ВЧ вольтметр с линейной шкалой

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: Вольтметры

Опубликовано: 18.03.2017 02:05

Просмотров: 14411

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.
ВЧ вольтметры можно разделить на три группы. Первые построены на базе широкополосного усилителя с включением диодного выпрямителя в цепь отрицательной ОС [1]. 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 [2]. 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 [3]. 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 (рис. 1) с незначительными изменениями заимствована из [4].
 
 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. Источник питания прибора особенностей не имеет. Он выполнен на двух стабилизаторах (рис. 2) и обеспечивает двуполярное напряжение 2x12 В для питания операционных усилителей.
 
Все детали прибора, за исключением деталей измерительного щупа, смонтированы на двух печатных платах из односторонне фольгированного стеклотекстолита.
 На рис. 3 представлен чертеж платы УПТ,
 
 а на рис. 4 — платы источника питания.
 
 Конструкция прибора показана на фотографиях — рис. 5 и 6.
 
 
 Размеры его корпуса — 190x100x140 мм.
Миллиамперметр РА1 — М42100, с током полного отклонения стрелки 1 мА. Переключатель SA1 — ПГЗ-11ПЗН. Переменный резистор R10 — СП2-2, все подстроечные резисторы — импортные многооборотные, например PV34F Резисторы нестандартных номиналов R2, R5 и R11 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 (рис. 7).
 
 Внутри корпуса размещена плата из двустронне фольгированного стеклотекстолита, на которой смонтированы детали щупа (рис. 8).
 
 На противоположной стороне платы на участке, расположенном непосредственно под деталями, удалена фольга, что позволило получить минимальную паразитную входную ёмкость прибора.
Декоративный корпус щупа (рис. 9) — это пластиковые пеналы подходящих размеров (например, от губной помады или какой-либо другой "косметики").
 
 Кольцо из полоски луженой фольги примерно посредине корпуса предназначено для обеспечения контакта с общим проводом съемного делителя, который можно навинтить вместо наконечника щупа (заготовка делителя видна на рис. 9).
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 источника 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.
Радио №2, 2011
ЛИТЕРАТУРА
1.  Прокофьев  И.  Милливольтметр — Q-метр. — Радио, 1982, №7, с. 31.
2.  Степанов Б.   ВЧ   головка к цифровому мульти-
метру. - - 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.