1. Из-за наличия в цепи отрицательной обратной связи диода VD2 усиление УПТ при малых напряжениях на входе увеличивается. Благодаря этому уменьшение выпрямленного диодом VD1 напряжения компенсируется и шкала прибора линеаризируется.
Рис.2
Милливольтметр, изготовленный автором, позволяет измерять напряжение в интервале 2,5 мВ... 25 В на 11 поддиапазонах. Полоса рабочих частот 100 Гц...75 МГц. Погрешность измерения не превышает 5 %.
Принципиальная схема прибора приведена на рис.2. Линеаризирующий каскад, выполненный на операционном усилителе DA1, работает на поддиапазонах «О...12,5 мВ», «0...25 мВ», «0...50 мВ» «0...125 мВ», «0...250 мВ», «О...500 мВ», «0...1,25 В». На остальных поддиапазонах амплитудная характеристика диода VD1 близка к линейной, поэтому вход оконечного каскада (на микросхеме DA2) подключен к выходу щупа через резистивный делитель напряжения (R7--R11). Кондснсаторы С4—С6 предотвращают самовозбуждение операционного усилителя DA2 и уменьшают возможные наводки на его вход.
В приборе использован миллиамперметр с током полного отклонения 1 мА. Подстроенные резисторы R14, R16—R23 — СП5-2. Резистор R7 составлен из двух сопротивлением 300 кОм, соединенных последовательно, R10 и R11 — из двух сопротивлением по 20 кОм. Диоды VD1, VD2 — германиевые высокочастотные.
О перациоиные усилители КР544УД1А можно заменить на любые другие с большим входным сопротивлением.
Особых требований к конструкции прибора не предъявляется. Конденсаторы Cl, С2, диод VDI и резистор RI монтируют в выносной головке, которую соединяют с прибором экранированным проводом. Ось переменного резистора R12 выведена на лицевую панель.
Налаживание начинают с установки стрелки измерительного прибора на нулевую отметку. Для этого переключатель SA1 переводят в положение «25 В», вход прибора соединяют с корпусом, а необходимую корректировку производят резистором R14. После этого переходят на диапазон «250 мВ», регулировкой резистора R12 устанавливают стрелку измерительного прибора на нулевую отметку и подбором резистора R2 добиваются наилучшей линейности шкалы. Затем проверяют линейность шкалы на остальных диапазонах. Если достичь линейности не удается, следует заменить один из диодов на другой экземпляр. Затем подстроечными резисторами R16—R23 калибруют прибор на всех диапазонах.
Примечание. Обращаем внимание читателей, что согласно справочным данным максимальные постоянные и импульсное обратные напряжения для примененного автором статьи в выносном щупе (диод ГД507А) равны 20 В. Поэтому далеко не каждый экземпляр этого типа диодов сможет обеспечить работу прибора на двух последних поддиапазонах.
А. Пугач г. Ташкент
Радио, №7, 1992г.
Высокая точность измерений величины ВЧ-напряжений (до третьего-четвертого знака) в радиолюбительской практике, собственно, и не нужна. Больше важна качественная составляющая (наличие сигнала достаточно высокого уровня - чем больше, тем лучше). Обычно, при измерении ВЧ-сигнала на выходе гетеродина (генератора), такая величина не превышает 1,5 - 2 вольт, а сам контур в резонанс настраивают по максимальной величине ВЧ напряжения. При настройках в трактах ПЧ сигнал покаскадно повышающаяся от единиц до сотни милливольт.
При настройках гетеродинов, трактов ПЧ до сих пор часто применяются ламповые вольтметры (типа ВК 7-9, В7-15 и др.) с диапазонами измерений 1 - 3в. Высокое входное сопротивление и малая входная емкость в таких приборах является определяющим фактором, а погрешность составляет до 5-10% и определяется точностью применяемой стрелочной измерительной головки. Измерения таких же параметров можно проводить с помощью самодельных стрелочных приборов, схемы которых выполнены на микросхемах с полевыми транзисторами на входе. Например, в ВЧ милливольтметре Б.Степанова (2) входная емкость составляет всего 3 пФ, сопротивление на различных поддиапазонах (от 3 мВ до 1000 мВ) даже в худшем случае не превышает 100 кОм при погрешности +/- 10% (определяется применяемой головкой и погрешностью КИП для градуировки). При этом измеряемое ВЧ напряжение с верхней границей частотного диапазона 30 мГц без явной частотной погрешности, что вполне приемлемо в радиолюбительской практике.
По схемотехнике предлагаемый прибор очень прост, а минимум применяемых комплектующих найдутся «в ящике» практически каждого радиолюбителя. Собственно, в схеме ничего нового нет. Применение ОУ для таких целей подробно описано в радиолюбительской литературе 80-90 годов (1, 4). Использована широкораспространенная микросхема К544УД2А (или УД2Б, УД1А, Б) с полевыми транзисторами на входе (а значит и с высоким входным сопротивлением). Можно применять любые операционные усилители других серий с полевиками на входе и в типичном включении, например, К140УД8А. Технические характеристики милливольтметра-вольтметра соответствуют приведенным выше, поскольку основой прибора стала схема Б.Степанова (2).
В режиме вольтметра коэффициент усиления ОУ равен 1 (100% ООС) и напряжение измеряется микроамперметром до 100 мкА с добавочными сопротивлениями (R12 - R17). Они, собственно, и определяют поддиапазоны прибора в режиме вольтметра. При уменьшении ООС (переключателем S2 включаются резисторы R6 - R8) Кус. возрастает, соответственно повышается чувствительность операционного усилителя, что позволяет его использовать в режиме милливольтметра.
Особенностью предлагаемой разработки является возможность работы прибора в двух режимах - вольтметра постоянного тока с границами от 0,1 до 1000 в, и милливольтметра с верхними границами поддиапазонов 12,5, 25, 50 мВ. При этом в двух режимах используется один и тот же делитель (Х1, Х100), так что, к примеру, на поддиапазоне 25 мВ (0,025 в) с применением множителя Х100 можно измерять напряжение 2,5 в. Для переключения поддиапазонов прибора применен один многопозиционный двухплатный переключатель.
С применением выносного ВЧ-пробника на германиевом диоде ГД507А можно измерять ВЧ-напряжение в тех же поддиапазонах с частотой до 30 мГц.
Диоды VD1, VD2 защищают стрелочный измерительный прибор от перегрузкок при работе.
Еще одной особенностью защиты микроамперметра при переходных процессах, возникающих при включении-выключении прибора, когда стрелка прибора зашкаливает и может даже погнуться, является применение релейного отключения микроамперметра и замыкание выхода ОУ на нагрузочный резистор (реле Р1, С7 и R11). При этом (при включении прибора) на зарядку С7 требуются доли секунды, поэтому реле срабатывает с задержкой и микроамперметр подключается к выходу ОУ на доли секунды позже. При выключении прибора С7 разряжается через лампу-индикатор очень быстро, реле обесточивается и разрывает цепь подключения микроамперметра раньше, чем полностью обесточатся цепи питания ОУ. Защита собственно ОУ осуществляется включением по входу R9 и С1. Конденсаторы С2, С3 являются блокировочными и предотвращают возбуждение ОУ.
Балансировка прибора («установка 0») осуществляется переменным резистором R10 на поддиапазоне 0,1 в (можно и на более чувствительных поддиапазонах, но при включенном выносном пробнике возрастает влияние рук). Конденсаторы желательны типа К73-хх, но при их отсутствии можно взять и керамические 47 - 68н. В выносном щупе-пробнике применен конденсатор КСО на рабочее напряжение не менее 1000в.
Настройка милливольтметра-вольтметра проводится в такой последовательности. Сначала настраивают делитель напряжения. Режим работы - вольтметр. Подстроечный резистор R16 (поддиапазон 10в) устанавливают на максимальное сопротивление. На сопротивлении R9, контролируя образцовым цифровым вольтметром, устанавливают напряжение от стабилизированного источника питания 10 в (положении S1 - Х1, S3 - 10в). Затем в положении S1 - Х100 подстроечными резисторами R1 и R4 по образцовому вольтметру устанавливают 0,1в. При этом в положении S3 - 0,1в стрелка микроамперметра должна установиться на последнюю отметку шкалы прибора. Соотношение 100/1 (напряжение на резисторе R9 - Х1 - 10в к Х100 - 0,1в, когда положение стрелки настраиваемого прибора на последнем делении шкалы на поддиапазоне S3 - 0,1в) проверяют и корректируют несколько раз. При этом обязательное условие: при переключении S1 образцовое напряжение 10в менять нельзя.
Далее. В режиме измерения постоянного напряжения в положении переключателя делителя S1 - Х1 и переключателя поддиапазонов S3 - 10в переменным резистором R16 устанавливают стрелку микроамперметра на последнее деление. Результатом (при 10 в на входе) должны быть одинаковые показания прибора на поддиапазоне 0,1в - Х100 и поддиапазоне 10в - Х1.
Методика настройки вольтметра на поддиапазонах 0,3в, 1в, 3в и 10в прежняя. При этом положения движков резисторов R1, R4 в делителе менять нельзя.
Режим работы - милливольтметр. На входе 5 в. В положении S3 - 50 мВ делитель S1 - Х100 резистором R8 устанавливают стрелку на последнее деление шкалы. Проверяем показания вольтметра: на поддиапазоне 10в Х1 или 0,1в Х100 стрелкка должна быть на середине шкалы - 5в.
Методика настройки на поддиапазонах 12,5мВ, и 25мВ такая же, как и для поддиапазона 50мВ. На вход подается соответственно 1,25в и 2,5в при Х 100. Проверка показаний проводится в режиме вольтметра Х100 - 0,1в, Х1 - 3в, Х1 - 10в. Следует учесть, что когда стрелка микроамперметра находится в левом секторе шкалы прибора, погрешность при измерениях увеличивается.
Особенность такой методики калибровки прибора: не требуется наличие образцового источника питания 12 - 100 мВ и вольтметра с нижним пределом измерения меньше 0,1 в.
При калибровке прибора в режиме измерения ВЧ напряжений выносным пробником на поддиапазоны 12,5, 25, 50 мВ (при необходимости) можно построить корректирующие графики или таблицы.
Прибор собран навесным монтажом в металлическом корпусе. Его размеры зависят от размеров применяемой измерительной головки и трансформатора блока питания. В приведенной схеме работает двухполярный БП, собранный на трансформаторе от импортного магнитофона (первичная обмотка на 110в). Стабилизатор лучше всего собрать на МС 7812 и 7912 (или двух LM317), но можно и проще - параметрический, на двух стабилитронах. Конструкция выносного ВЧ пробника и особенности работы с ним подробно описана в (2, 3).
Используемая литература:
1. Б.Степанов. Измерение малых ВЧ напряжений. Ж. «Радио», № 7, 12 - 1980, с.55, с.28.
2. Б.Степанов. Высокочастотный милливольтметр. Ж. «Радио», № 8 - 1984, с.57.
3. Б.Степанов. ВЧ головка к цифровому вольтметру. Ж. «Радио», № 8, 2006,с.58.
4. М.Дорофеев. Вольтомметр на ОУ. Ж. «Радио», № 12, 1983, с.30.
ВЧ вольтметр с линейной шкалой
Роберт АКОПОВ (UN7RX), г. Жезказган Карагандинской обл., Казахстан
Одним из необходимых приборов в арсенале радиолюбителя-коротковолновика, безусловно, является высокочастотный вольтметр. В отличие от НЧ мультиметра или, например, компактного ЖК осциллографа, такой прибор в продаже встречается редко, да и стоимость нового фирменного довольно высока. Посему, когда назрела необходимость в таком приборе, он был построен, причем со стрелочным миллиамперметром в качестве индикатора, который, в отличие от цифрового, позволяет легко и наглядно оценивать изменения показаний количественно, а не путем сравнения результатов. Это особенно важно при налаживании устройств, где амплитуда измеряемого сигнала постоянно меняется. В то же время точность измерения прибора при использовании определенной схемотехники получается вполне приемлемой.
На схеме в журнале опечатка: R9 должен быть сопротивлением 4,7 МОм
ВЧ вольтметры можно разделить на три группы. Первые построены на базе широкополосного усилителя с включением диодного выпрямителя в цепь отрицательной ОС . Усилитель обеспечивает работу выпрямительного элемента на линейном участке ВАХ. В приборах второй группы применяют простейший детектор с высокоомным усилителем постоянного тока (УПТ). Шкала такого ВЧ вольтметра на нижних пределах измерений нелинейна, что требует применения специальных градуировочных таблиц либо индивидуальной калибровки прибора . Попытка в какой-то мере линеаризировать шкалу и сдвинуть порог чувствительности вниз путем пропускания небольшого тока через диод проблему не решает. До начала линейного участка ВАХ эти вольтметры являются, по сути, индикаторами . Тем не менее такие приборы, как в виде законченных конструкций, так и приставок к цифровым мультиметрам, весьма популярны, о чем свидетельствуют многочисленные публикации в журналах и сети Интернет.
Третья группа приборов использует линеаризацию шкалы, когда линеаризирующий элемент включен в цепь ОС УПТ для обеспечения необходимого изменения усиления в зависимости от амплитуды входного сигнала. Подобные решения нередко используют в узлах профессиональной аппаратуры, например, в широкополосных высоколинейных измерительных усилителях с АРУ, либо узлах АРУ широкополосных ВЧ генераторов. Именно на таком принципе построен описываемый прибор, схема которого с незначительными изменениями заимствована из .
При всей очевидной простоте ВЧ вольтметр имеет очень неплохие параметры и, естественно, линейную шкалу, избавляющую от проблем с градуировкой.
Диапазон измеряемого напряжения — от 10 мВ до 20 В. Рабочая частотная полоса — 100 Гц…75 МГц. Входное сопротивление — не менее 1 МОм при входной емкости не более нескольких пикофарад, которая определяется конструкцией детекторной головки. Погрешность измерений — не хуже 5 %.
Линеаризирующий узел выполнен на микросхеме DA1. Диод VD2 в цепи отрицательной ОС способствует повышению усиления этой ступени УПТ при малых значениях входного напряжения. Снижение выходного напряжения детектора компенсируется, в результате показания прибора приобретают линейную зависимость. Конденсаторы С4, С5 предотвращают самовозбуждение УПТ и уменьшают возможные наводки. Переменный резистор R10 служит для установки стрелки измерительного прибора РА1 на нулевую отметку шкалы перед проведением измерений. При этом вход детекторной головки должен быть замкнут. питания прибора особенностей не имеет. Он выполнен на двух стабилизаторах и обеспечивает двуполярное напряжение 2×12 В для питания операционных усилителей (сетевой трансформатор на схеме условно не показан, но входит в состав набора для сборки).
Все детали прибора, за исключением деталей измерительного щупа, смонтированы на двух печатных платах из односторонне фольгированного стеклотекстолита. Ниже приведена фотография платы УПТ, платы а питания и измерительного щупа.
Миллиамперметр РА1 — М42100, с током полного отклонения стрелки 1 мА. Переключатель SA1 — ПГЗ-8ПЗН. Переменный резистор R10 — СП2-2, все подстроечные резисторы — импортные многооборотные, например 3296W. Резисторы нестандартных номиналов R2, R5 и R11 могут быть составлены из двух, включенных последовательно. Операционные усилители можно заменить другими, с высоким входным сопротивлением и желательно с внутренней коррекцией (чтобы не усложнять схему). Все постоянные конденсаторы — керамические. Конденсатор СЗ смонтирован непосредственно на входном разъеме XW1.
Диод Д311А в ВЧ выпрямителе выбран из соображения оптимальности максимально допустимого ВЧ напряжения и эффективности выпрямления на верхней измеряемой частотной границе.
Несколько слов о конструкции измерительного щупа прибора. Корпус щупа изготовлен из стеклотекстолита в виде трубки, поверх которой надет экран из медной фольги.
Внутри корпуса размещена плата из фольгированного стеклотекстолита, на которой смонтированы детали щупа. Кольцо из полоски луженой фольги примерно посредине корпуса предназначено для обеспечения контакта с общим проводом съемного делителя, который можно навинтить вместо наконечника щупа.
Налаживание прибора начинают с балансировки ОУ DA2. Для этого переключатель SA1 устанавливают в положение «5 В», замыкают вход измерительного щупа и подстроечным резистором R13 устанавливают стрелку прибора РА1 на нулевую отметку шкалы. Затем переключают прибор в положение «10 мВ», на его вход подают такое же напряжение, и резистором R16 устанавливают стрелку прибора РА1 на последнее деление шкалы. Далее на вход вольтметра подают напряжение 5 мВ, стрелка прибора должна быть примерно на середине шкалы. Линейности показаний добиваются подборкой резистора R3. Ещё лучшей линейности можно добиться подборкой резистора R12, однако следует иметь в виду, что это повлияет на коэффициент усиления УПТ. Далее калибруют прибор на всех поддиапазонах соответствующими подстроечными резисторами. В качестве а образцового напряжения при градуировке вольтметра автор использовал генератор Agilent 8648A (с подключенным к его выходу эквивалентом нагрузки сопротивлением 50 Ом), имеющий цифровой измеритель уровня выходного сигнала.
Всю статью из журнала Радио №2, 2011 можно загрузить отсюда
ЛИТЕРАТУРА:
1. Прокофьев И., Милливольтметр-Q-метр. — Радио, 1982, №7, с. 31.
2. Степанов Б., ВЧ головка к цифровому мультиметру. — Радио, 2006, № 8, с. 58, 59.
3. Степанов Б., ВЧ вольтметр на диоде Шоттки. — Радио, 2008, № 1, с. 61, 62.
4. Пугач А., Высокочастотный милливольтметр с линейной шкалой. — Радио, 1992, № 7, с. 39.
Стоимость печатных плат (щупа, основной платы и платы БП) с маской и маркировкой: 80 грн.