Wattímetro de alta frequência e gerador de ruído. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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O projeto proposto de um wattímetro de alta frequência foi desenvolvido com base em dois dispositivos descritos em [1, 2], onde foi considerada a possibilidade de utilização de lâmpadas incandescentes em miniatura em equipamentos de medição.

Além da simplicidade do design e da disponibilidade dos elementos sensores utilizados, o autor foi atraído pelo fato de que o ajuste de tal dispositivo de banda larga não requer medições de alta frequência. Tudo o que você precisa é de um multímetro digital de três ou quatro dígitos. Todas as medições são realizadas em corrente contínua.

A principal diferença do projeto proposto do wattímetro é que a ponte de medição, à qual o conversor do sensor nas lâmpadas incandescentes está conectado, é balanceada automaticamente durante a operação.

O wattímetro, cujo circuito é discutido abaixo, também pode ser usado como um gerador de ruído estável com uma impedância de saída correspondente de 50 ohms. Como o dispositivo possui um conjunto de sensor de estabilização automática de resistência (ACC), a temperatura do filamento também é estabilizada com alta precisão. O nível de ruído pode julgar indiretamente a banda de frequência operacional do dispositivo. O ruído da lâmpada se estende até 1 GHz. e a queda de nível começa nas frequências de 600...700 MHz, o que corresponde aos dados fornecidos em [1, 2]. Você pode ler sobre geradores de ruído e medições com a ajuda deles em [3, 4].

Durante os experimentos, descobriu-se que as lâmpadas incandescentes eram muito sensíveis ao estresse mecânico. Na prática, isso significa que o dispositivo deve ser protegido contra choques, caso contrário, os parâmetros do conversor podem mudar abruptamente. Isso acontece, aparentemente, devido ao deslocamento do filamento e a uma mudança no modo de transferência de calor. O nível mais estável, como mostraram os testes, é aquele que o sensor atinge após ligar a energia. Como o nó ACC funciona de maneira muito estável, a transição para outro nível RL é facilmente determinada pelo relógio comparador como um deslocamento "zero". Se for necessária uma medição precisa, a tensão de alimentação deve ser desligada e ligada novamente. A estabilidade do sensor, não relacionada a influências mecânicas, é bastante alta: durante o dia, o dispositivo não detectou um deslocamento de zero e um limite (por um relógio comparador), o que não acontece, por exemplo, com um VZ industrial -48 milivoltímetro.

Os fundamentos do método de medição de potência de RF aplicado são descritos em [1, 2]. As designações no texto correspondem às adotadas nos artigos originais. A potência total que aquece os filamentos das lâmpadas,

Рl \u1d Rvch + Pzam. ( XNUMX)

onde RHF - potência de alta frequência. Рzam - Energia de substituição DC [2].

Vamos transformar a expressão (1):

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

onde ΔU = Ul - Uzam; Рl = Ul2/R; Рzam = Uzam2/R: R = 200 Ohm (ou 50 Ohm para um sensor com lâmpadas conectadas em paralelo, veja abaixo).

Da expressão (2) segue que o valor da potência de RF na entrada do sensor é uma função da diferença de tensão ΔU = Ul- Uzam. É essa diferença de tensão (assumindo o equilíbrio da ponte) que o wattímetro mede. A fórmula (2) pode ser representada de forma normalizada:

Rvch/Rl = 2ΔU/Ul - (ΔU/Ul)2 (3)

A forma da função (3) é mostrada na fig. 1. Utilizando o gráfico nele representado ou a expressão analítica (3). para um microamperímetro é possível traçar uma escala não linear de valores RHF/Rl. que é o mesmo para qualquer sensor. O cálculo da potência de RF medida é feito multiplicando-se as leituras do aparelho pelo valor de Рl de um determinado sensor (a amostra fabricada tinha o valor de Рl = 120 mW). Se em tal escala o dispositivo apontador mostrar o valor "0.75". a potência de entrada medida é:

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

Pode ser visto no gráfico que se apenas a seção inicial do intervalo Рl for usada para medições, a não linearidade da escala será menor. Portanto, na amostra fabricada do wattímetro, são usadas duas escalas lineares do microamperímetro. correspondendo a dois limites - 40 e 100 mW. Para um sensor específico com Îl = 120 mW, a posição dos limites superiores dessas faixas é mostrada na Fig. 1. As escalas não lineares e lineares são conjugadas em dois pontos (zero e máximo). Em outros pontos, o dispositivo subestima as leituras da potência medida.

Como a maioria das medições de RF é reduzida para definir o valor máximo (mínimo) de tensão ou potência, a indicação analógica é a mais conveniente e o erro de escala indicado não é uma desvantagem significativa. Além disso, o dispositivo mantém a capacidade de medir o valor exato da potência com um voltímetro digital externo [2].

O diagrama esquemático do dispositivo é mostrado na fig. 2. Os estabilizadores de tensão DA1, DA3 são incluídos de acordo com o esquema padrão. Os capacitores C4, C6 reduzem o nível de ondulação da tensão de saída. O regulador integrado DA2 cria um viés negativo de -2.5 V, que é usado para alimentar o amplificador operacional. O estabilizador DA4 desempenha a função de uma fonte de tensão exemplar de 2,5 V (ION).

(clique para ampliar)

O nó ACC é feito no amplificador operacional DA7 e no transistor VT1. O princípio de operação deste nó é semelhante ao funcionamento de um estabilizador de tensão de compensação convencional, mas em vez de um diodo zener, outro elemento não linear é instalado - uma lâmpada incandescente. O equilíbrio da ponte é mantido com alta precisão (até 10 ... 20 μV) alterando sua tensão de alimentação (R7 - R10 e lâmpadas do sensor). As resistências dos resistores da ponte são selecionadas com um erro de ±0,1%.

Como a ponte é balanceada, ao conectar o sensor com uma conexão em série de lâmpadas (Fig. 2), a igualdade é atendida:

Rd \u9d R10 + R200 \uXNUMXd XNUMX Ohm,

onde Rd é a resistência do sensor.

Um dispositivo digital de 3.5 bits não permite medir a resistência com a precisão indicada, mas pode ser calibrado usando resistores de precisão (por exemplo, C5-5V) com uma tolerância de 0.05 - 0,1%. Como os elementos da ponte esquentam durante a operação, não é recomendado o uso de resistores MLT devido ao grande valor de TCR ±(500... 1200)-10-6 1/°C [6]. É importante que as resistências dos resistores R7. R8 diferiu não mais que ±0,1%, e o valor pode estar na faixa de 47 ... 75 ohms. Não é recomendável reduzir a potência dos resistores incluídos nos braços da ponte de medição indicados no diagrama.

Imediatamente após ligar o dispositivo para iniciar o ACC, o resistor R6 cria uma pequena corrente inicial que flui pela ponte, de modo que a potência máxima medida por um sensor específico é um pouco menor que Rl.

O conector de alta frequência XW1 também remove a tensão de ruído em uma ampla banda de frequência.

Para a operação normal do conjunto ACC, as lâmpadas devem operar em um modo em que o fio brilha fracamente ou não brilha. Com um brilho intenso, a dependência da tensão da lâmpada no fluxo de corrente é quase linear e, nesta seção "linear" do ACC, é inoperável.

A potência máxima dos sensores com os quais o wattímetro funciona não excede 250 mW. Apenas sensores com uma impedância de entrada de 50 ohms são considerados aqui. mas você também pode usar sensores com resistência de 75 ohms [2]. A resistência dos resistores da ponte neste caso: R9 = 225 ohms. R10 = 75 Ohm. A potência dos sensores com as mesmas lâmpadas aumentará aproximadamente duas vezes, portanto a tensão de alimentação da ponte deverá ser aumentada.

O tipo de sensor "A" é descrito em detalhes em [1, 2]. No estado ligado, sua resistência DC é de 200 ohms. e do lado da entrada de RF - 50 Ohm. As lâmpadas para tal sensor devem ser selecionadas em pares para que, no estado ligado, as quedas de tensão em ambas as lâmpadas sejam aproximadamente iguais. Verificando várias instâncias das lâmpadas, é fácil perceber que muitas vezes esta condição não é satisfeita, mesmo quando as resistências das lâmpadas no estado frio são as mesmas. Assumindo que a resistência de entrada deve estar dentro de 50 ohms ±0.25%. então, neste caso, as tensões nas lâmpadas conectadas ao wattímetro podem diferir em não mais que 15%. A amostra do sensor, com a qual foi testado o funcionamento do aparelho, tinha os seguintes parâmetros: Ul = 4,906 V (Pl = 120 mW). Un1= 2.6 V. Un2= 2,306 V (a diferença de tensão entre as lâmpadas é de cerca de 12%).

Na fig. 2 para CI. C2 no sensor "A" é definido como 0,44 μF, o que permite reduzir o limite inferior da faixa de frequência para 1 ... 1,5 MHz. Para reduzir a indutância do circuito de entrada, foram utilizados dois capacitores CHIP de 0.22 μF conectados em paralelo. Com os valores dos capacitores indicados em [1, 2] (0.047 μF), uma precisão de medição de cerca de 1% é alcançável apenas no limite da faixa de frequência de pelo menos 15 MHz e não 150 kHz.

Ao contrário do descrito em [2]. O wattímetro proposto permite a utilização de dois tipos de sensores, em que as lâmpadas são ligadas em série (sensor tipo “A”) ou em paralelo (sensor tipo “B”).

O sensor tipo "B" conectado ao dispositivo com um jumper nos pinos 1 e 4 no conector do sensor fecha o resistor R9 da ponte, portanto Rd \u10d R50 \u0.25d 0.5 Ohm. Para sensores deste tipo, não é necessária a seleção de um par específico de lâmpadas. Para obter o valor necessário de Rl. podem ser usadas de uma a quatro lâmpadas no sensor, e elas podem ser de vários tipos. Para expandir sua faixa de frequência para baixo, um aumento na indutância do indutor não deve levar a um aumento em sua resistência ativa (de preferência não mais que 50 Ohm, ou seja, 0.3% de 0.4 Ohm). O indutor deve ser enrolado com um fio de 50 ... 1 mm de diâmetro para obter uma indutância da bobina da ordem de 16 μH com as dimensões do resistor MLT-1. Com essa indutância, o limite inferior da faixa de frequência do sensor "B" é de XNUMX MHz, ao contrário do sensor inna "A", que já é bastante preciso na frequência de XNUMX MHz.

Em chips DA6. DA7 e LEDs HL1. HL2 feito comparador. Sua finalidade é indicar o equilíbrio da ponte de medição. Quando está equilibrado, ambos os LEDs se apagam. Com os valores dos resistores R29 e R31 indicados no diagrama, a zona morta do comparador é de aproximadamente ± 60 ... 90 μV. Se a potência de RF na entrada do sensor for igual ao valor máximo permitido Рl (na verdade, um pouco menos). O ACC não consegue equilibrar a ponte e um dos LEDs HL1. HL2 liga, indicando que a medição não é possível.

A inércia das lâmpadas incandescentes permite ver visualmente o processo de regulação (duração 1 ... 2 s). Como resultado, o indicador tem outra função positiva: permite determinar pequenas e rápidas mudanças na amplitude do sinal de RF na entrada do dispositivo. Sabe-se que tais flutuações de amplitude são características de cascatas ou geradores de amplificação instáveis, que também são propensos à auto-excitação em frequências espúrias. Por exemplo, ao verificar o wattímetro do gerador G4-117, verificou-se que em frequências acima de 8 MHz e um nível de sinal de saída superior a 2 V (com carga de 50 Ohms), o estabilizador interno da amplitude do sinal de saída praticamente não funciona no gerador.

A unidade de exibição do dispositivo é feita no OS DA4. DA5. microamperímetro RA1. Resistores variáveis ​​R19 (corretor de zero) e R24. R26 e R25, R27 (corretor "alcance") facilitam a configuração do wattímetro para funcionar com qualquer sensor com Pl < 220 mW. Com amplas faixas de ajuste, é melhor usar resistores de fio enrolado de múltiplas voltas. Portanto, para ajustar o "zero" no dispositivo, é instalado um resistor variável do tipo SP5-35B com alta resolução elétrica [6]. A correção de zero adicional ao mudar para outra faixa de medição, como regra, não é necessária. Os ajustes de zero e amplitude não afetam um ao outro. A presença da ponte de diodos se deve ao fato de que a potência é um valor positivo. Com esta opção de ligar o microamperímetro, sua seta não cruza o zero.

A maioria dos elementos do dispositivo está localizada na mesma placa e aqueles que aquecem durante a operação do wattímetro (DAI, DA2. VT1. R7-R10). ter contato térmico com o painel traseiro de alumínio do instrumento. É melhor configurar o dispositivo em uma caixa fechada. O projeto deve fornecer acesso a todos os elementos de ajuste.

Os projetos de sensores e desenhos de placas de circuito impresso são mostrados na fig. 3, 4. A folha no verso da placa de circuito impresso está completamente preservada. O conector de alta frequência e a trança do cabo são soldados em ambos os lados da placa. Para minimizar a indutância intrínseca dos sensores, eles usam capacitores de montagem em superfície (0.22 e 0.022 uF, dois em paralelo). O corpo do conector de alta frequência é soldado à folha em ambos os lados da placa.

O wattímetro usa resistores de fio de precisão S5-5V 1 W com uma resistência de 100 Ohm com uma tolerância de ±0.1% (TCS ±50 10-6 1/°C). Como R7, R8, R10, dois desses resistores conectados em paralelo são instalados e R9 é formado pela conexão em série paralela de três. Também é possível usar outros resistores de precisão, por exemplo, C2-29V, C2-14. Resistores R24 - R26 - ajuste. fio SP5-2, SP5-3. Soquete XS1 para conexão do sensor - ONTS-VG-4-5/16-R (SG-5). conectores de alta frequência XW1 - СР-50-73Ф. Conector de alimentação - macho, soquete DJK-03B (2.4/5.5 mm).

Em vez da ponte KD906A, você pode usar qualquer diodo, por exemplo, as séries D9, D220, KD503. KD521. Microamperímetro - M24. M265 com uma corrente de desvio total de 50 - 500 μA.

O KR142EN12A pode ser substituído por um analógico importado de baixa potência - LM317LZ e KR 142EN19 - TL431.

O wattímetro é ajustado na forma montada 10 ... 15 minutos após ligar.

Primeiro, qualquer par de lâmpadas CMH2-3 é conectado aos pinos 1, 9 do conector XP60. conectado em série e nos soquetes "A" e "B" - um voltímetro digital, que está incluído no limite mínimo de medição (200 mV). Ao girar o resistor de ajuste R15, são obtidas leituras zero do voltímetro.

Depois de balancear a ponte de medição, ajuste o comparador. O resistor R21 (ou R23, dependendo do viés inicial do amplificador operacional DA8. DA9) é substituído temporariamente (a caixa do dispositivo terá que ser aberta) por uma resistência variável de 100 kOhm. Ao alterar a resistência do resistor, é alcançado um estado em que ambos os LEDs serão apagados. Em seguida, o resistor variável é substituído por um constante com uma resistência próxima ao valor encontrado. Os limites desse ajuste de offset são relativamente estreitos, por isso é aconselhável verificar o valor de offset inicial de todos os amplificadores operacionais antes de instalá-lo na placa. Chips com um offset mínimo devem ser usados ​​como DA8. DA9. Para outros microcircuitos, o valor do deslocamento inicial não é tão importante, pois seus modos de operação podem ser controlados pelos resistores variáveis ​​correspondentes.

Depois de ajustar o comparador, você precisa se certificar de que sua zona morta é de ±60...90 µV. É permitido desequilibrar a ponte com o resistor R15 dentro de uma pequena faixa e determinar a tensão de incompatibilidade na qual os LEDs ligam usando o voltímetro digital conectado. É desejável que a zona morta do comparador seja simétrica (em relação ao ponto de equilíbrio da ponte). Para expandi-lo, você pode aumentar a resistência do resistor R29.

Terminada a configuração do comparador, a ponte de medição é finalmente balanceada com o resistor R15. Usando o resistor R19, você deve verificar se, para lâmpadas selecionadas arbitrariamente, as leituras zero do microamperímetro PA1 estão definidas.

Depois de concluídas essas operações, os pares de lâmpadas para o sensor são selecionados no dispositivo ligado de acordo com a estabilidade mecânica e a diferença de tensão. O voltímetro digital deve ser ligado às tomadas "0", "B". Ele mostrará a tensão Un, a partir da qual é fácil calcular Rl. Os pontos superiores das faixas "100 mW" e "40 mW" podem ser definidos por cálculo, pois a um determinado valor de Pp sabe-se qual a tensão que o voltímetro digital indicará nos pontos indicados (Uzam). Um sinal pode ser aplicado à entrada do sensor de qualquer gerador com uma frequência acima de 2...3 MHz e uma tensão de saída de pelo menos 2,5 V (a uma carga de 50 ohms). O nível do sinal do gerador é ajustado de acordo com as leituras de um voltímetro digital como segue. para que o voltímetro mostre o valor calculado Uzam, após o qual, ajustando o resistor R24 ​​​​(R25), coloque a agulha do microamperímetro na última divisão da escala.

Para alimentar o dispositivo, qualquer fonte com tensão de saída de 15 ... 24 V de entrada de 150 ... 200 mA é adequada. Se for usado um "adaptador" de rede elétrica de baixa potência, certifique-se de que o limite inferior da ondulação da tensão de entrada seja pelo menos 2.5 V maior que 12 V.

Uma verificação direta das características do dispositivo fabricado não pôde ser realizada devido à falta de dispositivos apropriados. Portanto, não há necessidade de falar sobre a verificação das propriedades de frequência do sensor em frequências de centenas de megahertz. O autor tinha à sua disposição apenas um multímetro digital DT930F+ (classe de precisão 0.05 ao medir tensão DC e 0.5 ao medir resistência, tensão AC rms até 400 Hz [5]), um gerador de baixa frequência GZ-117 (até 10 MHz) e um milivoltímetro VZ 48 (classe de precisão 2.5 na faixa de 45 Hz ... 10 MHz).

A verificação de vários pontos da escala (o controle foi feito em voltímetro digital, e não em escala de microamperímetro) na frequência de 5 MHz mostrou que o wattímetro funciona com mais precisão e estabilidade que o VZ-48! É bom que este milivoltímetro tenha soquetes de controle na parede traseira, aos quais você pode conectar um voltímetro externo (digital). Supondo que o VZ-48 não tenha um erro de frequência na parte intermediária da faixa de frequência operacional, três pontos de tensão foram calibrados em uma frequência de 400 Hz. de acordo com a classe de voltímetro digital disponível 0.5.

Depois disso, o gerador foi sintonizado na frequência de 5 MHz e os valores de tensão medidos anteriormente na entrada do sensor foram restaurados usando um voltímetro digital (e não a escala analógica VZ-48). De acordo com as leituras do VZ-48, a potência de entrada foi calculada a partir da relação Pl = U2/50. e a potência que o wattímetro mostrou foi calculada pela fórmula (2).

Os resultados dessas medições são mostrados na tabela. É especialmente impressionante que nos valores de erro obtidos, a presença de um erro sistemático seja claramente visível [7, 8], o que significa que os parâmetros do wattímetro podem ser ainda melhores!

Vários termistores podem servir como sensores - tanto com TCR positivo quanto negativo. Para que a unidade ACC funcione com termistores TCR negativos (lâmpadas incandescentes têm TCR positivo), são fornecidos jumpers no circuito do dispositivo (destacados por uma linha tracejada e pontilhada), que devem ser rearranjados para a posição entre os contatos 1 e 4 , 2 e 3.

Para testar a operabilidade do ACC com um sensor com um TCS negativo, um termistor do tipo cordão MKMT-16 com uma resistência nominal de 5,1 kOhm [6] foi usado quando ligado de acordo com o circuito do sensor "B". Apesar do grande valor da resistência inicial, a tensão de alimentação de 10 V foi suficiente para aquecer o termistor miniatura e equilibrar a ponte. Mas como a temperatura operacional do termistor é significativamente menor do que a do filamento e o isolamento térmico é pior, esse sensor funciona mais como um medidor de temperatura e a estabilidade zero é muito baixa. O valor de Îl = 102 mW.

Para aqueles que desejam experimentar diferentes sensores, aqui estão algumas dicas gerais. A resistência inicial do termistor (para qualquer sinal de TCR) deve ser escolhida de forma que a resistência do termistor aquecido (ou uma combinação de vários termistores) seja de 50 ohms. alcançado na temperatura de aquecimento mais alta possível. Por exemplo, termistores ST1 -18. O tipo de cordão CT1-19 é operacional até +300°С [6]. Ao mesmo tempo, medidas devem ser tomadas no projeto do sensor para estabilização térmica passiva e isolamento térmico do termistor.

Os termistores NTC no momento de ligar podem ter muita resistência, portanto, um aumento significativo na tensão de alimentação pode ser necessário para criar condições de autoaquecimento. Ao usar positores, não haverá problemas com a fonte de alimentação.

Exceto CMH9-60. você pode usar outros tipos de lâmpadas incandescentes em miniatura, cujos parâmetros são fornecidos em [1, 2]. É fácil obter transdutores com valor Rl de unidades a centenas de miliwatts. A medição da potência do sinal de RF mais alta é realizada por meio de atenuadores combinados. O cálculo dos atenuadores pode ser encontrado em [9,10].

Literatura

1. Trifonov A. Gerador de ruído. - Rádio. 1997. Nº 7. p. 31.32
2. Trifonov A. Wattímetro de alta frequência. - Rádio. 1997. Nº 8. p. 32.33.
3. Zhutyaev S. G. Estação de rádio amadora VHF. - M.: Rádio e comunicações. 1981.
4. Skrypnik V. A. Instrumentos para monitorar e ajustar equipamentos de rádio amador. - M.: Patriota. 1990
5. Nefedov S. Influência da forma de tensão nas leituras do voltímetro. - Rádio amador. 1997. Nº 10. pág. 10.
6. Aksenov A. I., Nefedov A. V. Elementos de circuitos de equipamentos domésticos. Capacitores Resistores: Um Manual - M.: Rádio e Comunicação. 1995.
7. Nefedov S. Características metrológicas de instrumentos de medição. - Rádio amador. 1997. Nº 12. pág. 10.
8. Zaidel AN Estimativas elementares de erros de medição. - L.: Ciência. 1968.
9. Red E. Manual de circuitos de alta frequência. - M.: Mir, 1990.
10. Vinogradov Yu. Atenuador de antena. - Rádio, 1997. Nº 11. p. 80.

Autor: O. Fedorov, Moscou

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