Пропонована конструкція високочастотного ватметра розроблена на основі двох приладів, описаних в [1, 2], де розглянуто можливість застосування мініатюрних ламп розжарювання у вимірювальній апаратурі.
Крім простоти конструкції і доступності використовуваних елементів датчика, автора привернуло те обставина, що налаштування подібного широкосмугового приладу не вимагає високочастотних вимірювань. Необхідно мати тільки цифровий трьох - або чотирирозрядний мультиметр. Всі вимірювання проводять на постійному струмі.
Основна відмінність запропонованої конструкції ватметра полягає в тому, що вимірювальний міст, до якого підключають датчик-перетворювач на лампах розжарювання, балансується автоматично в процесі роботи.
Ватметр, схема якого розглянуто нижче, можна використовувати і як стабільний генератор шуму з узгодженим вихідним опором 50 Ом. Оскільки прилад має вузол автоматичної стабілізації опору (АСС) датчика, температура нитки розжарювання також стабілізована з високою точністю. За рівнем шумів можна побічно судити про робочій смузі частот приладу. Шуми ламп простягаються до 1 ГГц. і падіння рівня починається на частотах 600...700 МГц, що відповідає даними, наведеними в [1, 2]. Про генераторах шуму і проведенні вимірювань з їх допомогою можна прочитати в [3, 4].
В процесі експериментів з'ясувалося, що лампи розжарювання виявилися досить чутливі до механічних впливів. На практиці це означає, що прилад слід оберігати від струсів, інакше параметри перетворювача можуть стрибкоподібно бути змінені. Відбувається це, мабуть, через зміщення нитки розжарювання і зміни режиму теплопередачі. Найбільш стійким рівнем, як показали випробування, виявляється той, на який датчик виходить після включення харчування. Оскільки вузол АСС працює досить стабільно, перехід на інший рівень Рл легко визначається стрілковим індикатором як зміщення "нуля". Якщо потрібно точне вимірювання, потрібно вимкнути і знову ввімкнути напругу живлення. Стабільність датчика, не пов'язана з механічними впливами, досить висока: протягом доби у приладу не виявлено зміщення нуля та межі (за стрелочному індикатору), чого не буває, наприклад, у промислового милливольтметра ВЗ-48.
Основи застосованого методу вимірювання ВЧ потужності викладені в [1, 2]. Позначення у тексті відповідають прийнятим у спеціальних статтях. Сумарна потужність, нагріваюча нитки ламп,
Рл = Рвч + Рзам. ( 1)
де РВч - високочастотна потужність. Рзам - заміщає потужність постійного струму [2].
Перетворимо вираз (1):
Рвч = Рл - Рзам = (Uл2 - Uзам2)/R = (2Uл·ΔU-ΔU2)/R. (2)
де ΔU = Uл - Uзам; Рл = Uл2/R; Рзам = Uзам2/R: R = 200 Ом (або 50 Ом для датчика з паралельним включенням ламп, див. нижче).
З виразу (2) випливає, що значення ВЧ потужності на вході датчика є функцією різниці напруги ΔU = Uл - Uзам. Саме цю різницю напруг (при умови балансу моста) вимірює ватметр. Формулу (2) можна представити у нормованому вигляді:
Рвч/Рл = 2ΔU/Uл - (ΔU/Uл)2 (3)
Вид функції (3) наведено на рис. 1. Використовуючи наведений на ньому графік або аналітичний вираз (3). для мікроамперметра можна накреслити нелінійну шкалу значень РВч/Рл. яка однакова для будь-якого датчика. Розрахунок вимірюваної ВЧ потужності проводиться перемножуванням показань приладу на величину Рл конкретного датчика (виготовлений зразок мав значення Рл = 120 мВт). Якщо за такий шкалою стрілочний прилад показує значення "0.75". вимірювана потужність на вході дорівнює:
Рвч = 0.75 РЛ = 0.75-120 = 90 мВт.
З графіка видно: якщо для вимірювань використовувати тільки початковий ділянку діапазону Рл, нелінійність шкали буде менше. Тому у виготовленому зразку ватметра використовуються дві лінійні шкали мікроамперметра. відповідні двом меж - 40 і 100 мВт. Для конкретного датчика з Рл = 120 мВт положення верхніх меж цих діапазонів показано на рис. 1. Нелінійна та лінійна шкали поєднані у двох точках (нуля і максимуму). В інших точках прилад занижує показання вимірюваної потужності.
Оскільки більшість ВЧ вимірювань зводиться до налаштування на максимальне (мінімальне) значення напруги або потужності, аналогова індикація найбільш зручна, і зазначена похибка шкал не є істотним недоліком. Крім того, в приладі збережена можливість точного вимірювання значення потужності зовнішнім цифровим вольтметром [2].
Принципова схема приладу зображена на рис. 2. Стабілізатори напруги DA1, DA3 включені за типовою схемою. Конденсатори С4, С6 знижують рівень пульсацій вихідної напруги. Інтегральний стабілізатор DA2 створює негативне зміщення -2.5, яке використовується для живлення ОУ. Стабілізатор DA4 виконує функцію джерела зразкового напруги 2,5 В (ІОН).
(натисніть для збільшення)
Вузол АСС виконаний на ОП DA7 і транзисторі VT1. Принцип роботи цього вузла аналогічний роботі звичайного компенсаційного стабілізатора напруги, але замість стабілітрона встановлений інший нелінійний елемент - лампа розжарювання. Баланс мосту підтримується з високою точністю (до 10...20мкВ) зміною його напруги живлення (R7 - R10 і ламп датчика). Опору резисторів моста підібрані з похибкою ±0,1%.
Оскільки міст збалансований, при підключенні датчика з послідовним з'єднанням ламп (рис. 2) виконується рівність:
Rд = R9 + R10 = 200 Ом,
де Rд - опір датчика.
Цифровий 3.5-розрядний прилад не дозволяє вимірювати опору з зазначеної точністю, але його можна прокалібрувати, використовуючи прецизійні резистори (наприклад. С5-5В) з допуском 0.05 - 0,1%. Оскільки елементи мосту нагріваються в процесі роботи, резистори МЛТ використовувати не рекомендується із-за великого значення ТКС ±(500... 1200)-10-6 1/°C [6]. Важливо, щоб опору резисторів R7. R8 розрізнялися не більше ніж на ±0,1%, а номінал може мати значення в межах 47...75 Ом. Зазначену на схемі потужність резисторів, що входять в плечі вимірювального моста, зменшувати не рекомендується.
Відразу після включення живлення приладу для запуску АСС резистор R6 створює невеликий початковий струм, що протікає через міст, тому максимальна вимірювана конкретним датчиком потужність трохи менше Рл.
З високочастотного роз'єму XW1 також знімають шумова напруга в широкій смузі частот.
Для нормальної роботи вузла АС лампи повинні працювати в режимі, коли нитка світиться слабо або не світиться взагалі. При яскравому світлі залежність напруги на лампі від протекаюшего струму близька до лінійної, і на цьому "лінійному" ділянці АСС непрацездатна.
Максимальна потужність датчиків, з якими працює ватметр, не перевищує 250 мВт. Тут розглянуті лише датчики з вхідним опором 50 Ом. але можна використовувати датчики з опором 75 Ом [2]. Опору резисторів мосту в цьому випадку: R9 = 225 Ом. R10 = 75 Ом. Потужність датчиків при тих же примірниках ламп зросте приблизно в два рази, тому доведеться збільшити напруга живлення моста.
Датчик типу "А" докладно описаний в [1, 2]. У включеному стані його опір постійному струму - 200 Ом. а з боку ВЧ входу - 50 Ом Лампи для такого датчика необхідно підібрати попарно, щоб у включеному стані падіння напруги на обох лампах були приблизно рівні. Перевіривши кілька примірників ламп, легко переконатися, що дана умова частіше не виконується, навіть коли опору ламп в холодному стані однакові. Якщо допустити, що вхідний опір повинно знаходитися в межах 50 Ом ±0.25 %. у цьому у разі напруги на лампах, підключених до ваттметру, можуть відрізнятися не більше ніж на 15%. Зразок датчика, з яких перевірялася робота приладу, мав наступні параметри: Uл = 4,906 (Рл = 120 мВт). Un1= 2.6 Ст. Un2= 2,306 В (різниця напруги на лампах близько 12 %).
На рис. 2 для CI. С2 в датчику "А" зазначено номінал 0,44 мкФ, що дозволяє зменшити нижня межа частотного діапазону до 1... 1,5 МГц. Для зменшення індуктивності вхідного ланцюга використано два паралельно включених ЧІП-конденсатора по 0.22 мкФ. При зазначених в [1, 2] номінали конденсаторів (0.047 мкФ) точність вимірювань близько 1 % досяжна лише в межі частотного діапазону не нижче 15 МГц, а не 150 кГц.
На відміну від описаного в [2]. пропонований ватметр дозволяє використовувати два типи датчиків, у яких лампи включені послідовно (датчик типу "А") або паралельно (датчик типу "Б").
Підключений до приладу датчик типу "Б" перемичкою на контакти 1 і 4 в роз'ємі датчика замикає резистор R9 мосту, тому Рд = R10 = 50 Ом. Для цього датчиків типу підбір конкретної пари ламп не потрібен. Щоб отримати необхідне значення Рл. в датчику можна використовувати від однієї до чотирьох ламп, причому вони можуть бути різного типу. Для розширення його частотного діапазону вниз збільшення індуктивності дроселя не повинно приводити до збільшення його активного опору (бажано не більше 0.25 Ом. тобто 0.5 % від 50 Ом). Дросель доводиться намотувати дротом діаметром 0.3...0.4 мм, щоб отримати індуктивність котушки близько 50 мкГн з габаритами резистора МЛТ-1. При такій індуктивності нижня межа частотного діапазону датчика "Б" дорівнює 16 МГц у відміну від датчика inna "А", який досить точний вже на частоті 1 МГц.
На мікросхемах DA6. DA7 і світлодіоди HL1. HL2 виконаний компаратор. Його призначення полягає в індикації балансу вимірювального моста. Коли він збалансований, обидва світлодіода гаснуть. При вказаних на схемі номіналах резистор R29 і R31 зона нечутливості компаратора становить приблизно ±60...90 мкВ. Якщо ВЧ потужність на вході датчика дорівнює максимально допустимому значенню Рл (реально дещо менше). АСС не в змозі збалансувати міст, і один з світлодіодів HL1. HL2 включається, показуючи, що вимірювання неможливо.
Інерційність ламп розжарювання дозволяє наочно побачити процес регулювання (тривалість 1...2 с). В результаті індикатор має ще одну позитивну функцію Він дозволяє визначати невеликі і швидкі зміни амплітуди ВЧ сигналу на вході приладу. Відомо, що подібні коливання амплітуди характерні для нестійких підсилювальних каскадів або генераторів, які схильні до самозбудженню і на паразитних частотах. Наприклад, при перевірці ватметра від генератора Г4-117 виявилося, що на частотах вище 8 МГц і рівні вихідного сигналу понад 2 В (на навантаженні 50 Ом) в генераторі практично не працює внутрішній стабілізатор амплітуди вихідного сигнапа.
Вузол індикації приладу виконаний на ОП DA4. DA5. микроамперметре РА1. Змінні резистори R19 (коректор нуля) і R24. R26 і R25, R27 (коректор "діапазону") дозволяють легко налаштувати ватметр для роботи з будь-якими датчиками, у яких Рл < 220 мВт. При широких межах регулювання найкраще використовувати багатооборотні дротяні резистори. Тому для регулювання "нуля" в приладі встановлено змінний резистор типу СП5-35Б з високою роздільною електричної здатністю [6]. Додаткова корекція нуля при переході на інший діапазон вимірювання, як правило, не потрібно. Регулювання нуля і діапазону не впливають один на одного. Присутність діодного моста викликано тією обставиною, що потужність - величина позитивна. При такому варіанті включення мікроамперметра його стрілка не переходить через нуль.
Більшість елементів пристрою розміщено на одній платі, а ті, які нагріваються при роботі ватметра (DAI, DA2. VT1. R7-R10). мають тепловий контакт з алюмінієвої задньою панеллю приладу. Настроювати прилад краще в закритому корпусі. Конструкція повинна забезпечувати доступ до всіх регулювальним елементів.
Конструкції датчиків і малюнки друкованих плат наведено на рис. 3, 4. Фольга з зворотної сторони друкованої плати повністю збережена. Високочастотний роз'єм і оплетку кабелю пропаивают з обох сторін плати. Для мінімізації власної індуктивності датчиків в них використані конденсатори для поверхневого монтажу (ємністю 0.22 і 0.022 мкФ по дві штуки, включених паралельно). Корпус високочастотного роз'єму припаюють до фользі з обох сторін плати.
У ватметрі використані прецизійні дротяні резистори С5-5В 1 Вт опором 100 Ом з допуском ±0.1 % (ТКС ±50·10-6 1/°З). Як R7, R8, R10 встановлено по два таких паралельно включених резистора, а R9 утворений послідовно-паралельним включенням трьох. Можливе застосування і інших прецизійних резисторів, наприклад, С2-29В, С2-14. Резистори R24 - R26 - підстроювальні. дротові СП5-2, СП5-3. Розетка XS1 для підключення датчика - ОНЦ-ВГ-4-5/16-Р (СГ-5). високочастотні роз'єми XW1 - СР-50-73Ф. Роз'єм живлення - штирьовий, гніздо DJK-03B (2.4/5.5 мм).
Замість мостячи КД906А можна застосувати будь діоди, наприклад, серій Д9, Д220, КД503. КД521. Мікроамперметр - М24. М265 з струмом повного відхилення 50 - 500 мкА.
КР142ЕН12А можна замінити малопотужним імпортним аналогом - LM317LZ, а КР 142ЕН19 - TL431.
Регулювання ватметра виробляють в зібраному вигляді через 10... 15 хв після включення.
Спочатку до контактів 2, 3 роз'єми ХР1 підключають будь-яку пару ламп СМН9-60. з'єднаних послідовно, а до гнізд "А" і "Б" - цифровий вольтметр, який включений на мінімальний межа виміру (200 мВ). Обертаючи підлаштування резистор R15, домагаються нульових показань вольтметра.
Після балансування вимірювального моста налаштовують компаратор. Резистор R21 (або R23 в залежності від початкового зсуву ОУ DA8. DA9) тимчасово замінюють (корпус приладу доведеться відкрити) змінним опором 100 кОм. Змінюючи опір резистора, домагаються стану, в якому обидва світлодіода будуть погашені. Потім замінюють змінний резистор постійним з близьким до знайденому опором. Гранич ли подібної регулювання зміщення відносно вузькі, тому до встановлення в плату бажано перевірити величину початкового зсуву всіх ОУ Мікросхеми з мінімальним зміщенням використовувати як DA8. DA9. Для інших мікросхем величина початкового зсуву не так важлива, оскільки їх режими роботи можна регулювати відповідними змінними резисторами.
Після налаштування компаратора потрібно переконатися, що його зона нечутливості складає ±60...90 мкВ. Резистором R15 допустимо в невеликих межах розбалансувати міст, а з підключеного цифрового вольтметру визначити напруга неузгодженості, при якому світлодіоди включаються. Бажано, щоб зона нечутливості компаратора була симетричною (відносно точки балансу моста). Для її розширення можна збільшити опір резистора R29.
Закінчивши налаштування компаратора, резистором R15 остаточно балансують вимірювальний міст. Користуючись резистором R19, слід перевірити, що для довільно вибраних ламп встановлюються нульові покази мікроамперметра РА1.
Виконавши ці операції, на ввімкненому приладі підбирають пари ламп для датчика механічної стабільності і різниці напруг. Цифровий вольтметр потрібно перемкнути у гнізда "0", "Б". Він буде показувати напруга Un, за яким легко розрахувати Рл. Верхні точки діапазонів "100 мВт" і "40 мВт" можна встановити розрахунковим шляхом, оскільки при заданому значенні Рп відомо, яке напруга покаже цифровий вольтметр в зазначених точках (Uзам). Сигнал на вхід датчика можна подати з будь-якого генератора з частотою вище 2...3 МГц і вихідним напругою не менше 2,5 В (на навантаженні 50 Ом). Рівень сигналу генератора регулює за показаннями цифрового вольтметра так. щоб вольтметр показав розрахункове значення Uзам, після чого регулюванням резистора R24 (R25) встановити стрілку мікроамперметра на поділку шкали.
Для живлення приладу підійде будь джерело з вихідним напругою 15...24 В притоці 150...200 мА. Якщо використовується малопотужний мережевий "адаптер", слід переконатися, що нижня межа пульсацій вхідної напруги, принаймні, на 2.5 перевершує 12 Ст.
Пряму перевірку характеристик виготовленого приладу провести не вдалося через відсутність відповідних приладів. Тому про перевірку частотних властивостей датчика на частотах в сотні мегагерц говорити не доводиться. У розпорядженні автора були лише цифровий мультиметр DT930F+ (клас точності 0.05 при вимірюванні постійної напруги і 0.5 при вимірі опору, середньоквадратичного значення змінної напруги до 400 Гц [5]), низькочастотний генератор ГЗ-117 (до 10 МГц), а також милливольтметр ВЗ-48 (клас точності 2.5 В смузі 45 Гц... 10 МГц).
Повірка декількох точок шкали (контроль проводився з цифрового вольтметру, а не по шкалі мікроамперметра) на частоті 5 МГц показала, що працює ватметр точніше і стабільніше, ніж ВЗ-48! Добре, що у цього милливольтметра опинилися на задній стінці контрольні гнізда, до яких можна підключити зовнішній (цифровий) вольтметр. У припущенні, що ВЗ-48 не має частотної похибки середньої частині робочого діапазону частот, була виконана калібрування трьох точок напруги на частоті 400 Гц. за що були цифрового вольтметру класу 0.5.
Після цього генератор був перебудований на частоту 5 МГц і цифрового вольтметру (а не за аналоговою шкалою ВЗ-48) були відновлені раніше виміряні значення напруги на вході датчика. За свідченнями ВЗ-48 розраховувалася потужність вході співвідношення Рл = U2/50. а потужність, яку показував ватметр, розраховувалася за формулою (2).
Результати цих вимірювань наведені в таблиці. Особливо вражає, що в отриманих значеннях похибки явно проглядається наявність систематичної помилки [7, 8], а це означає, що параметри ватметра можуть бути ще краще!
Датчиками можуть служити різні терморезистори - як з позитивним, так і з негативним ТКС. Для того щоб вузол АСС працював з терморезисторами з негативним ТКС (лампи розжарювання мають позитивний ТКС), у схемі приладу передбачені перемички (виділені штрихпунктирной лінією), які потрібно переставити в положення між контактами 1 і 4, 2 і 3.
Для перевірки працездатності АС з датчиком, що мають негативний ТКС, був використаний терморезистор МКМТ-16 бусинкового типу з номінальним опором 5,1 кОм [6] при включенні по схемі датчика "Б". Незважаючи на більшу величину вихідного опору, напруги живлення 10 виявилося достатньо для розігріву мініатюрного термістора і балансування мосту. Але оскільки робоча температура для терморезистора істотно нижче, ніж для нитки розжарювання, а теплоізоляція гірше, цей датчик працює швидше як вимірювач температури і стабільність нуля дуже невисока. Величина Рл = 102 мВт.
Для бажаючих поекспериментувати з різними датчиками можна дати кілька загальних порад. Вихідний опір терморезистора (для будь-якого знака ТКС) потрібно вибирати таким, щоб опір нагрітого терморезистора (або комбінації декількох терморезисторів), що дорівнює 50 Ом. досягалося при максимально можливій температурі розігріву. Наприклад, термістори СТ1 -18. СТ1 -19 бусинкового типу працездатні до +300°С [6]. При цьому в конструкції датчика повинні бути вжиті заходи щодо пасивної термостабілізації та теплоізоляції терморезистора.
Терморезистори з негативним ТКС в момент включення можуть мати занадто великий опір, тому для створення умов може саморазогрева потрібно істотне збільшення напруги живлення. При використанні позісторов проблем з харчуванням не виникне.
Крім СМН9-60. можна використовувати інші типи мініатюрних ламп розжарювання, параметри яких наведені в [1, 2]. Легко отримати перетворювачі з значенням Рл від одиниць до сотень мілліватт. Вимірювання більшої потужності ВЧ сигналу проводять через узгоджені атенюатори. З розрахунком аттенюаторов можна познайомитися в [9,10].
Література
Автор: О. Федоров, р. Москва