Измеритель мощности-приставка к цифровому мультимеру

      Чаще всего для построения измерителей мощности KB и УКВ диапазонов используют выпрямители на диодах и стрелочный индикатор. При этом шкале получается нелинейной, сложной в градуировке, а диапазон индицируемых значений мощности оказывается небольшим. Кроме того, чувствительность такого измерителя обычно невелика. При использовании в качестве индикатора измерительного прибора с цифровой шкалой, например мультиметра, при определении мощности показания прибора приходится пересчитывать, что неудобно. Дело в том, что мощность пропорциональна квадрату напряжения на нагрузке, а все мультиметры индицируют напряжение.

      Выход из этой ситуации состоит в применении преобразователя, который формирует на выходе напряжение или ток, пропорциональный квадрату входного напряжения. Таким преобразователем может послужить, например, перемножитель напряжения [1]. Поскольку такой перемножитель обычно собирают на активных элементах или на специализированной микросхеме, чувствительность прибора будет достаточно высокой.
Если на оба входа перемножителя напряжения подать один и тот же сигнал с согласованной нагрузки U0sinω0t, где U0 — амплитуда входного сигнала, а ω0 — его частота, то на выходе перемножителя выделится напряжение
Uвыx=KU20(sinω0t)2=KU20(1-cos2ω0t)/2, где К — коэффициент передачи микросхемы.

      Таким образом, в идеальном случае в выходном сигнале микросхемы присутствуют постоянная составляющая и переменная составляющая с удвоенной частотой. Переменную составляющую легко подавить с помощью конденсатора достаточной емкости. Заметим, что оставшаяся постоянная составляющая пропорциональна квадрату входного напряжения, поэтому, если к выходу микросхемы подключить вольтметр или микроамперметр, его показания будут прямо пропорциональны мощности сигнала на нагрузке.
      Именно так и работает предлагаемая приставка — измеритель мощности. Она разрабатывалась для измерения мощности в диапазоне УКВ, но работоспособна от частоты 1 МГц и выше.

Основные технические характеристики
Диапазон измеряемых мощностей, Вт…………от 10-4 до 1
Крутизна характеристики передачи, В/Вт………….10 и 0,1
Входное сопротивление, Ом ……50
КСВ по входам в диапазоне частот до 200 МГц, не более…..1,23
Тоже, на частотах до 1300 МГц, не более …………………2
Требования к мультиметру пределы измерения напряжений, В………0,2 и 2

      Схема приставки показана на рис. 1. Ее основой является широкополосный (до 500 МГц) четырехквадрантный перемножитель сигналов с токовым выходом на интегральной микросхеме DA1. Работа микросхемы подобна действию двойного балансного модулятора или смесителя. Отличительная особенность микросхемы AD834 — высокая линейность передаточной характеристики в диапазоне входных напряжений от 0 до 1 В.

      Измеритель мощности имеет два входа с различной чувствительностью и разной крутизной передаточной характеристики. Первый вход (гнездо XW1) предназначен для измерения мощности сигналов в диапазоне 0,1…40 мВт при крутизне характеристики 10 мВ/мВт. Сигнал с этого входа поступает на два входа микросхемы через резистивный аттенюатор R1 ,R2, R7, вносящий затухание 1..2 дБ. Он служит для некоторой развязки прибора от источника сигнала и стабилизации входного сопротивления при изменении частоты, приближая его к активному — 50 Ом.

      Диоды VD1, VD2 защищают входы микросхемы (выводы 1 и 8), соединенные вместе в соответствии с принципом работы измерителя. Подстроенный резистор R11 служит для балансировки (установки нуля), а резистором R14 устанавливают требуемую крутизну передаточной характеристики. Выходной сигнал (вилка ХР2) поступает на вход цифрового мультиметра (М830, М838 или аналогичного), который включен в режим измерения напряжения (предел 200 или 2000 мВ).

      Второй вход (XW2) предназначен для измерения мощности от 10 мВт до 1 Вт (кратковременно допустимо подавать до 2 Вт) при крутизне характеристики 100 мВ/Вт. В этом случае сигнал подается на входы микросхемы через резистивный аттенюатор R4—R7 с затуханием 20 дБ. Оба входных аттенюатора одновременно выполняют и роль согласованной нагрузки с активным сопротивлением 50 Ом для источника сигнала.
    Для измерения большой мощности (10…20 Вт) необходимо применить согласованный аттенюатор с затуханием 10 дБ, который можно собрать на резисторах для поверхностного монтажа РН1-12 мощностью по 0,25 Вт. По конструкции он аналогичен согласованной нагрузке [2]. Схема аттенюатора показана на рис. 2. Следует учесть, что при его использовании соответственно уменьшается и результирующая крутизна передаточной характеристики, при затухании 10 дБ — до 10 мВ/Вт. Для измерения еще большей мощности (до 100…200 Вт) надо изготовить другой подходящий аттенюатор, с еще большим затуханием и большей допустимой рассеиваемой мощностью.

      Питать устройство надо от стабилизированного блока питания с двуполярным выходом + 5 и -5 В. Вариант схемы блока питания, который удается поместить в корпусе любого маломощного сетевого адаптера, показан на рис. 3. К конструкции блока никаких особых требований не предъявляется.

      Большинство деталей измерителя мощности размещают на печатной плате из двусторонне фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой показан на рис. 4. На одной стороне платы фольгу не удаляют, она служит общим проводом. По краю платы и через отверстия обе стороны металлизации, соответствующей общему проводу, соединяют пайкой одну с другой. Штыревую часть разъема ХР2 устанавливают непосредственно на плате (металлизацию рядом со штырями на второй стороне платы удаляют). Фотография смонтированной платы показана на рис. 5.

      Сверху плату закрывают металлической крышкой. Ее желательно покрасить или оклеить декоративной пленкой. Сверху на крышке делают надписи с указанием диапазонов входных мощностей около соответствующих разъемов. Для доступа к подстроенному резистору установки нуля в крышке делают отверстие.
      Размещают устройство непосредственно на мультиметре, оно надежно удерживается благодаря штырям разъема ХР2, вставленным в гнезда мультиметра (рис. 6). Напряжение питания подается по экранированному кабелю, который виден на рис. 5 и 6.
      Диоды заменимы на КД922Б, неполярные конденсаторы — К10-17, полярные — танталовые для поверхностного монтажа, постоянные резисторы — РН1-12, подстроенный резистор R3 — POZ3, СПЗ-28, резисторы R11, R14 — СПЗ-19, гнезда XW1, XW2 — типа SMA. В блоке питания допустимо применить любые выпрямительные диоды и оксидные конденсаторы. Сетевой трансформатор Т1 должен обеспечивать на вторичной обмотке переменное напряжение 8…12 В при токе до 50 мА.

      Если есть возможность, налаживание начинают с настройки минимума КСВ на первом входе (гнездо XW1). Делают это подбором номинала резистора R7. Затем приставку подключают к мультиметру и при отсутствии входного сигнала резистором R11 устанавливают на его индикаторе нулевые показания. Затем на гнездо XW1 подают сигнал мощностью 10 мВт с частотой 145 МГц и резистором R14 устанавливают показания 100 мВ. Потом подают сигнал мощностью 1 Вт на гнездо XW2 и резистором R3 устанавливают показания на индикаторе мультиметра 100 мВ. Настройку желательно повторить несколько раз.

      Частотная характеристика макета устройства при подаче на вход сигнала мощностью 10 мВт показана на рис. 7. В диапазоне до 1000 МГц погрешность измерения не превышает 10 %, а на частоте 1300 МГц показания уменьшаются в два раза. Таким образом, с учетом соответствующей коррекции, измеритель можно использовать в диапазоне частот от 1 до 1296 МГц. КСВ по входу 2 (входу 1) в диапазоне частот до 200 МГц не превышает 1,15(1,23),до400 МГц — 1,18 (1,5), до 800 МГц — 1,24 (1,7), до 1000 МГц — 1,3 (1,8), до 1300 МГц—1,4(2).

      Если к устройству подключить антенну в виде штыря или рамки, его можно с успехом использовать в качестве индикатора напряженности поля. В этом случае показания мультиметра будут пропорциональны квадрату напряженности поля в выбранной для измерений точке или плотности потока энергии. Калибровка прибора возможна, но она должна проводится только для конкретной антенны и на определенной частоте.

ЛИТЕРАТУРА
1. Нечаев И. Индикатор напряженности поля. — Радио, 2000, № 3, с. 62.
2. Нечаев И. Широкополосная согласованная нагрузка. — Радио, 2004, № 1, с. 72.

Игорь НЕЧАЕВ (UA3WIA), г. Курск
«Радио» №2 2005г.

Похожие статьи:
Приставка-термометр к цифровому мультиметру
Высокочастотный щуп-приставка к цифровому мультиметру