Простой универсальный измеритель АЧХ

Устройство было разработано как приставка к осциллографу и предназначено для измерения полосы пропускания фильтров и избирательных усилителей различных типов в диапазоне от 0 до 10 МГц (или другом, при выборе нужной частоты среза внутреннего ФНЧ), с переключаемой девиацией частоты от 5 КГц до 1 МГц (масштаб изображения на экране осциллографа).

Блок-схема устройства приведена на Рис.1, общий вид (без корпуса) на Рис.2, а на Рис.3 в качестве конкретного примера представлен результат проверки ЭМФ с полосой пропускания 3,1 КГц, с выводом данных на цифровой осциллограф Tektronix THS710A при установке масштаба девиации частоты устройства в 1 КГц/дел. (т.е. 10 КГц на весь экран осциллографа) и скорости развертки 100 мс/дел.

Измеритель состоит из следующих узлов:

1. Резистивный блок задания линейно изменяющегося напряжения для выбора требуемой девиации (DEV) частоты на выходе умножителя, переключаемой в пределах 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500, 1000 КГц в секунду (выбор медленной развертки в 0.1 сек на деление позволяет с высокой точностью, как видно на Рис.3, снимать характеристики фильтров и иных устройств, включая АЧХ усилителей НЧ).
2. Опорный генератор на 20 МГц с перестройкой частоты варикапом BB149.
3. Умножитель частоты на 3 для получения рабочей частоты 60 МГц + DEV.
4. Смеситель, нагруженный на ФНЧ с требуемой частотой среза в пределах до 60 МГц (в данном устройстве была выбрана частота среза 10 МГц). На второй вход смесителя подается сигнал порядка 100 мв от внешнего ВЧ генератора с частотой 60 МГц плюс значение средней частоты исследуемого фильтра (т.е. в примере на Рис.3 частота внешнего генератора выбирается равной 60.500 МГц).
5. Блок линейного усиления и детектирования сигнала.

Устройство может быть реализовано на любой элементной базе в зависимости от вкуса, опыта и интересов радиолюбителя. В данном случае автору было интересно поэкспериментировать со старыми стержневыми лампами, как можно видеть на Рис.2. Источник питания – один литий-ионный аккумулятор на напряжение 3,6 в емкостью около 1,5 Ач, с преобразователем на +55 в для анодного напряжения и стабилизатором для напряжения накала 1,2 в. Использованы 3 радиолампы 1Ж24Б (блоки 2, 3, 5), и 1Ж37Б (смесительная лампа с двумя управляющими сетками). Разумеется, такой выбор активных элементов в наши дни может показаться слегка экзотическим. Однако, стержневые лампы были и остаются ярким примером инженерной мысли их изобретателя чл.-корр. АН СССР Валентина Николаевича Авдеева, определившей развитие советской военной и космической радиотехники на многие годы, и работать с ними приятно и сегодня (насколько мне известно, в первом Спутнике в 1957 году в выходном каскаде передатчика был использован именно стержневой пентод 1П24Б. У кого есть схема, поделитесь!). Кстати, часть имеющихся у меня стержневых ламп датирована 1990 годом, т.е. они продолжали выпускаться спустя почти 40 лет после их разработки. Это говорит о многом.

Как видно из данного примера, при минимуме активных элементов удалось создать очень простой измеритель АЧХ с неплохими параметрами. Разумеется, с таким же успехом можно выполнить подобное устройство полностью на транзисторах и микросхемах (кстати, рекомендую в этом случае использовать кольцевой диодный смеситель, он хорошо согласуется с ФНЧ при низком выходном сопротивлении последнего). Или же купить что-нибудь готовое из Китая, с выводом картинки на экран ноутбука. Но это будет уже совсем другая история.

Примечания:

1. Умножитель частоты (блок 3) можно исключить, если опорный генератор настроить сразу на 60 МГц. Вариант с опорным генератором на 20 МГц был использован автором для повышения стабильности частоты ГУНа, а также для проверки качества работы умножителя на пентоде 1Ж24Б на частоте 60 МГц... С качеством все оказалось в порядке!
2. Выбор рабочей частоты 60 МГц ничем особенным не был обоснован, кроме наличия у автора внешнего генератора сигналов на базе синтезатора частоты (был использован синтезатор от старого приемника SONY ICF-PRO80 с шагом перестройки в 5 КГц, начиная с 55995 КГц и выше).
3. Пентод 1Ж24Б в блоке усиления и далее детектирования (использовался детектор с удвоением напряжения на германиевых диодах Д2В) сигнала позволил обеспечить входную емкость узла < 5 пф при высоком входном сопротивлении более 100 килоом на частоте 60 МГц, что очень неплохо.
4. Приводить здесь практическую схему устройства не имеет смысла. Целью данной заметки было показать только общий принцип построения простого измерителя АЧХ с широким диапазоном как средней частоты измерения, так и выбора нужной девиации частоты в широких пределах.
5. При отсутствии у радиолюбителя цифрового осциллографа можно снимать АЧХ и при более высокой скорости развертки, например, при 20 мс на деление (когда изображение уже выглядит непрерывным на экране) с использованием обычного аналогового осциллографа. Разумеется, при этом может происходить потеря мелких деталей АЧХ исследуемого фильтра за счет вносимых детектором амплитудных искажений быстро меняющегося по частоте входного сигнала.
6. В отличие от стандартных ГКЧ, данный прибор позволяет легко увидеть АЧХ тракта ПЧ любого РПУ, путем выбора входной частоты в широких пределах с подачей сигнала с выхода ФНЧ на вход РПУ через делитель, и снятием сигнала на вход блока детектора с линейного выхода последней ПЧ проверяемого РПУ (желательно при отключенной цепи АРУ).

Дмитрий
Киев

---

Простой универсальный измеритель АЧХ- часть 2
Добавлено 29.01.2009.

В связи с проявленным интересом к конструкции прибора привожу его схему и краткое описание принципа работы. Поскольку прибор еще не доведен до нужного автору уровня, здесь приводится его временная рабочая схема, в которую автор намерен в дальнейшем внести некоторые изменения. Заранее прошу прощения за карандашный рисунок, - нет смысла рисовать незаконченную схему в графическом редакторе.

Как видно из схемы, снятие АЧХ проверяемого устройства основано на записи однократного события переключением тумблера "1" (отмечен на схеме) из положения R[eset] в положение TEST. При этом на входе цифрового осциллографа появляется (через емкость 1000 пф, см по схеме) короткий отрицательный импульс, запускающий ждущую развертку прибора. Одновременно с этим начинается линейный заряд (напомним, что цикл измерения равен 1 секунде) времязадающей емкости (танталовый конденсатор, 15 мкф) через резистор 2.2 М (подбирать!) от стабилизированного напряжения +35 вольт. При выбранных номиналах деталей и использованных SMD варикапах ВВ149 нужная девиация частоты генератора на 20 МГц (пентод Л1) достигается уже при нарастании напряжения на конденсаторе на величину около 1 в. Это обеспечивает высокую линейность нарастающего напряжения и, соответственно, изменения частоты генератора в выбранной рабочей точке варикапов. Для создания нужного смещения и возможности плавной перестройки генератора в пределах около 30 КГц (т.е. около 100 КГц на выходе умножителя 60 МГц на лампе Л2) использовано управление током через диоды (см. схему). Это также весьма существенно для получения высокой линейности схемы, поскольку при этом потенциал нижнего по схеме электрода времязадающего конденсатора будет надежно зафиксирован в процессе заряда за счет малого дифференциального сопротивления цепочки из трех диодов в схеме.

Переключатель на 8 положений (типа МПВ-1-1-1; SMD резисторы делителя очень удобно монтировать прямо на указанном переключателе) с набором резисторов (подобраны с точностью 1%) служит для задания требуемой девиации частоты от 5 КГц в секунду до 1 МГц в секунду с шагом 1:2:5. Стабилитрон КС175Ц ограничивает максимальное напряжение на времязадающем конденсаторе при его заряде (рабочее напряжение использованного конденсатора меньше 35 вольт).

При окончании цикла измерения тумблер "1" (типа П1Т3, с золотыми контактами) переводится в положение R[eset], разряжая конденсатор и приводя прибор в исходное состояние для нового цикла.

Несмотря на простоту, данная часть схемы является самой существенной и основной в конструкции прибора. Остальные узлы практически не требуют комментариев и могут быть реализованы на любой элементной базе. Задающий генератор на частоту 20 МГц выполнен на лампе Л1, налаживания не требует (кроме подбора числа витков катушки связи). Умножитель частоты на лампе Л2 работает великолепно и выдает сигнал частотой 60 МГц почти без паразитной модуляции исходным сигналом (должен сказать, что мне не удавалось получить подобный результат в аналогичном по простоте исполнения транзисторном каскаде).

Смеситель на лампе Л3 (пентод 1Ж37Б с двумя управляющими сетками) потребует дальнейшей доработки для выравнивания его АЧХ в требуемых пределах. Корректирующий усилитель на двух транзисторах 2Т316 служит в основном для согласования сопротивлений, поскольку использованный ФНЧ имеет расчетное сопротивление со стороны входа и выхода около 270 ом. То же самое относится к узлу детектора на лампе Л4 и диодах Д2В. Его частотная характеристика при выбранных номиналах деталей практически линейна до частоты около 2 МГц, а далее начинается спад (до минус 10 дб на частоте 10 МГц). В данный момент автора это вполне устраивает (поскольку в основном прибор предназначался для проверки ЭМФ и ФПЧ в области относительно низких частот), однако в дальнейшем я думаю внести в схему изменения для улучшения линейности АЧХ смесителя и блока детектирования в более широком диапазоне частот. В частности, блок смесителя (при всем уважении автора к замечательному пентоду 1Ж37Б!) лучше выполнить по кольцевой схеме на диодах, с ФНЧ на выходе, как показано в правом нижнем углу в рамке. Думаю, что в ближайшее время я так и поступлю, тем более что эта схема уже была практически использована автором несколько лет назад при создании ГСС на основе PLL синтезатора от ICF-PRO80 (он на фото слева от осциллографа); АЧХ данной схемы линейна в пределах 1 дб начиная с частоты около1 КГц и выше до частоты среза ФНЧ, 30 МГц в данной схеме. Кроме того, в блоке детектирования будет предусмотрен также логарифмический режим отсчета (фактически в приборе уже установлен соответствующий переключатель "LIN-LOG", как видно на фото, однако в настоящее время он пока не подключен к схеме.)

Схема блока питания тривиальна и здесь не приводится. Как говорилось ранее, прибор питается от Li-Ion аккумулятора напряжением 3.6 в, 1.5 Ач, от которого получаются требуемые напряжения 1.2 в, 100 мА для нитей накала стержневых ламп (через SMD стабилизатор IRU1010CY), минус 0.7 в для цепей смещения (через диод, подключенный между минусом аккумулятора и "землей"), +3 в для питания схемы смещения для варикапов и корректирующего усилителя (напряжение аккумулятора за вычетом падения напряжения на указанном выше диоде), а также +55 в, 5 мА через простейший преобразователь напряжения на SMD транзисторах КТ3130 с трансформатором на ферритовом кольце К10х6х2 (рабочая частота около 50 КГц).

Прибор размещен в алюминиевом корпусе размерами 125х90х30 мм. Передняя панель выполнена из фольгированного (с внутренней стороны) стеклотекстолита. Надписи на передней панели гравировались при помощи простого самодельного пропорционального станка (сделанного автором ранее для совсем других целей) с электродвигателем ДПМ20 и миниатюрным прецизионным твердосплавным резцом специально подобранной формы.

В заключение приведем результат снятия АЧХ сквозного тракта 9-лампового РПУ с двойным преобразованием частоты (1-я ПЧ 500 КГц, 2-я ПЧ 215 КГц с плавной регулировкой полосы пропускания). Выход измерителя АЧХ подключен ко входу РПУ через "воздушный" делитель для получения сигнала на входе РПУ на уровне около 10 микровольт (при этом амплитуда выходного сигнала ПЧ на разъеме РПУ составляет около 1 в), на вход детектора измерителя снимается сигнал второй ПЧ 215 КГц с соответствующего сервисного разъема приемника (с анода лампы 1Ж24Б последнего каскада усиления второй ПЧ перед АМ детектором). При измерениях РПУ был переключен в режим ручной регулировки усиления. Частота настройки приемника при измерениях равнялась 2 МГц, полоса пропускания по второй ПЧ соответствовала среднему положению регулятора между узкой и широкой полосой. Полоса девиации измерителя АЧХ была выбрана равной 100 КГц. Как видно на фотографии, измеренная полоса пропускания сквозного тракта приемника при выбранных установках составляет около 6 КГц по уровню минус 3 дб.