Измерители амплитудно-частотных характеристик NWT получили широкое распространение у радиолюбителей. Желание повысить точность измерения добротности контуров с его помощью (по сравнению с простейшими схемными решениями) привели меня к мысли сделать приставку к NWT в виде компактного щупа. Причём такую, чтобы можно было с достаточно высокой точностью измерять резонансную частоту, добротность и АЧХ контуров - как отдельно взятых, так и установленных непосредственно в конструкциях. Разумеется, что в этом случае надо следить, чтобы напряжение сигнала на исследуемом контуре не превышало уровня -20 дБ на графике АЧХ, чтобы не открывались кремниевые p-n переходы.
Внешний вид щупа показан на рис. 1, а его схема - на рис. 2. На транзисторах VT1, VT2 собран высокоомный буферный усилитель с входным сопротивлением 1 МОм и входной ёмкостью примерно 3 пФ. Применение подобного щупа и особенности конструкции достаточно подробно изложены в статье Б. Степанова "Простой индикатор резонанса", опубликованной в сборнике "Радиоежегодник 1985". По сравнению с описанным там прибором предлагаемый вариант щупа имеет лучшие характеристики. Применение более чувствительного детектора NWT позволило существенно (почти в четыре раза) умень-шить ёмкость конденсаторов связи, что существенно снизило влияние измерительных цепей на добротность исследуемого контура. Благодаря этому погрешность измерения добротности контура (вплоть до 400...500) не превышает 5...10% на частотах от сотен килогерц до 30 МГц. К исследуемому LC-контуру щуп подключают, например, с помощью зажимов "крокодил" (см. рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид щупа
Рис. 2. Схема щупа
Входная ёмкость такого щупа может быть около 2 пФ, но на практике при таких её значениях уже заметно сказывается паразитная ёмкость монтажа. Высокое входное сопротивление щупа-тестера обусловило необходимость его экранировки. На рис. 3 видно, что без внешнего экрана при определённых небольших уровнях на АЧХ появляются помехи. Установка щупа в экранирующий корпус практически полностью убирает помехи и улучшает развязку "вход - выход", но при этом входная ёмкость возрастает до 4,9...5 пФ. При замкнутых входных контактах щупа развязка будет не менее 62 дБ на частоте 20 МГц.
Рис. 3. График АЧХ
Для повышения точности измерения реальной резонансной частоты контуров f (это важно, например, при проверке или настройке сопряжения контуров) надо вводить поправку по формуле, приведённой в статье Б. Степанова, только вместо числа 3,5 в неё подставить число 2,5. Для этого щупа она выглядит так:
f=fр(1+2,5/С),
где fp - измеренное значение резонансной частоты контура; С - ёмкость конденсатора контура в пикофарадах.
Фото конструкции щупа приведено на рис. 4. Чтобы исключить прямое, в обход испытуемого контура, проникновение сигнала на вход детектора, использован двухсторонне фольгированный стеклотекстолит, а монтаж ведётся на "пятачках" на двух сторонах платы.
Рис. 4. Конструкция щупа
Обе стороны общего провода-экрана соединены между собой перемычками в четырёх - пяти местах (равномерно по всей площади платы). Точки подключения конденсаторов связи разнесены - вход высокоомного пробника находится с одной стороны, а на противоположной стороне платы - сплошной экран ("земля"). Точка подпайки нагрузочного резистора выхода NWT R1 находится с другой стороны платы, а напротив неё на противоположной стороне - сплошной экран ("земля"). Между конденсаторами связи практически на всю их длину установлен экран из тонкой жести. Он припаян к плате и обклеен чёрной изолентой. При повторении конструкции вместо этого дополнительного экрана рекомендую просто сделать плату подлиннее на 10...15 мм.
Большой ток выходного каскада высокоомного буферного усилителя щупа (примерно 30 мА) обеспечивает амплитуду выходного сигнала напряжением вплоть до 1,4 В на низкоомной нагрузке (50 Ом). Это позволяет реализовать по максимуму динамический диапазон детектора NWT. Налаживание усилителя сводится к установке на коллекторе транзистора VT2 постоянного напряжения +4...5 В. Этого добиваются подбором резистора R3. Ток, потребляемый щупом от источника питания, - около 40 мА.
Реальную нагрузку контуру создают генератор NWT с выходным сопротивлением 50 Ом и включённый параллельно ему нагрузочный резистор R1 сопротивлением 51 Ом (в итоге - около 25 Ом). Они подключены к испытуемому контуру через конденсатор связи С1 ёмкостью 1 пФ.
Оценить степень влияния этой цепи на добротность контура можно по приведённым в статье Б. Степанова формулам. Кто хочет, может посмотреть, например, книгу В. Попова "Основы теории цепей" (М.: Высшая школа, 1985), но приведённые там формулы несколько сложны для анализа и понимания физического смысла происходящего.
Проще будет понять суть происходящего, если воспользоваться понятием сопротивление потерь. Суммарное сопротивление потерь контура Rп можно определить по формуле
Rп=XL/Qн,
где XL - индуктивное сопротивление его катушки; Qн - её добротность.
Сопротивление потерь нагруженного контура Rп равно сумме сопротивлений собственных потерь ненагруженного контура Rк и потерь, привнесённых нагрузкой Rн. Последнее для нашего случая включения сопротивления низкоомного источника сигнала Rист через ёмкостный делитель тока равно
Rн = Rист (Ссв/(Ск+Свх))2.
Если контурная ёмкость Ск существенно больше входной ёмкости Свх, эта формула упрощается до
Rн = Rист (Ссв/Ск)2,
внесённое в контур сопротивление уменьшается пропорционально квадрату отношения ёмкостей конденсаторов связи и контурного.
Рис. 5. График АЧХ
Рассмотрим реальный пример измерения параметров колебательного контура, который состоит из высокодобротной катушки индуктивности, намотанной на кольце Т50-6 фирмы Амидон, и конденсатора ёмкостью 38 пФ.
1. Полная ёмкость контура
Сm = Ск+Свх=43 пФ.
2. По графику АЧХ (рис. 5) определяем резонансную частоту f=18,189 МГц и добротность Qн=237,76 (хоть и слабо, но всё-таки нагруженного контура).
3. Переходим на закладку "Радиотехнические расчёты" программы NWT, вводим в ячейки таблицы ёмкость контура и его резонансную частоту и находим индуктивность катушки L=1,78 мкГн. Её индуктивное сопротивление XL= = 203,5 Oм.
Таким образом, сопротивление потерь нагруженного контура, рассчитанное по формуле Rп = XL/Qн будет 0,86 Ом. Привнесённое нагрузкой, источником сигнала, сопротивление потерь находим по формуле
Rн = Rист (Ссв/(Ск+Свх))2.
Подставив в неё известные значения параметров элементов, получаем значение Rн=0,0135 Ом. Отсюда находим сопротивление потерь собственно ненагруженного контура Rк=0,847 Ом и добротность ненагруженного контура Qк=240.
Непосредственно измеренное значение добротности, без этих уточняющих пересчётов, равно 237,76. Как видим, погрешность измерений из-за влияния низкоомного источника сигнала в нашем приборе пренебрежимо мала и будет тем меньше, чем больше ёмкость контура или выше его характеристическое сопротивление.
Автор: Сергей Беленецкий (US5MSQ), г. Киев, Украина