Wattmètre haute fréquence et générateur de bruit. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Technique de mesure

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La conception proposée d'un wattmètre haute fréquence est développée sur la base de deux dispositifs décrits dans [1, 2], où la possibilité d'utiliser des lampes à incandescence miniatures dans les équipements de mesure a été envisagée.

Outre la simplicité de conception et la disponibilité des éléments capteurs utilisés, l'auteur a été séduit par le fait que la mise en place d'un tel dispositif à large bande ne nécessite pas de mesures haute fréquence. Il vous suffit d’avoir un multimètre numérique à trois ou quatre chiffres. Toutes les mesures sont effectuées en courant continu.

La principale différence entre la conception du wattmètre proposée est que le pont de mesure, auquel est connecté le capteur-convertisseur pour lampes à incandescence, est automatiquement équilibré pendant le fonctionnement.

Le wattmètre, dont le circuit est décrit ci-dessous, peut également être utilisé comme générateur de bruit stable avec une impédance de sortie adaptée de 50 Ohms. Étant donné que l'appareil dispose d'une unité de stabilisation automatique de la résistance (ASR) du capteur, la température du filament est également stabilisée avec une grande précision. Le niveau de bruit peut indirectement juger de la bande de fréquence de fonctionnement de l'appareil. Le bruit de la lampe s'étend jusqu'à 1 GHz. et la chute de niveau commence aux fréquences de 600...700 MHz, ce qui correspond aux données données dans [1, 2]. Vous pouvez en savoir plus sur les générateurs de bruit et les mesures qui les utilisent dans [3, 4].

Au cours des expériences, il s'est avéré que les lampes à incandescence se révélaient très sensibles aux influences mécaniques. En pratique, cela signifie que l'appareil doit être protégé des chocs, sinon les paramètres du convertisseur risquent de changer brusquement. Cela se produit apparemment en raison du déplacement du filament et d'un changement dans le mode de transfert de chaleur. Le niveau le plus stable, comme l'ont montré les tests, est celui auquel le capteur atteint après la mise sous tension. Étant donné que le nœud ACC fonctionne de manière très stable, la transition vers un autre niveau RL est facilement déterminée par le comparateur à cadran comme un décalage « zéro ». Si une mesure précise est requise, l'alimentation électrique doit être coupée et rétablie. La stabilité du capteur, qui n'est pas associée à des influences mécaniques, est assez élevée : pendant la journée, l'appareil n'a pas détecté de décalage de zéro ou de limite (selon le comparateur à cadran), ce qui n'arrive pas, par exemple, avec le Millivoltmètre industriel VZ-48.

Les bases de la méthode appliquée pour mesurer la puissance RF sont décrites dans [1, 2]. Les désignations dans le texte correspondent à celles adoptées dans les articles originaux. La puissance totale chauffant les filaments de la lampe est

Рl \u1d Rvch + Pzam. ( une)

où RHF est la puissance haute fréquence. Rzam - Alimentation de remplacement CC [2].

Transformons l'expression (1) :

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

où ΔU = Ul - Uzam ; Рл = Ul2/R; Rzam = Uzam2/R : R = 200 Ohm (ou 50 Ohm pour un capteur avec connexion de lampes en parallèle, voir ci-dessous).

De l'expression (2), il résulte que la valeur de la puissance RF à l'entrée du capteur est fonction de la différence de tension ΔU = Ul-Us. C'est cette différence de tension (en supposant que le pont soit équilibré) que mesure le wattmètre. La formule (2) peut être présentée sous forme normalisée :

Rvch/Rl = 2ΔU/Ul - (ΔU/Ul)2 (3)

La forme de la fonction (3) est illustrée à la Fig. 1. En utilisant le graphique ou l'expression analytique qui y figure (3). pour un microampèremètre, vous pouvez dessiner une échelle non linéaire des valeurs RHF/Rl. ce qui est le même pour n'importe quel capteur. La puissance RF mesurée est calculée en multipliant les lectures de l'instrument par la valeur RL d'un capteur spécifique (l'échantillon fabriqué avait une valeur de RL = 120 mW). Si sur une telle échelle, le comparateur indique la valeur « 0.75 ». la puissance d’entrée mesurée est :

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

Le graphique le montre : si seule la partie initiale de la plage RL est utilisée pour les mesures, la non-linéarité de l'échelle sera moindre. Par conséquent, dans l’échantillon de wattmètre fabriqué, deux échelles microampèremétriques linéaires sont utilisées. correspondant à deux limites - 40 et 100 mW. Pour un capteur spécifique avec RL = 120 mW, la position des limites supérieures de ces plages est indiquée sur la Fig. 1. Les échelles non linéaires et linéaires sont conjuguées en deux points (zéro et maximum). À d’autres moments, l’appareil sous-estime les lectures de puissance mesurées.

Étant donné que la plupart des mesures RF se résument à définir la valeur de tension ou de puissance maximale (minimale), l'indication analogique est la plus pratique et l'erreur d'échelle indiquée ne constitue pas un inconvénient majeur. De plus, l'appareil conserve la possibilité de mesurer la valeur exacte de la puissance avec un voltmètre numérique externe [2].

Le schéma de principe de l'appareil est présenté sur la Fig. 2. Les stabilisateurs de tension DA1, DA3 sont inclus selon le circuit standard. Les condensateurs C4, C6 réduisent le niveau d'ondulation de la tension de sortie. Le régulateur intégré DA2 crée une polarisation négative de -2.5 V, qui est utilisée pour alimenter l'ampli-op. Le stabilisateur DA4 fonctionne comme une source de tension de référence de 2,5 V (ION).

(cliquez pour agrandir)

L'unité ACC est réalisée sur l'ampli opérationnel DA7 et le transistor VT1. Le principe de fonctionnement de cette unité est similaire à celui d'un stabilisateur de tension de compensation conventionnel, mais au lieu d'une diode Zener, un autre élément non linéaire est installé - une lampe à incandescence. L'équilibre du pont est maintenu avec une grande précision (jusqu'à 10...20 µV) en modifiant sa tension d'alimentation (R7 - R10 et lampes du capteur). La résistance des résistances du pont est sélectionnée avec une erreur de ±0,1 %.

Le pont étant équilibré, lors de la connexion d'un capteur avec une connexion en série de lampes (Fig. 2), l'égalité est satisfaite :

Rd \u9d R10 + R200 \uXNUMXd XNUMX Ohms,

où Rd est la résistance du capteur.

Un appareil numérique à 3.5 chiffres ne permet pas de mesurer la résistance avec la précision spécifiée, mais il peut être calibré à l'aide de résistances de précision (par exemple, C5-5V) avec une tolérance de 0.05 à 0,1 %. Étant donné que les éléments du pont chauffent pendant le fonctionnement, les résistances MLT ne sont pas recommandées en raison de la valeur TCR élevée ±(500... 1200)-10-6 1/°C [6]. Il est important que la résistance des résistances R7. R8 ne différait pas de plus de ±0,1 % et la valeur nominale pouvait aller de 47 à 75 Ohms. Il n'est pas recommandé de réduire la puissance des résistances incluses dans les bras du pont de mesure indiqués sur le schéma.

Immédiatement après la mise sous tension de l'appareil pour démarrer l'ACC, la résistance R6 crée un petit courant initial circulant à travers le pont, de sorte que la puissance maximale mesurée par un capteur particulier est légèrement inférieure à Rl.

Le connecteur haute fréquence XW1 supprime également la tension de bruit sur une large bande de fréquences.

Pour un fonctionnement normal de l'unité ACC, les lampes doivent fonctionner dans un mode dans lequel le filament brille faiblement ou ne brille pas du tout. En pleine lumière, la dépendance de la tension de la lampe sur le courant circulant est proche de linéaire, et dans cette section « linéaire », l'ACC est inopérant.

La puissance maximale des capteurs avec lesquels fonctionne le wattmètre ne dépasse pas 250 mW. Seuls les capteurs avec une impédance d'entrée de 50 Ohms sont pris en compte ici. mais vous pouvez aussi utiliser des capteurs avec une résistance de 75 Ohms [2]. La résistance des résistances du pont dans ce cas est : R9 = 225 Ohms. R10 = 75 ohms. La puissance des capteurs avec les mêmes lampes doublera approximativement, il faudra donc augmenter la tension d'alimentation du pont.

Le capteur de type « A » est décrit en détail dans [1, 2]. Lorsqu'il est allumé, sa résistance DC est de 200 Ohms. et du côté de l'entrée RF - 50 Ohms. Les lampes d'un tel capteur doivent être sélectionnées par paires de sorte que lorsque les chutes de tension sur les deux lampes sont allumées, elles soient approximativement égales. Après avoir vérifié plusieurs exemplaires de lampes, il est facile de constater que cette condition n'est souvent pas remplie, même lorsque la résistance des lampes à froid est la même. En supposant que la résistance d'entrée doit être comprise entre 50 Ohms ±0.25 %. alors dans ce cas, les tensions sur les lampes connectées au wattmètre ne peuvent différer de plus de 15 %. Le capteur d'échantillon avec lequel le fonctionnement du dispositif a été testé avait les paramètres suivants : Ul = 4,906 V (Rl = 120 mW). Un1= 2.6 V. Un2= 2,306 V (la différence de tension aux bornes des lampes est d'environ 12 %).

En figue. 2 pour CI. C2 dans le capteur « A » a une valeur nominale de 0,44 μF, ce qui permet de réduire la limite inférieure de la plage de fréquences à 1... 1,5 MHz. Pour réduire l'inductance du circuit d'entrée, deux condensateurs chip de 0.22 µF connectés en parallèle ont été utilisés. Avec les valeurs nominales des condensateurs indiquées dans [1, 2] (0.047 μF), une précision de mesure de l'ordre de 1 % n'est réalisable que dans la plage de fréquences d'au moins 15 MHz, et non de 150 kHz.

Contrairement à décrit dans [2]. Le wattmètre proposé permet l'utilisation de deux types de capteurs, dans lesquels les lampes sont connectées en série (capteur type "A") ou en parallèle (capteur type "B").

Un capteur de type « B » connecté à l'appareil avec un cavalier sur les broches 1 et 4 du connecteur du capteur ferme la résistance R9 du pont, donc Рд = R10 = 50 Ohm. Pour les capteurs de ce type, la sélection d’une paire de lampes spécifique n’est pas nécessaire. Pour obtenir la valeur requise de Rl. Le capteur peut utiliser de une à quatre lampes, et elles peuvent être de différents types. Pour élargir sa gamme de fréquence vers le bas, une augmentation de l'inductance de l'inducteur ne doit pas entraîner une augmentation de sa résistance active (de préférence pas plus de 0.25 Ohm, soit 0.5% de 50 Ohm). L'inducteur doit être enroulé avec un fil d'un diamètre de 0.3...0.4 mm afin d'obtenir une inductance de bobine d'environ 50 μH avec les dimensions de la résistance MLT-1. Avec une telle inductance, la limite inférieure de la gamme de fréquences du capteur « B » est de 16 MHz, contrairement au capteur « A », qui est déjà assez précis à une fréquence de 1 MHz.

Sur les puces DA6. LED DA7 et HL1. HL2 est un comparateur. Son but est d'indiquer l'équilibre du pont de mesure. Lorsqu'il est équilibré, les deux LED s'éteignent. Avec les valeurs des résistances R29 et R31 indiquées sur le schéma, la zone morte du comparateur est d'environ ±60...90 µV. Si la puissance RF à l'entrée du capteur est égale à la valeur maximale autorisée RL (en fait un peu inférieure). ACC n'est pas capable d'équilibrer le pont et l'une des LED HL1. HL2 s'allume, indiquant que la mesure n'est pas possible.

L'inertie des lampes à incandescence permet de voir clairement le processus de régulation (durée 1...2 s). En conséquence, l'indicateur a un autre fonction positive... Il vous permet de déterminer des changements faibles et rapides dans l'amplitude du signal RF à l'entrée de l'appareil. On sait que de telles fluctuations d'amplitude sont caractéristiques d'étages amplificateurs ou de générateurs instables, qui sont sujets à une auto-excitation à des fréquences parasites. Par exemple, lors de la vérification du wattmètre du générateur G4-117, il a été découvert qu'à des fréquences supérieures à 8 MHz et à un niveau de signal de sortie supérieur à 2 V (à une charge de 50 Ohms), le stabilisateur d'amplitude du signal de sortie interne dans le le générateur ne fonctionne pratiquement pas.

L'unité d'indication de l'appareil est réalisée sur l'ampli opérationnel DA4. DA5. microampèremètre PA1. Résistances variables R19 (correcteur de zéro) et R24. R26 et R25, R27 (correcteur de plage) vous permettent de configurer facilement le wattmètre pour qu'il fonctionne avec n'importe quel capteur avec RL < 220 mW. Pour des plages de réglage larges, il est préférable d'utiliser des résistances bobinées multitours. Par conséquent, pour ajuster le « zéro », une résistance variable de type SP5-35B à haute résolution électrique est installée dans l'appareil [6]. En règle générale, une correction supplémentaire du zéro lors du passage à une autre plage de mesure n'est pas nécessaire. Les réglages du zéro et de l’échelle ne s’influencent pas mutuellement. La présence d’un pont de diodes est due au fait que la puissance est une quantité positive. Avec cette option d'allumage du microampèremètre, son aiguille ne passe pas par zéro.

La plupart des éléments de l'appareil sont placés sur une seule carte, ainsi que ceux qui chauffent pendant le fonctionnement du wattmètre (DAI, DA2. VT1. R7-R10). avoir un contact thermique avec le panneau arrière en aluminium de l'appareil. Il est préférable de configurer l'appareil dans un boîtier fermé. La conception doit permettre l'accès à tous les éléments de réglage.

Les conceptions de capteurs et de cartes de circuits imprimés sont illustrées à la Fig. 3, 4. La feuille au dos du circuit imprimé est entièrement préservée. Le connecteur haute fréquence et la tresse du câble sont soudés des deux côtés de la carte. Pour minimiser l'auto-inductance des capteurs, ils utilisent des condensateurs montés en surface (d'une capacité de 0.22 et 0.022 μF, deux pièces connectées en parallèle). Le boîtier du connecteur haute fréquence est soudé au film des deux côtés de la carte.

Le wattmètre utilise des résistances filaires de précision S5-5V 1 W avec une résistance de 100 Ohms avec une tolérance de ±0.1% (TCS ±50·10-6 1/°C). Deux de ces résistances connectées en parallèle sont installées, car R7, R8, R10 et R9 sont formées par une connexion série-parallèle de trois. Il est également possible d'utiliser d'autres résistances de précision, par exemple C2-29V, C2-14. Les résistances R24 - R26 sont réglées. fil SP5-2, SP5-3. Prise XS1 pour connecter le capteur - ONTS-VG-4-5/16-R (SG-5). connecteurs haute fréquence XW1 - SR-50-73F. Connecteur d'alimentation - broche, prise DJK-03B (2.4/5.5 mm).

Au lieu du pont KD906A, vous pouvez utiliser n'importe quelle diode, par exemple les séries D9, D220, KD503. KD521. Microampèremètre - M24. M265 avec un courant de déviation total de 50 à 500 µA.

Le KR142EN12A peut être remplacé par un analogue importé de faible puissance - LM317LZ et le KR 142EN19 - TL431.

Le wattmètre est réglé sous forme assemblée 10... 15 minutes après la mise en marche.

Tout d'abord, connectez n'importe quelle paire de lampes SMH2-3 aux broches 1 et 9 du connecteur XP60. connecté en série et aux prises «A» et «B» - un voltmètre numérique, qui est allumé jusqu'à la limite de mesure minimale (200 mV). En faisant tourner la résistance d'accord R15, nous obtenons des lectures nulles sur le voltmètre.

Après avoir équilibré le pont de mesure, le comparateur est ajusté. La résistance R21 (ou R23 selon la polarisation initiale de l'ampli-op DA8. DA9) est temporairement remplacée (le corps de l'appareil devra être ouvert) par une résistance variable de 100 kOhm. En modifiant la valeur de la résistance, nous obtenons un état dans lequel les deux LED sont éteintes. Remplacez ensuite la résistance variable par une constante avec une résistance proche de celle trouvée. Les limites d'un tel réglage du décalage sont relativement étroites, donc avant l'installation dans la carte, il est conseillé de vérifier la valeur du décalage initial de tous les amplificateurs opérationnels. Des microcircuits avec un décalage minimum doivent être utilisés comme DA8. DA9. Pour d'autres microcircuits, la valeur de la polarisation initiale n'est pas si importante, puisque leurs modes de fonctionnement peuvent être ajustés à l'aide de résistances variables appropriées.

Après avoir configuré le comparateur, vous devez vous assurer que sa zone morte est de ±60...90 µV. Avec la résistance R15, il est possible de déséquilibrer le pont dans de petites limites et d'utiliser un voltmètre numérique connecté pour déterminer la tension de discordance à laquelle les LED s'allument. Il est souhaitable que la zone morte du comparateur soit symétrique (par rapport au point d'équilibre du pont). Pour l'étendre, vous pouvez augmenter la résistance de la résistance R29.

Une fois le réglage du comparateur terminé, la résistance R15 est utilisée pour enfin équilibrer le pont de mesure. À l'aide de la résistance R19, vous devez vérifier que pour les lampes sélectionnées au hasard, le microampèremètre PA1 est réglé sur zéro.

Une fois ces opérations terminées, l'appareil étant allumé, des paires de lampes pour le capteur sont sélectionnées en fonction de la stabilité mécanique et de la différence de tension. Le voltmètre numérique doit être commuté sur les prises « 0 », « B ». Il affichera la tension Un, à partir de laquelle il est facile de calculer Rl. Les points supérieurs des plages « 100 mW » et « 40 mW » peuvent être fixés par calcul, car pour une valeur donnée de Rp, on sait quelle tension le voltmètre numérique affichera aux points indiqués (Uzam). Le signal à l'entrée du capteur peut être fourni par n'importe quel générateur avec une fréquence supérieure à 2...3 MHz et une tension de sortie d'au moins 2,5 V (sous une charge de 50 Ohms). Le niveau du signal du générateur est ajusté en fonction des lectures d'un voltmètre numérique comme suit. pour que le voltmètre affiche la valeur calculée de U, puis ajustez la résistance R24 ​​(R25) pour régler l'aiguille du microampèremètre sur la dernière division d'échelle.

Toute source avec une tension de sortie de 15...24 V et un débit entrant de 150...200 mA convient pour alimenter l'appareil. Si un adaptateur secteur basse consommation est utilisé, vous devez vous assurer que la limite inférieure de l'ondulation de la tension d'entrée est d'au moins 2.5 V au-dessus de 12 V.

Il n’a pas été possible de vérifier directement les caractéristiques de l’appareil fabriqué faute d’appareils appropriés. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de parler de vérification des propriétés fréquentielles du capteur à des fréquences de plusieurs centaines de mégahertz. L'auteur n'avait à sa disposition qu'un multimètre numérique DT930F+ (classe de précision 0.05 lors de la mesure de tension continue et 0.5 lors de la mesure de résistance, valeur efficace de tension alternative jusqu'à 400 Hz [5]), un générateur basse fréquence GZ-117 (jusqu'à 10 MHz), et un millivoltmètre VZ-48 (classe de précision 2.5 dans la bande 45 Hz... 10 MHz).

La vérification de plusieurs points sur l'échelle (la surveillance a été effectuée à l'aide d'un voltmètre numérique et non d'une échelle microampèremétrique) à une fréquence de 5 MHz a montré que le wattmètre fonctionne avec plus de précision et de stabilité que le VZ-48 ! C'est bien que ce millivoltmètre ait des prises de test sur la paroi arrière, auxquelles vous pouvez connecter un voltmètre externe (numérique). En supposant que le VZ-48 ne présente pas d'erreur de fréquence dans la partie médiane de la plage de fréquences de fonctionnement, trois points de tension ont été calibrés à une fréquence de 400 Hz. en utilisant un voltmètre numérique existant de classe 0.5.

Après cela, le générateur a été reconstruit à une fréquence de 5 MHz et les valeurs de tension précédemment mesurées à l'entrée du capteur ont été restaurées à l'aide d'un voltmètre numérique (et non à l'aide de l'échelle analogique VZ-48). Sur la base des lectures du VZ-48, la puissance d'entrée a été calculée à partir du rapport Рл = U2/50. et la puissance affichée par le wattmètre a été calculée à l'aide de la formule (2).

Les résultats de ces mesures sont présentés dans le tableau. Il est particulièrement impressionnant que la présence d'une erreur systématique soit clairement visible dans les valeurs d'erreur obtenues [7, 8], ce qui signifie que les paramètres du wattmètre peuvent être encore meilleurs !

Diverses thermistances peuvent servir de capteurs, à la fois avec un TCS positif et négatif. Pour que l'unité ACC fonctionne avec des thermistances à TCR négatif (les lampes à incandescence ont un TCR positif), le circuit de l'appareil fournit des cavaliers (mis en évidence par une ligne pointillée), qui doivent être déplacés vers la position entre les contacts 1 et 4, 2. et 3.

Pour tester la fonctionnalité de l'ACC avec un capteur ayant un TCR négatif, une thermistance de type perle MKMT-16 avec une résistance nominale de 5,1 kOhm a été utilisée [6] lorsqu'elle est connectée selon le circuit du capteur « B ». Malgré la grande valeur de la résistance initiale, une tension d'alimentation de 10 V était suffisante pour chauffer la thermistance miniature et équilibrer le pont. Mais comme la température de fonctionnement d'une thermistance est nettement inférieure à celle d'un filament à incandescence et que l'isolation thermique est pire, ce capteur fonctionne davantage comme un thermomètre et la stabilité du zéro est très faible. Valeur Rl = 102 mW.

Pour ceux qui souhaitent expérimenter différents capteurs, voici quelques conseils généraux. La résistance initiale de la thermistance (pour tout signe du TKS) doit être choisie de telle sorte que la résistance de la thermistance chauffée (ou d'une combinaison de plusieurs thermistances) soit égale à 50 Ohms. a été atteint à la température de chauffage maximale possible. Par exemple, les thermistances ST1-18. Les types de billes ST1 -19 sont opérationnels jusqu'à +300°C [6]. Dans ce cas, la conception du capteur doit prendre des mesures pour la stabilisation thermique passive et l'isolation thermique de la thermistance.

Les thermistances avec TCR négatif peuvent avoir une résistance trop élevée au moment de la mise sous tension, de sorte qu'une augmentation significative de la tension d'alimentation peut être nécessaire pour créer des conditions d'auto-échauffement. Lors de l'utilisation de posistors, il n'y aura aucun problème d'alimentation électrique.

Sauf SMN9-60. Vous pouvez utiliser d'autres types de lampes à incandescence miniatures dont les paramètres sont donnés dans [1, 2]. Il est facile d'obtenir des convertisseurs avec des valeurs RL allant de quelques à plusieurs centaines de milliwatts. Une puissance de signal RF plus élevée est mesurée via des atténuateurs adaptés. Le calcul des atténuateurs peut être trouvé dans [9,10].

littérature

1. Trifonov A. Générateur de bruit. - Radio. 1997. N° 7. p. 31.32
2. Trifonov A. Wattmètre haute fréquence. - Radio. 1997. N° 8. p. 32.33.
3. Zhutyaev S. G. Station de radio amateur VHF. - M. : Radio et communication. 1981.
4. Skrypnik V. A. Dispositifs de surveillance et de configuration des équipements radioamateurs. - M. : Patriote. 1990
5. Nefedov S. Influence de la forme de la tension sur les lectures du voltmètre. - Radio-amateur. 1997. N° 10. p. dix.
6. Aksenov A. I., Nefedov A. V. Éléments des circuits d'équipement ménager. Condensateurs Résistances : Annuaire - M. : Radio et communications. 1995.
7. Nefedov S. Caractéristiques métrologiques des instruments de mesure. - Radio-amateur. 1997. N° 12. p. dix.
8. Zaidel AN Estimations élémentaires des erreurs de mesure. - L. : Sciences. 1968.
9. Red E. Manuel de référence pour les circuits haute fréquence. - M. : Mir, 1990.
10. Vinogradov Yu. Atténuateur d'antenne. - Radio, 1997. N° 11. p. 80.

Auteur : O. Fedorov, Moscou

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