Этот прибор предназначен для измерения добротности резонансных цепей, пьезоэлектрических кристаллов и кварцевых резонаторов путем измерения их последовательного сопротивления на резонансной частоте. Добротность Q связана с последовательным сопротивлением двумя простыми соотношениями:
где
RS – последовательное сопротивление,
L и C – реактивные элементы,
FR – резонансная частота LC цепи.
Q-метр необычен в двух отношениях: он способен непосредственно отображать значение последовательного сопротивления, и основан на генераторе с последовательным резонансным контуром. Преимущества генератора такого типа были описаны в [1].
Предпочтение топологии с последовательным резонансным контуром здесь было отдано потому, что она не вносит собственного затухания в общий узел между L и C, а последовательное сопротивление контура можно точно компенсировать калиброванным отрицательным сопротивлением. Следовательно, отрицательное сопротивление является точным отображением потерь только резонансной цепи, и ничего другого.
Описание схемы
В схеме использована перекрестная топология [2]: транзисторы Q1 … Q4 образуют квадруплет, главной особенностью которого является то, что в нормальном состоянии схемы сопротивление между эмиттерами Q3 и Q4 равно нулю, и полностью нейтрализует паразитные параметры (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | Принципиальная схема Q-метра. |
Чтобы схему можно было использовать как генератор, в нее необходимо внести некоторые изменения: стабилитроны D1 … D4 обеспечат достаточный динамический диапазон напряжений коллектор-эмиттер, а с потенциометра P1 будет сниматься напряжение регулируемой положительной обратной связи. Не удивляйтесь, именно положительной. Таковой будет связь коллектора с базой в перевернутом мире перекрестных схем.
После этих дополнений сопротивление между движком P1 и землей с противоположным знаком транслируется в промежуток между эмиттерами Q3 и Q4. Если величина этого сопротивления будет равна сопротивлению резонансного контура, схема начнет генерировать. Ток другого плеча квадруплета протекает через R1, в результате чего появляется напряжение на диодном детекторе D6/D7 и на выходе J1. Диод D7 выполняет функцию пикового детектора, а D6 необходим для компенсации. При появлении сигнала на входе детектора увеличивается напряжение на инвертирующем входе U1b, уровень напряжения на выходе усилителя становится низким, и зажигается светодиод D8.
Квадруплет смещается двумя высокостабильными источниками тока 5 мА на транзисторах Q5 и Q6, управляемых операционным усилителем U1a. Этот ток протекает также через P1, создавая падение напряжения, равное произведению установленного сопротивления потенциометра на 5 мА.
Напряжение на P1делится на пять резисторами R15 и R16, а затем подается на милливольтметр, показания которого в мВ теперь точно соответствуют сопротивлению потенциометра в Омах. Благодаря такому приему истинные значения могут отображаться с высокой точностью, без аппроксимаций шкал и без дальнейших вычислений. Резонансная частота может быть измерена частотомером, подключенным к гнезду J1.
Переключатель ×1/×10 уменьшает кажущееся сопротивление потенциометра, подключая параллельный резистор R8, благодаря чему сопротивление полной шкалы вместо 220 Ом становится равным 22 Ом. Постоянная составляющая напряжения отсекается конденсатором C7 и не влияет на показания измерительного прибора.
До сих пор осталась необъясненной роль многих компонентов: L1 … L3, R2 … R7, C2, C4. Все они способствуют стабильности схемы и подавлению нежелательных колебаний. Без этих элементов в схеме может возникать генерация в диапазоне УВЧ. Несколько сантиметров тестовых выводов образуют открытую линию передачи с собственной резонансной частотой, которая, вследствие очень высокой добротности, всегда доминировала бы в схеме.
Дополнительные компоненты служат для ограничения частотного диапазона схемы примерно до 100 МГц, что необходимо для сохранения приемлемой точности. Это необходимый компромисс между производительностью и удобством пользования. L1 … L3 основаны на ферритовых бусинах с индуктивностью порядка 80 нГн и импедансом 50 Ом. Необходимо сказать, что для стабильной и правильной работы схемы следует строго соблюдать правила конструирования печатных плат.
Настройка
В отсутствие генерации необходимо вращать ручку потенциометра TR2 до момента, когда погаснет светодиод D8. Тогда он загорится сразу же, как только возникнут колебания.
Для регулировки TR1 используйте высококачественную цепь, настроенную на частоту от 1 до 10 МГц. Конденсатор следует выбрать полистирольный или слюдяной с обкладками металлизированными серебром, а индуктивность должна иметь низкие потери. Предварительно установите движок TR1 в положение, при котором напряжение на нем относительно шины –12 В равно 0.5 В. Выполните измерение резонансной цепи на диапазоне 22 Ом (×1) и запишите полученное значение. Последовательно с LC включите безиндуктивный прецизионный резистор с сопротивлением 10 Ом. С помощью P1 вновь настройте схему, а регулировкой TR1 добейтесь, чтобы измерительный прибор индицировал 10 Ом плюс первоначально измеренное значение. Процесс должен сойтись очень быстро, достаточно повторить процедуру один или два раза. Убедитесь, что на диапазоне ×10 показания не меняются.
Практические советы
При измерении низкочастотных цепей и некоторых типов резонаторов результаты иногда могут получаться недостоверными.
Физические размеры низкочастотных компонентов велики, и индуктивность может иметь значительную параллельную емкость. Эта емкость вместе с витками катушки могут образовывать «фантомный» контур с резонансом на существенно более высокой частоте. К тому же, из-за большого эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) низкочастотных индуктивностей, добротность «правильной» схемы будет намного ниже, чем у «фантомного» контура. Сказанное означает, что тестер первым найдет резонанс в диапазоне УВЧ. Это абсолютно нормально и не говорит о неисправности прибора.
Чтобы заставить тестер работать только на низких частотах, необходимо «убить» высокочастотные составляющие, используя в схеме более крупные ферритовые бусины. На Рисунке 2 показан вариант практической реализации прибора. Клеммы для подключения измеряемых цепей прикреплены прямо к печатной плате. Для высокочастотных измерений необходимо пользоваться непосредственно клеммами, но для обычных цепей их лучше «удлинить» более удобными зажимами «крокодил» и последовательно с каждым соединением включить по большой ферритовой шайбе (1 мкГн/600 Ом). Это эффективно ограничит рабочий диапазон тестера частотой 10 МГц.
 |
|
| Рисунок 2. | Вариант практической реализации тестера. |
Велика вероятность столкнуться с похожими проблемами и при измерении механических резонаторов, на динамические параметры которых оказывает сильное влияние шунтирующее действие физической емкости, которая может резонировать вместе с индуктивностью выводов и проводников. В не меньшей степени это относится к керамическим резонаторам, емкость которых намного больше, чем у кварцевых. Лекарство такое же: увеличьте затухание на высоких частотах с помощью ферритовых бусин или индуктивности, шунтированной резистором.
С кварцевыми резонаторами связана своя специфическая проблема. Их добротность очень высока, вследствие чего резонаторы имеют большую постоянную времени. А поскольку тестер еще больше увеличивает кажущуюся добротность за счет компенсации остаточных потерь, постоянная времени стремится к бесконечности! При правильно установленной величине сопротивления P1 время установления колебаний может достигать одной минуты. Это делает настройку почти невозможной ввиду того, что даже, если вы будете вращать P1 очень медленно, к тому времени, как загорится светодиод, правильное положение движка будет давно пройдено.
Простейшим решением в этом случае будет подключить осциллограф к точке J1, и в ручном режиме, наблюдая за амплитудой, выполнять функции «человеческой АРУ». Процессы в схеме развиваются настолько медленно, что сделать это будет совсем несложно. Генератор ведет себя как идеальный интегратор.
Другие области применения
Благодаря практически полной компенсации паразитных параметров предложенная топология генератора отличается исключительной стабильностью, что позволяет использовать схему и в других приложениях, например, в датчиках приближения. Датчики могут быть индуктивными, если в качестве чувствительного элемента используется катушка, или емкостными, если конденсатор. При этом в входом служит точка соединения L и C.
С помощью тестера можно также с большой точностью находить частоту собственного (последовательного) резонанса кварцевых резонаторов, причем, независимо от значений паразитных элементов, таких, скажем, как параллельная емкость.
