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无线电电子与电气工程百科全书 高频功率计和噪声发生器。 无线电电子电气工程百科全书
高频瓦特计的拟议设计是在[1, 2]中描述的两种设备的基础上开发的，其中考虑了在测量设备中使用微型白炽灯的可能性。 除了设计的简单性和所使用的传感器元件的可用性之外，作者还被这样一个宽带设备的调谐不需要高频测量这一事实所吸引。 您所需要的只是一个数字三位数或四位数万用表。 所有测量均在直流电下进行。 所提出的瓦特计设计的主要区别在于，白炽灯上的传感器转换器所连接的测量电桥在运行期间自动平衡。 瓦特计（其电路如下所述）也可用作具有 50 欧姆匹配输出阻抗的稳定噪声发生器。 由于该设备具有自动电阻稳定 (ACC) 传感器组件，因此灯丝的温度也能高精度稳定。 噪声水平可以间接判断设备的工作频段。 灯噪声高达 1 GHz。 电平下降开始于 600...700 MHz 的频率，这对应于 [1, 2] 中给出的数据。 您可以在 [3, 4] 中阅读有关噪声发生器和测量的信息。 实验过程中发现，白炽灯对机械应力非常敏感。 实际上，这意味着必须保护设备免受冲击，否则转换器的参数可能会突然改变。 显然，这是由于灯丝的位移和传热模式的变化而发生的。 测试表明，最稳定的水平是传感器在打开电源后达到的水平。 由于 ACC 节点工作非常稳定，因此通过千分表很容易将转换到另一个 RL 级别确定为“零”移位。 如果需要精确测量，则必须关闭并再次打开电源电压。 传感器的稳定性与机械影响无关，非常高：白天，设备没有检测到零移和极限（通过千分表），而工业 VZ-48 毫伏表就不会发生这种情况。 [1, 2] 中描述了所应用的射频功率测量方法的基本原理。 文中的名称与原文中采用的名称相对应。 加热灯丝的总功率， Рl \u1d Rvch + Pzam。 （ 一） 其中RHF——高频功率。 Рzam - 直流替代电源 [2]。 让我们转换表达式（1）： Rvch \u2d Rl - Rzam \u2d (Ul2 - Uzam2) / R \u2d (XNUMXUl ΔU-ΔUXNUMX) / R。 (XNUMX) 其中 ΔU = Ul - Uzam； Рl=Ul2/R； Рzam = Uzam2/R：R = 200 欧姆（对于并联灯的传感器为 50 欧姆，见下文）。 从表达式（2）可知，传感器输入处的射频功率值是电压差ΔU=Ul-Uzam的函数。 瓦特表测量的正是这个电压差（假设电桥平衡）。 式(2)可以用归一化形式表示： Rvch/Rl = 2ΔU/Ul - (ΔU/Ul)2 (3) 函数(3)的形式如图1所示。 3.利用上图或解析式(120)。 对于微安计，可以绘制 RHF/Rl 值的非线性标度。 这对于任何传感器都是一样的。 测量的射频功率的计算方法是将设备的读数乘以特定传感器的 Рl 值（制造样品的 Рl 值 = 0.75 mW）。 如果在这样的刻度上，指针设备显示值“XNUMX”。 测得的输入功率为： 射频 = 0.75RL = 0.75-120 = 90 毫瓦。 从图中可以看出，如果仅使用Рl范围的初始部分进行测量，则尺度非线性会较小。 因此，在制作的瓦特表样品中，采用了两个线性刻度的微安表。 对应于两个限制 - 40 和 100 mW。 对于 Рl = 120 mW 的特定传感器，这些范围上限的位置如图 1 所示。 XNUMX. 非线性和线性标度在两个点（零和最大值）处共轭。 在其他情况下，设备会低估所测功率的读数。
由于大多数射频测量都简化为设置最大（最小）电压或功率值，因此模拟指示是最方便的，并且指示的刻度误差不是一个显着的缺点。 此外，该器件保留了使用外部数字电压表测量精确功率值的能力 [2]。 该装置的原理图如图2所示。 1. 根据标准方案包括稳压器DA3、DA4。 电容器C6、C2降低输出电压纹波水平。 集成稳压器 DA2.5 产生 -4V 的负偏压，用于为运算放大器供电。 稳定器DA2,5执行XNUMXV（ION）示例性电压源的功能。
ACC节点接在运算放大器DA7和晶体管VT1上。 该节点的工作原理与传统补偿稳压器的工作原理类似，但安装的不是齐纳二极管，而是另一个非线性元件——白炽灯。 通过改变其电源电压（R10 - R20 和传感器灯），可以高精度（高达 7 ... 10 μV）保持电桥的平衡。 电桥电阻的阻值选择误差为±0,1%。 由于电桥是平衡的，因此当将传感器与串联的灯连接时（图 2），满足以下等式： Rd \u9d R10 + R200 \uXNUMXd XNUMX 欧姆， 其中 Rd 是传感器的电阻。 数字3.5位设备不允许以指定的精度测量电阻，但可以使用容差为5 - 5%的精密电阻（例如C0.05-0,1V）进行校准。 由于电桥元件在工作过程中会发热，因此由于 TCR ±(500... 1200)-10-6 1/°C [6] 值较大，不建议使用 MLT 电阻。 重要的是电阻器R7的阻值。 R8 的差异不超过 ±0,1%，并且该值可以在 47 ... 75 欧姆范围内。 不建议减小图中所示测量电桥臂中包含的电阻器的功率。 在打开设备电源以启动ACC后，电阻器R6立即产生流经电桥的小初始电流，因此特定传感器测量到的最大功率略小于Rl。 高频连接器XW1还可以消除宽频带内的噪声电压。 为了使 ACC 组件正常运行，灯必须在螺纹发光微弱或根本不发光的模式下运行。 在明亮的辉光下，灯上的电压对电流的依赖性接近线性，并且在该“线性”部分中 ACC 不起作用。 瓦特计工作的传感器的最大功率不超过250 mW。 这里仅考虑输入阻抗为 50 欧姆的传感器。 但您也可以使用电阻为 75 欧姆的传感器 [2]。 本例中电桥电阻的电阻：R9 = 225 欧姆。 R10 = 75 欧姆。 具有相同灯的传感器的功率将增加大约两倍，因此必须增加电桥供电电压。 传感器类型“A”在[1, 2]中详细描述。 在导通状态下，其直流电阻为200欧姆。 从 RF 输入侧 - 50 欧姆。此类传感器的灯必须成对选择，以便在打开状态下两个灯上的电压降大致相等。 通过检查几个灯的实例，很容易看出，即使当灯在冷状态下的电阻相同时，这个条件也常常不满足。 假设输入电阻应在 50 欧姆 ±0.25% 范围内。 那么在这种情况下，连接到瓦特计的灯上的电压可能相差不超过 15%。 用于测试设备操作的传感器样本具有以下参数：Ul = 4,906 V (Pl = 120 mW)。 Un1= 2.6 V。Un2= 2,306 V（灯两端的电压差约为 12%）。 上图。 2 为 CI。 传感器“A”中的 C2 设置为 0,44 μF，这允许您将频率范围的下限降低至 1 ... 1,5 MHz。 为了降低输入电路的电感，使用了两个并联的0.22μF CHIP电容。 使用 [1, 2] (0.047 μF) 中所示的电容器值，仅在至少 1 MHz（而不是 15 kHz）的频率范围边界下才能实现约 150% 的测量精度。 与[2]中描述的相反。 所提出的瓦特计允许使用两种类型的传感器，其中灯串联连接（“A”型传感器）或并联（“B”型传感器）。 通过传感器连接器中引脚 1 和 4 上的跳线连接到设备的“B”型传感器闭合电桥的电阻器 R9，因此 Rd × R10 × 50 欧姆。 对于这种类型的传感器，不需要选择特定的一对灯。 即可得到所需的Rl值。 传感器中可以使用一到四个灯，并且灯的类型可以不同。 为了向下扩展其频率范围，电感器电感的增加不应导致其有源电阻的增加（最好不超过0.25欧姆，即0.5欧姆的50%）。 电感器必须用直径为 0.3 ... 0.4 mm 的导线缠绕，以便在 MLT-50 电阻器的尺寸下获得 1 μH 量级的线圈电感。 有了这样的电感，“B”传感器的频率范围下限为 16 MHz，而内置的“A”传感器在 1 MHz 频率下已经相当准确。 在 DA6 芯片上。 DA7 和 LED HL1。 HL2自制比较器。 其目的是指示测量电桥的平衡情况。 当达到平衡时，两个 LED 都会关闭。 根据图中所示的电阻器 R29 和 R31 的值，比较器的死区约为 ± 60 ... 90 μV。 如果传感器输入端的射频功率等于最大允许值Рl（实际上稍小一些）。 ACC 无法平衡电桥和其中一个 LED HL1。 HL2亮，表示无法测量。 白炽灯的惯性使您可以直观地看到调节过程（持续时间 1 ... 2 秒）。 因此，该指示器还有另一个积极的功能，它可以让您确定设备输入端 RF 信号幅度的小而快速的变化。 众所周知，这种幅度波动是不稳定的放大级联或发生器的特征，它们也容易在寄生频率下自激。 例如，在检查G4-117发电机的瓦特表时，发现在频率高于8 MHz且输出信号电平超过2 V（负载为50欧姆）时，发电机内部的输出信号幅度稳定器实际上不起作用。 该设备的显示单元是在OS DA4上制作的。 DA5。 微安表 RA1。 可变电阻器 R19（调零器）和 R24。 R26 和 R25、R27（“范围”校正器）可以轻松设置瓦特计，使其与 Pl < 220 mW 的任何传感器配合使用。 调节范围宽，最好使用多匝线绕电阻。 因此，为了调整装置中的“零”，安装了具有高电分辨率的SP5-35B型可变电阻器[6]。 通常，切换到另一个测量范围时不需要进行额外的零位校正。 调零和量程调整互不影响。 二极管电桥的存在是因为功率为正值。 通过这种打开微安计的选项，其箭头不会过零。 该设备的大多数元件以及在瓦特表运行期间发热的元件（DAI、DA2、VT1、R7-R10）都位于同一块板上。 与仪器的后铝面板有热接触。 最好将设备安装在密闭的盒子中。 设计必须提供对所有调节元件的访问。 传感器的设计和印刷电路板的图纸如图3所示。 4、0.22.印刷电路板反面的箔片被完整保留。 高频连接器和电缆编织层焊接在板的两侧。 为了最大限度地减少传感器的固有电感，它们使用表面贴装电容器（0.022 和 XNUMX uF，两个并联）。 高频连接器的主体焊接到电路板两侧的箔片上。
瓦特表采用精密线电阻S5-5V 1 W，阻值为100 Ohm，容差为±0.1% (TCS ±50 10-6 1/°C)。 R7、R8、R10为两个并联的电阻，R9为三个电阻的串并联。 也可以使用其他精密电阻，例如C2-29V、C2-14。 电阻器 R24 - R26 - 调整。 电线 SP5-2、SP5-3。 用于传感器连接的 XS1 插座 - ONTS-VG-4-5/16-R (SG-5)。 高频连接器 XW1 - СР-50-73Ф。 电源连接器 - 公头，插座 DJK-03B (2.4/5.5 mm)。 您可以使用任何二极管代替 KD906A 电桥，例如 D9、D220、KD503 系列。 KD521。 微安表 - M24。 M265 的总偏差电流为 50 - 500 μA。 KR142EN12A可替换为低功耗进口模拟器件——LM317LZ、KR 142EN19——TL431。 接通电源后 10 ... 15 分钟即可调整组装好的瓦特表。 首先，将任意一对 CMH2-3 灯连接到 XP1 连接器的引脚 9、60。 串联连接，并连接到插座“A”和“B” - 数字电压表，包含在最小测量限制（200 mV）中。 通过旋转调谐电阻R15，电压表的读数为零。 平衡测量电桥后，调整比较器。 电阻器 R21（或 R23，取决于运算放大器 DA8、DA9 的初始偏置）暂时替换为 100 kOhm 的可变电阻（必须打开设备外壳）。 通过改变电阻的阻值，可以实现两个 LED 都熄灭的状态。 然后将可变电阻器替换为阻值接近找到的电阻器的恒定电阻器。 这种失调调整的范围比较窄，所以建议在安装到板上之前检查所有运放的初始失调值，失调最小的芯片应该用作DA8。 DA9。 对于其他微电路，初始偏移值并不那么重要，因为它们的工作模式可以通过相应的可变电阻来控制。 调整比较器后，需要确保其死区为±60...90 µV。 允许在小范围内用电阻 R15 使电桥不平衡，并使用连接的数字电压表确定 LED 点亮的失配电压。 比较器的死区最好是对称的（相对于电桥的平衡点）。 如需扩展，可增大电阻R29的阻值。 比较器设置完毕后，测量电桥最终与电阻 R15 达到平衡。 使用电阻器 R19，您应该检查任意选择的灯是否将 PA1 微安表的读数设置为零。 完成这些操作后，根据机械稳定性和电压差在打开的设备上选择传感器的灯对。 数字电压表必须切换到插座“0”、“B”。 它将显示电压Un，从中很容易计算出Rl。 范围“100 mW”和“40 mW”的上限可以通过计算来设置，因为在给定的 Pp 值下，已知数字电压表将在指示点 (Uzam) 显示什么电压。 信号可以从任何频率高于 2...3 MHz 且输出电压至少为 2,5 V（负载为 50 欧姆）的发生器施加到传感器输入。 发生器的信号电平根据数字电压表的读数进行调整，如下所示。 使电压表显示计算值Uzam，之后通过调节电阻R24（R25），将微安表指针置于刻度的最后一格。 为了给设备供电，任何输出电压为 15 ... 24 V、电流为 150 ... 200 mA 的电源都适合。 如果使用低功率电源“适配器”，请确保输入电压纹波的下限至少比 2.5 V 高 12 V。 由于缺乏合适的设备，无法对制造的设备的特性进行直接检查。 因此，无需谈论检查传感器在数百兆赫频率下的频率特性。 作者仅有一台数字万用表 DT930F+（测量直流电压时精度等级为 0.05，测量电阻时精度等级为 0.5，交流电压有效值高达 400 Hz [5]）、一台 GZ-117 低频发生器（高达 10 MHz）和一台 VZ-48 毫伏表（2.5 Hz ... 45 MHz 频段精度等级为 10）。 在5 MHz频率下对刻度的几个点进行验证（控制是在数字电压表上进行的，而不是在微安表刻度上进行的）表明该瓦特表比VZ-48工作更准确、更稳定！ 很好的是，这个毫伏表的后墙上有控制插座，您可以将外部（数字）电压表连接到该插座。 假设VZ-48在工作频率范围的中间部分不存在频率误差，则在400Hz的频率下校准三个电压点。 根据可用的数字电压表 0.5 级。 之后，将发生器调谐到 5 MHz 的频率，并使用数字电压表（而不是 VZ-48 模拟刻度）恢复之前测量的传感器输入电压值。 根据 VZ-48 读数，输入功率由比率 Pl = U2/50 计算得出。 瓦特表显示的功率按式(2)计算。 这些测量的结果显示在表中。 尤其令人印象深刻的是，在获得的误差值中，系统误差的存在清晰可见[7, 8]，这意味着瓦特表的参数可以更好！
各种热敏电阻均可用作传感器 - 具有正 TCR 和负 TCR。 为了使 ACC 单元能够与负 TCR 热敏电阻一起工作（白炽灯具有正 TCR），设备电路中提供了跳线（以点划线突出显示），必须将其重新布置到触点 1 和 4、2 和 3 之间的位置。 为了测试 ACC 与具有负 TCS 的传感器的可操作性，根据“B”传感器电路打开时，使用标称电阻为 16 kOhm [5,1] 的珠型热敏电阻 MKMT-6。 尽管初始电阻值很大，但 10V 的电源电压足以加热微型热敏电阻并平衡电桥。 但由于热敏电阻的工作温度明显低于灯丝，且隔热性能较差，因此该传感器的工作方式更像温度计，零位稳定性非常低。 Рl 的值 = 102 mW。 对于那些想要尝试不同传感器的人，这里有一些一般提示。 必须选择热敏电阻的初始电阻（对于任何 TCR 符号），使得加热的热敏电阻（或多个热敏电阻的组合）的电阻为 50 欧姆。 在尽可能高的加热温度下实现。 例如热敏电阻ST1 -18。 CT1-19 珠型的工作温度可达 +300°С [6]。 同时，在传感器的设计中必须采取对热敏电阻进行无源热稳定和隔热的措施。 NTC热敏电阻在导通瞬间可能电阻太大，因此可能需要大幅提高电源电压来为自加热创造条件。 使用正弦器时，电源不会出现问题。 CMH9-60 除外。 您可以使用其他类型的微型白炽灯，其参数在[1, 2]中给出。 很容易获得Rl值从个单位到数百毫瓦的传感器。 较高射频信号功率的测量是通过匹配的衰减器进行的。 衰减器的计算可以在[9,10]中找到。 文学
作者：O. Fedorov，莫斯科
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