Wattmetro ad alta frequenza e generatore di rumore. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Il progetto proposto di un wattmetro ad alta frequenza è stato sviluppato sulla base di due dispositivi descritti in [1, 2], dove è stata considerata la possibilità di utilizzare lampade a incandescenza in miniatura nelle apparecchiature di misurazione.

Oltre alla semplicità del design e alla disponibilità degli elementi sensori utilizzati, l'autore è stato attratto dal fatto che la messa a punto di un tale dispositivo a banda larga non richiede misurazioni ad alta frequenza. Tutto ciò di cui hai bisogno è un multimetro digitale a tre o quattro cifre. Tutte le misure sono effettuate in corrente continua.

La principale differenza del design proposto del wattmetro è che il ponte di misurazione, a cui è collegato il sensore-convertitore sulle lampade a incandescenza, viene automaticamente bilanciato durante il funzionamento.

Il wattmetro, il cui circuito è discusso di seguito, può essere utilizzato anche come generatore di rumore stabile con un'impedenza di uscita adattata di 50 ohm. Poiché il dispositivo dispone di un gruppo sensore di stabilizzazione automatica della resistenza (ACC), anche la temperatura del filamento viene stabilizzata con elevata precisione. Il livello di rumore può giudicare indirettamente la banda di frequenza operativa del dispositivo. Il rumore della lampada si estende fino a 1 GHz. e la caduta di livello inizia alle frequenze di 600...700 MHz, che corrisponde ai dati forniti in [1, 2]. Puoi leggere informazioni sui generatori di rumore e sulle misurazioni con il loro aiuto in [3, 4].

Durante gli esperimenti, si è scoperto che le lampade a incandescenza erano molto sensibili alle sollecitazioni meccaniche. In pratica, ciò significa che il dispositivo deve essere protetto dagli urti, altrimenti i parametri del convertitore potrebbero cambiare bruscamente. Ciò accade, apparentemente, a causa dello spostamento del filamento e di un cambiamento nella modalità di trasferimento del calore. Il livello più stabile, come hanno dimostrato i test, è quello che il sensore raggiunge dopo l'accensione. Poiché il nodo ACC funziona in modo molto stabile, la transizione a un altro livello RL è facilmente determinata dall'indicatore a quadrante come uno spostamento "zero". Se è richiesta una misurazione accurata, la tensione di alimentazione deve essere disinserita e riattivata. La stabilità del sensore, non correlata alle influenze meccaniche, è piuttosto elevata: durante il giorno il dispositivo non ha rilevato uno spostamento zero e un limite (tramite un comparatore), cosa che non accade, ad esempio, con un VZ industriale -48 millivoltmetro.

I fondamenti del metodo di misurazione della potenza RF applicata sono descritti in [1, 2]. Le designazioni nel testo corrispondono a quelle adottate negli articoli originari. La potenza totale che riscalda i filamenti delle lampade,

Рl \u1d Rvch + Pzam. ( uno)

dove RHF - potenza ad alta frequenza. Рzam - Alimentazione sostitutiva CC [2].

Trasformiamo l'espressione (1):

Rvch \u2d Rl - Rzam \u2d (Ul2 - Uzam2) / R \u2d (XNUMXUl ΔU-ΔUXNUMX) / R. (XNUMX)

dove ΔU = Ul - Uzam; Рl = Ul2/R; Рzam = Uzam2/R: R = 200 Ohm (o 50 Ohm per un sensore con lampade collegate in parallelo, vedi sotto).

Dall'espressione (2) segue che il valore della potenza RF all'ingresso del sensore è una funzione della differenza di tensione ΔU = Ul-Uzam. È questa differenza di tensione (assumendo l'equilibrio del ponte) che misura il wattmetro. La formula (2) può essere rappresentata in forma normalizzata:

Rvch/Rl = 2ΔU/Ul - (ΔU/Ul)2 (3)

La forma della funzione (3) è mostrata in fig. 1. Utilizzando il grafico mostrato su di esso o l'espressione analitica (3). per un microamperometro è possibile tracciare una scala non lineare dei valori RHF/Rl. che è lo stesso per qualsiasi sensore. Il calcolo della potenza RF misurata viene effettuato moltiplicando le letture del dispositivo per il valore di Рl di un particolare sensore (il campione fabbricato aveva un valore di Рl = 120 mW). Se su tale scala il dispositivo puntatore mostra il valore "0.75". la potenza di ingresso misurata è:

RF = 0.75RL = 0.75-120 = 90 mW.

Si può vedere dal grafico che se per le misurazioni viene utilizzata solo la sezione iniziale dell'intervallo Рl, la non linearità della scala sarà inferiore. Pertanto, nel campione fabbricato del wattmetro, vengono utilizzate due scale lineari del microamperometro. corrispondente a due limiti: 40 e 100 mW. Per un sensore specifico con Рl = 120 mW, la posizione dei limiti superiori di questi intervalli è mostrata in Fig. 1. Le scale non lineari e lineari sono coniugate in due punti (zero e massimo). In altri punti, il dispositivo sottovaluta le letture della potenza misurata.

Poiché la maggior parte delle misurazioni RF si riduce all'impostazione del valore massimo (minimo) di tensione o potenza, l'indicazione analogica è la più conveniente e l'errore di scala indicato non è uno svantaggio significativo. Inoltre, il dispositivo mantiene la capacità di misurare l'esatto valore di potenza con un voltmetro digitale esterno [2].

Il diagramma schematico del dispositivo è mostrato in fig. 2. Gli stabilizzatori di tensione DA1, DA3 sono inclusi secondo lo schema standard. I condensatori C4, C6 riducono il livello di ondulazione della tensione di uscita. Il regolatore integrale DA2 crea una polarizzazione negativa di -2.5 V, che viene utilizzata per alimentare l'amplificatore operazionale. Lo stabilizzatore DA4 svolge la funzione di una sorgente di tensione esemplare di 2,5 V (ION).

(clicca per ingrandire)

Il nodo ACC è realizzato sull'amplificatore operazionale DA7 e sul transistor VT1. Il principio di funzionamento di questo nodo è simile al funzionamento di uno stabilizzatore di tensione di compensazione convenzionale, ma al posto di un diodo zener è installato un altro elemento non lineare: una lampada a incandescenza. Il bilanciamento del ponte viene mantenuto con elevata precisione (fino a 10 ... 20 μV) modificando la tensione di alimentazione (R7 - R10 e lampade del sensore). Le resistenze dei resistori del ponte sono selezionate con un errore di ±0,1%.

Poiché il ponte è bilanciato, quando si collega il sensore con una connessione in serie di lampade (Fig. 2), l'uguaglianza è soddisfatta:

Rd \u9d R10 + R200 \uXNUMXd XNUMX Ohm,

dove Rd è la resistenza del sensore.

Un dispositivo digitale a 3.5 bit non consente di misurare la resistenza con la precisione indicata, ma può essere tarato utilizzando resistori di precisione (es. C5-5V) con tolleranza 0.05 - 0,1%. Poiché gli elementi del ponte si riscaldano durante il funzionamento, si sconsiglia l'uso di resistenze MLT a causa dell'elevato valore di TCR ±(500... 1200)-10-6 1/°C [6]. È importante che le resistenze dei resistori R7. R8 differiva di non più di ±0,1% e il valore può essere compreso tra 47 e 75 ohm. Si sconsiglia di ridurre la potenza delle resistenze comprese nei bracci del ponte di misura indicato nello schema.

Immediatamente dopo aver acceso il dispositivo per avviare l'ACC, il resistore R6 crea una piccola corrente iniziale che scorre attraverso il ponte, quindi la potenza massima misurata da un sensore specifico è leggermente inferiore a Rl.

Il connettore ad alta frequenza XW1 rimuove anche la tensione del rumore in un'ampia banda di frequenza.

Per il normale funzionamento del gruppo ACC, le lampade devono funzionare in una modalità in cui il filo si illumina debolmente o non si illumina affatto. Con un bagliore luminoso, la dipendenza della tensione sulla lampada dalla corrente che scorre è quasi lineare e in questa sezione "lineare" l'ACC è inutilizzabile.

La potenza massima dei sensori con cui funziona il wattmetro non supera i 250 mW. Qui vengono considerati solo i sensori con un'impedenza di ingresso di 50 ohm. ma puoi anche usare sensori con una resistenza di 75 ohm [2]. La resistenza dei resistori del ponte in questo caso: R9 = 225 ohm. R10 = 75 Ohm. La potenza dei sensori con le stesse lampade aumenterà di circa due volte, quindi la tensione di alimentazione del ponte dovrà essere aumentata.

Il tipo di sensore "A" è descritto in dettaglio in [1, 2]. Nello stato acceso, la sua resistenza CC è di 200 ohm. e dal lato di ingresso RF - 50 Ohm Le lampade per tale sensore devono essere selezionate a coppie in modo che nello stato acceso le cadute di tensione su entrambe le lampade siano approssimativamente uguali. Controllando diverse istanze delle lampade, è facile notare che questa condizione spesso non è soddisfatta, anche quando le resistenze delle lampade allo stato freddo sono le stesse. Supponendo che la resistenza di ingresso sia compresa tra 50 ohm ±0.25%. allora in questo caso le tensioni sulle lampade collegate al wattmetro possono differire di non più del 15%. Il campione di sensore, con il quale è stato testato il funzionamento del dispositivo, aveva i seguenti parametri: Ul = 4,906 V (Pl = 120 mW). Un1= 2.6 V. Un2= 2,306 V (la differenza di tensione tra le lampade è di circa il 12%).

Sulla fig. 2 per C.I. C2 nel sensore "A" è impostato su 0,44 μF, che consente di ridurre il limite inferiore dell'intervallo di frequenza a 1 ... 1,5 MHz. Per ridurre l'induttanza del circuito di ingresso sono stati utilizzati due condensatori CHIP da 0.22 μF collegati in parallelo. Con i valori dei condensatori indicati in [1, 2] (0.047 μF), è possibile ottenere una precisione di misurazione di circa l'1% solo al limite dell'intervallo di frequenza di almeno 15 MHz e non 150 kHz.

Contrariamente a quanto descritto in [2]. Il wattmetro proposto consente di utilizzare due tipi di sensori, in cui le lampade sono collegate in serie (sensore di tipo "A") o in parallelo (sensore di tipo "B").

Il sensore di tipo "B" collegato al dispositivo con un ponticello sui pin 1 e 4 nel connettore del sensore chiude la resistenza R9 del ponte, quindi Rd \u10d R50 \u0.25d 0.5 Ohm. Per sensori di questo tipo non è necessaria la selezione di una specifica coppia di lampade. Per ottenere il valore richiesto di Rl. nel sensore possono essere utilizzate da una a quattro lampade e possono essere di vari tipi. Per espandere la sua gamma di frequenza verso il basso, un aumento dell'induttanza dell'induttore non dovrebbe portare ad un aumento della sua resistenza attiva (preferibilmente non più di 50 Ohm, cioè 0.3% di 0.4 Ohm). L'induttore deve essere avvolto con un filo con un diametro di 50 ... 1 mm per ottenere un'induttanza della bobina dell'ordine di 16 μH con le dimensioni del resistore MLT-1. Con una tale induttanza, il limite inferiore dell'intervallo di frequenza del sensore "B" è di XNUMX MHz, a differenza del sensore inna "A", che è abbastanza preciso già a una frequenza di XNUMX MHz.

Su chip DA6. DA7 e LED HL1. Comparatore realizzato con HL2. Il suo scopo è quello di indicare l'equilibrio del ponte di misurazione. Quando è bilanciato, entrambi i LED si spengono. Con i valori dei resistori R29 e R31 indicati nel diagramma, la zona morta del comparatore è di circa ± 60 ... 90 μV. Se la potenza RF all'ingresso del sensore è uguale al valore massimo consentito Рl (in realtà leggermente inferiore). ACC non è in grado di bilanciare il ponte e uno dei LED HL1. HL2 si accende, indicando che la misurazione non è possibile.

L'inerzia delle lampade ad incandescenza consente di vedere visivamente il processo di regolazione (durata 1 ... 2 s). Di conseguenza, l'indicatore ha un'altra funzione positiva: consente di determinare piccoli e rapidi cambiamenti nell'ampiezza del segnale RF all'ingresso del dispositivo. È noto che tali fluttuazioni di ampiezza sono caratteristiche di cascate o generatori di amplificazione instabili, che sono inclini all'autoeccitazione anche a frequenze spurie. Ad esempio, durante il controllo del wattmetro dal generatore G4-117, è stato riscontrato che a frequenze superiori a 8 MHz e un livello del segnale di uscita superiore a 2 V (con un carico di 50 Ohm), lo stabilizzatore interno dell'ampiezza del segnale di uscita praticamente non funziona nel generatore.

L'unità di visualizzazione del dispositivo è realizzata sull'OS DA4. DA5. microamperometro RA1. Resistenze variabili R19 (correttore di zero) e R24. R26 e R25, R27 (correttore di "range") facilitano l'impostazione del wattmetro per lavorare con qualsiasi sensore con Pl < 220 mW. Con ampie gamme di regolazione, è meglio utilizzare resistori a filo avvolto multigiro. Pertanto, per regolare lo "zero" nel dispositivo, viene installato un resistore variabile del tipo SP5-35B ad alta risoluzione elettrica [6]. Di norma non è necessaria un'ulteriore correzione dello zero quando si passa a un altro campo di misura. Le regolazioni di zero e span non si influenzano a vicenda. La presenza del ponte a diodi è dovuta al fatto che la potenza è un valore positivo. Con questa opzione di accensione del microamperometro, la sua freccia non incrocia lo zero.

La maggior parte degli elementi del dispositivo si trova sulla stessa scheda e quelli che si riscaldano durante il funzionamento del wattmetro (DAI, DA2. VT1. R7-R10). avere un contatto termico con il pannello posteriore in alluminio dello strumento. È meglio installare il dispositivo in una custodia chiusa. Il design deve fornire l'accesso a tutti gli elementi di regolazione.

I disegni dei sensori e i disegni dei circuiti stampati sono mostrati in fig. 3, 4. La lamina sul retro del circuito stampato è completamente conservata. Il connettore ad alta frequenza e la treccia del cavo sono saldati su entrambi i lati della scheda. Per ridurre al minimo l'induttanza intrinseca dei sensori, utilizzano condensatori a montaggio superficiale (0.22 e 0.022 uF, due in parallelo). Il corpo del connettore ad alta frequenza è saldato alla lamina su entrambi i lati della scheda.

Il wattmetro utilizza resistori a filo di precisione S5-5V 1 W con una resistenza di 100 Ohm con una tolleranza di ±0.1% (TCS ±50 10-6 1/°C). Come R7, R8, R10, sono installati due di questi resistori collegati in parallelo e R9 è formato dalla connessione in serie-parallelo di tre. È anche possibile utilizzare altri resistori di precisione, ad esempio C2-29V, C2-14. Resistori R24 - R26 - messa a punto. filo SP5-2, SP5-3. Presa XS1 per collegamento sensore - ONTS-VG-4-5/16-R (SG-5). connettori ad alta frequenza XW1 - СР-50-73Ф. Connettore di alimentazione - maschio, presa DJK-03B (2.4/5.5 mm).

Invece del bridge KD906A, puoi utilizzare qualsiasi diodo, ad esempio le serie D9, D220, KD503. KD521. Microamperometro - M24. M265 con una corrente di deviazione totale di 50 - 500 μA.

KR142EN12A può essere sostituito con un analogo importato a bassa potenza - LM317LZ e KR 142EN19 - TL431.

Il wattmetro viene regolato in forma assemblata 10 ... 15 minuti dopo l'accensione.

Innanzitutto, qualsiasi coppia di lampade CMH2-3 è collegata ai pin 1, 9 del connettore XP60. collegato in serie e alle prese "A" e "B" - un voltmetro digitale, compreso nel limite minimo di misurazione (200 mV). Ruotando il resistore di sintonia R15, si ottengono letture zero del voltmetro.

Dopo aver bilanciato il ponte di misurazione, regolare il comparatore. Il resistore R21 (o R23, a seconda della polarizzazione iniziale dell'amplificatore operazionale DA8. DA9) viene temporaneamente sostituito (la custodia del dispositivo dovrà essere aperta) con una resistenza variabile di 100 kOhm. Modificando la resistenza del resistore, si ottiene uno stato in cui entrambi i LED si spengono. Quindi il resistore variabile viene sostituito da uno costante con una resistenza vicina a quella trovata. I limiti di tale regolazione dell'offset sono relativamente stretti, quindi è consigliabile controllare il valore di offset iniziale di tutti gli amplificatori operazionali prima di installarlo nella scheda.I chip con un offset minimo dovrebbero essere usati come DA8. DA9. Per altri microcircuiti, il valore dell'offset iniziale non è così importante, poiché le loro modalità operative possono essere controllate dai corrispondenti resistori variabili.

Dopo aver regolato il comparatore, è necessario assicurarsi che la sua zona morta sia ±60...90 µV. È consentito sbilanciare il ponte con il resistore R15 entro un intervallo ridotto e determinare la tensione di mismatch alla quale i LED si accendono utilizzando il voltmetro digitale collegato. È auspicabile che la zona morta del comparatore sia simmetrica (rispetto al punto di equilibrio del ponte). Per espanderlo, puoi aumentare la resistenza del resistore R29.

Terminata la messa a punto del comparatore, il ponte di misura viene infine bilanciato con la resistenza R15. Utilizzando il resistore R19, è necessario verificare che per lampade selezionate arbitrariamente siano impostate letture zero del microamperometro PA1.

Terminate queste operazioni, vengono selezionate le coppie di lampade per il sensore sul dispositivo acceso in base alla stabilità meccanica e alla differenza di tensione. Il voltmetro digitale deve essere collegato alle prese "0", "B". Mostrerà la tensione Un, da cui è facile calcolare Rl. I punti superiori degli intervalli "100 mW" e "40 mW" possono essere impostati mediante calcolo, poiché a un dato valore di Pp è noto quale tensione mostrerà il voltmetro digitale nei punti indicati (Uzam). È possibile applicare un segnale all'ingresso del sensore da qualsiasi generatore con una frequenza superiore a 2...3 MHz e una tensione di uscita di almeno 2,5 V (con un carico di 50 ohm). Il livello del segnale del generatore viene regolato in base alle letture di un voltmetro digitale come segue. in modo che il voltmetro mostri il valore calcolato Uzam, dopodiché, regolando il resistore R24 ​​(R25), impostare l'ago del microamperometro sull'ultima divisione della scala.

Per alimentare il dispositivo, è adatta qualsiasi sorgente con una tensione di uscita di 15 ... 24 V in ingresso di 150 ... 200 mA. Se si utilizza un "adattatore" di rete a bassa potenza, assicurarsi che il limite inferiore dell'ondulazione della tensione di ingresso sia almeno 2.5 V superiore a 12 V.

Non è stato possibile effettuare un controllo diretto delle caratteristiche del dispositivo fabbricato per mancanza di dispositivi adeguati. Pertanto, non è necessario parlare del controllo delle proprietà di frequenza del sensore a frequenze di centinaia di megahertz. L'autore aveva a disposizione solo un multimetro digitale DT930F + (classe di precisione 0.05 durante la misurazione della tensione CC e 0.5 durante la misurazione della resistenza, tensione CA rms fino a 400 Hz [5]), un generatore a bassa frequenza GZ-117 (fino a 10 MHz) e un millivoltmetro VZ.48 (classe di precisione 2.5 Nella banda 45 Hz ... 10 MHz).

La verifica di più punti della scala (il controllo è stato effettuato su un voltmetro digitale e non su una scala microamperometrica) a una frequenza di 5 MHz ha mostrato che il wattmetro funziona in modo più preciso e più stabile del VZ-48! È positivo che questo millivoltmetro avesse prese di controllo sulla parete posteriore, alle quali è possibile collegare un voltmetro esterno (digitale). Supponendo che il VZ-48 non abbia un errore di frequenza nella parte centrale della gamma di frequenza operativa, tre punti di tensione sono stati calibrati a una frequenza di 400 Hz. in base al voltmetro digitale disponibile classe 0.5.

Successivamente, il generatore è stato sintonizzato su una frequenza di 5 MHz e i valori di tensione precedentemente misurati all'ingresso del sensore sono stati ripristinati utilizzando un voltmetro digitale (e non la scala analogica VZ-48). Secondo le letture VZ-48, la potenza in ingresso è stata calcolata dal rapporto Pl = U2/50. e la potenza mostrata dal wattmetro è stata calcolata con la formula (2).

I risultati di queste misurazioni sono riportati nella tabella. È particolarmente impressionante che nei valori di errore ottenuti sia chiaramente visibile la presenza di un errore sistematico [7, 8], il che significa che i parametri del wattmetro possono essere ancora migliori!

Vari termistori possono fungere da sensori, sia con TCR positivo che negativo. Affinché l'unità ACC funzioni con termistori TCR negativi (le lampade a incandescenza hanno un TCR positivo), nel circuito del dispositivo sono previsti dei ponticelli (evidenziati da una linea tratteggiata), che devono essere riorganizzati nella posizione tra i contatti 1 e 4 , 2 e 3.

Per testare l'operabilità dell'ACC con un sensore con un TCS negativo, è stato utilizzato un termistore a perline MKMT-16 con una resistenza nominale di 5,1 kOhm [6] quando acceso secondo il circuito del sensore "B". Nonostante l'elevato valore della resistenza iniziale, la tensione di alimentazione di 10 V è stata sufficiente per riscaldare il termistore in miniatura e bilanciare il ponte. Ma poiché la temperatura operativa per il termistore è significativamente inferiore a quella per il filamento e l'isolamento termico è peggiore, questo sensore funziona più come un misuratore di temperatura e la stabilità zero è molto bassa. Il valore di Рl = 102 mW.

Per coloro che vogliono sperimentare sensori diversi, ecco alcuni suggerimenti generali. La resistenza iniziale del termistore (per qualsiasi segno di TCR) deve essere scelta in modo tale che la resistenza del termistore riscaldato (o una combinazione di più termistori) sia di 50 ohm. raggiunto alla massima temperatura di riscaldamento possibile. Ad esempio, termistori ST1 -18. Il tipo di cordone CT1-19 è operativo fino a +300°С [6]. Allo stesso tempo, devono essere prese misure nella progettazione del sensore per la stabilizzazione termica passiva e l'isolamento termico del termistore.

I termistori NTC al momento dell'accensione potrebbero avere troppa resistenza, pertanto potrebbe essere necessario un aumento significativo della tensione di alimentazione per creare le condizioni per l'autoriscaldamento. Quando si utilizzano i resistori, non ci saranno problemi con l'alimentazione.

Tranne CMH9-60. è possibile utilizzare altri tipi di lampade a incandescenza in miniatura, i cui parametri sono riportati in [1, 2]. È facile ottenere trasduttori con valore Rl da unità a centinaia di milliwatt. La misura della maggiore potenza del segnale RF viene effettuata tramite attenuatori adattati. Il calcolo degli attenuatori si trova in [9,10].

Letteratura

1. Trifonov A. Generatore di rumore. - Radio. 1997. n. 7. pag. 31.32
2. Trifonov A. Wattmetro ad alta frequenza. - Radio. 1997. N. 8. pag. 32.33.
3. Zhutyaev S. G. Stazione radio VHF amatoriale. - M.: Radio e comunicazioni. 1981.
4. Skrypnik V. A. Strumenti per il monitoraggio e la regolazione di apparecchiature radioamatoriali. - M.: Patriota. 1990
5. Nefedov S. Influenza della forma di tensione sulle letture del voltmetro. - Radioamatore. 1997. N. 10. p. 10.
6. Aksenov A. I., Nefedov A. V. Elementi di circuiti di apparecchiature domestiche. Resistori condensatori: un manuale - M.: Radio e comunicazione. 1995.
7. Nefedov S. Caratteristiche metrologiche degli strumenti di misura. - Radioamatore. 1997. N. 12. p. 10.
8. Zaidel AN Stime elementari degli errori di misura. - L.: Scienza. 1968.
9. Red E. Manuale di riferimento per i circuiti ad alta frequenza. - M.: Mir, 1990.
10. Vinogradov Yu. Attenuatore d'antenna. - Radio, 1997. No. 11. p. 80.

Autore: O. Fedorov, Mosca

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