УКВ – ваттметр с расширенными возможностями

Немного модификации и популярный проект, описанный в QST приобретает множество новых достоинств.

Bob Kopski, K3NHI. Оригинал статьи опубликован в журнале QEX May/June 2002 pp. 3…8
 

  Конструкция этого самодельного измерительного прибора основана на проекте измерителя мощности Wes’a Hayward’a, W7ZOI и Bob’a Larkin’a, K7PUA, который был описан в QST  за июнь 2001 г. В статье приводилось описание простого измерительного прибора для конструктора-самодельщика, способного измерять ВЧ мощность и на УКВ. Я решил построить такой прибор, но с некоторыми модернизациями, которые, на мой взгляд, больше удовлетворяют моим запросам и интересам. Когда я направил благодарственное письмо разработчикам оригинального проекта и сообщил о моей доводке, Wes напутствовал меня добрым словом: “Дерзайте!”, поэтому, я и привожу настоящее описание.

Рис. 1. Измеритель мощности УКВ включает цифровой дисплей для обеспечения

      повышенной точности измерений мощности с высоким разрешением. Для

      обеспечения относительной информации имеется стрелочный аналоговый

      дисплей (измеритель). Нижний предел измерения мощности прибора

      распространяется до - 76 дБм, однако, гарантированная точность

      обеспечивается выше -70 дБ.
 

  Если Вы сравните эту версию прибора с оригинальной, то обнаружите большую информативность передней панели (Рис. 1). Здесь теперь расположено два измерителя и большее количество регулировочных узлов. Почти все эти дополнения относятся к низкочастотному “процессированию” (обработке) сигнала и схеме “поддержки”. За исключением ввода, повышающего удобство работы переключателя аттенюатора 20 дБ, имеющаяся ВЧ часть оригинала осталось неизменной.

Рис. 2. Принципиальная схема УКВ измерителя мощности. Все резисторы

       имеют мощность рассеяния 0,25 Вт с 5% допуском, другие - обозначены

       отдельно. Конденсаторы - керамические, другие - обозначены отдельно.
 

  В оригинальном приборе имелся встроенный аналоговый измеритель и имелась возможность подключения внешнего цифрового вольтметра. Он также включал преобразователь мощности в единицы шкалы измерителя. Мне же нужны были оба индикатора одновременно и в едином блоке: для более точного измерения мощности с высоким разрешением - цифровой, для относительных измерений - аналоговый. Мне также хотелось по возможности избежать процедуры калибровки прибора (измерителя) при  каждом измерении.

  Это требовало некоторого усложнения прибора, обеспечения соответствующей шкалой стрелочного прибора и устройства для сдвига уровней внутренних сигналов. Это выразилось в будущем тем, что вывод на обоих измерителях осуществляется непосредственно в дБм и не нужно дополнительной процедуры преобразования. Цифровой вольтметр также выводит соответствующий знак полярности. Как говорится: “Не боги горшки обжигают” и не с ракетными технологиями мы имеем здесь дело – делаем сами и на обычных ОУ и резисторах. И всё ясно из принципиальной схемы (Рис. 2). В процессе разработки базовых функций схемы, мне пришла в голову мысль сделать небольшие дополнения, расширяющие область применения устройства. Так проект стал “на лету обрастать деталями”. Одним из изменений, которым подвергся оригинальный прибор, стало введение внешнего регулятора (расстройки) усиления (OFFSET) для аналогового дисплея (стрелочного прибора).

Рис. 3. Это то, что находится внутри 3 х 4 х 5-дюймовой коробки MINIBOX: 9-

      вольтовая батарея для питания цифрового вольтметра, шесть элементов

      типа АА питают всё остальное. Батареи закреплены на своём месте с

      помощью скоб “одетых” в полихлорвиниловые трубки.

Рис. 4. Субблок ВЧ выполнен методом монтажа “дохлый жук” и включает в

       себя 20-дБ шаговый аттенюатор. Крепится напротив передней стенки в

       корпусе тремя винтами. Соединение с платой обработки сигналов

      производится с помощью трёхпроводного кабеля.
 

  Этот регулятор позволяет переключать значение показаний с 10 дБ / деление  на 1 дБ / деление. Смонтированный на панели регулятор (OFFSET) позволяет измерять любой разумный уровень мощности по шкале аналогового дисплея (стрелочного прибора). Таким образом, этот измеритель может быть использован как со шкалой измерения абсолютной мощности в дБм, так и со шкалой относительного измерения мощности, выраженной в дБ. В то же время, цифровой дисплей показывает абсолютное значение мощности.  Лучше такой двойной индикации  вряд ли что придумаешь. Поскольку аналоговый стрелочный прибор “откликается “ довольно быстро, то его можно использовать при настройке, например фильтров и т. п.

Рис. 5. Плата обработки сигнала  смонтирована на “нулёвке” - плате с

      металлизированными отверстиями, имеющими соединения только по

      питанию. Отметьте размещённую в центре платы часть трёхпроводного

      соединителя, через которую осуществляется соединение  с субблоком РЧ.
 

  Другим дополнением является  отдельный выход калиброванного сигнала 10 мВ/дБ. Это позволяет легко осуществлять калиброванную развёртку сигналов. Таким образом можно осуществлять просмотр АЧХ фильтров в удобной практичной форме в “логарифмических” координатах. В связи с последним упомянутым обстоятельством, я включил на выходе переключаемый диапазонный полосовой фильтр (см. схему). Это было сделано для возможности изменения скорости развёртки. Я ещё не использовал эту возможность, но когда сверлил панель, предусмотрел “дырочку” и  под этот вывод. В будущем, необходимо предусмотреть возможность контроля напряжения питания, поступающего от двух  9-вольтовых батарей, посредством стрелочного прибора, коль скоро уж таковой присутствует. (Цифровой вольтметр не может измерять своё собственное напряжение питания). И, конечно же! Вы сами горазды на выдумки. Сами ещё “воткнёте” в прибор то, что Вам “по сердцу”….
 

Конструкция.

 У меня в округе нет сильных источников излучения, поэтому нет и необходимости монтировать прибор в металлическом экранирующем корпусе. Вместо этого я разместил прибор в стандартной коробке (Minibox, - видимо, из пластика)  размерами 3 х 4 х 5 дюймов (1 дюйм = 25,4 мм). В такой коробке достаточно места для размещения всего, что привёрнуто к панели, внутренних схем и двух батарей питания (см. Рис. 3). Монтаж ВЧ части показан на  Рис. 4.

Рис. 6. Расположение деталей на плате обработки сигналов. Вид со стороны

      установки деталей. Пунктирными линиями показаны “печатные дорожки”

      и “пятачки”, расположенные с противоположной стороны.
 

Я использовал технику монтажа, которая образно называется “дохлый жук” и смонтировал компоненты на плате из фольгированного стеклотекстолита. Вы свободны в выборе: можете включить 20-дБ аттенюатор, некоторые другие (из предлагаемых и свои) дополнительные возможности или, просто взять да и повторить прибор, описанный в оригинальной статье (без дополнений). В любом случае, ознакомьтесь со строками статьи оригинала, касающимися микросхемы AD8307 и её окружения. Я ознакомился и не знал проблем.

  Схема обработки сигнала может быть выполнена любым возможным способом, по желанию, включая известные “дохлый жук” или “навесной”. Мне понравилось применять для этой цели “нулёвку” – монтажную плату, имеющую множество отверстий с металлизацией (Рис. 5). Кто хочет попробовать такой способ монтажа, пусть внимательно просмотрит Рис. 6 и Рис. 7.

  Плата была вырезана из таковой большего размера, входящей в набор Radioshack (#276-168). Эта плата имеет отверстия под микросхемы с дорожками питания. Установкой нескольких дополнительных проволочных перемычек такая плата легко переводится в готовность под монтаж радиокомпонентов. Будьте внимательны: учтите, что две проволочные перемычки проходят под корпусом микросхемы, поэтому, сначала установите перемычки, а уж затем монтируйте микросхему. Возможно, самым важным руководством к монтажу, на мой взгляд, будет являться внимательность при расположении деталей и…считайте отверстия, чтобы не “пролететь”!

   Когда с монтажом платы будет покончено, исследуйте плату с применением лупы на наличие коротких замыканий – это позволяет “избежать испускания дыма“ при включении устройства. Предпочитаю закреплять проводники на плате хомутами из проводов, продёрнутыми сквозь незадействованные отверстия, на провода предварительно одеваются отрезки полихлорвиниловых трубочек (Рис. 5). Также люблю скручивать проводники, идущие в какое-нибудь одно определённое место платы, например, к переключателям. Настоятельно советую Вам провести ряд измерений на к. з. и изоляцию в собранных узлах устройства с помощью омметра, прежде чем, подать питание и подключить, относительно недешёвую микросхему AD8307.

Рис. 7. Монтаж и перемычки платы обработки сигналов. Вид со стороны

      установки деталей. Пунктиром обозначены соединения с противоположной

      стороны платы.
 

Эскизы передних панелей приборов я изготавливаю с помощью графических программ (редакторов) и переношу на высококачественную бумагу с помощью струйного принтера. Затем приклеиваю заготовки клеем на металлические панели. Не все клеи хорошо работают, следует всё заранее проверить. Клей порой приходится наносить на склеиваемые поверхности дважды.

  В два приёма приходится и изготавливать панель: сначала изготавливается черновой эскиз с центрами отверстий для сверления и другими механическими нюансами. Эскиз приклеивается и производится полная обработка платы, сверление отверстий и т. п. Затем шаблон отмачивается в воде и удаляется.

Рис. 8. Штатная шкала 0-1 мА заменена новой броской функциональной шкалой

      измерителя мощности. Новая шкала изготовлена с применением

      компьютерных технологий с использованием струйного принтера.
 

Сушка, полировка, удаление заусенцев и обезжиривание панели предшествуют приклеиванию чистового эскиза панели.

  Чистовой эскиз печатается с наибольшим разрешением, без обычных чертёжных добавок: размеров, осевых линий и т. п. Как только бумажный чистовой эскиз был наклеен на металлическую панель, следует заклеить панель прозрачной самоклеящейся плёнкой – я, именно, так и сделал (можно закрыть тонким пластиком) – для “увеличения срока службы” панели. Последней операцией была: вырезка отверстий, которую можно провести острым ножом (скальпелем). Результат, по моему, - неплох, или я неправ? Между прочим, шкала аналогового измерителя была изготовлена также вышеописанным способом (см. Рис. 8).

  Для обоих моих “хобби” (электроника и аэромоделирование) я использую программу TurboCad, но, думаю, что и другие программы аналогичного назначения подойдут. Демо версию программы TurboCad можно скачать с www.turbocad.com.
 

Калибровка и эксплуатация.

   Предлагаю Вам изучить всю полемику, в приводимой в списке (в оригинале статьи в QST) литературе, касательно ВЧ источников для калибровки Вашего измерителя мощности (ВЧ-ваттметра). Как только Вы найдёте подходящий источник ВЧ колебаний, начните калибровку с цифрового вольтметра. Подстроечным резистором R14 устанавливается усиление таким, что изменение входной мощности в х, дБ даёт изменение напряжения на цифровом вольтметре в х, мВ, значит: 1 мВ = 1 дБ. Другими словами, R17 обеспечивает прочтение (абсолютного) уровня мощности на шкале цифрового вольтметра, тогда как, R14 - обеспечивает правильную индикацию изменений мощности. Подобное положение сохраняется и для аналогового измерителя. В положении переключателя SW1 - “дБм”, R26 устанавливает диапазон изменения показаний дисплея, в то время как R18  обеспечивает точность измерения заданной мощности. Если всё выполнено (настроено) правильно, то оба (аналоговый и цифровой) дисплеи работают синхронно, показывая одинаковый уровень мощности (дБм) и одинаковые изменения мощности (дБ). Эти настройки компромиссны и кропотливы по натуре. Придётся несколько раз подстраивать значения указанных элементов, прежде, чем  показания стрелочного измерителя и цифрового дисплея будут совпадать на протяжении всего диапазона измерения абсолютного значения и относительного изменения мощности. Как указано выше, с помощью подстроечного резистора R24 устанавливается  усиление для аналогового  измерителя в режиме измерения децибел. Хотя в этом режиме нет специального потенциометра расстройки, при необходимости, может быть использован потенциометр “OFFSET”, выведенный на переднюю панель устройства.  При работе, движок этого потенциометра устанавливается таким образом, чтобы обеспечить опорную калибрационную точку на дисплее (ях). Как правило, - это “0” (установка нуля) для любого используемого уровня входной для прибора мощности.  Поэтому, в этом режиме, “децибельные” показания аналогового измерителя не соотносятся больше с милливаттами (дБм), но имеется возможность точно отслеживать изменения мощности в дБ, пользуясь ручкой “OFFSET”. В действительности, мы получаем измеритель с расширенной шкалой. Поскольку упоминаемый потенциометр “OFFSET” должен обеспечивать перестройку в большом диапазоне уровней, то он должен быть “многооборотным”. Я применил трёхоборотный, но, думаю, что не помешал бы и десятиоборотный. Тем более, что такие всё чаще и чаще встречаются.

  Подстроечный резистор R7 позволяет производить установку выходного сигнала по заданному уровню 10 мВ/дБ - это ещё один установочный регулятор усиления. Отметьте, что этот выход сигнала базируется на неподстраиваемом значении напряжения постоянного тока. Если Вы предпочитаете связать (развязать) этот выход по переменному току (включите конденсатор ёмкостью 0,1 мкФ) или ввести потенциометр расстройки, то Вам и “карты в руки” - ставьте, вводите, модернизируйте.
 

Заключение.

  Попытайтесь определить область применения предлагаемого устройства, максимально расширить её и связать со своими собственными нуждами. Как прибор после этого “обозвать”?  А это уж Ваше дело, повторять конструкцию прибора или создать собственную версию предлагаемого УКВ-ваттметра. Может быть Вы дополните устройство своими разработками или, наоборот, упростите его. Одним словом: “Дерзайте!”.

Свободный перевод с английского:  Виктор Беседин (UA9LAQ)   ua9laq@mail.ru
г. Тюмень         апрель,  2003 г