ИЗМЕРИТЕЛЬ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

May 12, 2010 by admin Комментировать »

При настройке различных низкочастотных устройств (усилителей-корректоров, регуляторов тембра, фильтров и т. д.) много времени затрачивается на измерение амплитудно-частотных характеристик (АЧХ). Обычно для этих целей используют звукбвой генератор и милли­вольтметр или осциллограф. В процессе измерений при­ходится делать много манипуляций с приборами пере­ключать пределы измерения и поддиапазоны частот, ме­нять частоту, записывать показания приборов, затем переводить относительные уровни напряжений в деци­белы и откладывать точки на графике. Все это отнимает много времени, особенно ейли приходится изменять но­миналы элементов, формирующих АЧХ.

Предлагаемый измеритель частотных характеристик сокращает затраты времени и упрощает наладку низко­частотных устройств. В приборе используется ручной ускоренный компенсационный метод построения АЧХ исследуемых устройств. Измеряемая АЧХ сразу же сни­мается в децибелах и в логарифмическом масштабе на лист бумаги размером 130×190 мм. При этом не требу­ется записывать или запоминать уровни напряжения, переводить показания в децибелы, переключать диапа­зоны генератора и милливольтметра. Максимальная измеряемая неравномерность АЧХ исследуемого устрой­ства по шкале аттенюатора прибора составляет 48 дБ. Погрешность измерения ±1 дБ по шкале аттенюатора, при использовании дополнительных меток на шкале милливольтметра погрешность измерения уменьшается до ±0,5 дБ. Рабочий диапазон частот 16 Гц…31»5 кГц. Размеры корпуса 345x190x56 мм, масса прибора 2,4 кг.

clip_image001

Рис. 1. Функциональная схема прибора

Радиолюбителям, уже имеющим звуковой генератор и милливольтметр или осциллограф, можно, с целью упрощения конструкции, изготовить только планшет с аттенюатором. В таком варианте работа с прибором будет менее удобна, но все же заметно проще и быстрее, чем обычным методом.

Прибор состоит из трех основных узлов: звукового генератора (ЗГ), милливольтметра нуль-индикатора (MB) и аттенюатора (K1)» размещенных в общем кор­пусе-планшете и питаемых от общего стабилизированно­го источника, расположенного в том же корпусе. На рис. 1 показана функциональная схема прибора, а на рис. 2 и 3 — структурные схемы возможных соединений узлов прибора с исследуемым устройством. Для соеди­нения узлов прибора между собой и с исследуемым устройством в конструкции предусмотрены соответствую­щие гнезда и переключатели SI, S2, S3 (см. рис. 1). Кнопка S4 служит для кратковременного, выключения сигнала со звукового генератора, что бывает необходимо при определении уровня шумов исследуемых усилителей; резистор R1 является эквивалентом выходного сопротив­ления генератора.

clip_image002

Рис. 2. Структурная схема соединений

Разберем работу прибора в варианте соединений, по­казанном на рис. 2, положение переключателей S1…S3 для этого варианта показано на функциональной схеме. Как видно из функциональной схемы, управлять часто­той генератора по всему диапазону можно одной ручкой-координатой F, а ослаблением сигнала — ручкой-коор­динатой аттенюатора K1. Для измерения АЧХ устанав­ливают ручкой F опорную частоту, обычно это 1 кГц, хотя можно любую другую. Эта частота с предваритель­но установленным напряжением сигнала, номинальным для исследуемого устройства, поступает на вход атте­нюатора К1 и далее на вход исследуемого устройства. Ручку К.1 устанавливают на 0 дБ, при этом напряже­ние сигнала, поступающего на вход аттенюатора, будет ослаблено им на 20 дБ, что обычно и рекомендуется при измерениях АЧХ. Стрелку милливольтметра при помощи ручки плавной регулировки чувствительности мВ уста­навливают на 0 дБ. Ставят в перекрестье координат ка­рандашом точку на графике и передвигают ручку F генератора на следующее значение частоты, например 2 кГц; если стрелка милливольтметра отклонится от О дБ, то, передвигая ручку К1, снова -устанавливают стрелку на 0 дБ, в перекрестье ставят точку, передви­гают ручку на следующее значение частоты и т. д. Та­ким образом можно быстро» без каких-либо переключе­ний и записей, манипулируя только двумя ручками-коор­динатами, снять частотную характеристику сразу на график в логарифмическом масштабе. Сетку децибел и частот предварительно вычерчивают непосредственно на приборе шариковой ручкой в прорезях координат.

clip_image003

Рис. 3. Структурная схема соединений

Измерение АЧХ по структурной схеме (см. рис. 2) позволяет подавать на вход исследуемого устройства номинальное напряжение сигнала без ослабления, что может потребоваться при исследовании устройства с большими завалами АЧХ и высоким уровнем шумов. Так как аттенюатор K1 в положении ручки переключа­теля 0 дБ ослабляет напряжение сигнала на 20 дБ, то номинальное напряжение сигнала для такого варианта измерения АЧХ следует предварительно установить по милливольтметру, включенному не на выход ЗГ, а на выход K1.

Постоянство входного напряжения исследуемого устройства в процессе измерения АЧХ является основ­ным преимуществом схемы рис. 2 перед схемой рис. 3, так как подъемы и спады АЧХ компенсируются аттенюатором, а потому не может наступить перегрузка усилительных устройств, которая возможна при исполь­зовании схемы по рис. 3, при измерениях усилителей, имеющих значительные подъемы АЧХ. При измерениях по схеме рис. 3 желателен дополнительный осциллогра-фический контроль.

При исследованиях устройств, имеющих подъемы или спады АЧХ, выходящие за пределы шкалы прибора, сле­дует принимать за 0 дБ на графике другое значение шкалы аттенюатора, например — 15 дБ или +25 дБ.

Пример. АЧХ усилителя должна иметь предпола­гаемый подъем, относительно частоты 1 кГц, на частоте 20 Гц 4-35 дБ и спад на частоте 5 кГц-40 дБ. При измерении левой части характеристики, относительно 1 кГц, принимаем за 0 дБ — 15 дБ по шкале аттенюатора, а при измерении правой части характеристики прини­маем за 0 дБ +25 дБ. В результате вся характеристика уместится на графике, хотя и с разрывом по вер­тикали на частоте 1 кГц, но ее характер и форма отдель­ных частей будут точно соответствовать действительным. Так как разрыв характеристики на графике, на частоте 1 кГц, составит 40 дБ, то, чтобы не менять установлен­ную чувствительность милливольтметра, при переходе от одной части характеристики к другой следует просто изменить аттенюатором K2 напряжение сигнала со зву­кового генератора на 40 дБ. Для зарисовок характеристик карандашом удобно использовать лавсановую кальку, позволяющую многократно зарисовывать и сти­рать записи, под кальку можно подложить вычерченную на бумаге сетку и требуемые формы характеристик.

Наличие входных и выходных гнезд и переключате­лей позволяет использовать отдельные узлы измерителя частотных характеристик как самостоятельные приборы для каких-либо других измерений.

Звуковой генератор выдает, в зависимости от поло­жения ручки-координаты F, сигнал 38 фиксированных частот от 16 Гц до 31,5 кГц. Неравномерность амплиту­ды выходного напряжения генератора во всем диапазоне частот не более 0,3 дБ. Коэффициент гармоник не бо­лее 0,5 %. Максимальное выходное напряжение 2 В ре­гулируется плавно и ступенями через 5 дБ до — 20 дБ и через 10 дБ до — 80 дБ. Выходное напряжение можно контролировать милливольтметром.

Звуковой генератор прибора построен на основе уси­лителя с непосредственной связью, работающего в клас­се А и имеющего две цепи обратной связи между вход­ным и выходным каскадами: ПОС, благодаря которой в схеме возникают гармонические синусоидальные коле­бания, и ООС, с помощью которой стабилизируется амплитуда этих колебаний. Первая цепь -представляет собой так называемый мост Вина. Генераторы с мостом Вина отличаются хорошей стабильностью частоты, боль­шим перекрытием по диапазону и постоянством ампли­туды.

clip_image004

Рис. 4. Принципиальная схема звукового генератора

Принципиальная схема генератора приведена на рис. 4, схема .переключателя с времязадающими ЯС-цепями, определяющими частоту колебаний, — на рис. 5. Частоту колебаний, например для положения пе­реключателя 16 Гц, можно рассчитать по формуле

clip_image005

или, в упрощенном виде,

clip_image006

т. е. сопротивления резисторов RL..R10 и R18…R27 в килоомах рассчитаны по упрощенной формуле

clip_image007

при емкостях конденсаторов С1, С4 0,5 мкФ, а сопро­тивления резисторов R11…R17 и R28…R36 в килоомах по формуле

clip_image008

частота в герцах. Введение в формулы постоянно вычитаемой — 1 объясняется тем, что в схеме генератора (см% рис. 4) резисторы R3, R4 сопротивлением 1 кОм включены последовательно со всеми резисторами пере­ключателя S1 (рис. 5), определяющими частоту колеба­ний генератора. В схеме переключателя генератора ука­заны точные расчетные сопротивления резисторов R1…R34, каждый из этих резисторов подбирался или со­ставлялся из одного-двух резисторов МЛТ-0,25 с точ­ностью до 1…2 %, однако, если к генератору не предъ­являются высокие требования по точности частоты, то эти резисторы можно взять близкими к номиналам, ука­занным на схеме из стандартного ряда.

Чтобы получить на графике сетку частот в логариф­мическом масштабе с равномерным шагом, выбрано от­ношение любой частоты к соседней, равное 1,26, при та­ком соотношении получатся в диапазоне 16 Гц…31,5 кГц 34 фиксированные частоты: 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3150; 4000; 5000; 6300; 8000; 10000; 12500; 16000; 20000; 25000; 31500 Гц. Для улучшения разрешающей способности прибора на высо­ких частотах добавлено еще четыре частоты: 14000; 18000; 22400; 28000 Гц, в итоге получилось 38 фикси­рованных частот.

clip_image010

Рис. 5. Принципиальная схема переключателя звукового генератора

Весь диапазон генератора разбит на три поддиапазо­на: I — 16…125 Гц, II — 160…1250 Гц, III — 1Д..31.5 кГц. На I поддиапазоне в схему генератора подключаются конденсаторы C1, C4 (см. рис. 5), при переходе на II поддиапазон — C2, C5 и в III поддиапазоне — СЗ, Сб. Как фиксированные частоты, так и поддиапазоны пере­ключаются при поступательном перемещении ручки F переключателя S1.1…S1.4. Шаг переключения до часто­ты 12,5 кГц равен 5 мм, а с 12,5 кГц — 2,5 мм.

Цепь ООС включена между эмиттерами транзисто­ров VI, V3 (см. рис. 4), амплитуда колебаний стабили­зирована термистором R9, конденсатор С1 не пропускает постоянную составлящую тока эмиттера транзистора V3. Необходимая глубина ООС устанавливается под-строечным резистором R7. Нагрузкой эмиттера транзи­стора V3 является потенциометр R10, с помощью кото­рого можно плавно менять амплитуду выходного напря­жения генератора. Сигнал с этого резистора поступает на эмиттерный повторитель, выполненный на транзисто­ре V4, и далее на аттенюатор К.2 генератора; необходи­мое ослабление выбирается переключателем SJ. Резис­тор R11 устраняет самовозбуждение эмиттерного повто­рителя на высоких частотах.

Звуковой генератор питается от стабилизатора на­пряжения, выполненного на транзисторе V5 и являю­щегося общим для всех узлов прибора.

Милливольтметр переменного тока, принци­пиальная схема которого показана на рис. 6, исполь­зуется в комплексе со звуковым генератором и атте­нюатором K1 в качестве нуль-индикатора. Имеет четыре предела измерений: 20 мВ, 200 мВ, 2 В и 20 В; входное сопротивление 1 МОм; рабочий диапазон частот 10 Гц… 200 кГц; погрешность измерений до 4 %; шкала линей­ная. Необходимый предел измерений выбирается трех-кнопочным переключателем S1 с зависимой фиксацией кнопок. При отжатых кнопках, как это и показано на схеме, включен предел «20 В». Измеряемое напряжение сигнала через частотно-компенсированные делители, выбираемые переключателем S1, поступает на вход исто-кового повторителя на транзисторе VI и далее через потенциометр R7, являющийся плавным регулятором чувствительности, на вход трехкаскадного усилителя, выполненного на транзисторах V2…V4. Для согласова­ния усилителя с низкоомной нагрузкой, в данном случае с измерительным прибором, последний каскад усилителя выполнен по схеме эмиттерного повторителя. Для стаби­лизации усиления, повышения линейности шкалы прибо­ра и выравнивания частотной характеристики в усили­теле применена глубокая ООС по переменному току. Сигнал ООС снимается с выхода усилителя по цепи: конденсатор С12, мост V5…V8, резистор R17 и подается в цепь эмиттера транзистора V2. Напряжение питания милливольтметра дополнительно стабилизировано ста­билитроном V9.

Аттенюатор K1 (рис. 7) с шагом переключения в 1 дБ имеет диапазон ослабления сигнала 48 дБ, по шкале прибора от — 20 дБ до +28 дБ. Входное сопро­тивление аттенюатора около 100 кОм, а выходное около 600 Ом, диапазон частот 10 Гц…200 кГц. Погрешность в диапазоне частот звукового генератора менее 0,3 дБ.

Аттенюатор составлен из Т-образных звеньев, вклю­ченных по кольцевой схеме. Коммутация производится самодельным переключателем S1 на 49 положений. Чтобы исключить шунтирование измеряемых устройств низким входным сопротивлением аттенюатора, его вход­ное сопротивление увеличено с помощью эмиттерного повторителя, выполненного на транзисторах VI, V2.

Все узлы прибора питаются от общего блока пита­ния, схема которого показана на рис. 8. Напряжение снимается с обмотки II. Кроме того, блок питания до­полнен еще двумя маломощными стабилизированными выпрямителями, которые могут использоваться для пи­тания исследуемых устройств как однополярным, так и двуполярным напряжением, что создает удобства при налаживании аппаратуры.

clip_image012

Рис 6 Принципиальная схема милливольтметра

Выходное напряжение дополнительных выпрямителей регулируется от 0 до 25 В, максимальный ток нагрузки около 150 мА. Выпрямители могут быть использованы как по отдельности, так и в последовательном или па­раллельном соединении.

clip_image013

Рис 7. Принципиальная схема аттенюатора

clip_image015

Рис. 8. Принципиальная схема блока питания прибора

clip_image017

Рис. 9. Плата звукового генератора

На рис. 8 приведена схема одного из выпрямителей, второй выпрямитель питается от обмотки IV и зналогичен первому. Светодиод V5 является индикатором пе­регрузки выпрямителя по току; при перегрузке умень­шается яркость свечения, при коротком замыкании на выходе светодиод гаснет.

clip_image019

Рис. 10. Плата милливольтметра

clip_image021

Рис 11. Плата аттенюатора К1

clip_image023

Рис. 12. Чертеж платы переключателя звукового генератора

clip_image025

Рис. 13. Монтажная схема переключателя звукового генератора

clip_image027

Рис. 14 Детали переключателя звукового генератора

Рисунок печатных плат и расположение радиоэлемен­тов звукового генератора, милливольтметра и аттеню­атора приведены на рис. 5, 10, 11. Чертежи деталей переключателя генератора показаны на рис. 12, 14,. аттенюаторов — на рис. 15, 16. Платы переключателей изготовлены из двухстороннего фольгированного стекло­текстолита толщиной 2 мм, необходимые контактные площадки на лицевой стороне плат формируются путем прорезания фольги узким (шириной 0,3.0,4 мм) реза­ком, изготовленным из ножовочного полотна. С обрат­ной стороны платы переключателя генератора также прорезают фольгу в виде 20 параллельных полос шири­ной 2 мм и четырех полос шириной 4 мм по длинной стороне платы — эти полосы используют в качестве про­водников для соединений схемы согласно рис, 3. Мои-» тажная схема показана на рис. 13.

clip_image029

Рис. 15. Чертеж платы переключателя аттенюаторов

clip_image031

Рис. 16. Детали переключателей аттенюаторов

Фольга с обратной стороны платы переключателей аттенюаторов оставлена в качестве экрана. Резисторы R5…R52 аттенюатора К1 припаивают с лицевой стороны платы, как это показано на рис. 15. При изготовлении переключателей для обеспечения плавного хода без за­еданий и люфтов следует обратить внимание на точность разметки и сверления отверстий на деталях, сопряжен­ных с осями 5 и 7 (см. рис. 14 и 16). Для обеспечения надежного контакта желательно посеребрить контакт­ные площадки плат, а на движущиеся контакты напаять отрезки серебряной проволоки диаметром 0,5 мм, возможно использование контактов от малогабаритных реле. Корпус прибора склеен дихлорэтаном из белого листового полистирола толщиной 3 мм, развертка корпу­са (внешние размеры) показана на рис. 17, чертеж ру­чек-координат — на рис. 18. На боковой стенке корпу­са, в отверстиях диаметром 13 мм размещены четыре гнезда-разъема для подключения узлов прибора к ис­следуемым устройствам. В качестве разъемов использо­ваны стандартные антенные вводы от телевизора, В от­верстие диаметром 15 мм вставлен разъем СГ5. Он включен параллельно гнезду XI «Выход» К1, В отверстиях диаметром 6 мм установлены гнезда и потенцио­метры Дополнительных выпрямителей.

clip_image033

Рис. 17. Развертка корпуса прибора

clip_image034

Рис. 18 Чертеж ручек-координат переключателей аттенюатора и зву­кового генератора

Входные цепи милливольтметра и коммутационные элементы, связанные с этими цепями, следует экрани­ровать. Лицевая панель корпуса закрыта фальшпанелью, выполненной из органического стекла толщиной 1 мм с прямоугольным отверстием размером 130×190 мм для графика. Внешний вид прибора показан на рис. 19.

В приборе можно применить маломощные транзи­сторы со статическим коэффициентом передачи тока h21Э > 80. Транзисторы ГТ308В можно заменить на П416Б, транзистор KT312B — транзисторами КТ315Б, КТ342А. В милливольтметре транзистор КП103Ж мож­но заменить на КП103Е, КП103И, КП10К, транзисторы КТ350 — любыми маломощными кремниевыми транзи­сторами проводимости р-n-р. Мощные транзисторы ПЗОЗ на П601…П609, а КТ203Б транзисторами КТ209, КТ501, КТ361. Конденсаторы СЗ, С4 (см. рис. 4) и Cl, C2 (см. рис. 7) К53-1, включенные встречно-последователь­но, можно заменить неполярными конденсаторами емкостью 20…50 мкФ. Все остальные электролитические конденсаторы К50-6. Конденсаторы в милливольтметре КМ-5, КМ-б. Подстроечные резисторы СПО-0,5. Перемен­ный резистор R10 (см. рис. 4) ППЗ-40, остальные пере­менные резисторы СПЗ-4аМ. Постоянные — МЛТ и ВС. Термистор ТПМ2-0,5 можно заменить термистором Т9.

clip_image036

Рис. 19 Внешний вид прибора

На мощных транзисторах в стабилизаторах напря­жения укреплены радиаторы из листовой латуни, согну­тые в виде флажка, площадью около 40 см2.

Трансформатор питания- прибора выполнен на маг-нитопроводе Ш20Х30. Обмотка I содержит 1750 витков провода ПЭВ-1 0,12, а обмотки II, III, IV по 240 витков провода ПЭВ-1 0,3. В милливольтметре в качестве изме­рительной головки РА1 применен прибор M200I чувстви­тельностью 50 мкА, возможно применение микроампер­метра чувствительностью 50…200 мкА.

Налаживание прибора целесообразно начать со звукового генератора. Режимы транзисторов приведе­ны на принципиальных схемах прибора. Если эти режи­мы отличаются от указанных на схеме более чем на 10…15 %, то необходимо подобрать резисторы, отмечен­ные звездочкой; в звуковом генераторе это резисторы Rl, R13 (см. рис. 4), в милливольтметре — R18 (см. рис. 6), аттенюаторе — R2 (см. рис. 7).

Стабильность амплитуды выходного напряжения по диапазону и коэффициент гармоник генератора зависят от точности согласования сопротивлений резисторов R1…R17 и R18…R34 (см. рис. 5), эти резисторы жела­тельно подобрать предварительно парами с точностью до 1…2 %. К конденсаторам С1…СЗ и С4…С6 предъявля­ются такие же требования, конденсаторы СЗ, С6 емкостью 5000 пФ выбраны из конденсаторов типа БМ-2 емкостью 5100 пФ, конденсаторы С1, С4 — МБМ, С2, С5 — К73-ПЗ. Выходное напряжение генератора, рав­ное 2 В, устанавливают подстроечным резистором R7 (см. рис. 4), при этом потенциометр R10 должен нахо­диться в верхнем по схеме положении. После наладки ЗГ проверяют неравномерность АЧХ по диапазону, кото­рая не должна превышать 0,3 дБ. Проверяют соответ­ствие фиксированных частот генератора с оцифровкой шкалы на ручке-координате К1, для контроля исполь-зуют частотомер или образцовый генератор с осцилло­графом. При необходимости можно вдвинуть весь частот­ный диапазон в любую сторону подбором резисторов R3, R4 (см. рис. 4). Проверяют коэффициент ослабления сиг­нала аттенюатором генератора (К2) во всех положениях переключателя S1 (см. рис. 4), при необходимости под­бирают резисторы R29 и R17, эти резисторы подбирают в положениях переключателя S1 « — 20 дБ» и « — 80 дБ» соответственно.

Таблича 1

Значения нели­нейной шкалы, ДБ

+2

+ 1

+0,5

0

— 0,5

— 1

— 2

— 3

Значения линей­ной шкалы, В

2,02

1,8

1,7

1,6

1,51

1,43

1,27

1,13

—4

—5

— 6

— 7

— 8

— 9

— 10

1,01

0,9

0,8

0,71

0,64

0,57

0,51

При наладке милливольтметра (см. рис. 6) включают переключателем S1.1 диапазон «20 мВ», потенциометр R7 устанавливают в крайнее верхнее по схеме положе­ние и подают от звукового генератора напряжение 20 мВ. Резистором R19 устанавливают стрелку прибора РА1 на соответствующую отметку шкалы. Показания прибора на остальных пределах корректируют подбором резисто­ров R1…R3.

На вход аттенюатора К1 подают от ЗГ напряжение 2 В, устанавливают переключатель S1 (см. рис. 7) в положение «+28 дБ» и измеряют напряжение на выходе аттенюатора, которое должно быть 7,97 мВ, при откло­нении корректируют показания подбором резисто­ра R101.

Микроамперметр милливольтметра имеет линейную шкалу 0…2 В и вспомогательную нелинейную шкалу для отсчета напряжения в децибелах. Расположение меток шкалы децибел наносится против значений первой шка­лы (в вольтах) (табл. 1).

При некотором усложнении конструкции прибора процесс измерения и вычерчивания графика можно сде­лать полуавтоматическим. Для этого движок аттенюато­ра К1 связывают с помощью верньерного устройства и редуктора с валом миниатюрного электродвигателя по­стоянного тока, который включают на выход операцион­ного усилителя с простейшим усилителем мощности. На один вход операционного усилителя подают напряжение сигнала с выхода милливольтметра, второй вход под­ключают к движку потенциометра, подключенного к ис­точнику питания. Этот потенциометр используют для предварительной установки движка аттенюатора К1 в определенном месте графика, например на 0. При совпа­дении уровней на входах усилителя двигатель не вра­щается и ручка-координата К1 стоит на месте. При от­клонении АЧХ от горизонтали изменится напряжение на выходе милливольтметра и на первом входе операцион­ного усилителя, начнет вращаться двигатель, передви­нется ручка К.1 и скомпенсирует изменение напряже­ния. В результате перо, установленное в перекрестье координат, вычертит действительную АЧХ исследуемого устройства. Процесс измерения и вычерчивания АЧХ будет заключаться в плавном перемещении рукой ручки F генератора по диапазону.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты