ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ВАТТМЕТР И ГЕНЕРАТОР ШУМА
О. ФЕДОРОВ, г. Москва
Большинство элементов устройства размещено на одной плате, а те, которые нагреваются при работе ваттметра (DA1, DA2, VT1, R7-R10), имеют тепловой контакт с задней алюминиевой панелью прибора. Настраивать прибор лучше в закрытом корпусе. Конструкция должна обеспечивать доступ ко всем регулировочным элементам.
Конструкции датчиков и рисунки печатных плат приведены на рис. 3, 4. Фольга с обратной стороны печатной платы полностью сохранена. Высокочастотный разъем и оплетку кабеля пропаивают с обеих сторон платы. Для минимизации собственной индуктивности датчиков в них использованы конденсаторы для поверхностного монтажа (емкостью 0,22 и 0,022 мкФ по две штуки, включенных параллельно). Корпус высокочастотного разъема припаивают к фольге с обеих сторон платы.
В ваттметре использованы прецизионные проволочные резисторы С5-5В 1 Вт сопротивлением 100 Ом с допуском ±0,1 % (ТКС ±50-10-6 1/С). В качестве R7, R8, R10 установлено по два таких параллельно включенных резистора, a R9 образован последовательно-параллельным включением трех. Допустимо применение и других прецизионных резисторов, например, С2-29В, С2-14. Резисторы R24-R26 - подстро-ечные, проволочные СП5-2, СП5-3. Розетка XS1 для подключения датчика - ОНЦ-ВГ-4-5/16-Р (СГ-5), высокочастотные разъемы XW1 - СР-50-73Ф. Разъем питания - штыревой, гнездо DJK-03B (2,4/5,5 мм).
Вместо моста КД906А можно применить любые диоды, например, серий Д9, Д220, КД503, КД521. Микроамперметр - М24, М265 с током полного отклонения 50-500 мкА.
КР142ЕН12А можно заменить маломощным импортным аналогом - LM317LZ, а КР142ЕН19 - TL431.
Регулировку ваттметра производят в собранном виде через 10...15 мин после включения.
Сначала к контактам 2, 3 разъема ХР1 подключают любую пару ламп СМН9-60, соединенных последовательно, а к гнездам "А" и "Б" - цифровой вольтметр, который включен на минимальный предел измерения (200 мВ). Вращая подстроечный резистор R15, добиваются нулевых показаний вольтметра.
После балансировки измерительного моста настраивают компаратор. Резистор R21 (или R23 в зависимости от начального смещения ОУ DA8, DA9) временно заменяют (корпус прибора придется открыть) переменным сопротивлением 100 кОм. Изменяя сопротивление резистора, добиваются состояния, в котором оба светодиода будут погашены. Затем заменяют переменный резистор постоянным с близким к найденному сопротивлением. Пределы подобной регулировки смещения относительно узкие, поэтому до установки в плату желательно проверить величину начального смещения всех ОУ. Микросхемы с минимальным смещением использовать как DA8, ОАЭ. Для остальных микросхем величина начального смещения не так важна, поскольку их режимы работы можно регулировать соответствующими переменными резисторами.
После настройки компаратора нужно убедиться, что его зона нечувствительности составляет ±60...90 мкВ. Резистором R15 допустимо в небольших пределах разбалансировать мост, а по подключенному цифровому вольтметру определить напряжение рассогласования, при котором светодиоды включаются. Желательно, чтобы зона нечувствительности компаратора была симметричной (относительно точки баланса моста). Для ее расширения можно увеличить сопротивление резистора R29.
Закончив настройку компаратора, резистором R15 окончательно балансируют измерительный мост. Пользуясь резистором R19, следует проверить, что для произвольно выбранных ламп устанавливаются нулевые показания микроамперметра РА1.
Выполнив эти операции, на включенном приборе подбирают пары ламп для датчика по механической стабильности и разнице напряжений. Цифровой вольтметр нужно переключить в гнезда "О", "Б". Он будет показывать напряжение Uл, по которому легко рассчитать Рл. Верхние точки диапазонов "100 мВт" и "40 мВт" можно установить расчетным путем, поскольку при заданном значении Рл известно, какое напряжение покажет цифровой вольтметр в указанных точках (Uзам). Сигнал на вход датчика можно подать с любого генератора с частотой выше 2...3 МГц и выходным напряжением не менее 2,5 В (на нагрузке 50 Ом). Уровень сигнала генератора регулируют по показаниям цифрового вольтметра так, чтобы вольтметр показал расчетное значение Uзам, после чего регулировкой резистора R24 (R25) установить стрелку микроамперметра на последнее деление шкалы.
Для питания прибора подойдет любой источник с выходным напряжением 1 15...24 В при токе 150...200 мА. Если используется маломощный сетевой "адаптер", следует убедиться, что нижняя граница пульсаций входного напряжения, по крайней мере, на 2,5 В превосходит 12В.
Прямую проверку характеристик изготовленного прибора провести не удалось из-за отсутствия соответствующих приборов. Поэтому о проверке частотных свойств датчика на частотах в сотни мегагерц говорить не приходится. В распоряжении автора имелись лишь цифровой мультиметр DT930F+ (класс точности 0,05 при измерении постоянного напряжения и 0,5 при измерении сопротивления, среднеквадратического значения переменного напряжения до 400 Гц [5]), низкочастотный генератор ГЗ-117 (до 10 МГц), а также милливольтметр ВЗ-48 (класс точности 2,5 в полосе 45 Гц...10 МГц).
Поверка нескольких точек шкалы (контроль производился по цифровому вольтметру, а не по шкале микроамперметра) на частоте 5 МГц показала, что ваттметр работает точнее и стабильнее, чем ВЗ-48! Хорошо, что у этого милливольтметра оказались на задней стенке контрольные гнезда, к которым можно подключить внешний (цифровой) вольтметр. В предположении, что ВЗ-48 не имеет частотной погрешности в средней части рабочего диапазона частот, была выполнена калибровка трех точек напряжения на частоте 400 Гц, по имевшемуся цифровому вольтметру класса 0,5.
После этого генератор был перестроен на частоту 5 МГц и по цифровому вольтметру (а не по аналоговой шкале ВЗ-48) были восстановлены ранее измеренные значения напряжения на входе датчика. По показаниям ВЗ-48 рассчитывалась мощность на входе из соотношения Рвх = U2/50, а мощность, которую показывал ваттметр, рассчитывалась по формуле (2).
Результаты этих измерений приведены в таблице. Особенно впечатляет, что в полученных значениях погрешности явно просматривается наличие систематической ошибки [7, 8], а это означает, что параметры ваттметра могут быть еще лучше!
Датчиками могут служить различные терморезисторы - как с положительным, так и с отрицательным ТКС. Для того чтобы узел АСС работал с терморезисторами с отрицательным ТКС (лампы накаливания имеют положительный ТКС), в схеме прибора предусмотрены перемычки (выделены штрих-пунктирной линией), которые нужно переставить в положение между контактами 1 и 4, 2 и 3.
Для проверки работоспособности АСС с датчиком, имеющим отрицательный ТКС, был использован терморезистор МКМТ-16 бусинкового типа с номинальным сопротивлением 5,1 кОм [6] при включении по схеме датчика "Б". Несмотря на большую ве личину исходного сопротивления, напряжения питания 10 В оказалось достаточно для разогрева миниатюрного термистора и балансировки моста. Но поскольку рабочая температура для терморезистора существенно ниже, чем для нити накаливания, а теплоизоляция хуже, этот датчик работает скорее как измеритель температуры и стабильность нуля очень невысока. Величина Рл = 102 мВт.
Для желающих поэкспериментировать с различными датчиками можно дать несколько общих советов. Исходное сопротивление терморезистора (для любого знака ТКС) нужно выбирать таким, чтобы сопротивление нагретого терморезистора (или комбинации нескольких терморезисторов), равное 50 Ом, достигалось при максимально возможной температуре разогрева. Например, термисторыСТ1-18, СТ1-19 бусинкового типа работоспособны до +300 °С [6]. При этом в конструкции датчика должны быть приняты меры по пассивной термостабилизации и теплоизоляции терморезистора.
Терморезисторы с отрицательным ТКС в момент включения могут иметь слишком большое сопротивление, поэтому для создания условий саморазогрева может потребоваться существенное увеличение напряжения питания.
При использовании позисторов проблем с питанием не возникнет.
Кроме СМН9-60, можно использовать другие типы миниатюрных ламп накаливания, параметры которых приведены в [1, 2]. Легко получить преобразователи со значением Рл от единиц до сотен милливатт. Измерение большей мощности ВЧ сигнала проводят через согласованные аттенюаторы. С расчетом аттенюаторов можно познакомиться в [9, 10].
ЛИТЕРАТУРА
1. Трифонов А. Генератор шума. - Радио, 1997, № 7, с. 31,32.
2. Трифонов А. Высокочастотный ваттметр. - Радио, 1997, № 8, с. 32, 33.
3. Жутяев С. Г. Любительская УКВ радиостанция. - М.: Радио и связь, 1981.
4. Скрыпник В. А. Приборы для контроля и налаживания радиолюбительской аппаратуры. - М.: Патриот, 1990.
5. Нефедов С. Влияние формы напряжения на показания вольтметра. - Радиолюбитель, 1997, № 10, с. 10.
6. Аксенов А. И., Нефедов А. В. Элементы схем бытовой аппаратуры. Конденсаторы. Резисторы: Справочник. - М.: Радио и связь, 1995.
7. Нефедов С. Метрологические характеристики средств измерений. - Радиолюбитель, 1997, № 12, с. 10.
8. Зайдель А. Н. Элементарные оценки ошибок измерений. - Л.: Наука, 1968.
9. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. - М.Мир, 1990.
10. Виноградов Ю. Антенный аттенюатор. - Радио, 1997, № 11,0.80.
Радио 7/2000, с.33-34.