Измеряем вч напряжение цифровым мультиметром

http://cqham.ru/vom.htm

 Для измерения ВЧ напряжений обычным вольтметром постоянного тока можно изготовить к нему детекторную приставку. Такая приставка позволяет измерять ВЧ напряжения от нескольких сотен милливольт до напряжения пробоя диодов в приставке. На Рис. 1 показано два типа простых диодных детекторов, последовательный и параллельный. О преимуществе того или  другого можно долго спорить, но удобнее, всё же, параллельный, если учесть конструкцию СВЧ диодов, применяемых в приставке, которые одним выводом должны быть непосредственно закреплены на корпусе устройства. Конструкция устройства для измерения ВЧ напряжений может быть выполнена по-разному, но детали левой части схемы, отделённой кривой, должны быть соединены между собой короткими выводами. Резисторный (активный) эквивалент нагрузки (например, 50 Ом) может быть включен параллельно входу для измерения напряжения на нагруженных выходах усилителей и источников сигналов.

Рис.1. Основные схемы детекторов. При измерениях мощности параллельно

       входу следует подключить эквиваленты нагрузки 50 или 75 Ом

       RF – ВЧ. GND – Корпус, “земля”. Shunt detector – параллельный детектор.

       Series detector - последовательный детектор. Keep these leads short -

       выводы деталей здесь должны быть короткими. 10 Megohm Voltmeter -

       вольтметр постоянного тока с входным сопротивлением 10 Мом. Output

       Voltage – выходное напряжение. Input Voltage - входное напряжение.

       Можно использовать также диоды: 1N21, 1N23, 1N830…833, HP диоды

       5082-28xx, 5082-23xx, 5082-29xx или другие точечные диоды,  

       малосигнальные диоды с барьером Шоттки.

 Для использования в детекторах хорошо подходит малосигнальный диод с барьером Шоттки, такой как, например, доступный 1N5711, однако, германиевые диоды, такие как 1N60, 1N34 или даже 1N270 также обеспечивают отличную чувствительность.  Обычно применяемый кремниевый диод 1N914 также можно использовать в детекторе, но  он .будет причиной ошибки примерно в 300 мВ (из-за “ступеньки”, при напряжении ниже которой, диод не выполняет свои функции – UA9LAQ) при измерении амплитудных значений ВЧ напряжения. В этом случае, ошибка с диодом 1N5711 составит около 100 мВ, а с германиевыми диодами - 60 мВ. При измерении довольно больших РЧ напряжений, результат уменьшается на величину ошибки. При измерении напряжений ниже удвоенного напряжения “ступеньки” диодная приставка начинает давать значительные погрешности (нелинейность детектирования – UA9LAQ). На Рис. 2 показан способ устранения “ступеньки”, в результате – вольтметр показывает правильное значение напряжения, начиная с нескольких сотен милливольт.

      Сопротивление 82 кОм может изменяться для получения лучшей

      компенсации индивидуально под каждый тип и экземпляр диода. Другой

      диод может быть установлен на место резистора 82 кОм (или в

      комбинации с ним) для обеспечения термокомпенсации (напряжение

      “ступеньки” зависит от температуры). 82k with 1N5711 (select for zero

      offset) – при применении диода 1N5711 сопротивление резистора составляет

      примерно 82 кОм и подбирается по полной компенсации напряжения

      “cтупеньки”.

  Батарея и резисторы обеспечивают отрицательное (компенсирующее – UA9LAQ) напряжение около 100 мВ, которое хорошо подходит  для 1N5711. Другие диоды требуют другого компенсирующего напряжения и сопротивление резистора 82 кОм может быть изменено для получения точного значения напряжения ВЧ сигнала при измерении до нескольких вольт. Если Вы выбираете подстраиваемое компенсирующее напряжение, то вместо постоянного резистора в 82 кОм можно установить потенциометр сопротивлением 100 кОм. Если необходимо измерять средне-квадратичное значение напряжения сигнала, последовательно в цепь вольтметра с входным сопротивлением 10 МОм добавьте резистор 4,15 МОм (хорошо подойдёт резистор сопротивлением 3, 9 МОм последовательно включенный с резистором - 270 кОм). На Рис. 3 показана дифференциальная версия измерителя, подходящая для измерения ВЧ напряжения прямо на компонентах в схеме. Пробник должен обеспечивать одинаковые показания измерителя независимо от “полярности” подключения его выводов.

       напряжений с помощью вольтметра постоянного тока.

       1,5 VDС - напряжение постоянного тока 1,5 В.

  Диодные детекторы имеют квадратичную характеристику для входных сигналов ниже примерно 100 мВ. Силовые детекторы (выпрямители) могут быть сконструированы с учётом квадратичной характеристики, но их расчёт и конструкция здесь не рассматриваются. При их расчёте,  однако, следует учитывать несколько факторов. Для достижения большей чувствительности, диоды должны быть согласованы как можно тщательнее с источником сигнала. Поскольку диоды обычно имеют очень высокий динамический импеданс, то это согласование является лучшим, что можно сделать, включая дополнительно подключаемую пассивную согласующую цепь для достижения лучшего КСВ. Диоды обычно получают смещение через резистор в несколько сотен Ом, чтобы уменьшить динамическое сопротивление и расширить квадратичную характеристику в сторону более высоких значений уровня выпрямляемого (детектируемого) сигнала. Резистором смещения диода может являться термистор с отрицательным температурным коэффициентом, подобранным для термокомпенсации изменения сопротивления диода. Второй диод со смещением постоянным током может быть использован для получения температурно зависимого напряжения, подаваемого на дифференциальный усилитель. Другая схема включает в себя второй диод в цепи обратной связи повторителя напряжения, как показано ниже:

       50 - омный резистор на входе можно заменить на 200 – килоомный, чтобы

       превратить пробник в таковой с линейной характеристикой для сигналов

       с уровнем больше 100 мВ.

       This version has no impedance matching. -  В этой версии пробника

       отсутствует согласование импедансов. Large value bias resistors –

       высокоомные резисторы смещения.

В эту схему включен 50-омный резистор, поскольку не предпринималось попыток согласовать детекторный диод. Оптимальное значение сопротивления будет зависеть от тока диода, а оптимальный ток диода будет зависеть от выбора экземпляра и типа диода и согласующей схемы, если таковая имеется. Множество параметров следует “снять”, прежде, чем получится, то, что нужно, тем не менее, приведённая выше схема даёт разумно обнадёживающие результаты. Поскольку измеряемые уровни сигналов малы, ограничивающим фактором применения схемы являются шумы. Шум  - с одной стороны и отклонения от квадратичной характеристики - с другой, являются ограничениями в применении квадратичного детектора.

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.

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.

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 %.

 

А. Пугач   г. Ташкент

1. "Радио" №7 1982  с.31

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.

Как правило разделяют два вида ВЧ вольтметров. В первых, используются широкополосные усилители [1], 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[2].
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. [3] 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.

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.

Схема прибора показана на рисунке1.

Конструктивно прибор состоит из трех частей. Измерительный детектор (ВЧ головка), плата УПТ с узлом линеаризации и плата стабилизаторов.

Конденсаторы С4, С5 предотвращают самовозбуждение УПТ и уменьшают возможные наводки.

Любые вопросы по устройству можно задать на форуме ARCalc.

1. "Радио" №7 1982  с.31
2. "Радио" №8 2006, с.58, 59.
3. "Радио" №1 2008, с.61, 62.
4. "Радио" №7 1992, с.39

ВЧ Вольтметр 100КГц – 70МГц, 1000В

Радиолюбителям в своей практике довольно часто приходится сталкиваться с измерением переменного напряжения как при настройке и ремонте аппаратуры, так и при снятии параметров какого-либо устройства. Однако промышленные вольтметры хотя и имеют высокие параметры, но для большинства радиолюбителей по прежнему малодоступны и к тому, же имеют большие габариты. Милливольтметры, применяемые радиолюбителями, должны удовлетворять целому ряду требований:

Они должны быть достаточно чувствительными, чтобы ими можно было измерять весьма малые переменные напряжения (до милливольта); Для повышения точности измерений шкала должна быть линейной;

Прибор должен быть портативным, иметь малое энергопотребление, чтобы его можно было использовать и в полевых условиях, т.е. он должен питаться от автономного источника питания (аккумуляторов или элементов постоянного тока); Милливольтметры должны иметь достаточно широкий диапазон измеряемой частоты от 1 МГц до десятков МГц; Измерять переменные напряжения больших величин до сотен вольт. Схемы опубликованных милливольтметров собраны в основном на дискретных элементах (транзисторах) или на операционных усилителях (ОУ). Схемотехника милливольтметров, описание которых приводится в литературе, основана обычно на трех принципах:

На основе применения в высокочастотной головке усилителя переменного тока, с которой усиленное высокочастотное напряжение подается на несколько каскадов усилителя переменного тока. Для линеаризации его шкалы в каждом каскаде включаются частотозависимые обратные связи по переменному току. Далее высокочастотное напряжение выпрямляется детектором и подается на измерительную головку. На рис. 1 показана блок-схема.

Но добиться линейности шкалы прибора в широком диапазоне измеряемых частот (1-100 МГц) очень трудно или практически невозможно. В то же время они обладают одним весьма важным преимуществом: возможностью измерять очень малые величины переменных напряжений (вплоть до десятков микровольт). Построение милливольтметров с нелинейной шкалой. Эти милливольтметры простые конструктивно. Выпрямитель в них собран в выносной головке (щупе), а в самом приборе находятся обычные усилители постоянного тока (УПТ), которые могут выполняться на основе транзисторов или операционных усилителей (ОУ). Эти приборы широкополосны, обладают большим входным сопротивлением и малой входной емкостью. Однако их показания условны, истинное значение необходимо определять по таблицам или графикам. В некоторых схемах на ОУ для линеаризации шкалы измерительный прибор включают в одну из диагоналей моста, а в другую включают цепь ОС быстродействующего ОУ. Эта схема требует применения высокочастотных диодов и быстродействующих ОУ (хотя сам частотный диапазон остается небольшим), имеет малую чувствительность, иногда склонна к самовозбуждению, так как цепь ОС нелинейна. Эта нелинейность приводит к тому, что АХЧ вольтметра на разных уровнях изменяется. В то же время, если применить идею, предложенную в начале статьи, шкала прибора линеаризуется. Измеряемое высокочастотное напряжение выпрямляется диодом VD1 в выносном щупе и через резистор R1 поступает на вход УПТ, выполненного на операционном усилителе DA1. Из-за наличия в отрицательной обратной связи диода VD2 усиление УПТ при малых напряжениях компенсируется, и шкала прибора ста­новится линейной. Предлагаемая схема милливольтметра свободна от большинства указанных недостатков. Милливольтметр предназначен для измерения эффективного значения синусоидального переменного напряжения в диапазоне частот от 100 Гц до 70 МГц. При наличии внешнего делителя 1:100 можно измерять напряжения до 1000 В. Однако измерять высокочастотное напряжение 1000 В не рекомендуется. Верхний предел измерений милливольтметра желательно ограничить, измерением напряжений до 300 В. Весь диапазон прибора разбит на 4 поддиапазона: 10 мВ, 100 мВ, 1 В, 10 В и с делителем 1 В, 10 В, 100 В и более. Шкала прибора для удобства отчета принята кратной 10. Параметры предлагаемого милливольтметра следующие:

Принципиальная схема прибора приведена на рисунке.

Милливольтметр состоит из выносного пробника (детектора), аттенюатора, усилителя постоянного тока (УПТ), узла защиты прибора от перегрузки DA3, VT1 и генератора калибровочного напряжения VT2. Линеаризирующий каскад выполнен на операционном усилителе DA1. Работает на трех поддиапазонах 10 мВ, 100 мВ, 1 В. На последнем диапа­зоне 10 В амплитудная характеристика диода VD1 близка к линейной, поэтому выход щупа в этом случае подключен ко входу операционного усилителя DA2 непосредственно через резистивный делитель напряжения R8, R9 (аттенюатор). Для защиты операционных усилителей от самовозбуждения и возможной наводки на их вход включены блокировочные конденсаторы СЗ, С4. На микросхеме DA3 собран узел защиты измерительного прибора от перегрузок. Этот узел представляет собой компаратор, который, если напряжение на выходе DA2 лежит в пределах нормы, выдает отрицательное напряжение, открывающее транзистор VT1. При превышении входным сигналом в 1,5 раза напряжения, при котором стрелка измерительного прибора отклонится на последнее деление шкалы, компаратор выдает положи­тельное напряжение, которое закрывает ключ VT1, а красное свечение светодиода VD3 индицирует состояние перегрузки. При уменьшении перегрузки до 1,1 напряжения полного отклонения, нормальный режим вос­станавливается. Гистерезис срабатывания компаратора возникает из-за того, что часто нагрузка DA3 отключается при перегрузке. Наличие узла защиты от перегрузки совершенно необходимо, так как в момент включения-выключения прибора и ошибки в выборе поддиапазона возникают недопустимые и опасные для микроамперметра броски напряжения, которые могут его повредить. Прибор имеет внутренний генератор калибровочного напряжения, вывод которого экранированным проводом выведен на разъем задней панели прибора. Калибровка прибора производится на диапазоне 10 мВ. В стационарных условиях милливольтметр питается от сети 220 В, потребляемая мощность не более 10 Вт. Генератор калибровочного напряжения представляет собой обычный LC-генератор. Контур в цепи коллектора транзистора VT2 настроен на частоту 500 КГц. Нагрузкой генератора служит омический делитель, состоящий из резисторов R28-R30. Калибровочное напряжение 10 мВ устанавливается подстроенным резистором R29. Схема блока питания прибора предельно проста, так как потребление тока мало и представляет собой простейший параметрический стабилизатор. При таком мизерном электропотреблении (7,5 мА по цепи +15 В) нет необходимости устанавливать стабилизатор на кренках или их импортных аналогах. Если милливольтметр предполагается использовать в полевых условиях, то можно рекомендовать преобразователь, с помощью которого напряжение +4,5 В преобразуется в напряжение ±15 В. Специальных требований к деталям милливольтметра не предъявляются, за исключением номиналов резисторов, входящих в состав аттенюаторов, так как от их тщательной подборки зависит точность прибора в целом. Выносной пробник соединен с прибором экранированным проводом или коаксиальным кабелем РК-20.

Прибор собран в корпусе из дюралюминия толщиной 4 мм соединением в торец винтами 2,5 мм и имеет размер 160x120x50 мм. Передняя и задняя панель, дюралевые съемные толщиной 2 мм, на них крепятся радиоэлементы прибора. На передней панели расположен силовой трансформатор, микроамперметр, элементы блока питания, переключатель, резистор установки нуля, коаксиальный разъем, индицирующие светодиоды (питание и перегруз). Микроамперметр закреплен с внешней стороны передней панели с помощью 4-х винтов М4. Монтаж блока питания и калибратора выполнен на отрезке унифицированной печатной платы, которая закреплена на верхних винтах, крепящих головку РА1. Элементы схемы высокочастотного милливольтметра смонтированы на отдельной плате, которая крепится на резьбовых шпильках подключения милливольтметра. На задней стенке прибора крепится тумблер питания, предохранитель, держатель и разъем выхода калибратора. Выносная головка прибора представляет собой однополупериодный выпрямитель напряжения VD1. В качестве VD1 (ГД 507А) можно использовать высокочастотные германиевые диоды ГД402, ГД508, Д18. Высокочастотным пробником (рис.6) служит медная или латунная трубка 1 диаметром 15 мм и длиной 70 мм, с одной стороны которой вставлена бобышка 2, выточенная из капрона или фторопласта с впрессованным в нее щупом остроконечным стержнем 3. С внутренней стороны к нему припаян конденсатор С1, с другой стороны в трубку вставлена латунная втулка 4, через отверстие в которой пропущен отрезок коаксиального кабеля РК-20 (экранированного провода) длиной 750 мм с штыревой частью разъема стыкующимся с входным гнездом СР-50 милливольтметра. Бобышка и втулка зафиксированы в корпусе пробника винтами М2, к лепестку 5 на корпусе припаян общий провод с зажимом типа "крокодил" на конце. Детали пробника смонтированы навесным способом и удерживаются на монтажном лепестке 6. Для измерения напряжений более 10 В, применяют второй сменный пробник (рис.3). Во втором выносном пробнике в качестве выпрямителя используется высокочастотный диод Д104А (или два диода последовательно), имеющий большое обратное напряжение (100 В). Для измерения еще больших напряжений можно предложить частотозависимый делитель напряжения 1:100 (рис.4). Ось переменного резистора R5 (установка нуля) выведена на переднюю панель прибора.

Операционные усилители (ОУ) типа КР574УД1А или КР544УД1А с соответствующей цепью коррекции. Микросхема DA3 - операционный усилитель общего назначения К140УД6, УД7, 153 УД2. Микроамперметр РА1 типа М24 с током полного отклонения 100 мкА при его замене необходимо использовать приборы класса 1,5. Для данной конструкции наиболее целесообразно использовать измерительные головки с размером фронтальной части 80x80 мм, так как головки с меньшими размерами не обеспечивают требуемой точности измерения, а головки с большими размерами применять экономически нецелесообразно, так как при этом увеличивается потребление тока от автономного источника. Переключатель пределов измерений (аттенюатор) выполнен на клавишном переключателе типа П2К на три направления. Силовой трансформатор от старых калькуляторов или самодельный с использованием железа Ш8х12,5 и сечением сердечника 2,6 см/кв. Первичная обмотка содержит 3000 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,08 мм, а вторич­ная 350 витков диаметром 0,17 мм. Сглаживающий электролитический конденсатор С1 в блоке питания 470...1000 мкФ. Параллельно ему включен конденсатор на 22...47 нФ. Перемененные резисторы R16-19 желательно применять многооборотные (типа СП-5 или тщательно подобранные постоянные сопротивления), соединив их последовательно из нескольких штук. Катушка контура генератора намотана на 3-секционном каркасе и помещена в ферритовый сердечник СБ-12, его обмотка сострит из 60 витков провода ПЭЛШО 10х0,07. В милливольтметре применены резисторы ОМЛТ, МЛТ, конденсаторы типа КД, КЛС, КМ, К50. Входной разъём типа СР-50.

Налаживание милливольтметра необходимо начинать с проверки питающих напряжения параметрического стаби­лизатора. Напряжения питания +15 В и -15 В должны отличаться не более чем на 5%. Причем в указанном стаби­лизаторе напряжение, получаемое с вторичной обмотки трансформатора, не критично. Оно может колебаться от 25 до 35 В. Необходимо только с помощью резистора R1, подобрать требуемый ток 10-15 мА, через стабилитроны VD1, \/Д2 и подобрать напряжение электролитического конденсатора С1 (рис.5). Наладку милливольтметра необходимо производить с помощью промышленных генераторов сигналов Г402, Г4-8 или им подобных и высокочастотных вольтметров ВЗ-25, ВЗ-48А и так далее. Сначала необходимо установить стрелку прибора на нулевое значение. При закороченном входе милливольтметра на пределе 10 В с помощью подстроечного резистора R14 выставляют стрелку прибора на "0". На остальных диапазонах установку нуля производят переменным резистором R5. Далее, подавая на вход устройства заранее известные напряжения, подстройкой резисторов R15-R19 ведут калибровку милливольтметра на остальных диапазонах. В заключение проверяют работу схемы защиты, подавая на вход прибора завышенные значения напряжений и следя за перегрузкой по свечению светодиода. При желании порог срабатывания защиты можно регулировать путем подбора резистора R21. Конечное значение шкалы на всех пределах регулируют с помощью резисторов R23, R24. Калибровка прибора с использованием в выносной головке диодов Д104 осуществляется путем подстройки элементов, расположенных в головке R1, R2, С1, С2. Подстройка напряжения с использованием делителя производится с помощью конденсатора С1. Если не удается достичь линейности прибора с помощью R6, R7, R2, то необходимо подобрать диод VD2. Настройка калибратора заключается в установке его частоты 500 КГц с помощью вращения сердечника L1, контролируя частоту частотомером на коллекторе VT2. Величину калибровочного напряжения величиной 10 мВ устанавливают с помощью переменного резистора R29.