Предлагаемый прибор предназначен для наблюдения и измерения в режиме реального времени на экране компьютера амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) различных четырёхполюсников (фильтров, усилителей, ВЧ трансформаторов, аттенюаторов). Наблюдение ведётся в логарифмическом или линейном масштабе. Кроме того, прибор можно использовать как генератор сигналов.
     Комплекс состоит из двух частей (рис. 1): собственно прибора (аппаратная часть) и программы ’’СКАТ”, устанавливаемой на персональный компьютер. Обмен информацией осуществляется через USB-порт компьютера, от которого и питается прибор.
     В состав прибора входят три отдельных узла: микроконтроллерный генераторный блок, усилитель и детектор. Блочная конструкция обусловлена необходимостью экранировки детектора и усилителя. Микроконтроллерный генераторный блок обеспечивает информационную связь прибора с компьютером и формирует сигнал требуемой частоты. Этот блок может работать в режиме обычного генератора или генератора качающейся частоты (ГКЧ) для исследования АЧХ проверяемого устройства. Усилитель фильтрует сигнал генератора и усиливает его. С выхода усилителя сигнал поступает на вход исследуемого устройства. Вход блока детекторов, состоящего из логарифмического и линейного детекторов, подключают к выходу исследуемого устройства. Продетектированный сигнал поступает на вход встроенного АЦП микроконтроллера, где после преобразования он передаётся в компьютер и отображается на экране его монитора.
Основные технические характеристики
     Максимальный диапазон рабочих частот, МГц ........0,05...50
     Диапазон частот, ограниченный чистотой спектра выходного сигнала, МГц.....0,05...33
     Выходное напряжение на нагрузке 50 Ом, В.................0,6
     Диапазон измеряемого уровня сигнала в логарифмическом масштабе, дБ .......................0...-83
     Диапазон измеряемого уровня сигнала в линейном масштабе, дБ..........0...-15
     Время анализа АЧХ (задаётся пользователем, но не более), с........................3,2
     Неравномерность собственной АЧХ в диапазоне частот 0,05...50 МГц, дБ, не более.......................2
     Неравномерность собственной АЧХ в диапазоне частот 0,1...40 МГц, дБ, не более .....................0,5
     Число точек анализа по оси X..... ....420
     Число точек анализа по оси Y..... ....256
     Шаг перестройки в режиме ГКЧ.................(Fмакс-Fмин)/420
     Минимальный шаг перестройки, Гц..................... ....1
     Погрешность установки частоты, Гц, не более..........±10
     Схема микроконтроллерного генераторного блока показана на рис. 2. Управляемый генератор собран на микросхеме прямого цифрового синтезатора (DDS) DD3, а тактовый генератор на частоту 100 МГц — на интегральном кварцевом генераторе G1. Выходное напряжение синтезатора составляет около 200 мВ. Микроконтроллер DD1 управляет синтезатором DD3, при этом значение частоты загружается в синтезатор последовательным кодом. Тактовая частота микроконтроллера задана кварцевым резонатором ZQ1.
     Для согласования уровней напряжений и выходного сопротивления детекторов со встроенным в микроконтроллер АЦП на ОУ DA1.1 и DA1.2 собраны буферные усилители. При этом ОУ DA1.1 подключают к выходу логарифмического детектора, a DA1.2 — к выходу линейного. Выбор сигнала осуществляется программно. Поскольку выходное напряжение линейного детектора превышает напряжение логарифмического, на входе ОУ DA1.2 установлен регулятор уровня сигнала на под-строечном резисторе R2. Конденсаторы С1, С2 подавляют помехи и высокочастотные составляющие в выходных сигналах детекторов. На стабилитроне VD1, транзисторе VT1 и элементах R4, R7, С4 собран регулируемый источник опорного напряжения для АЦП. Светодиод HL1 служит для индикации подключения прибора к компьютеру.
     Связь с компьютером по шине USB обеспечивает микросхема преобразователя интерфейса DD2, она работает в режиме параллельного ввода—вывода восьмиразрядных кодов. Подробности обмена информацией по шине USB здесь не рассматриваются. С ними можно ознакомиться в документации на эту микросхему на сайте производителя (http://www.ftdichip.com).
     Схема усилителя показана на рис. 3. На входе установлен ФНЧ L1L2C2—С4 с частотой среза 50 МГц, подавляющий сигналы с тактовой и комбинационными частотами синтезатора DDS. Усилитель двухкаскадный и собран на сдвоенном ОУ DA2. Частота единичного усиления этого операционного усилителя — 300 МГц, входное сопротивление — 100 Ом, выходное — около 50 Ом. Применено однополярное питание напряжением 9 В по схеме с искусственной средней точкой. Это напряжение формирует DC/DC преобразователь напряжения DA1. Элементы R3, С7, С9 установлены в цепь отрицательной обратной связи усилителя на ОУ DA2.1 и предназначены для коррекции его АЧХ. Подборкой резистора R3 можно увеличить усиление в области низких частот, а конденсатора С7 — высоких. Во втором каскаде усиления на ОУ DA2.2 элементов коррекции АЧХ нет. Применение двух каскадов усиления не случайно. Как известно, чем больше коэффициент усиления ОУ, тем уже его полоса пропускания. В данном случае коэффициент усиления каждого каскада небольшой. Коэффициенты усиления двух каскадов перемножаются, а полоса пропускания остаётся достаточно широкой при малой неравномерности АЧХ. С выхода усилителя (гнездо XW1) сигнал подают на вход исследуемого устройства.
     Выход исследуемого устройства подключают ко входу блока детекторов, схема которого показана на рис. 4. Его входное сопротивление — около 50 Ом. Применены специализированные микросхемы — логарифмический детектор собран на микросхеме DA2, линейный — на DA1. Схема была позаимствована с небольшими изменениями от прибора NWT, описание которого размещено на сайте немецких радиолюбителей (http://www.g-qrp-dl.de/Projekte/NWT_Text/nwt_text.html).
     Все узлы прибора размещены в металлическом корпусе размерами 110x105x25 мм с крышкой. В корпусе (рис. 5) установлена перегородка из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита. В левой части расположены микроконтроллерный блок и плата детекторов (маркировка БДТ), в правой части — усилитель. Плату детекторов следует тщательно экранировать, поэтому она была помещена в коробку размерами 48x30x15 мм, спаянную из такого же стеклотекстолита. При её изготовлении необходимо пропаивать обе стороны фольги и надёжно соединять их с металлическим дном корпуса прибора. Можно применить и металлическую коробку подходящих размеров. В стенках сделано несколько отверстий, через которые пропускают провода, по которым подают сигналы и питание.
     ФНЧ усилителя (маркировка ФН-50 на рис. 5) собран на отдельной плате, которая установлена в корпус, изготовленный из фольгированного стеклотекстолита, и смонтирована на плате усилителя. Питание на усилитель подают через проходной конденсатор ёмкостью не менее 4700 пФ (на схеме не показан), который устанавливают в отверстие в перегородке. Вход усилителя соединяют с выходом генератора коаксиальным кабелем.
     На передней панели прибора (рис. 6) размещены коаксиальные разъёмы (гнезда СР-50), индикаторный светодиод, а также гнездо +5, на которое поступает питающее напряжение +5 В, оно предназначено для питания различных приставок к прибору. Это напряжение подают от разъёма USB через само-восстанавливающийся предохранитель, который смонтирован на стойке. На задней панели прибора сделано прямоугольное отверстие для этого разъёма.
     Элементы микроконтроллерного блока и усилителя смонтированы на печатных платах из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита. Большая часть фольги на платах используется как общий провод ("земля"). Применены элементы с выводами, монтируемыми в отверстия, и для поверхностного монтажа. Если выводы элементов не соединены с общим проводом, соответствующие отверстия зенкуют со стороны "земли".
     Чертёж платы микроконтроллерного блока показан на рис. 7, а усилителя — на рис. 8. Плата ФНЧ выполнена аналогично, её чертёж показан на рис. 9. Контакты XT 1 — ХТ4 — из лужёного медного провода. Элементы блока детекторов установлены на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита, её чертёж показан на рис. 10. Следует отметить, что на рис. 5 показан первоначальный вариант печатной платы микроконтроллерного блока поэтому она имеет отличия от приведённого на рис. 7 чертежа.
     Применены резисторы и конденсаторы для поверхностного монтажа типоразмера 1206. Остальные постоянные резисторы — МЛТ, С2-23, подстроенные — СПЗ-19. Все оксидные конденсаторы с выводами — импортные или К50-35, остальные — К10-17, КМ. Преобразователь напряжения MAU207 заменим на MAU203. В этом случае с общим проводом у него следует соединить вывод 5. Кварцевый генератор — для поверхностного монтажа КХО-97. Кварцевый резонатор — любой малогабаритный на частоту 20 МГц. Светодиод HL1 может быть любого типа зелёного цвета свечения в пластмассовом корпусе диаметром З...5мм. Транзистор КТ312Б заменим на транзисторы серий КТ312, КТ3102 с любыми буквенными индексами. Катушки ФНЧ блока усилителя бескаркасные, намотаны проводом ПЭВ-2 диаметром 0,5 мм на оправке диаметром 5 мм и содержат по 8 витков.
     Перед первым подключением прибора к USB-порту компьютера следует убедиться в отсутствии замыкания между линией питания +5 В и общим проводом (корпусом прибора). После подключения к компьютеру он обнаружит новое устройство и предложит установить для него драйвер, который устанавливают стандартными средствами Windows. При установке укажите путь к папке драйвера FTDI, который входит в состав инсталляционного пакета программы "СКАТ" (самую свежую версию драйвера можно скачать с сайта производителя: (http://www.ftdichip.com/Drivers/D2XX.htm). После установки драйвера устанавливают саму программу "СКАТ".
     Для налаживания прибора запускают программу "СКАТ", устанавливают режим генератора и выходную частоту в интервале 15...25 МГц. Коаксиальным кабелем соединяют вход с выходом прибора, и ВЧ вольтметром измеряют напряжение на выходе усилителя — оно должно быть не менее 0,6 В. Если это не так, подборкой резистора R10 на плате усилителя устанавливают требуемое значение. Затем желательно проконтролировать осциллографом форму сигнала в диапазоне частот 0,05...30 МГц — синусоидальный сигнал не должен иметь видимых искажений.
     Цифровым вольтметром измеряют постоянное напряжение на выходе ОУ DA1.1 (вывод 1) в микроконтроллерном блоке — это напряжение будет соответствовать уровню 0 dB для логарифмической шкалы прибора. Подстроечным резистором R2 устанавливают на выходе ОУ DA1.2 (вывод 7) напряжение на несколько милливольт меньше — это будет уровень 0 dB для линейной шкалы. Подстроечным резистором R7 устанавливают на эмиттере транзистора VT1 напряжение на 50... 100 мВ больше напряжения на выходе ОУ DA1.1. Это будет образцовое напряжение для встроенного в микроконтроллер АЦП.
     Далее открывают программу "СКАТ", устанавливают режим ГКЧ с минимальной частотой 50 кГц, максимальной 50 МГц и логарифмическим детектором. На экране монитора будет видна собственная АЧХ прибора (рис. 11). Небольшой завал выше 40 МГц обусловлен особенностями работы синтезатора AD9850 при работе на частотах выше 33 МГц. Если неравномерность в полосе частот 0,01...40 МГц превышает 0,5 дБ, в блоке усилителя следует подобрать резистор R3 и конденсатор С7. Резистор R3 влияет на АЧХ в области низких частот, а конденсатор С7 — в области высоких.
     Перед началом использования прибор следует откалибровать по частоте и уровню сигнала. Калибровка по частоте может выполняться один раз перед первым применением. Для этого потребуется частотомер, и чем выше будет его точность, тем точнее будет и калибровка. Прибор подключают к компьютеру, дают ему прогреться несколько минут и запускают программу "СКАТ". Если связь с прибором установлена, в нижней строке слева появится сообщение ОК. Нажав на экранную кнопку ГЕН на панели инструментов окна программы, включают режим генератора (рис. 12). На панели инструментов нажмите на кнопку * — это запустит мастер калибровки. В открывшемся окне мастера установите максимальную рабочую частоту и нажмите на кнопку ДАЛЕЕ. Измерьте частотомером выходную частоту прибора, и в окне мастера РЕАЛЬНАЯ ЧАСТОТА введите измеренную частоту с точностью до герца и нажмите на кнопку ДАЛЕЕ. На этом калибровка прибора по частоте закончена.
     Для калибровки уровней сигнала следует применить готовые высокочастотные 50-омные коаксиальные аттенюаторы на -40 дБ и -12 дБ или изготовить их самостоятельно. Схемы этих аттенюаторов показаны на рис. 13,а и рис. 13.6 соответственно Следует уделить особое внимание их конструкции, ведь от этого будет зависеть точность измерений. У автора для аттенюаторов применены металлические корпусы от внешних делителей осциллографа (см. рис. 6). Внутри корпуса аттенюатора -40 дБ, в его середине установлена металлическая перегородка, разделяющая вход и выход аттенюатора. В каждом из отсеков размещено по резистору R1 и R3, а резистор R2 пропущен сквозь небольшое отверстие в перегородке. Применены резисторы С2-10 или МЛТ, их следует предварительно подобрать с погрешностью не более ±1 %.
     Калибровка уровней проводится раздельно для логарифмической и линейной шкал, её можно проводить для различных диапазонов частот. Если неравномерность собственной АЧХ прибора не превышает 1 ...2 дБ, калибровку можно произвести только один раз во всём диапазоне. Для этого прибор подключают к компьютеру и запускают программу. Если связь с прибором установлена, в нижней строке состояния будет сообщение ОК. Включают режим ГКЧ и устанавливают нижнюю и верхнюю границы диапазона рабочих частот. Нажимают на кнопку ► , и нажатием на кнопку ль запускают мастер калибровки. Соединяют вход и выход прибора коаксиальным кабелем с волновым со противлением 50 Ом и нажимают на кнопку ДАЛЕЕ. Затем включают между входом и выходом прибора аттенюатор -40 дБ для логарифмического детектора или -12dB для линейного. В окне мастера калибровки нажимают на кнопку ДАЛЕЕ — калибровка завершена.
     Отсоединив кабель от входа прибора, убеждаются, что линия сигнала в логарифмическом масштабе опустилась ниже -80 дБ (рис. 14). Если она выше, причина, скорее всего, в недостаточной экранировке блока детектора. Линия графика должна быть чистой без заметных всплесков (в виде коротких остроконечных импульсов). Если это не так, потребуется установить дроссель индуктивностью 100...200 мкГн (рассчитанный на ток не менее 300 мА) в линию питания преобразователя напряжения блока усилителя.
     Для измерения АЧХ четырёхполюсника на панели инструментов окна программы выбирают режим ГКЧ. Подключают вход измеряемого устройства к выходному гнезду прибора, а выход — к входному. Для согласования сопротивлений следует использовать соответствующие согласующие устройства, например, на резисторах (в этом случае надо учитывать потери, вносимые цепями согласования). Задают минимальную и максимальную частоты диапазона анализа, при необходимости включают режим задержки (для исследования узкополосных устройств) и (или) усреднение. После нажатия на кнопку ► АЧХ исследуемого устройства будет отображена в виде графика в окне программы. Для измерения параметров АЧХ включают режим визира с помощью кнопки « на панели инструментов. Перемещая визирную линию с помощью мыши или клавиш клавиатуры Т, 1, измеряют относительный уровень сигнала на определённой частоте и различные параметры АЧХ: верхнюю, нижнюю границы полосы пропускания, коэффициент передачи на центральной частоте и т. д. Для примера на рис. 15 показана АЧХ кварцевого фильтра MQF10.7-1800/1 на частоту 10,7 МГц. Для согласования были применены резисторы, включённые последовательно с входом и выходом фильтра.
     Следует иметь в виду, что точность результатов измерения зависит ещё и от шага перестройки ГКЧ и типа шкалы, линейной или логарифмической. Чем шаг меньше, тем точность выше, поэтому точность для линейной выше, чем для логарифмической. Например, для измерения параметров широкополосных фильтров с небольшим коэффициентом прямоугольности и с затуханием до -15 дБ за полосой пропускания рекомендуется использовать линейную шкалу. Для использования прибора в качестве генератора сигналов нажимают на кнопку ГЕН (см. рис. 12) на панели инструментов окна программы и в поле Частота (МГц, кГц, Гц), расположенном в правой части окна, устанавливают требуемую частоту.
     В процессе работы на вход прибора не следует подавать напряжение выше того, при котором была произведена калибровка (т. е. уровень входного напряжения не должен превышать уровень напряжения на выходе прибора), поскольку это приведёт к значительным погрешностям при измерении АЧХ, а напряжение амплитудой более 5 В может вывести микросхемы детекторов из строя. Поэтому при проверке усилителей на вход прибора следует установить аттенюатор и в расчётах учитывать его коэффициент затухания. Для работы с прибором будет полезен ступенчатый аттенюатор с шагом 1 дБ, имеющий 50-омные вход и выход. Можно применить аттенюатор от измерительного прибора или изготовить его самостоятельно. Подобная конструкция была описана в журнале "Радио" за 1984 г. в № 5 на с. 21 в статье "Ступенчатый аттенюатор" (автор В. Скрыпник).
     При подключении специальной приставки, которая в настоящее время разрабатывается, устройство можно будет использовать и в режиме анализатора спектра во всём диапазоне рабочих частот.
Материал взят из: Журнала Радио 2011 №9

В архиве прошивка и программа

skatprog.rar [2,63 Mb] (cкачиваний: 515)