Vysokofrekvenční milivoltmetr

Fotografie milivoltmetru

Úvod:

V roce 1987 vyšel v [1] popis VF milivoltmetru. Tehdy jsem ho postavil a fungoval velmi dobře. Postupem času ale ujely elektrické parametry použitého OZ MAA 725 a voltmetr byl stále hůř použitelný. V původním zapojení voltmetr nefungoval dobře se sondou osazenou schottky diodami patrně díky menšímu zesílení původního OZ. Proto jsem se nakonec rozhodl pro konstrukci voltmetru nového na stejném principu.

Popis funkce:

Popisovaný milivoltmetr používá k detekci VF napětí kompenzační metodu. Blokové schéma přístroje je na obrázku:
Blokové schéma
VF napětí se usměrní vstupní diodou v sondě. Voltmetr pak na druhou, opačně polarizovanou diodu v sondě přivádí NF napětí. Detekované napětí z obou diod má opačnou polaritu, takže se vzájemně odečítá. Pokud je vstupní VF napětí a napětí z elektroniky voltmetru shodné vzájemně se odečte a výstupní napětí ze sondy je nulové. Elektronika voltmetru má za účel neustále udržovat na výstupu sondy nulové napětí. NF kompenzační napětí, kterým vstupní VF napětí vyvažujeme se již snadno měří. Na první pohled se zdá tento princip komplikovaný. Má to ale své důvody. Běžná dioda má při malých VF napětích nelineární detekční charakteristiku a pro každou diodu a každý rozsah by bylo nutné zvlášť cejchovat stupnici voltmetru. O přesnosti takové práce si jistě nebudeme dělat iluze. Voltmetr pracující na kompenzačním principu má stupnici lineární v celém rozsahu a navíc je možné u jednoho přístroje používat více sond pro různé účely. Jedinou podmínkou je přesný souběh charakteristik obou detekčních diod v sondě. Na něm záleží výsledná přesnost přístroje. Použity jsou proto dvojice VF schottky diod v jednom pouzdře. U takových diod by již z výroby měl být zaručen rozumný souběh.

Schéma přístroje:
Schéma milivoltmetru. Ve schématu jsou zakresleny dvě sondy. Jedna je určena pro vysokoimpedační měření. Měla by proto měřený obvod zatěžovat co nejméně. Druhá sonda je určena pro měření na oblíbené impedanci 50Ω. Takových sond je možné nadělat více pro různá určení. Největší problém v celém voltmetru je volba vhodných detekčních diod. Protože jde o VF voltmetr, měl by fungovat do co nejvyšších kmitočtů. Na druhé straně diody vhodné pro detekci na vysokých kmitočtech nad 1GHz mají velmi nízké pracovní napětí. Proto musíme volit kompromis a použít takové diody, které mají dostatečné napětí (nejméně cca 40V) a přitom jsou schopny detekovat alespoň na stovkách MHz. Pro vyšší kmitočty můžeme vyrobit další sondu, která bude mít omezeno vstupní napětí například na cca 1V, ale bude schopna detekovat na kmitočtech až několik GHz. Otázka je ale nakolik přesné takové měření bude, protože zde vstupují do hry mechanické rozměry sondy. V tomto případě půjde spíše o indikaci než o skutečné měření.

Osazovací schéma přístroje:
Osazovací schéma milivoltmetru

Klišé pro výrobu DPS milivoltmetru fotocestou. Rozměry desky jsou 168 x 50m

Jak jsem napsal, zásadní problém je výběr diod. Já jsem ve svých sondách použil dvojité schottky diody BAS70-04. S těmito diodami odhaduji použitelnost sond do cca 300 – 500 MHz. Je celá řada pěkných diod ale problém je sehnat je. Pokud jich nechcete zrovna vagón, buď je neseženete, nebo za ně v kusovém množství chtějí prodejci několik set korun. Dioda v sondě čas od času přijde k úhoně a proto musíme mít v zásobě raději několik kusů nových. Proto jsem po zvážení všech pro a proti do sond použil právě jmenované diody, které možná nedosahují tak skvělých parametrů, ale byly levné a dostupné.

DPS sondy:
Sonda - DPS

Osazovací schéma sondy:
Sonda - osazení

Další vhodné diody vyrábí např. Aligent Technologies – typy HSMS2802, HSMS2805. Sehnat další vhodné typy diod s dostatečně vysokým napětím se mi nepodařilo. Kuriozní je, že diod pro mnohem vyšší frekvence ale nízké napětí je spousta. Např. HSMS2812, SMS2822, BAT14-099, BAT15-04W a mnoho dalších. Zde si musíme rozmyslet, k jakému účelu budeme sondu používat a zabezpečit ji proti přepětí na vstupu.

Zapojení sond vidíme na schématu. U obou sond je na vstupní diodu přivedeno VF napětí přes oddělovací kondenzátor C7 nebo C32. Následují dvě detekční diody zapojené proti zemi s obrácenou polaritou. Napětí z diod vede přes odpory R38,R39 nebo R40,R41 do společného bodu, ve kterém se obě napětí odčítají. Výstupní napětí ze sondy se vede propojovacím stíněným kabelem na vstup elektroniky voltmetru. Sonda 50Ω je zapojena stejně, ale před oddělovacím kondenzátorem má na zem zapojen odpor 50Ω. Ten je složen ze 4 SMD odporů 200Ω 0,25W abychom dosáhli zatížitelnosti cca 2W. Všechny součástky v ondě jsou typu SMD jednak proto, abychom dosáhli co nejmenších mechanických rozměrů, jednak proto že SMD součástky jsou vhodnější pro VF použití než běžné součástky s drátovými vývody.

Fotografie sond:
Fotografie sond

Fotografie vysokoimpedanční sondy:
Fotografie vysokoimpedanční sondy

Fotografie sondy 50Ω:
Fotografie sondy 50Ω

Stejnosměrné napětí ze sondy je přivedeno na vstup elektroniky voltmetru. Nejdůležitějším obvodem je zesilovač odchylky osazený precizním OZ LTC1050. Ten má velmi dobré parametry. Vstupní napěťový ofset je maximálně 5uV, typicky 0,5uV. To nám umožňuje jednoduše postavit velmi přesný a dlouhodobě stabilní zesilovač. Není nutné používat jakoukoliv kompenzaci napěťové nesymetrie jak tomu bylo u původní konstrukce. OZ je zapojen jako integrační zesilovač. Kondenzátory ve zpětné vazbě určují rychlost změn napětí na výstupu zesilovače. Aby byla rychlost pohybu ručky přístroje přibližně stejná přepínají se při změně rozsahů i tyto kondenzátory. OZ má na vstupu antiparalelně zapojené diody které ho chrání proti nežádoucímu přepětí na vstupu. Tyto diody jsou nutné. Při připojení vstupního VF napětí vyššího než cca 6V se krátkodobě na vstupu OZ objeví napětí větší než je napájecí napětí OZ. Ten to sice v mém případě sice přežil, ale je lepší na to nespoléhat. LTC 1050 má maximální povolené napětí +- 9V . V přístroji ho napájím napětím +- 6V získávaným ze stabilizátorů IC3 a IC4. Výstupní napětí z IC1 bohužel nestačí k získání dostatečného napájecího napětí pro oscilátor. Proto je za LTC 1050 nutné zařadit zesilovač který dodá dostatečné napětí pro napájení oscilátoru. Tuto funkci zastává IC2. Já jsem požil OZ OP07, ale na tomto místě lze v podstatě použít jakýkoliv běžný OZ. Nejsou zde kladeny žádné zvláštní nároky. Tento stupeň zesiluje napětí z OZ1 2x. Z výstupu druhého zesilovače je napájen NF oscilátor s T1, který vyrábí kompenzační NF napětí pro druhou diodu ve vstupní sondě. V oscilátoru se neskrývá žádný problém. Funguje velmi dobře v celém rozsahu napájecích napětí. Zenerova dioda D1 snižuje rozsah napájecího napětí oscilátoru. Napětí z oscilátoru se dělí do dvou větví. V jedné se měří velikost NF napětí, druhou se přivádí kompenzační napětí na druhou diodu v sondě. NF napětí se usměrní detekční diodou D2 a měří ručkovým měřidlem MP80 100uA. S použitou detekční diodou GAZ51 je linearita měření velmi dobrá. Na obrázku 5 je zobrazena charakteristika převodu napájecí napětí oscilátoru -> usměrněné napětí za detektorem. Měřil jsem charakteristiky pro běžnou křemíkovou diodu, schottky diodu a diodu GAZ51. Jak se dalo očekávat, o něco horší vlastnosti má usměrňovač s křemíkovou diodou, schottky dioda je použitelná, GAZ51 je nejlepší.

Přes kondenzátor C14 se vede NF napětí na přepínané děliče napětí. Těmi se snižuje napětí pro druhou diodu v sondě na úroveň odpovídající vstupnímu VF napětí. Snížené napětí se vede stíněným kablíkem do sondy na kompenzační diodu.

Poslední součástí přístroje je napájecí zdroj. Pro napájení je použit zvonkový transformátor s výstupním napětím cca 10V. Ten jsem použil proto, je již byla hotová krabička i se zmíněným transformátorem z původní konstrukce z roku 1987. Nebyl důvod to předělávat a tak jsem to ponechal tak. Pro dosažení napájecího napětí +- 15V jsou použity dva zdvojovače napětí s diodami D3 – D6 a napětí je stabilizováno obvody IC5 a IC6. Napětí pro IC1 je stabilizováno obvody IC3 a IC4.

Oživení přístroje:

Nejprve osadíme napájecí zdroj a ověříme jeho funkčnost. Na kondenzátoru C25 má být cca –28V, na C24 asi +28V. Zkontrolujeme napětí +- 15V za IC6 a IC5 a +-6V za IC3 a IC4. Pokud je vše v pořádku osadíme oscilátor a obvody okolo IC2. Na vstup IC2 připojte napětí 3V a zkontrolujte napětí na vývodu 6 IC2 mělo by být 6V. Ověřte napětí přibližně –7,5V na Diodě D1. Připojte osciloskop za C14 – měli byste vidět sinusové NF napětí o kmitočtu přibližně 100kHz. Přesný kmitočet není důležitý. Pokud oscilátor nekmitá prohoďte vývody jednoho z vinutí mezi sebou. Změnou vstupního napětí IC2 ověřte linearitu měření a zkontrolujte, že oscilátor vypadává a nasazuje při NF napětí okolo 30mV. Je tam malá hystereze asi 10 – 20mV mezi vypadnutím a nasazením oscilátoru. Pokud je vše v pořádku, osaďte LTC1050. Připojte sondu a zkuste měřit VF napětí.

Kalibrace přístroje:

Bohužel málokdo má možnost kalibrovat přístroj přímo na VF napětí nebo dokonce měřit jeho kmitočtovou charakteristiku. Proto je nutné použít náhradní postupy, kterými přístroj zkalibrujeme pomocí NF napětí. Nejprve v sondě provizorně připojte paralelně k C32 kvalitní kondenzátor s kapacitou cca 100 – 300nF. Tím se sníží minimální kmitočet sondy do oblasti NF kmitočtů. Pak můžeme kalibrovat pomocí NF generátoru a NF milivoltmetru. Pokud nemáme ani takové vybavení, je možné přístroj kalibrovat střídavým napětím o kmitočtu 50Hz z transformátoru o výstupním napětí asi 10V. Měřit střídavé napětí 50Hz by asi měl umět každý. Při použití napětí o kmitočtu 50Hz bude vhodné ještě přidat paralelně k C2 kvalitní kondenzátor cca 100nF.

Na vstupu sondy nastavte NF napětí 10V. Trimrem R14 nastavte na měřidle také napětí 10V. Snižováním napětí na vstupu sondy ověřte linearitu stupnice. Pokud stupnice není lineární, nejsou přesně stejné diody v sondě.

Snižte vstupní napětí na 3V a nastavte výchylku měřidla trimrem R29 také na 3V. Stejně pokračujte pro ostatní rozsahy. Nastavte patřičné vstupní napětí a příslušným trimrem seřiďte výchylku na stupnici. Je vhodné na všech rozsazích ověřovat linearitu měření, abychom se vyhnuli případným pozdějším překvapením. Po dokončení kalibrace odpojíme pomocné paralelní kondenzátory od C32, případně od C2 a můžeme začít přístroj používat. Pokud máme vyrobeno více sond pro různé účely, stačí pak už jen na VF ověřit, že ukazují stejné napětí.

Mechanická konstrukce:

Mechanická konstrukce je velmi jednoduchá. Pro přístroj jsem využil původní plechovou skříňku ze starého voltmetru podle [1] včetně původního zvonkového transformátoru. Asi nemá příliš smysl konstrukci popisovat. Každý si ji udělá podle svých vlastních možností. Jen doporučuji použít plechovou skříňku, která zamezí případnému pronikání VF do přístroje. Je vhodné použít větší měřící přístroj pro přesnější odečítání hodnot. Já jsem použil měřidlo MP80 100uA. Stupnice měřidla je na obrázku 8. Osazovací schéma přístroje je na obrázku 3, obrazec plošných spojů ze strany mědi je na obrázku 4. Pro elektroniku přístroje jsem použil jednostrannou DPS a běžné součástky, které jsou všude ke koupi.

Náročnější je konstrukce sond. Základem jsou miniaturní rozměry a použití SMD součástek. Doporučuji pro vazební kondenzátory a odpory R2,R3, R36 a R37 použít SMD součástky vyjmuté z vyřazených komponentů VF techniky. Všude se dnes válí vadné mobilní telefony, vyřazené satelitní hlavičky nebo komponenty z GSM tras. Pokud použijeme součástky takového původu, máme rozumnou jistotu, že jsou vhodné pro VF. Když tyto součástky koupíte v obchodě tuto jistotu nemáte, ať už vám prodavač tvrdí cokoliv. Na obrázku 6 je osazovací schéma sondy, na obrázku 7 pak obrazec DPS ze strany mědi. Pro DPS sondy použijte kvalitní materiál vhodný pro VF – např. FR4 nebo Gumon. Základem sondy je hlavice, do které je připájena destička se součástkami. Ta je vytočená na soustruhu z mosazi. Lože pro DPS je vyfrézováno. Abych mohl používat různé přípravky na připojení do obvodu, je na vstupu sondy šroub M3, na který se našroubují potřebné přípravky. Isolaci mezi šroubem a hlavicí tvoří vložka vytočená z teflonu. Vše je vidět na detailní fotografii. Sonda 50Ω má delší frézované lože, ve kterém je ještě jedna malá destička obsahující odpory R2,R3,R36,R37. Na vstupu pak je místo šroubu konektor BNC, který je zašroubován do vlastní hlavy. Hlavice je zašroubovaná do hliníkové ochranné trubky, která je na druhé straně opatřena průchodkou vytočenou z hliníku kterou prochází stíněná dvojlinka spojující sondu s přístrojem.

Měření výkonu:

Přístroj umožňuje měřit i VF výkon. Výkon je definován známým vzorcem P=U*I. Jednoduchou úpravou získáme vzorec P=U2/R. Pokud použijeme sondu 50Ω můžeme měřit maximálně výkon, který odpovídá napětí 10V tedy 102/50=2W. Pokud chceme měřit větší výkony musíme použít výkonový útlumový článek. Na takový článek jsou kladeny poměrně značné nároky. Vstupní a výstupní impedance bývá obvykle 50Ω (ale může být i jiná), útlum bývá 20 nebo 40dB. Důležité je, aby vstupní i výstupní impedance byla dodržena v co nejvyšším rozsahu kmitočtů. Takový článek pro nižší výkony lze vyrobit, nebo lze použít profesionální útlumový článek. Celá léta jsem používal útlumový článek vyrobený z cca 25 kusů ruských odporů MLT 1W řazených sérioparalelně. Šlo o hmotové odpory vhodné pro VF - neměly spirálu ale maximálně podélnou drážku. Celá zátěž byla zaletovaná do krabičky z pocínovaného plechu. Ta měla kónický tvar, který měl zajistit přibližně stejnou impedanci v celé zátěži. Pokud by byl zájem, možná bych výkres ještě někde nalezl. Zátěž byla opatřena přírubou pro hadici od vysavače, kterým jsem hnal chladící vzduch do zátěže. Při zapnutém vysavači zátěž snášela bez problémů trvale cca 100W na 144MHz. Používal jsem ji i na 432MHz, ale tam již PSV bylo trochu horší.

Dnes používám profesionální odpor 800W/50Ω od firmy Diconex. Ta vyrábí jak samostatné odpory, tak výkonové útlumové články. Bohužel výkonové útlumové články byly k dispozici jen do cca 250W. Použil jsem tedy výkonový odpor 50Ω a k němu jsem přidal útlumové SMD oddpory. To samozřejmě není optimální řešení. Musel jsem použít sériově řazené výkonové SMD odpory. Problémů je v tomto provedení několik. Měřící větev snižuje vstupní impedanci o cca 1Ω. To není v amatérské praxi příliš důležité - spíš je to vada na kráse. Horší je, že sériově řazené SMD odpory patrně nebudou mít příliš dobrou kmitočtovou charakteristiku. Z důvodu minimálního ovlivňování vstupní impedance a únosné ztráty na měřícím děliči bylo nutné jít na útlum 50dB aby byl dělič vyrobitelný. Optimální by byl útlum 40dB.

Fotografie útlumového článku:
Fotografie útlumového článku:

Mechanická konstrukce je vidět z fotografie. Útlumový článek je umístěn ve frézovaném bloku, který je opatřen vstupním N a výstupním SMA konektorem. Celý útlumový článek je připevněn na mohutném chladiči. Při maximální povolené ztrátě 800W by chladič bylo ještě nutno ofukovat např. počítačovými ventilátory. Při ztrátě přes 200W se bez problémů uchladí sám.

Závěr:

Na rozdíl od různých oblíbených laciných PSV metrů je popisovaný milivoltmetr skutečný měřící přístroj. Jeho přesnost závisí především na použitých VF diodách v sondě. Přístroj lze použít k přesnému měření VF výkonu vysílačů i při nastavování VF techniky.

Rozpiska součástek:

C1                    220pF
C2,C4                 10k
C3                    3k3
C5                    33k
C6,C8,C9,C10,C11,
C13,C14,C16,C17,
C26,C27,C28,C33,
C34                   100k
C7,C32,C35            1k
C12                   1k5
C15                   2k2
C18,C19,C20,C21       10u
C22,C23               1G/25V
C24,C25               500u/25V
C29,C30               500u/50V
C31                   22k
R1,R4                 1k
R2,R3,R36,R37         200 SMD
R5,R6                 10k
R7                    330
R8,R9                 1M
R10                   120k
R11                   2k2
R12,R26               270
R14                   25k Trimr
R15,R18,R19,R20       10k
R16                   5k6
R17                   8k2
R21                   2k5
R22                   2k7
R23                   470
R24                   820
R25,R27               120
R28                   3k3
R29,R30,R31,
R32,R33               2k5 Trimr
R34                   39
R35                   3k3
R38,R39,R40,R41       100k
R42                   1k5
T1                    BC237
D1                    7V2
D2                    GAZ51
D3,D4,D5,D6           KY130/80
D7,D9                 BAS70-04
D11                   LED - Zelená
D12,D13               KA221
IC1                   LTC1050
IC2                   OP07
IC3                   78L06
IC4                   79L06
IC5                   78L15
IC6                   79L15

Použitá literatura: