Измеряем ВЧ напряжение цифровым мультиметром

Измеряем ВЧ напряжение цифровым мультиметром.

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.

Рис.2. Детектор последовательного типа с коррекцией “ступеньки”.

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.

Рис. 3. Схема дифференциальной приставки – пробника для измерения ВЧ

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:

Рис. 4. Версия пробника на ОУ.

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.

Схема на ОУ, приведённая выше работает хорошо в качестве линейного детектора для сигналов с уровнем выше 100 мВ. Резисторы могут быть присоединены к нулевой шине питания, - это позволит питать схему одним напряжением. Выбирайте ОУ со входом относительно общего провода, работающий в цепи отрицательного напряжения питания, такие как LM358 или LM10, подключайте резисторы в 10 МОм и конденсаторы в 0,1 мкФ.

Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень декабрь, 2002 г