Частотометр, измеритель ёмкости и индуктивности – FCL-meter

На транзисторе VT1 собран усилитель сигнала частотометра F1. Схема особенностей не имеет за исключением резистора R8 (100 Ом), необходимого для питания выносного усилителя с малой входной ёмкостью, во многом расширяющего область применения прибора. Его схема показана на рис. 2.

При пользовании прибором без внешнего усилителя необходимо помнить, что его вход находится под напряжением 5 Вольт, и поэтому необходим развязывающий конденсатор в сигнальной цепи.

Предделитель частотометра F2 собран по типовой для большинства подобных прескалеров схеме, лишь введены ограничительные диоды VD3, VD4. Необходимо заметить, что при отсутствии сигнала предделитель самовозбуждается на частотах около 800-850 МГц, что является типичным для высокочастотных делителей. Самовозбуждение пропадает с подачей на вход сигнала от источника с входным сопротивлением близким к 50 Ом. Сигнал с усилителя и прескалера поступает на DD2.

Далее

https://forum.ixbt.com/topic.cgi?id=48:841-48

АКТИВНЫЕ ЩУПЫС МАЛОЙ ВХОДНОЙ ЕМКОСТЬЮ

Н. Шиянов

При настройке высокочастотных узлов или схем частот­ной коррекции радиоаппаратуры входное сопротивление осциллографа (для низких частот) должно быть доста­точно высоким, обычно более 500 кОм, а входная ем­кость — малой. Если первое требование на практике удовлетворяется сравнительно просто, то второе обеспе­чивается далеко не всегда. Входной кабель длиной около 1 м совместно с емкостью первого каскада осциллографа образуют суммарную емкость около 120… 150 пФ. Введе­ние такой емкости в исследуемую схему может суще­ственно повлиять на ее функционирование, изменяя фор­му АЧХ, что приводит к значительным погрешностям измерения на частотах 5… 10 кГц и выше. Кроме того, некоторые операционные усилители склонны к самовоз­буждению при подключении указанной емкости к их выходу.

В большинстве практически возникающих ситуаций можно считать, что для упомянутой области частот допустимой входной емкостью измерительного прибора является значение около 10…15 пФ.

Широко используемым в настоящее время способом снижения входной емкости прибора является примене­ние выносных делителей напряжения. Однако одновре­менно с уменьшением емкости понижается его чувстви­тельность, что не всегда допустимо. Например, при уменьшении входной емкости с 100 до 10 пФ приходится мириться с десятикратным снижением чувствительности прибора. Для существенного снижения входной емкости без изменения чувствительности целесообразно приме­нять эмиттерные повторители напряжения.

Рис. 1. Схема щупа-повторителя напряжения

Благодаря глубокой отрицательной обратной связи параметры повторителя малочувствительны к шунтирую­щему действию емкости кабеля С_к, включаемого парал­лельно его нагрузке. Приближенное значение входной емкости С_вх эмиттерного по­вторителя равно: С_вх = = С_Н/h_21Э, где С_н — емкость нагрузки; h _21Э — коэффи­циент передачи тока базы транзистора.

Коэффициент передачи повторителя остается близким к единице практически во всем диапазоне рабочих частот.

Принципиальная схема повторителя напряжения, выполненного в виде электронного щупа к осциллографу, представлена на рис. 1. Для повышения входного и снижения выходного сопротивлений, а также ослабления зависимости выходного сопротивления от импеданса исследуемого участка устройства схема выполнена на составном эмиттерном повторителе. Первый эмиттер-ный повторитель играет роль входного каскада, нагру­женного достаточно высоким входным сопротивлением второго повторителя, назначение которого — обеспечение необходимой выходной мощности и малого выходного сопротивления. Сигнал подается на базу первого тран­зистора структуры n -р-n КТ3102, а с его эмиттера — на транзистор КТ3107 структуры р-n-р. С эмиттерной на­грузки напряжение через R7 поступает на выход устройства.

Необходимо заметить, что при емкостном характере нагрузки входная проводимость эмиттерного повторите­ля содержит отрицательную активную составляющую, что свидетельствует о потенциальной возможности само­возбуждения на высоких частотах. Для предотвращения самовозбуждения в цепь базы включен резистор R1. Смещение на базу VT1 задается с низкоомного делителя R2R4, обеспечивающего хорошую температурную ста­бильность каскада. Устранение шунтирующего влияния делителя на входное сопротивление обеспечивается схе­мой компенсации, содержащей конденсатор С2. Его со­противление в полосе рабочих частот мало, поэтому значения переменных напряжений на выводах резистора R3 весьма близки, а динамическое сопротивление делителя велико. Ток выходного каскада выбран достаточно высоким — около 3,5 мА — для снижения нелинейных искажений сигнала на высоких частотах и расширения полосы пропускания.

Входное сопротивление щупа в области низких ча­стот не менее 500 кОм, входная емкость каскада на транзисторе VT1, измеренная на частоте 2 МГц, около 8,5 пФ. На рис. 2 изображены амплитудно-частотные характеристики устройства, нагруженного на различные емкости. Кривые 1 — 4 получены для емкости соответ­ственно 15, 50, 70, 100 пФ. Видно, что с увеличением емкости нагрузки полоса пропускания несколько сужа­ется, однако даже при 100 пФ полоса рабочих частот щупа не менее 25 МГц.

Рис. 2. Амплитудно-частотные характеристики щупа по схеме рис. 1 в зависимости от емкостной нагрузки

Уровень ограничения сигнала слабо изменяется на частотах менее 200 кГц и составляет 9,5 В при напря­жении питания 30 В. С повышением частоты растут нелинейные искажения, поэтому допустимое входное напряжение снижается. На кривой 5 рис. 2 представлена зависимость допустимого входного напряжения от часто­ты сигнала при коэффициенте гармоник, равном 5%, и наиболее вероятном значении емкости кабеля 70 пФ.

Указанная зависимость позволяет обоснованно вы­брать максимально допустимый уровень напряжения входного сигнала по известной ширине его спектра. Если, например, максимальная частота в спектре вход­ного сигнала равна 5 МГц, то неискаженная амплитуда этой составляющей должна быть не более 1,1 В.

Повторители напряжения на биполярных транзисто­рах, выполненные в виде электронных щупов к измери­тельным приборам, широко распространены. Этому спо­собствует их малая входная емкость, благодаря чему частотные погрешности измерения становятся достаточно малыми. Использование многокаскадных схем повтори­телей напряжения существенно улучшает их основные параметры, а полоса пропускания при использовании высокочастотных биполярных транзисторов простирается обычно от десятков герц до десятков мегагерц.

Недостатком подобных схем является смещение по­стоянной составляющей входного сигнала. Последнее возникает, в частности, вследствие протекания базового тока входного транзистора по исследуемым цепям и его нестабильности. Уменьшение смещения постоянной со­ставляющей в схемах на биполярных транзисторах, не­обходимое для реализации «открытого входа» прибора, сопряжено с определенными схемотехническими сложно­стями. Достаточно просто указанная задача решается с помощью согласованных полевых транзисторов, темпе­ратурная нестабильность которых снижается с помощью глубокой отрицательной обратной связи (ООС).

На рис. 3 представлена принципиальная схема повто­рителя напряжения, выполненного в виде электронного щупа к осциллографу. Схема повторителя содержит че­тыре транзистора. Согласованная пара полевых тран­зисторов VT1, VT2 с n-каналом работает в дифферен­циальном каскаде, транзистор VT3 является источником тока для указанного каскада, а транзистор VT4 включен в схему усилителя напряжения с общим эмиттером.

Устройство работает следующим образом. Входной сигнал подается на затвор транзистора VT1. Напряже­ние, усиленное полевым транзистором VT1, поступает на базу транзистора VT4. Выходное напряжение повто­рителя снимается с коллекторной нагрузки — резистора R10. Одновременно выходное напряжение прикладыва­ется к затвору второго транзистора дифференциальной пары VT1, VT2. Глубокая отрицательная обратная связь и большое дифференциальное сопротивление источника тока обеспечивают близкий к единице коэффициент пе­редачи повторителя. Выбором тока коллектора транзи­стора VT4 (около 4 мА) снижается нелинейность повто­рителя в области высоких частот. Температурная ста­бильность устройства обеспечивается за счет глубокой отрицательной обратной связи и введения источника то­ка на транзисторе VT3.

Основные характеристики повторителя напряжения представлены на рис. 4. Кривыми 1 — 4 показана ампли­тудно-частотная характеристика устройства для различ­ных значений емкости нагрузки. С увеличением емкости от 15 до 100 пФ полоса пропускания повторителя, изме­ренная на уровне 3 дБ, сужается от 25 до 10 МГц. Указанная выше емкость нагрузки складывается из емкости кабеля и входной емкости осциллографа.

Рис. 3. Вариант схемы повторителя напряжения — щупа к осцилло­графу

Необходимо иметь в виду, что современные радио­частотные кабели с полиэтиленовой изоляцией имеют по­гонную емкость, увеличивающуюся с уменьшением вол­нового сопротивления. Так, например, типичное значение погонной емкости кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом равно ПО…125 пФ, с волновым сопротивлением 75 Ом — в пределах 60…80 пФ. У высокоомных кабелей и кабелей с полувоздушной изоляцией погонная емкость может быть ниже, однако они сравнительно малодо­ступны.

Рис. 4. Амплитудно-частотные характеристики щупа по схеме рис. 3

Кривая 5 на рис. 4 иллюстрирует зависимость допу­стимого напряжения сигнала при уровне гармоник около 5% с повышением частоты. Зависимость позволяет вы­брать максимально допустимое значение входного,сигна­ла для предполагаемого спектра входных частот.

Можно рекомендовать следующую методику исполь­зования повторителя напряжения. При исследовании слабых широкополосных сигналов с амплитудами 0… 200 мВ чувствительность осциллографа устанавливается от 5 до 50 мВ/дел., при которой изображение на экране должно занимать от 1/3 до ²/з его высоты. Поскольку масштабная сетка современных осциллографов имеет 6…8 делений по вертикали, уход границ изображения за пределы экрана является естественным индикатором превышения амплитудой сигнала допустимого уровня на высоких частотах — 150…250 мВ.

Вместе с тем, работа с сигналами, изображение ко­торых не выходит за пределы экрана, обеспечивает отсутствие нелинейных искажений до частот не менее 12…15 МГц.

Рис. 5. Схема повторителя напряжения на операционном усилителе

Для исследования широкополосных сигналов более высокого уровня целесообразно использовать выносные Делители напряжения, входная емкость которых составляет обычно 8… 12 пФ. Изготовление и использование таких делителей подробно описали П. Хоровиц, У. ХюГл в книге «Искусство схемотехники», т. 1 (М.: Мир, 1983).

Повторитель напряжения о удовлетворительными па­раметрами можно выполнить на основе быстродействую­щих операционных усилителей. Малые значения темпе­ратурного дрейфа и смещения нуля позволяют получить весьма высокую температурную стабильность устрой­ства.

На рис. 5 показана принципиальная схема повтори­теля напряжения на операционном усилителе К174УД1А в неинвертирующем включении. Элементы R2, С1 обра­зуют цепь отрицательной обратной связи. Корректирую­щие конденсаторы C1, C2 препятствуют самовозбужде­нию усилителя на высоких частотах. Резистором R6 осуществляется балансировка каскада. Для улучшения качественных показателей при работе на большую емкостную нагрузку в качестве выходного каскада используется составной эмиттерный повторитель на комплементарной паре транзисторов VT1, VT2. Началь­ное смещение, исключающее возникновение нелинейных искажений на низких уровнях сигналов, задается диода­ми VD1, VD2.

Частотные и амплитудные характеристики устройства представлены на рис. 6. Кривыми 1, 2, 3 изображены малосигиальные амплитудно-частотные характеристики при емкостной нагрузке 10, 70 и 100 пФ соответственно. Частотная зависимость максимально допустимого эф­фективного значения напряжения для емкости нагрузки 70 пФ иллюстрируется кривой 4.

Рис. 6. Амплитудно-частотные характеристики щупа по схеме рис. 5

Рассмотренная схема отличается от предшествующих более широкой полосой пропускания, однако форма АЧХ неравномерна в рабочей области частот. Входная ем­кость повторителя около 8 пФ. Максимально допустимый уровни напряжений сигнала в высокочастотной области приблизительно вдвое меньше, чем у описанных выше повторителей напряжения.

При выборе одной, из схем для изготовл-ения и ис­пользования необходимо определить характер большин­ства предстоящих измерений. Если предполагается измерять параметры только переменных составляющих сигнала, то лучшей для такого применения является про­стая схема двухкаскадного эмиттерного повторителя по рис. 1. Для одновременного контроля переменных и по­стоянных напряжений можно использовать повторитель по рис. 3. Эта схема отличается наибольшими допусти­мыми уровнями напряжений на высоких частотах и имеет достаточно широкую полосу пропускания. При измерении малых, порядка единиц и десятков милли­вольт, постоянных и переменных сигналов в широком спектре частот целесообразно использовать схему повто­рителя на операционном усилителе по рис. 5, имеющую высокую температурную стабильность и широкую полосу пропускания.

Детали и конструкция. В описанных устрой­ствах могут быть использованы резисторы МЛТ-0,25 МЛТ-0,125 с допускаемым отклонением от номинала ±10%. Подстроечный резистор R5 в схеме, по рис. 3 может быть любого типа, однако предпочтение должно быть отдано малогабаритным резисторам, например СПЗ-44, СПЗ-38а, Электролитические конденсаторы К50-6 могут быть заменены на К50-12. Другие конден­саторы — на К73-17 (С1, С2, СЗ на рис. 3) и КТ1 (С1, С2 — на рис. 5). Полупроводниковые диоды VD1, VD2- — на КД503А, КД503Б, КД522А, КД521А. Вместо указан­ных на схеме биполярных n -р-n транзисторов можно использовать транзисторы серий КТ315, КТ306, КТ316 и вместо р-n-р — транзисторы серий КТ349, КТ361. Не­обходимо заметить, что замена транзистора КТ326Б (VT4) на другой, с большими емкостями р-n переходов, приводит к сужению полосы пропускания. Транзисторы VT1, VT2 в схеме на рис. 5 должны иметь близкие зна­чения коэффициентов передачи тока базы (h_21Э). Коэф­фициенты усиления h_21Э других транзисторов могут на­ходиться в пределах 100…300. Согласованная пара тран­зисторов VT1, VT2 — КПС104В может быть заменена на пару из КПС104Г, Д. В качестве транзисторов VT1, VT2 можно использовать также дискретные полевые транзи­сторы КПЗОЗВ, Г после их попарного отбора по напря­жению отсечки и начальному току с погрешностью не более 10%. Операционный усилитель К574УД1А можно заменить на К544УД2. Возможно применение усилителя К140УД8Б, при этом полоса пропускания устройства несколько сужается. Переключатель SA1 в схеме на рис. 3 — любой малогабаритный.

Повторители напряжения выполняются в виде вы­носных щупов, соединяемых с осциллографом или дру­гим измерительным прибором экранированным кабелем длиной 100…130 см.

Элементы конструкции повторителя монтируются на прямоугольной печатной плате, помещаемой в экраниро­ванный корпус щупа. В качестве примера на рис. 7 при­веден чертеж печатной платы выносного щупа по схеме, представленной на рис. 3. Для уменьшения габаритных размеров постоянные резисторы устанавливаются в пла­ту вертикально.

Рис. 7. Эскиз печатной платы щупа по схеме рис. 3

Налаживание. Правильно собранное устройство по рис. 1 в налаживании не нуждается. Достаточно про верить отсутствие возбуждения в рабочей области частот.

Повторитель по схеме рис. 3 требует балансировки резистором R5 до появления нулевого потенциала на выходе при отсутствии входного сигнала. Невозможность установки «нуля» при исправных элементах свидетель­ствует о рассогласованности характеристик пары VT1, VT2 либо неудовлетворительном токовом режиме этих транзисторов, определяемом элементами R3, R7, VD1. В последнем случае необходимо подобрать значение ре­зистора R3. Токи стока полевых транзисторов должны составлять 0,6…0,8 мА. Окончательную регулировку резистором R5 рекомендуется проводить в законченной конструкции и установившемся тепловом режиме.

Налаживание схемы повторителя по рис. 5 сводится в основном к подбору наилучших значений емкости кон­денсаторов Cl, C2. Их емкость определяет не только склонность к возбуждению, но и полосу пропускания, а также уровень нелинейных искажений устройства. Ба­лансировкой резистором R6 обеспечивается минималь­ный сдвиг выходного уровня, который должен быть не более ±2 мВ. Затем на вход устройства подключается генератор высоких частот, например Г4-102. Установив выходное напряжение в пределах 50… 100 мВ, изменяют частоту сигнала, контролируя амплитуду выходного на­пряжения повторителя. Подбором емкостей конденсато­ров Cl, C2 необходимо добиться максимально плоской АЧХ устройства. После этого увеличивают уровень выходного напряжения генератора, контролируя отсут­ствие самовозбуждения на различных частотных уча­стках полосы пропускания. В случае самовозбуждения потребуется повторная корректировка емкости конденса­тора С1.