Щуп-радиотестер. Устройство, принцип работы и его применение в практике радиолюбителя.

В маленькой пластмассовой коробочке, удобно лежащей в ладони,  размещена  «сладкая парочка» — цифровой частотомер и измерительный генератор.  В результате получился универсальный прибор — радиотестер, способный во многих случаях заменить целую домашнюю радиолабораторию. С его помощью можно:

— измерить  частоту генерации в пределах от  10 кГц до 70 МГц

—  измерить резонансную частоту любого контура в диапазоне от  10 кГц до 70 МГц, оценить  пределы её перестройки штатными регулировками, а также индуктивность и ёмкость этого  контура

— измерить индуктивность катушки от долей мкГн до десятков мГн, как отдельно взятую, так и смонтированную в конструкции

—  оценить конструктивную (межвитковую)  ёмкость и собственный резонанс  любой отдельно взятой многовитковой катушки, дросселя или широкополосного трансформатора, а также проверить  правильность фазировки его обмоток

— измерить начальную магнитную проницаемость неизвестных кольцевых магнитопроводов

— измерить ёмкость неизвестного конденсатора, постоянной или переменной ёмкости,  в пределах от 1 пФ до 10 нФ

—  определить тип диэлектрика импортного керамического конденсатора

А  при необходимости щуп может выполнять роль импровизированного ГСС – просто добавьте ему воды контур!

Благодаря малому напряжению измерительного генератора, существенно меньшему напряжения открывания кремниевых переходов, все эти измерения можно проводить прямо в конструкции, без демонтажа элементов. Такую возможность оценят те, кому часто приходится  заниматься ремонтом и настройкой радиоаппаратуры, особенно  при отсутствии схем и описаний.

 

Технические характеристики:

ü  Напряжение питания однополярное                                            +5,8…+9 В

ü  Потребляемый ток, не более                                                               40 мА

ü  Диапазон измеряемых частот                                                 10 кГц-70 МГц

ü  Минимальный уровень входного сигнала

На частотах до 20 МГц                <30 мВ

На частотах выше 20 МГц         <100 мВ

ü  Максимально допустимый  уровень входного сигнала

ü  ( сумма амплитуды переменного и постоянного напряжения)        50в

ü  Входное сопротивление, не менее                                                    2 Мом

ü  Входная ёмкость в режиме ЧТМ                                                           10 пф

ü  Входная ёмкость в режиме измерительного генератора,             17 пф

ü  Ёмкость образцового конденсатора                                                  100 пФ

ü  Размер корпуса, без выступающих частей,       92(Ш)х28(В)х16(Г) мм

 

Зачем это нужно.

Измерения непосредственно в высокочастотных  резонансных цепях  выполнять не просто, даже при наличии парка профессиональных измерительных приборов, не говоря уже о самодельных.  И связано это прежде всего с вносимыми в измеряемую цепь реактивностями измерительных кабелей. Например, ёмкость стандартного измерительного кабеля осциллографа или частотомера длиной 70-80 см порядка 80 -100 пф, что совместно со входной ёмкостью того же осциллографа или частотомера составит уже 100-120 пф.  Применение малоёмкостных активных щупов или делителей, имеющих собственную ёмкость порядка  5-17 пФ, тоже проблему не решает. Поэтому, как правило, избегают непосредственного  подключения приборов и во всех промышленных методичках по ремонту и настройке  ВЧ/ПЧ цепей применяется метод  непрямого контроля параметров резонансных цепей, по возможности подключая ГСС в каскады, расположенные до, а измеритель выхода — после испытуемого каскада, или другими способами максимально уменьшая влияние приборов на результаты измерения.

Но такие методы хорошо работают, если все компоненты настраиваемых цепей соответствуют заданным  – контуры исправны и штатные регулировки контуров позволяют настроить резонанс на требуемую частоту. А если последнее условие не выполняется, например, за многие годы изменились параметры магнитопровода или конденсатора, что  нередко бывает при ремонте старой радиоаппаратуры или индуктивность катушек  самостоятельном изготовлении новой конструкции отличается от авторской,  тогда настройка не идёт, как описано, а поиск и устранение причины затруднены. Особенно «головную боль» при настройке контурных систем доставляют так называемые «ложные резонансы», вызванные тем, что конструкции многих современных малогабаритных подстроенных конденсаторов (триммеров) и сердечников катушек не   позволяет визуально оценить положение максимальной и минимальной ёмкостей или индуктивностей. Поэтому при настройке контура в резонанс по типовой методике (по максимуму ВЧ напряжения  на контуре) порой возникает ситуация, когда реальный резонанс ещё не достигнут – не хватает пределов регулировки, но триммер  уже прошёл положение максимального или минимального значения и уровень сигнала на контуре после роста начинает  уменьшаться. Это  можно принять за резонанс, хотя реально контур так и остался не настроенным. Как пример, именно «ложные резонансы» были причиной неудачи некоторых коллег в  настройке и как результат — плохой работы на верхнем  диапазоне — простого трёхдиапазоннго ППП.

Автор за многолетнюю практику  нередко  оказывался в подобной ситуации и каждый раз, приступив к ремонту или настройке очередного приёмника или трансивера и обозревая многочисленные контуры и катушки, мечтал (HI!), что было бы неплохо предварительно узнать их  реальные основные параметры, как минимум  – на какую частоты настроены и позволяют  ли  штатные регулировки контуров перестроить резонанс на требуемую частоту. Возможный вариант подобного тестера контуров, выполненный в виде  приставки к NWT, описан в статье Щуп-приставка к NWT для тестирования контуров.

Но есть и другой путь — объединить в одно компактное устройство измерительный генератор – двухточку, т.е. подключаемый к контуру в двух точках  (как правило – к катушке индуктивности) и цифровой частотомер. Измерительный генератор  поможет «оживить» контур и тот сам, посредством частотомера, сообщит нам свою частоту настройки.

Как это работает

К сожалению идеальных генераторов и ЧТМ не бывает  и при прямом подключении в контур  любой из них внесет туда свою ёмкость, существенно искажающую результаты измерений.
Для   определения реальных параметров контура (его ёмкости, индуктивности и частоты резонанса) с учётом влияния измерительного щупа применяется известный метод  двухчастотных измерений с применением эталонного конденсатора известной ёмкости Сэ.

Сначала измеряется  частота генерации без эталонного конденсатора . Она описывается формулой Томсона

Затем измеряем частоту с подключённым  эталонным конденсатором Сэ

Решением этих двух уравнений находим контурную ёмкость

и контурную индуктивность

Но в эти значения входят внесённые в измеряемый контур щупом ёмкость и индуктивность. Благодаря ряду конструктивных (правильная разводка печатной платы, выполнение в виде щупа с короткими выводами, достаточно просторный пластмассовый корпус, исключающий влияние рук) и схемотехнических решений величины собственных емкости и индуктивности щупа получились малыми и, что очень важно, стабильными. Это позволяет достаточно точно учитывать их влияние при  вычислении реальных значений  индуктивности и ёмкости контура и его резонансной частоты.

Для выполнения этих расчётов применяется вспомогательная программка FLC‑метр. Её вид представлен на рисункеОна состоит из  3 таблиц. В жёлтые ячейки вносятся результаты измерений частоты в кГц, а из серых ячеек считываем результаты вычислений. В розовых ячейках внесены основные параметры щупа, которые при необходимости, например, при отличии конструкции от авторской, могут быть самостоятельно изменены.

1.Таблица  а) служит для измерения параметров контура двухчастотным методом. В верхние 2 ячейки заносим результаты измерений частоты генератора (контура) при отжатой и нажатой кнопке (т.е. с  ёмкостью эталонного конденсатора — в данном случае 100 пф). Результаты вычислений приведены для двух вариантов измерений – в режиме частотомера и в режиме измерительного генератора.

2.Таблица б) служит для измерения емкости неизвестного конденсатора, подключаемого к контуру, основные параметры которого  предварительно уже измерены и приведены в таблице а).

3.Таблица  в) служит для быстрой оценки индуктивности отдельно взятой катушки, дросселя или широкополосного трансформатора в режиме генератора с нажатой кнопкой.

Принципиальная схема прибора показана на рисунке.

В основу конструкции положен миниатюрный и экономичный одноплатный вариант частотомера (ЧТМ) с пятиразрядным семисегментным LED индикатором. Благодаря автоматическому переключению пределов измерения он всего при 5 разрядах индикации обеспечивает достаточно высокую точность измерения частоты в широких пределах от единиц Гц до 60-70 МГц. На транзисторах VT4, VT5 выполнен улучшенный входной усилитель-формирователь, обеспечивающий повышенную чувствительность (на частотах до 15 МГц не хуже 30 мВ, до 70 МГц – не хуже 100 мВ). Благодаря диодному ограничителю VD3, VD4  на вход допустимо подавать напряжение до 25 В переменного напряжения при частоте сигнала до 30 МГц. Входное сопротивление при этом снижается до 10 кОм на частотах до 1 МГц, а выше носит ёмкостной характер и  определяется ёмкостью 10 пф.  Диапазон измеряемых частот сверху ограничен возможностями конкретного экземпляра PICа и может достигать 70-80 МГц, а снизу – величиной разделительных конденсаторов С1  и С5. При указанных на схеме значениях нижняя граница примерно 10 кГц. Low Drop стабилизатор U1 обеспечивает стабильную работу  устройства при снижении  напряжении питания вплоть до  5,7 В, что при автономном питании  от аккумуляторов  типа 6F22 или батарейки Крона позволяет практически полностью использовать их ёмкость. Диод VD8 защищает от переполюсовки питания.

Диапазон измерения и, соответственно, период  измерения переключается автоматически, что обеспечивает максимальную точность измерения. Мигающая десятичная точка на индикаторе указывает на измерение частоты в килогерцах, а постоянно светящаяся точка указывает на измерение частоты в мегагерцах,  как показано в следующей таблице:

Диапазон частотНа дисплееПериод измеренияДесятичная точка
0 … 9.999 kHzX.XXX1 секундамигает
10 … 99.99 kHzXX.XXX1/2 секундымигает
100 … 999.9 kHzXXX.XX1/4 секундымигает
1 … 9.999 MHzX.XXXX1/4 секундысветится и не мигает
10 … 50.00 MHzXX.XXX1/4 секундысветится и не мигает

 

Измерительный генератор выполнен на транзисторах VT1, VT3 с цепью стабилизации амплитуды на транзисторе VT2 по схеме, аналогичной применённой в Приставке для измерения индуктивности. Здесь такой же генератор с  эмиттерной связью в двухкаскадном усилителе, частота колебаний которого определяется  LC контуром, подключаемым к входу щупа. Так как используется непосредственное соединение базы транзистора VT1 с коллектором VT3, то коэффициент петлевого усиления генератора высок, что обеспечивает устойчивую генерацию при изменении соотношения L/C в широком диапазоне. Коэффициент петлевого усиления пропорционален крутизне используемых транзисторов и может эффективно регулироваться  изменением тока эмиттеров, для чего используется  транзистор VT2. Управляющее напряжение на базу VT2  поступает с выпрямителя на диодах VD1, VD2, подключенного к стоку VT4, выполняющего в данном случае роль буферного усилителя с Кус = 4-8 раз.  Благодаря этому амплитуда на измеряемом контуре достаточно хорошо стабилизирована и не превышает 100 мВ на частотах до 20 МГц и 200 мВ на частотах более 20 МГц. Применение современных СВЧ транзисторов позволило снизить собственную емкость  измерительного генератора  до 7 пФ, что также положительно сказалось на точности измерений.

Режим работы прибора выбирается трёхпозиционным переключателем SA1. В показанном на схеме исходном положении  питание прибора выключено.В среднем положении подаётся питание и щуп работает в режиме частотомера. В третьем положении ко входу подключается измерительный генератор. Конденсатор эталонной ёмкости С1=100 пф подключается кнопкой SA2 прямо ко входу щупа, что позволяет использовать метод  двух частот  в обоих режимах. Вид щупа-радиотестера US5MSQ

Источник питания щупа должен быть гальванически развязан от испытуемого устройства. Это может быть как сетевой БП на напряжение +6….+9В, так и батарейка типа Крона или аккумулятор. Очень удобен в пользовании аккумулятор типа 6F22, показанный на фото, с  возможностью быстрого заряда по USB от компьютера или от зарядки мобильника. Его ёмкости хватает для непрерывной работы щупа в течении, как минимум,  8 часов, т.е. полный рабочий день.

Чтобы научиться пользоваться щупом и оценить его возможности  проведем несколько опытов.

  1. При измерении малых значений индуктивности большую погрешность вносит собственная индуктивность щупа. Попробуем ее измерить. Для этого включим режим измерительного генератора и замкнем входные контакты между собой. Без эталонного конденсатора частота генерации существенно выше возможностей ЧТМ и двухчастотный метод здесь неприменим. С нажатой кнопкой частота генерации 55440 кГц. Поэтому воспользуемся табличкой в), вносим измеренную частоту в жёлтую ячейка и получаем собственную индуктивность 0,07 мкГн (рис.1).
  2. Измерение неизвестной отдельно взятой индуктивности. Для первого опыта, дабы оценить точность измерений, возьмём малоёмкостную (с малым числом витков) катушку, намотанную на кольце Т50-2  с  уже известной индуктивностью 1,51 мкГ (измерено автором при помощи проверенного LCF Макеевский). Включаем режим генератора и измеряем 2 частоты: получилось с не нажатой кнопкой частота 30440 кГц, а с нажатой кнопкой – 11717 кГц, вносим эти значения в жёлтые ячейки таблицы а) и получаем результат (рис.1). Как видим индуктивность получилась  1,5 мкГн, полная ёмкость контура 0,39 пФ, а собственная частота катушки – порядка 208 МГц. Последнее значение отражает именно порядок, т.к. значения образцовых ёмкостей могут в зависимости от температуры окружающей среды и  расположения рук «гулять» в пределах 1 пф. Поскольку  погрешность  измерения частоты будет пропорциональна  1/Ск[пФ], то при ёмкости контура, состоящей в основной из входной ёмкости щупа 17пФ, погрешность будет примерно  6%. При нажатой кнопке емкость контура возрастает до 117 пФ и эта погрешность падает до пренебрежимо малых величин. Если в жёлтую ячейку таблицы б) внести значение частоты при нажатой кнопке, то увидим ёмкость эталонного конденсатора. Т.о. можно самостоятельно проверить основные параметры щупа и при необходимости их заново откалибровать.

Результаты измерения индуктивности импортного дросселя EC24 номиналом 3,3 мГн приведены на рис.2 .

рис.2 Измерение индуктивности и собственной ёмкости дросселя 3,3 мГн

Как видим из таблицы а), его реальная индуктивность 3,126 мГн, что немного меньше номинала, но в пределах заявленной изготовителем погрешности (+_10%), а собственная ёмкость дросселя 12,62 пФ и его собственный резонанс примерно 800 кГц.

Определить магнитную проницаемость кольцевого магнитопровода без маркировки можно по методике, описанной в статье Приставка для измерения индуктивности. Аналогично  намотав пробную обмотку на имеющиеся   неизвестные каркасы и измерив щупом получившуюся индуктивность можно самостоятельно их рассортировать и определить  для каждого типа множитель К для приведённой там упрощенной  формулы расчета количества витков для получения требуемой индуктивности  —  W=К*SQRT(L[мкГн]).

  1. Проверка и настройка платы ГПД трансивера RadioN, которую передал мне товарищ с жалобой, что не получается нормально уложить диапазоны. Поиск причины я проводил без подключения питания платы, просто подключив щуп прямо к катушке ГПД (рис.3).

    рис.3 Настройка ГПД

    Результат измерения параметров контура методом двух частот показан на рис.4.

    Рис.4 Измерение индуктивности и ёмкости контура ГПД

    как видим, индуктивность катушки существенно выше (примерно в 2,2 раза) требуемой и, соответственно, частота контура в 1,5 раза ниже требуемой (8220  кГц). Заодно проверил индуктивность не нагруженного широкополосного трансформатора, подключив щуп к его крайним выводам (рис.5).

    рис.5 Измерение индуктивности трансформатора

  2. Поверить правильность фазировки обмоток широкополосного трансформатора как этого, так и других, например в диодных смесителях, можно как двухчастотным методом с точным измерением индуктивностей, так и упрощенным , не заглядывая в таблицу, а просто ориентируясь по генерируемой частоте в режиме генератора с нажатой кнопкой. Индуктивность двух одинаковых и правильно, т.е. согласно-последовательно, включенных обмоток должна быть в 4 раза больше индуктивности одной обмотки, а частота генерации, соответственно, примерно в 2 раза больше. Так с трансформатором на плате ГПД частота генерации при подключении щупа к одной обмотке была 593 кГц, а при подключении ко всему трансформатору 285 кГц.
  3. 1 Проверку и «холодную» настройку ВЧ/ПЧ трактов рассмотрим на примере приемника Селга 405, схема которой приведена на рис.6.

    рис.6 Схема Селги-405

    Испытания подвергнем исправный приемник, который я «оживил»  пару лет назад.  Питание приемника подключать пока не будем. Сначала проверим настройку контуров ПЧ, для чего в режиме генератора подключаем щуп  к соответствующей контурной катушке. На плате это проще сделать, подключаясь к выводам контурных конденсаторов С16,С18 и С32. Для повышения точности измерений сильно связанных ( с коэффициентом связи больше критической и имеющих «многогорбую» АЧХ) контуров или ФСС рекомендуется на время настройки соседние контура шунтировать резистором 1-2 кОм, чтобы связь с контурами стала меньше критической и АЧХ приобрела «одногорбый»  вид.  Для больше оперативности подключения удобно такой резистор оснастить зажимами типа «крокодил» или аналогичные.  Результаты измерений ФПЧ-1 представлен на рис.7, ФПЧ-2 – на рис.8 и ФПЧ-3 – на рис.9.

    рис.7 Измерения резонансной частоты ФПЧ-1 Selga-405

    рис.8 Измерения резонансной частоты ФПЧ-2 Selga-405

    рис.9 Измерения резонансной частоты ФПЧ-3 Selga-405

    как видим, они настроены практически на одну и ту же частоту 464 кГц, что соответствует требованиям ГОСТа  (465+_2 кГц) и в общем-то необходимости в дополнительной подстройке нет.  Но при  желании это можно сделать как по обычной методике, так и при помощи нашего щупа.

При достаточно известной и большой ( больше 170 пФ) ) контурной ёмкости можно упростить настройку, заранее оценив влияние ёмкости щупа Сщ на частоту резонанса,   и тем самым обойтись без постоянного «заглядывания» в таблицу:

f=fр(1+0,5Сщ/Ск),

где fр – измеренное значение резонансной частоты контура, Ск – ёмкость конденсатора контура в пикофарадах.

К примеру, контурная ёмкость ФПЧ-1,ФПЧ-2 составляет 1000 пФ, что примерно в 60 раз больше ёмкости щупа (которая равна  в режиме генерации равна 17 пф), следовательно  при подключении щупа частота снизится на 1/120 или 465/120=3,875 кГц. Т.о. если при регулировке контура мы выставим показания щупа равными 465-3,875=461,12 кГц, то реальная частота настройки будет ровно 465 кГц.

5.2 Для примера проверки сопряжения входного и гетеродинного контуров  включим диапазон СВ. Общий провод щупа подключаем прямо на движок подстроечного конденсатора С9, а сам щуп на его второй вывод и измеряем частоты без и с нажатой кнопкой (рис.10)

рис.10 Измерение индуктивности и ёмкости контура ГПД СВ_Selga-405 в режиме Fген

и получаем реальную (расчетную) частоту настройки  контура ГПД = 1227,98 кГц. Для проверки насколько велико влияние изменения емкостей транзистора при включении питания,  включаем питание приемника с подключившись щупом в режиме частотомера к отводу катушки катушки L6, точнее к  С15, измеряем реальную частоту генерации. Получилось 1228,1 кГц. Как видим на таких относительно низких частотах погрешность минимальная и настройку транзисторного приемника можно проводить в «холодном» (обесточенном) режиме. В ламповых каскадах, как правило, нет сильной зависимости межэлектродных ёмкостей от питающих напряжений, поэтому проводить такую проверку нет собой необходимости. Внесём  это значение в жёлтую ячейку таблицы б) и посмотрим на величину внесённой щупом в контур ёмкости  — 17.07 пФ. Знак минус появился потому, что  изменён порядок расположения частот  — сначала должна быть большая, а затем меньшая, но в данном случае это не критично. С учётом частоты ПЧ 465 кГц частота настройки входного контура должна быть равна 1228-465=763 кГц. Давайте проверим это.  Теперь  общий провод щупа подключаем прямо на движок подстроечного конденсатора С1, а сам щуп на его второй вывод и измеряем частоты без и с нажатой кнопкой, вносим полученные значения в таблицу а)  и получаем реальную (расчетную) частоту настройки  входного контура = 755,4 кГц (рис.11).

рис.11 Проверка сопряжения входного контура с ГПД СВ_Selga-405 в режиме Fc на частоте763 кГц

Разница между требуемой  частотой 763 кГц и реальной равна 8 кГц, что составляет примерно 1% от частоты настройки.  С учётом того, что  типовая нагруженная добротность входного контура на этих частотах порядка 50-70, т.е. полоса пропускания входного контура порядка 1.5-2%, можно говорить о хорошем сопряжении.

  1. Для измерения ёмкости неизвестного конденсатора используется таблица б). Измеряемый конденсатор подключаем непосредственно к катушке контура, параметры которого уже внесены в таблицу а), измеряем получившуюся частоту и вносим это значение в жёлтую ячейку таблицы б).  Именно так была откалибрована в пФ шкала  неизвестного КПЕ – получился полезный для разного вида настроек прибор.

    импровизированный «ГСС»

  2. Если при настройке приёмника требуется подать на вход ВЧ сигнал определённой частоты, а ГСС под рукой нет, при помощи щупа можно за пару минут сделать простейший импровизированный «ГСС», подключив его к обычному контуру , сделанном из любой катушки, например импортного дросселя, подходящей  индуктивности и любого КПЕ (рис.12).

    рис.12 Схема импровизированного ГСС

    А снимать сигнал с контура нужно через конденсатор 1-2,2 пф (см. фото). Поскольку встроенный в щуп измерительный генератор обеспечивает устойчивую генерацию при изменении соотношения L/C в широком диапазоне, то применив всего одну катушку/дроссель индуктивностью порядка 0,8-1 мкГн можно этим импровизированным  «ГСС» перекрыть весь КВ диапазон просто подключая параллельно КПЕ дополнительные конденсаторы!

  3. В резонансных цепях ВЧ/ПЧ трактов и гетеродинов часто применяются современные малогабаритные импортные керамические термостабильные конденсаторы с малыми потерями с диэлектриком класса 1 (NP0,COG). Но на их корпусах нет  маркировки применённого типа диэлектрика или группы по термостабильности, что вызывает немало  проблем при конструировании и настройке самодельных устройств. Определить тип диэлектрика неизвестного конденсатора можно при помощи нашего щупа, подключив  его в режиме генератора к параллельному контуру на основе этого конденсатора и с подходящей катушкой индуктивности. Нагревая до 50-70 градусов испытываемый конденсатор, например кратковременно прикоснувшись  разогретым паяльником  к его корпусу, следим за частотой генерации. Если частота после нагрева конденсатора изменилась не более 1%, то он класса 1  NP0(COG), если больше 1% – этот конденсатор с диэлектриком класса 2 (быть X7R, X5R и Y5V  и т.п.), имеющий более высокий уровень потерь и с нелинейной зависимостью ёмкости от приложенного напряжения.

Приобрести готовый щуп-радиотестер можно здесь

Сергей Беленецкий, US5MSQ,  июль 2019года                                                                                              г.Киев

Tags: , , , ,

Optimization WordPress Plugins & Solutions by W3 EDGE