Высокочастотный милливольтметр, схема на четырех транзисторах
При налаживании и ремонте приемной и передающей аппаратуры одного мультиметра уже становится недостаточно, потому что требуется измерять относительно небольшие высокочастотные напряжения.
Обычно для измерения ВЧ-сигналов используют ВЧ-осциллографы или ВЧ-милливольтметры промышленного производства, либо детекторные головки для работы совместно с мультиметрами или другими приборами для измерения постоянного напряжения.
И все же лучше чтобы в лаборатории был свой достаточно простой и недорогой ВЧ-милливопьтметр, пусть даже стрелочный, но достаточно эффективный.
В этой статье приводится схема самодельного высокочастоного милливольтметра, способного измерять переменное напряжение в четырех диапазонах с максимальными значениями 0,03V, 0,ЗV, ЗV и 10V, сохраняя среднюю точность не хуже 10% при работе в частотном диапазоне 40 кГц . 400 МГц.
Принципиальная схема
Схема представляет собой дифференциальный усилитель постоянного тока с миллиамперметром на выходе, включенным между его выходами.
На один вход усилителя подается напряжение смещения, приведенное к нулю, а на второй — входное напряжение. Фактически это милливольтметр постоянного тока, со смещенным входом (на входе присустствует постоянное напряжение).
Для измерения переменного напряжения используется выносная детекторная головка в которой происходит выпрямление измеряемого ВЧ-напряжения и компенсация наводок, которые могут иметь место и мешать работе прибора.
Рис. 1. Принципиальная схема высокочастотного милливольтметра на транзисторах.
На диодах VD1 и VD2 выполнен детектор, на него измеряемый сигнал поступает через конденсатор С1. На конденсаторе С2 выделяется постоянное напряжение.
Здесь используются кремниевые диоды, которые, как известно, не могут детектировать напряжение ниже своего прямого напряжения падения. Потому что ниже этого значения диод не имеет «диодных» свойств.
Чтобы можно было детектировать сигналы, ниже этого напряжения, нужно на диоды подать прямое напряжение смещения, которое сместит рабочую точку детектирования в область с достаточной крутизной ВАХ.
Здесь это достигается цепью на диодах VD3 и VD4. На них выделяется постоянное напряжение, которое подается на диоды детектора, и компенсирует величину прямого напряжения падения на них.
Налаживание
При достаточной точности сопротивлений налаживание заключается в юстировке прибора резисторами R19 и R18. R10 служит для установки нуля.
Источник
Каталог радиолюбительских схем
Определение многих параметров радиоэлектронной аппаратуры, и в частности звуковоспроизводящей, в конечном итоге сводится к измерению переменных напряжений различной формы. На практике радиолюбителю приходится сталкиваться со всеми четырьмя значениями переменного напряжения: средним значением — U0, средневыпрямленным — Uср.в , среднеквадратичным — U и пиковым — Um. Среднее значение напряжения равно его постоянной составляющей; средневыпрямленное значение — среднему значению абсолютной величины переменного напряжения; среднеквадратичное — корню квадратному из среднеарифметического значения квадратов мгновенных значений напряжений за данный отрезок времени, а пиковое — наибольшему мгновенному значению напряжения за время измерения Т. Связь между этими значениями определяют коэффициенты формы Кф и амплитуды Ки.
Значения коэффициентов для напряжений некоторых форм приведены в табл. 1.
Естественно, что и вольтметры переменного напряжения также подразделяются на линейные, показания которых пропорциональны Uср.в, квадратичные, показания которых пропорциональны V, п импульсные, показания которых пропорциональны Uт.
Но наибольший интерес для радиолюбителей представляет среднеквадратичное значение напряжения, так как именно ему пропорциональна мощность сигнала или громкость звука. Поэтому шкалы вольтметров всех типов (за исключением специальных импульсных) градуируют в среднеквадратичных значениях части встречающегося на практике напряжения синусоидальной формы. Для линейных вольтметров такая градуировка сводится к изменению масштаба шкалы в П2V2=1.11 раза. Однако при этом нельзя забывать, что показания такого вольтметра будут верны только при измерении напряжения синусоидальной формы.
Типичными случаями некорректного применения линейных вольтметров являются измерение уровня помех и шумов, пульсаций постоянных питающих напряжений, напряжения гармоник и т. п. В этих и большинстве других случаях результаты измерений оказываются существенно заниженными, что приводит к искусственному завышению параметров качества (т. е. уменьшению уровня помех, шумов, напряжения пульсаций, коэффициента гармоник и т. д.) исследуемых устройств.
Вольтметры истинных среднеквадратичных значений, показания которых верны для напряжений любой формы, значительно сложнее линейных. Это обусловлено необходимостью применения для выпрямления квадратичных детекторов. Обычно квадратичную характеристику получают с помощью диодов или термопреобразователей [1]. Не останавливаясь подробно на этих схемных решениях, отметим, что вольтметры с квадратичным детектором на диодах имеют нелинейную шкалу и низкую температурную стабильность (из-за низкой температурной стабильности вольтамперной характеристики диодов). Термопреобразователи имеют очень маленькую термо-ЭДС (что вынуждает применять для ее усиления сложные УПТ с модуляцией), потребляют сравнительно большую мощность и не допускают даже кратковременных перегрузок.
Используя ОУ, включенные по схеме логарифмирующих и антилогарифмирующих усилителей [2], можно построить преобразователь среднеквадратичных значений, свободный от перечисленных недостатков, но даже упрощенная схема такого преобразователя содержала бы не менее семи ОУ.
Можно, однако, построить преобразователь всего на двух ОУ по схеме, приведенной на рис. 1.
Если предположить, что ОУ A1 и А2 — идеальные (а большинство современных ОУ можно считать таковыми), обратные токи диодов V1— V4— малыми и постоянную времени цепи C1R2 много больше времени измерения, то выходное постоянное напряжение будет в точности равно среднеквадратичному значению входного напряжения в масштабе, определяемом отношением сопротивлений резисторов R2/R1. Достоинством такого преобразователя, кроме простоты, является еще и то, что в качестве индикатора может быть использован стрелочный измерительный прибор с линейной шкалой. Функциональная схема милливольтметра истинных среднеквадратичных значений, в основе которого лежит описанный выше преобразователь, приведена на рис. 2.
Измеряемое напряжение поступает на входной делитель U1 и далее на линейный усилитель A1. Переключателем S1 в цепь обработки сигнала можно включить псофометрический взвешивающий фильтр ZI, после которого следует еще один делитель U2 и линейный усилитель A2. Далее сигнал попадает в блок U3, выделяющий абсолютную величину входного напряжения, и с его выхода — на преобразователь среднеквадратичных значений U4. Результаты измерений отображаются стрелочным измерительным прибором PU1.
Основные технические характеристики милливольтметра
Пределы измеряемых напряжений, мВ . . . . . . 1. 500 • 10 3
Погрешность измерений, %, ие более . . . . . . . 1,5
Неравномерность АЧХ в диапазоне частот
2 Гц. . 2,2 МГц, дБ, не более . . . . . . . . . ±1
5 Гц. 2 МГц, дБ, не более . . . . . . . . . . . . ±0,2
Входное сопротивление на всех пределах
при частоте 1000 Гц, МОм, не менее . . . . . . . . . 1,8
Входная емкость на всех пределах при частоте 1000 Гц, пФ, не более . 10
Время установления показаний, с, не более . . . . 1
Амплитудно-частотная характеристика милливольтметра приведена на рис. 3,
а график изменения показаний, вызванных изменением коэффициента амплитуды (вплоть до Kа=15) при условии, что частоты основных гармоник измеряемого напряжения не превышают 2,2 МГц, показан на рис. 4.
Встроенные фильтры имеют характеристики взвешивания.по кривым А, В и С в соответствии с публикацией № 179-73 Международной электротехнической комиссии.
Принципиальная схема милливольтметра приведена на рис. 5а, 5б, 5г. Входной делитель (рис. 5а) содержит пять ступеней и выполнен на резисторах R1—R10. Для получения частотнонезависимого коэффициента деления в него введены корректирующие конденсаторы С2—С11.
Входной усилитель собран на транзисторах V3—V6 и матрице полевых транзисторов A1 и представляет собой операционный усилитель с большим входным сопротивлением, высокой частотой единичного усиления (90 МГц) и малой входной емкостью (2,1 пФ). Элементы ООС R19C12R14 обеспечивают коэффициент усиления ЗЧ в полосе частот до 5 МГц. Для зашиты усилителя от перегрузок по входу использовано встречно-параллельное включение диодов V1 и V2.
С выхода усилителя сигнал поступает на переключатель S3, которым может быть выбрана необходимая частотная характеристика милливольтметра: линейная в полосе от 5 Гц до 2 МГц или одна из характеристик частотного взвешивания для измерения уровня шумов. Собственно взвешивающие фильтры выполнены на ОУ А2 и A5. Частотные характеристики формируются цепями R44C18, C20R48, C20R48R49, R50C21, R51C24 и соответствуют требованиям публикации МЭК [4] .приведенным в табл. 2.
| Таблица 2 | |||||
| Относительные частотные характеристики взвешивающих фильтров | |||||
| Частота, Гц | КриваяA, дБ | Кривая B, дБ | Кривая C, дБ | Допускаемые отклонения, дБ | |
| + | — | ||||
| 10 | -70,4 | -38,2 | -14,3 | 3 | — |
| 12,5 | -63,4 | -33,2 | -11,2 | 3 | — |
| 16 | -56,7 | -28,5 | -8,5 | 3 | — |
| 20 | -50,5 | 24,2 | -6,2 | 3 | -3 |
| 25 | -44,7 | -20,4 | -4,4 | 2 | -2 |
| 31,5 | -39,4 | -17,1 | 3,0 | 1,5 | -1,5 |
| 40 | -34,6 | -14,2 | -2,0 | 1,5 | -1,5 |
| 50 | -30,2 | -11,6 | -1,3 | 1,5 | -1,5 |
| 63 | -26,2 | -9,3 | -0,8 | 1,5 | -1,5 |
| 80 | -22,5 | -7,4 | -0,5 | 1,5 | -1,5 |
| 100 | -19,1 | -5,6 | -0,3 | 1 | -1 |
| 125 | -16,1 | -4,2 | -0,2 | 1 | -1 |
| 160 | -13,4 | -3,0 | -0,1 | 1 | -1 |
| 200 | -10,9 | -2,0 | 0 | 1 | -1 |
| 250 | -8,6 | -1,3 | 0 | 1 | -1 |
| 315 | -6,6 | -0,8 | 0 | 1 | -1 |
| 400 | -4,8 | -0,5 | 0 | 1 | -1 |
| 500 | -3,2 | -0,3 | 0 | 1 | -1 |
| 630 | -1,9 | -0,1 | 0 | 1 | -1 |
| 800 | -0,8 | 0 | 0 | 1 | -1 |
| 1000 | 0 | 0 | 0 | 1 | -1 |
| 1250 | 0,6 | 0 | 0 | 1 | -1 |
| 1600 | 1,0 | 0 | -0,1 | 1 | -1 |
| 2000 | 1,2 | 0,1 | -0,2 | 1 | -1 |
| 2500 | 1,3 | -0,2 | -0,3 | 1 | -1 |
| 3150 | 1,2 | -0,4 | -0,5 | 1 | -1 |
| 4000 | 1,0 | -0,7 | -0,8 | 1 | -1 |
| 5000 | 0,5 | -1,2 | -1,3 | 1,5 | -1,5 |
| 6300 | -0,1 | -1,9 | -2,0 | 1,5 | -2 |
| 8000 | -1,1 | -2,9 | -3,0 | 1,5 | -3 |
| 10000 | -2,5 | -4,3 | -4,4 | 2 | -4 |
| 12500 | -4,3 | -6,1 | -6,2 | 3 | -6 |
| 16000 | -6,6 | -8,4 | -8,5 | 3 | — |
| 20000 | -9,3 | -11,1 | -11,2 | 3 | — |
Коэффициент передачи фильтров на частоте 1 кГц выбран равным +40 дБ, что повышает удобство пользования милливольтметром при измерении относительного уровня шумов. Далее сигнал поступает на второй делитель напряжения, выполненный на резисторах R26—R28 и имеющий коэффициент деления 2 и 5, что позволяет использовать шкалу стрелочного измерительного прибора, имеющую обычно 100 делений.
На транзисторах V9—V16 (рис. 5б) собран широкополосный усилитель, схема которого в основном соответствует схеме сверхскоростного гибридного ОУ LН0024 |5]. Элементы ООС задают коэффициент усиления около ЗЧ (с учетом входного усилителя —1000), что обеспечивает усиление входного сигнала до необходимого уровня (1 В). При этом размах выходного напряжения составляет ±14,5 В, а скорость изменения выходного напряжения — более 350 В/мкс. Такие характеристики исключают погрешность при измерении напряжений, имеющих большой коэффициент амплитуды, обеспечивая тем самым точное измерение среднеквадратичного значения импульсных сигналов со скважностью более 200 при длительности импульсов 3 мкс. С выхода широкополосного усилителя сигнал через развязывающий эмнттерный повторитель поступает на гнездо Х2, с которого сигнал может быть подан на осциллограф или анализатор спектра для визуального анализа, и через конденсатор С34 — на вход узла выделения абсолютной величины напряжения, выполненного на ОУ А6 по схеме прецизионного двухполупериодного выпрямителя. Для суммирования прямого и инвертированного сигналов используется инвертирующий вход ОУ A5 (прямой сигнал подается через резистор R60, а инвертированный для отрицательной полуволны — через R68, R69).
Среднеквадратичный преобразователь выполнен по схеме, ряссмотренной выше на ОУ A8 и A9. В качестве диодов использованы согласованные транзисторы микросхемы К198НТ1Б (A7) в диодном включении. Это позволило получить малый температурный дрейф показаний милливольтметра и исключить необходимость подстроенного регулятора установки нуля. Для повышения точности обработки коротких импульсов и высокочастотных сигналов в ОУ A6 и А8 введена коррекция на опережение по высокочастотным составляющим (R65C35 и R71C38), увеличивающая максимальную скорость изменения выходного напряжения этих ОУ до 120 В/мкс.
С выхода преобразователя постоянное напряжение (соответствующее среднеквадратичному значению входного) через резистор R80 поступает на стрелочный измерительный прибор, через резистор R83 — на гнездо Х3 (это позволяет использовать милливольтметр как среднеквадратический преобразователь в различных системах) и через резистор R81 — на компаратор, выполненный на ОУ A10. Пока напряжение на выходе ОУ А9 меньше nopoгового, определяемого резистором R82 (т. е. показания прибора P1 меньше 100%), на базу транзистора V24 с выхода ОУ А10 через токоограничивающий резистор R86 поступает запирающее напряжение. Если же на вход милливольтметра подано напряжение, большее максимального для установленного предела измерения, то напряжение на выходе компаратора А10 становится положительным, переводя транзистор V14 в насыщение. При этом загорается индикаторный светодиод V25, а контакты реле K1 замыкают накоротко клеммы измерительного прибора, исключая зашкаливание последнего. Для введения небольшого “гистерезиса” компаратор охвачен положительной обратной связью через резистор R84.
Блок питания милливольтметра выполнен на интегральных стабилизаторах А4 и А5 по стандартной схеме рис.5с.
Для предохранения от выхода из строя при монтаже и настройке прибора в блоке питания предусмотрена зашита от коротких замыканий (резисторы R52, R53). Для улучшения развязки блоков милливольтметра (это необходимо для предотвращения самовозбуждения ОУ и получения линейной АЧХ усилителей) в цепях питания микросхем предусмотрены блокировочные конденсаторы (С23, С36, С40, С42, С43), а входной усилитель питается от собственного стабилизатора (R24V7 и R25V8).
О конструкции милливольтметра будет рассказано в следующем номере.
1. Справочник по радиоэлектронным устройствам. Том. 2. Под редакцией Д. П. Линде.— М.. Энергия. 1978.
2. G. В. Clayton. Using transistors for logarithmic conversion. «Wireless World», 1973, January pp. 32—35.
3. И. П. СТЕПАНЕНКО. Основы теории транзисторов и транзисторных схем.— М., Энергия, 1977.
4. IEC Publication 179 (1973). Precision sound level meters.
5. Linear Integrated Circuits. Каталог фирмы National Semiconductor.
Источник