S-метр с диапазоном 120 дБ

Werner Schnorrenberg, DC4KU - http://www.dc4ku.darc.de/S_Meter.pdf

Достоверность показаний S-метров в КВ-диапазоне - старая и, похоже, -  вечная тема. Как явствовало из разговоров на прошедшей УКВ-конференции в Бенсхайме, S-метры новейших современных КВ-приёмников, похоже,  показывают лишь “от фонаря” поставленные значения уровня сигналов, а на сигналы менее S4 – не реагируют вовсе.

Поскольку показания S-метра исходят из напряжения регулировки усиления (АРУ) приёмника, становятся понятными остаточные показания при приёме слабых сигналов, следовательно, необходимо достаточное соотношение уровней сигнал/шум и, отсюда, АРУ по  РЧ-ПЧ,  в первую очередь,  будет реагировать на уровни более сильных сигналов. Кто хочет, тем не менее, иметь S-метр, который бы показывал реальные уровни, начиная с 1...2 баллов, тот должен применить для его работы отдельный приёмник с собственной характеристикой. Подобный S-метр с усилительной схемой с диапазоном от – 110 дБм (0,01 пВт) до +10 дБм (10 мВт) можно выполнить всего на двух ИМС – логарифмических РЧ усилителях AD603 и AD8307.

Измеритель мощности на AD8307

Логарифмический РЧ усилитель AD8307 уже был расписан многократно, главным образом в качестве применения в схеме высокоточного измерителя мощности РЧ или в АРУ (автоматической регулировке  усиления) анализаторов спектра или сетевых канальных анализаторов. Этот усилитель обладает динамическим диапазоном от – 75 до + 12 дБм (70 мкВ до 2,3 Вэфф на сопротивлении 50 Ом) в частотном диапазоне от 0 до 500 МГц и даёт равномерное выходное напряжение с логарифмической зависимостью от 0,3 до 2,5 В (25 мВ/дБ). На Рис. 1 приведено типичное применение AD8307 для измерения входных мощностей между – 75 и до + 15 дБм. Входное сопротивление на выводе 8 AD8307 составляет 1,1 кОм. Для точного согласования с 50-омным источником нужно подключить  параллельно входу AD8307 внешний резистор сопротивлением 52,3 Ом.

Рис. 1.Широкополосный логарифмический РЧ усилитель AD8307для измерения входных мощностей в пределах -75…+15 дБм в полосе частот 0…500 МГц. Динамический диапазон составляет 90 дБ

Рис. 2. Селективный логарифмический усилитель с предусилителем на MMIC и с полосовым фильтром на 9 МГц. Чувствительность: - 90 до -15 дБм. Динамический диапазон 75 дБ

Рис. 3. Характеристики от схем на Рис. 1 и Рис. 2

 

Если такой усилитель будет, например, включен  сразу за фильтром ПЧ (FM, AM, SSB, CW) КВ-приёмника, то это уже позволит осуществить достаточно точную индикацию S-метру, практически идентичную измерительному приёмнику, только с недостаточной чувствительностью в отношении малых сигналов. Нужно задаться целью: получить индикацию меньших уровней сигнала (менее – 110 дБм (S2)).

Для повышения чувствительности далее предпринимались попытки применения предусилителей на малошумящих MMIC (Рис. 2). Применённый MMIC-усилитель работает в диапазоне от 10 МГц до 2 ГГц и может быть приобретён в необходимом корпусе у FA (видимо, сокращение от Funkamateur – Радиолюбитель, возможно,  есть и у журнала с соответствующим названием своя коммерческая служба для обеспечения радиолюбителей компонентами – предположение переводчика (UA9LAQ)) под наименованием RFA403 артикул № 4505 (видимо, по прейскуранту, прайсу). Для ограничения сильного широкополосного шума, дополнительно между предусилителем и AD8307 введён полосовой фильтр, состоящий из двух LC-фильтров (контуров) с ёмкостной связью. Если у Вас имеются подходящие кварцевые или керамические фильтры, то можно применить и их. Измеренные передаточные характеристики с предусилителем и без него приведены на Рис. 3. В результате: предусилитель повышает усиление, но реакция на сильные сигналы, из-за предварительно установленного ограничения в предварительном каскаде, теряется, что касается слабых сигналов,  динамика уменьшается здесь из-за наличия собственных шумов. Так что любой обычный РЧ-усилитель здесь не поможет.

Чувствительный усилитель мощности на AD603 и AD8307

Но применением ещё одного логарифмического усилителя AD603 можно исправить ситуацию и расширить динамический диапазон снизу до – 110 дБм. В техдокументации на AD8307 приведено именно такое включение.

Рис. 4. Селективный логарифмический РЧ-усилитель с динамическим диапазоном 120 дБ. Частота: 9 МГц, чувствительность: -110…+10 дБм

 

AD603 имеет усиление 40 дБ при уровне вносимых шумов  0,9nV/√Hz (соответственно, 0,4 мкВ на 50 Омах или – 115 дБм при полосе 200 кГц) и имеет такой же коэффициент усиления как AD8307  25мВ/дБ. Если соединить вместе AD603 и AD8307, то можно получить расширение динамического диапазона почти на 40 дБ и получить измеритель РЧ мощности (будущий S-метр) от – 110 до + 10 дБм с логарифмически  линеаризованным выходным напряжением. Практическая готовая схема измерителя приведена на Рис. 4, полученный измерительный диапазон - на Рис. 5, изготовленный измеритель – на Рис. 6.

Рис. 5. Переходная характеристика 120 дБ измерительной системы, выполненной с использованием ИМС A603 и A8307. Слева в таблице-слева-направо: уровни в дБм, уровни в вольтах и ошибка передачи в расчёте на дБ

На графике: вверху – нелинейность, настраивается с помощью резистора VR1; в середине – расстройка – настраивается резистором VR2; слева – линейный диапазон 110 дБ; справа (зелёным цветом) – ошибка, дБ; внизу справа – входная мощность в дБм

Изменение половинного выходного напряжения AD8307 в пределах 1 В (0,15…1,15 В) позволяет изменять усиление AD603 на 40 дБ. Нужно иметь ввиду, что повышение напряжения на выводе 2 AD603 снижает  её усиление, а понижение напряжения – увеличивает. На повышающем усиление входе (GPOS), через резисторы R7 и  R8 подано постоянное напряжение + 0,65 В, которым определяется рабочий диапазон AD603 – точно +/- 20 дБ. Резисторы VR1  и VR2 служат для установки расстройки и линейности, соответственно (см. ниже в настройке логарифмических усилителей).

В этой схеме, также для снижения уровня шумов, между усилителями применён полосовой LC-фильтр (фирмы Helpert Elektronik). Были применены два фильтра ПЧ на частоту 10,7 МГц с ёмкостной связью на “горячих” концах контуров. При частоте 9 МГц дополнительно к обоим контурам параллельно были припаяны конденсаторы по 4,6 пФ, чтобы обеспечить настройку фильтров в резонанс. При конденсаторе связи 8,2 пФ устанавливается полоса пропускания фильтра  равная +/- 80 кГц (по уровню – 3 дБ). Конечно, можно выбрать и другие частоты фильтров – рабочая частота AD603 простирается до 90 МГц.  Резистор 220 Ом (R6), включенный последовательно на вывод 6 служит для согласования фильтров с низкоомным выходом (2 Ома) AD603. Его величина подобрана экспериментально как компромисс между проходным затуханием и согласованием с ИМС. Кроме LC-фильтров, конечно же, можно применить кварцевые или керамические фильтры, чей внутренний импеданс в рабочем диапазоне должен быть согласован с ИМС (подбором сопротивления резистора R6, например).

Входной импеданс AD603 на РЧ составляет 100 Ом. Подключение 50-омных цепей напрямую, приводит к потерям, самым простым элементом для согласования является  звено LC с соответственно подобранными значениями емкостей для трансформации сопротивления 50 – 100 Ом. К тому же полученный, таким образом,  ФНЧ позволит дополнительно отфильтровать  шумовые составляющие на входе AD603.

Расчёт LC-фильтров:

В экспериментальной конструкции применён сердечник Т50-2 фирмы Amidon c AL = 4,9. Необходимое число витков рассчитывается по известной формуле (выше) и составляет 13,4 витка.

Рис. 6. Опытная сборка логарифмического усилителя с преобразователем напряжения на “нулёвке” (монтажной плате с отверстиями) в обрамлении из полосок белой жести. Размеры: 110 х 35 х 30 мм

Выходное напряжение на высокоомном выходе (с вывода 4)  AD8307 снимается с точки соединения резисторов делителя напряжения R3/VR1,R2 и с точностью 10мВ/дБ снимается и подводится на вход ОУ с полевыми транзисторами - TL081, который работает в данной конфигурации с усилением равным единице. С помощью резистора VR2 можно регулировать  напряжение расстройки (устанавливать нулевую точку) на выходе ОУ в пределах +/- 300 мВ. Этим можно передвигать характеристическую кривую по графику вертикально, и, так подобрать её положение, чтобы при РЧ входной мощности, скажем, в -100 дБм получить точно 100 мВ выходного напряжения (смотрите ниже в настройке согласовании логарифмических усилителей).

Для питания устройства следует применять источники, обладающие малыми пульсациями напряжения и малым уровнем собственных шумов. Малейшие изъяны в качестве питающего напряжения скажутся на уменьшении динамического диапазона устройства в целом. Из-за очень высокой чувствительности и опасности наводок, устройство следует заключить в сплошной РЧ-экран.

Полученные результаты:

Как видно из Рис. 5, уровень сигнала изменяется от -100 до + 10 дБм (0,1 пВт до 1 мВт) строго по логарифмической зависимости – максимальная ошибка составляет 0,3 дБ. Со стороны очень слабых сигналов динамический диапазон ограничивается вносимым шумом, на уровне – 110 дБм ошибка показаний составляет - 2,5 дБ. Сигнал с уровнем        – 120 дБ ещё чётко фиксируется на шкале S-метра.

Питание логарифмических усилителей

Если устройство питается от однополярного  источника напряжением 12…15 В, то для питания ИМС следует применить преобразователь, дающий двухполярное напряжение  +/- 5 В.

RB-1212D ( фирмы RECON) является простым преобразователем напряжения постоянного тока (DC-DC) с нестабилизированным двухполярным выходным напряжением +/- 12 В, после, с помощью интегральных стабилизаторов 7805/7905 получают стабилизированное двухполярное напряжение +/- 5 В, которым и питают описываемое устройство. К сожалению, все преобразователи производят очень сильные помехи, уровень которых может свести на нет предпринятые здесь усилия, поэтому все преобразователи нуждаются в тщательной экранировке и развязке по питанию с помощью, например, LC-звеньев.

Настройка (согласование) логарифмических усилителей

Настройка без измерительного передатчика (коим может быть ГСС):

- Впаять резистор сопротивлением 20 кОм вместо VR1+R2;

- Установить движок VR2 в среднее положение;

- На вход подать сигнал частотой 9 МГц напряжением 1 мВ и измерить получаемое  напряжение на выходе логарифмических усилителей;

- Настроить полосовой фильтр 9 МГц на минимальные потери (затухание), а это означает, что на выходе нужно добиться максимального напряжения;

- Нагрузить РЧ вход логарифмических усилителей резистором сопротивлением 50 Ом;

- С помощью VR2 установить выходное напряжение 30 мВ (остаточное напряжение, уровень собственных шумов);

- Установка: с точностью +/-1,5 дБ в диапазоне -100…+ 10 дБм

Готово!

Настройка с измерительным передатчиком (ГСС):

- Движки VR1 и  VR2 установить в средние положения ;

- Настроить полосовые фильтры 9 МГц, как было описано выше;

- Подавать входной сигнал с частотой 9 МГц ступенями по 10 дБ в диапазоне от – 100 дБм до + 10 дБм и контролировать на выходе точность изменения выходного сигнала на 100 мВ, при изменении входного на 10 дБ (на каждый шаг);

- При настройке линейности, подстраивать выходные напряжения с помощью VR2;

- При финальной успешной настройке, ошибка в показаниях должна быть не более 0,5 дБ (зелёная кривая на графике Рис. 5);

- В заключение, так выставить расстройку напряжения с помощью VR2, чтобы, например, уровень в – 100 дБм давал выходное напряжение 100 мВ. Все другие измерительные точки должны лежать рядом на довольно прямой линии, но, всё-таки, кривой.

- Точность: менее +/- 0,3 дБ в диапазоне  – 100…+ 10 дБм (смотрите таблицу и диаграмму на Рис. 5).

Готово!

Подключение измерительного прибора (собственно, стрелочного показателя S-метра)

Настройка без измерительного  передатчика:

- Измерительную головку (с включенным последовательно подстроечным резистором – UA9LAQ) подключить к сетевому регулируемому источнику питания с напряжением 1,2 В и с помощью подстроечного резистора установить на последнее деление шкалы (полное отклонение);

- Теперь подключить головку к выходу описанного выше устройства. При этом, автоматически, установятся следующие уровни:

                                                                Уровень, дБм  ׀   Вольт

                                                                         +10         1,2

                0         1,1

             -10         1,0

                                                                          -20         0,9

                                                                          -30         0,8

                                                                          -40         0,7

                                                                          -50         0,6

                                                                          -60         0,5

                                                                          -70         0,4

                                                                          -80         0,3

                                                                          -90         0,2

                                                                        -100         0,1

                                                                        -110         0,03

                                                                        -120         0,01

Настройка с измерительным передатчиком:

- Подключить измерительную головку к выходу логарифмических усилителей и при подаче + 10 дБм (1,2 В) РЧ входного сигнала стрелку измерителя установить на конечное деление шкалы.

Готово!

Примечание: другие установки номинального выходного напряжения возможны регулировкой VR2 (Offset - расстройка). Можно,  например, “задвинуть” шкалу на 100 мВ вверх, чтобы яснее видеть уровни сигналов с мощностью – 110 дБм.

 

Применение в качестве S-метра в приёмнике

 

На Рис. 7 показано принципиальное построение РЧ-приёмника. После кварцевых фильтров на FM, AM, SSB  или CW, сигналы ПЧ через минимальные по длине проводники подводятся к буферному усилителю. Здесь подойдёт, например, полевой транзистор (MOSFET), имеющий высокое входное сопротивление и малую входную ёмкость, чтобы выход ПЧ был минимально нагружен. Важно, чтобы приёмник до фильтра ПЧ не имел регулировок, иначе результаты будут неверными (Рис. 7). От низкоомного стокового выхода полевого транзистора сигнал ПЧ через коаксиальный кабель (длина не критична) соединён со входом логарифмических усилителей.

 

 

Рис. 7. Упрощённая блок-схема типового КВ-приёмника и точка подключения усилителей S-метра. Усиление или ослабление (коэффициент усиления тракта) между антенным входом и выходом BF981, с помощью R1, выставить на 1

Настройка:

- Сигнал, например, с уровнем, например, - 50 дБм подаём на вход приёмника;

- Приёмник согласовать на сигнальной частоте и усиление или ослабление установить с помощью подстроечного резистора  R1 таким, чтобы на выходе усилителей были показания в + 0, 6 В или -50 дБм.

- Все остальные уровни, при этом, установятся автоматически.

 

Готово!

 

Примечание: никаких дополнительных регулировок на уже настроенном логарифмическом усилителе не производить!

Соблюдать хорошую экранировку, применять для соединения коаксиальный кабель с плотной оплёткой, чтобы нежелательные сигналы не смогли попасть в тракт ПЧ.

 

ДБм, дБмкВ, мВт, мкВ и деления шкалы S-метра – как их соотнести?

 

С логарифмическими размерностями дБм или дБмкВ не каждый знаком по-началу и поэтому часто встаёт вопрос: как пересчитать их в мкВ или в мВт?

Прилагаемая таблица, приведённая на Рис. 8, призвана помочь в этом деле и показывает в графической форме взаимную зависимость между мощностями, напряжениями и делениями шкалы S- метра в различных вариациях.

В качестве основы служат здесь следующие соотношения:

1мВт = 0дБм = 224мВ на 50 Омах

1 мкВ = 0дБмкВ = -107дБм на 50 Омах

Важные формулы:

 

Рис. 8. Диаграмма соотношения мощности, напряжения и ступеней шкалы S-метра для КВ в различных вариациях

 

73! Свободный перевод с немецкого: Виктор Беседин (UA9LAQ)
г. Тюмень, апрель 2017 г

Обширный каталог радиостанций и раций icom можно посмотреть по ссылке https://deno-silver.ru/catalog/sergi купить серебряные серьги. | В наличии краны BVR на складе с доставкой по РФ.