Приставка к осциллографу для измерения частотных характеристик
Приставка к осциллографу для измерения частотных характеристик
В последнее бремя в радиолюбительской практике широко стали применяться визуальные методы проведения контроля характеристик, основанные на использовании панорамных индикаторов. С их помощью удается намного оперативнее производить регулировку таких весьма сложных радиотехнических устройств, как фильтры, усилители, радиоприемники, телевизоры, антенны. Однако приобрести такой прибор промышленного изготовления не всегда возможно, да и стоит он недешево. Между тем, без особых затрат можно сделать аналогичный по функциональному назначению прибор в виде приставки к осциллографу. Такая приставка должна содержать генератор качающейся частоты (ГКЧ), генератор напряжения для развертки осциллографа и выносную детекторную головку. Схема такой приставки показана на рис.1. При разработке приставки ставилась цель создать простую, малогабаритную и удобную для повторения конструкцию. Правда, из-за своей простоты она, конечно, не лишена некоторых недостатков, но ее и следует рассматривать лишь как базовую конструкцию. По мере добавления других узлов можно будет расширить функциональные возможности и сервисные удобства прибора.
Предлагаемая приставка предназначена для настройки различных электронных устройств в диапазоне частот 48. 230 МГц, т.е. в телевизионном диапазоне MB. Однако эта конструкция позволяет изменять диапазон ее рабочих частот, и тогда она сможет работать в диапазоне ДМВ (300. 900 МГц), первой промежуточной частоты спутникового телевидения (800. 1950 МГц) или на радиолюбительских KB диапазонах. Основное достоинство такой приставки заключается в том, что весь диапазон частот перекрывается с помощью одного ГКЧ (это удобно при настройке широкополосных устройств, например антенных усилителей, селекторов каналов телевизоров и т.п.), предусмотрена возможность установки верхней и нижней частот диапазона качания независимо друг от друга двумя ручками управления. Это позволяет быстро устанавливать необходимый участок рабочего диапазона. К недостаткам же устройства следует отнести нелинейную зависимость напряжения развертки и изменение его амплитуды при изменении диапазона рабочих частот.
Приставка состоит из ГКЧ, собранного на транзисторах VT2 VT3, буферного усилителя на транзисторе VT4. Hа элементах DA1, DA2, D4, DD1 собран генератор треугольного напряжения, на микросхеме DA5 и транзисторе VT1 -стабилизатор тока для питания ГКЧ, а на микросхеме DA3 — усилитель напряжения для развертки осциллографа. Генератор ВЧ собран по схеме мультивибратора с индуктивной нагрузкой. Такое схемотехническое решение позволило обеспечить перекрытие всего диапазона (коэффициент перекрытия по частоте примерно 5) без переключении частотозадающих элементов. Достигнуто это изменением тока через транзисторы, при этом изменяются параметры их проводимости и диффузионные емкости, что позволяет варьировать частоту такого генератора в широких пределах. Так, при изменении тока от 50 до 1,5 мА частота изменяется от 48 до 230 МГц. Но для повышения стабильности частоты и возможности управления генератором ВЧ, его следует питать от стабилизатора тока.
Управляющее напряжение для стабилизатора тока формируется на конденсаторе С3, усиливается микросхемой DA5 и ее выходной сигнал управляет током, протекающим через транзистор VT1 (и транзисторы генератора ВЧ). Элементы DA1, DA2, DA4 и DD1 обеспечивают периодическую перезарядку конденсатора. Цикл перезарядки зависит от положений движков резисторов R2 и R4. Поступающее на резисторы напряжение стабилизировано параметрическим стабилизатором R1 VD1. Усилители постоянного тока DA1 и DA2 выполняют роль компараторов напряжения — в качестве образцового использовано напряжение падения на резисторе R14, а переключающие напряжения определяются положениями резисторов R2 и R4.
В исходном состоянии конденсатор С3 разряжен, поэтому на резисторе R14 и на выводах компараторов 3 DA1 и 2 DA2 будет напряжение, близкое к нулю. В этом случае на входе R триггера DD1 будет высокий логический уровень, а на выходе S — низкий, соответственно на прямом выходе триггера будет низкий уровень, а на инверсном — высокий. В таком состоянии на выходе микросхемы DA4 будет напряжение 10. 11 В и начнется зарядка конденсатора С3 через резистор R11. Увеличение напряжения на конденсаторе приводит к увеличению тока через генератор ВЧ и к уменьшению генерируемой частоты. Когда падение напряжения на резисторе R14 сравняется с напряжением на движке резистора R4, на выходе компаратора DA2 появится низкий логический уровень, но состояние триггера не изменится и процесс зарядки конденсатора продолжится.
При увеличении напряжения на резисторе R14 до уровня напряжения на движке резистора R2, на выходе компаратора DA1 появится высокий логический уровень, состояние триггера изменится на противоположное, поэтому на выходе микросхемы DA4 будет напряжение -10. -11 В и начнется разрядка конденсатора С3. При этом компаратор DA1 переключится в состояние с низким логическим уровнем на выходе, но триггер не перебросится и конденсатор С3 продолжит разрядку. При разрядке конденсатора до напряжения срабатывания компаратора DA2, на его выходе появится высокий логический уровень, триггер переключится, на выходе микросхемы DA4 будет напряжение 10. 11 В — снова начнется зарядка конденсаторе С3. Таким образом, изменяя напряжение на движках резисторов R2 и R4, можно изменять напряжения на входах компараторов, между которыми происходит перезарядка конденсатора С3, т.е. диапазон изменения тока, протекающего через генератор ВЧ, а значит, и диапазон изменения его частоты. Так как эти напряжения можно устанавливать независимо друг от друга, то обеспечивается независимая установка верхней и нижней частот диапазона качания частоты генератора.
На конденсаторе С3 формируется треугольное напряжение, а не пилообразное, как это обычно бывает в подобных устройствах. Поэтому частота ГКЧ перестраивается вверх и вниз с одинаковой скоростью. Это позволило устранить необходимое в таких случаях устройство гашения обратного хода луча, что, конечно же, упрощает конструкцию. Следует отметить, что линейность треугольного напряжения будет невысокой, но вполне удовлетворительной. Если линейность имеет важное значение, то в цепи зарядки конденсатора вместо резистора R11 следует включить стабилизатор тока, выполненный по схеме, приведенной на рис.2.
Буферный усилитель на транзисторе VT4 обеспечивает развязку между генератором ВЧ и нагрузкой, а также формирует необходимый уровень выходного напряжения: на выходе XS1 он составляет 100мВ, а на выходе ХS2 -10мВ.
Для синхронизации развертки осциллографа использовано падение напряжения на резисторе R14, оно пропорционально изменению частоты (поскольку оба являются функцией тока через транзисторы генератора), но с обратной зависимостью-большее напряжение на резисторе соответствует меньшему значению частоты. Поэтому его подают на инвертирующий усилитель (микросхема DA3) с регулируемым коэффициентом передачи. На его выходе формируется напряжение для синхронизации развертки осциллографа, имеющее прямую зависимость между напряжением и частотой. Амплитуда этого напряжения устанавливается резистором R10.
Все радиоэлементы приставки размещены на печатной плате. Она изготовлена из двустороннего фольгированного текстолита. Свободная от элементов сторона оставлена металлизированной и соединена с другой стороной фольгой по периметру платы. Эта сторона одновременно является и передней панелью устройства, а детали закрываются корпусом, лучше металлическим.
В устройстве можно применить элементы следующих типов: ОУ-К140УД6 или К140УД7 (с буквенными индексами А и Б), цифровая микросхема — К561ТМ2, 564ТВ1 или другие микросхемы серий К561, 564, содержащих RS-триггер. Кроме того, триггер можно собрать и на основе логических элементов микросхем К561ЛА7, К561ЛЕ5 и др. Транзистор VT1 — КТ603 (с буквенными индексами А — Г); КТ608 (А, Б) КТ630 (А. Б), КТ815 (А — Г), КТ817 (А — Г); VT2 и VT3 -КТ3123А, КТ3123В, а при уменьшении диапазона перестройки и КТ363Б, при использовании транзисторов КТ3101А, КТ3124А, КТ3132А схему генератора надо изменить в соответствии со схемой на рис.3; VT4 — КТ368 (А,Б), КТ399А, К73101А, КТ3124А или им аналогичные. Стабилитрон — КС147А, КС156А. Резисторы R2, R4, R10 — СП, СПО, СП4-1, остальные — МЛТ. Конденсаторы С1,С3 — К50-6, К53-1, К52-1, С7-КД, КТ, остальные — КМ, КЛС, КД. Гнезда XS1, XS2 любые высокочастотные, например телевизионные. Катушки L1, L2 бескаркасные, намотаны на оправке диаметром 2 мм и содержат по 5 витков провода диаметром 0,5 мм, длина намотки 15 мм.
Схема выносной детекторной головки приведена на рис.4. В ней можно применить высокочастотные детекторные диоды — КД419А, ГД507А или аналогичные им. Все элементы размещены в корпусе от фломастера и соединения между ними должны иметь минимальную длину. С осциллографом она соединяется экранированным проводом.
Налаживание устройства начинают с генератора ВЧ. Для этого временно нижний по схеме вывод резистора R11 отсоединяют от микросхемы DA4 и подключают его к движку резистора R2. К гнезду XS1 подключают частотомер, затем, вращая резистор R2, измеряют диапазон изменения частоты генератора — коэффициент его перекрытия по частоте должен быть не менее 5. Если это так, то устанавливают границы диапазона за счет одновременного изменения числа витков катушек или сжимая и разжимая витки. Если коэффициент перекрытия оказался меньше, то можно попытаться увеличить его за счет уменьшения номинала резисторов R3 и R5 на 20. 30%. После этого все соединения восстанавливают и убеждаются в работоспособности генератора треугольного напряжения. Для этого контролируют напряжение на резисторе R14 при вращении резисторов R2 и R4. Затем подключают приставку к осциллографу и резистором R10 устанавливают развертку по горизонтали на весь экран. После этого к гнезду XS1 подключают нагрузку (резистор 75 или 50 Ом) и детекторную головку, а ее выход-на «Вход Y» осциллографа. При этом на экране должна появиться кривая, отражающая частотную зависимость выходного напряжения. Подбором номиналов элементов С7, С10, R13 и мест подключения последних к L2 добиваются напряжения около 100 мВ при ее неравномерности не более 30%. В конструкции автора конденсатор С7 был подключен к первому, а резистор R13 — к третьему витку катушки L2, считая от нижнего по схеме вывода.
В заключение проводят градуировку шкал резисторов R2 и R4. Для этого на вход подключенной к разъему XS1 детекторной головки через резистор сопротивлением 200. 300 Ом подают сигнал с эталонного генератора. С частотой, например, 100 МГц и изменяют его амплитуду до получения аккуратной метки на кривой. После этого ручкой «Fн» совмещают начало развертки с этой меткой и делают отметку на шкале. Затем ручкой «Fв» совмещают конец развертки с этой меткой и также делают отметку уже на шкале этого резистора. Аналогично градуируют шкалу для других частот.
Для питания приставки использован двуполярный стабилизированный источник питания, обеспечивающий ток по плюсовой шине до 100 мА и по минусовой — до 10 мА.
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
Источник
Акустические измерения. Измеряем АЧХ подручными средствами
Я купил bluetooth-наушники Motorola Pulse Escape. Звучание в целом понравилось, но остался непонятен один момент. Согласно инструкции, в них имеется переключение эквалайзера. Предположительно, наушники имеют несколько вшитых настроек, которые переключаются по кругу. К сожалению, я не смог определить на слух, какие там настройки и сколько их, и решил выяснить это при помощи измерений.
Итак, мы хотим измерить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) наушников — это график, который показывает, какие частоты воспроизводятся громче, а какие — тише. Оказывается, такие измерения можно произвести «на коленке», без специальной аппаратуры.
Нам понадобится компьютер с Windows (я использовал ноутбук), микрофон, а также источник звука — какой-нибудь плеер с bluetooth (я взял смартфон). Ну и сами наушники, конечно.
(Под катом — много картинок).
Подготовка
Вот такой микрофон у меня нашёлся среди старых гаджетов. Микрофон копеечный, для разговоров, не предназначенный ни для записи музыки, ни тем более не для измерений.
Конечно, такой микрофон имеет свою АЧХ (и, забегая вперёд, диаграмму направленности), поэтому сильно исказит результаты измерений, но для поставленной задачи подойдёт, потому что нас интересуют не столько абсолютные характеристики наушников, сколько то, как они изменяются при переключении эквалайзера.
У ноутбука имелся всего один комбинированный аудиоразъём. Подключаем туда наш микрофон:
Windows спрашивает, что за прибор мы подключили. Отвечаем, что это микрофон:
Windows — немецкий, извините. Я ведь обещал использовать подручные материалы.
Тем самым единственный аудиоразъём оказывается занятым, поэтому и нужен дополнительный источник звука. Скачиваем на смартфон специальный тестовый аудиосигнал — так называемый розовый шум. Розовый шум — это звук, содержащий весь спектр частот, причём равной мощности по всему диапазону. (Не путайте его с белым шумом! У белого шума другое распределение мощности, поэтому его нельзя использовать для измерений, это грозит повреждением динамиков).
Настраиваем уровень чувствительности микрофона. Нажимаем правую кнопку мыши на значке громкоговорителя в Windows и выбираем регулировку устройств записи:
Находим наш микрофон (у меня он получил название Jack Mic):
Выбираем его в качестве устройства записи (птичка в зелёном кружочке). Выставляем ему уровень чувствительности поближе к максимуму:
Microphone Boost (если есть) убираем! Это автоматическая подстройка чувствительности. Для голоса — хорошо, а при измерениях будет только мешать.
Устанавливаем на ноутбук измерительную программу. Я люблю TrueRTA за возможность видеть сразу много графиков на одном экране. (RTA — по-английски АЧХ). В бесплатной демо-версии программа измеряет АЧХ с шагом в октаву (то есть соседние точки измерения отличаются по частоте в 2 раза). Это, конечно, очень грубо, но для наших целей сойдёт.
При помощи скотча закрепляем микрофон около края стола, так чтобы его можно было накрыть наушником:
Важно зафиксировать микрофон, чтобы не сдвинулся в процессе измерений. Подсоединяем наушники проводом к смартфону и кладём одним наушником поверх микрофона, так чтобы плотно закрыть его сверху — примерно так наушник охватывает человеческое ухо:
Второй наушник свободно висит под столом, из него мы будем слышать включённый тестовый сигнал. Убеждаемся, что наушники лежат стабильно, их тоже нельзя сдвигать в процессе измерений. Можно начинать.
Измерения
Запускаем программу TrueRTA и видим:
Основная часть окна — поле для графиков. Слева от него находятся кнопки генератора сигналов, он нам не понадобится, потому что у нас внешний источник сигнала, смартфон. Справа — настройки графиков и измерений. Сверху — ещё кое-какие настройки и управление. Ставим белый цвет поля, чтобы лучше видеть графики (меню View → Background Color → White).
Выставляем границу измерений 20 Hz и количество измерений, скажем, 100. Программа будет автоматически делать указанное количество измерений подряд и усреднять результат, для шумового сигнала это необходимо. Выключаем отображение столбчатых диаграмм, пусть вместо них рисуются графики (кнопка сверху с изображением столбиков, отмечена на следующем скриншоте).
Сделав настройки, производим первое измерение — это будет измерение тишины. Закрываем окна и двери, просим детей помолчать и нажимаем Go:
Если всё сделано правильно, в поле начнёт вырисовываться график. Подождём, пока он стабилизируется (перестанет «плясать» туда-сюда) и нажмём Stop:
Видим, что «громкость тишины» (фоновых шумов) не превышает -40dBu, и выставляем (регулятор dB Bottom в правой части окна) нижнюю границу отображения в -40dBu, чтобы убрать фоновый шум с экрана и покрупнее видеть график интересующего нас сигнала.
Теперь будем измерять настоящий тестовый сигнал. Включаем плеер на смартфоне, начав с малой громкости.
Запускаем измерение в TrueRTA кнопкой Go и постепенно прибавляем громкость на смартфоне. Из свободного наушника начинает доноситься шипящий шум, а на экране возникает график. Добавляем громкость, пока график не достигнет по высоте примерно -10. 0dBu:
Дождавшись стабилизации графика, останавливаем измерение кнопкой Stop в программе. Плеер тоже пока останавливаем. Итак, что мы видим на графике? Неплохие басы (кроме самых глубоких), некоторый спад к средним частотам и резкий спад к верхним частотам. Напоминаю, что это не настоящая АЧХ наушников, свой вклад вносит микрофон.
Этот график мы возьмем в качестве эталонного. Наушники получали сигнал по проводу, в этом режиме они работают как пассивные динамики без всяких эквалайзеров, их кнопки не действуют. Занесём график в память номер 1 (через меню View → Save to Memory → Save to Memory 1 или нажав Alt+1). В ячейках памяти можно сохранять графики, а кнопками Mem1..Mem20 в верхней части окна включать или отключать показ этих графиков на экране.
Теперь отсоединяем провод (как от наушников, так и от смартфона) и подключаем наушники к смартфону по bluetooth, стараясь не сдвинуть их на столе.
Снова включаем плеер, запускаем измерение кнопкой Go и, регулируя громкость на смартфоне, приводим новый график по уровню к эталонному. Эталонный график изображён зелёным, а новый — синим:
Останавливаем измерение (плеер можно не выключать, если не раздражает шипение из свободного наушника) и радуемся, что по bluetooth наушники выдают такую же АЧХ, как по проводу. Заносим график в память номер 2 (Alt+2), чтоб не ушёл с экрана.
Теперь переключаем эквалайзер кнопками наушников. Наушники рапортуют бодрым женским голосом «EQ changed». Включаем измерение и, дождавшись стабилизации графика, видим:
Хм. Кое-где есть отличия в 1 децибел, но это как-то несерьёзно. Скорее похоже на погрешности измерений. Заносим и этот график в память, переключаем эквалайзер ещё раз и после измерения видим ещё один график (если очень хорошо присмотреться):
Ну, вы уже поняли. Сколько я ни переключал эквалайзер на наушниках, никаких изменений это не давало!
На этом, в принципе, можно заканчивать работу и делать вывод: у этих наушников работающего эквалайзера нет. (Теперь понятно, почему его не получалось услышать).
Однако тот факт, что мы не увидели никаких изменений в результатах, огорчает и даже вызывает сомнения в правильности методики. Может, мы измеряли что-то не то?
Бонусные измерения
Чтобы убедиться, что мы измеряли АЧХ, а не погоду на Луне, давайте покрутим эквалайзер в другом месте. У нас же есть плеер в смартфоне! Воспользуемся его эквалайзером:
И вот результат измерений:
Вот это другое дело! Новый график заметно отличается от старых. Занесём его тоже в память (у меня получился номер памяти 6) и найдём разность между новым графиком и эталонным, TrueRTA это умеет (меню Utilities → Difference):
Вычитаем из графика номер 6 график номер 1 и помещаем результат в память номер 12. Убираем остальные графики с экрана кнопочками Mem1, Mem2 и т. д., оставляем только Mem12:
Не правда ли, эта кривая приблизительно напоминает то, что обещал эквалайзер?
Выключаем эквалайзер, с ним всё понятно. А ещё я говорил вначале, что нельзя двигать наушники и микрофон между измерениями. А что будет, если сдвинуть на сантиметр?
Смотрите-ка, от сдвига график слегка изменился: басов поубавилось, верхов добавилось. Это говорит, скорее всего, о том, что у микрофона различная чувствительность к звукам, приходящим с разных направлений (это называется диаграммой направленности).
Проведём ещё один опыт: измерим звучание, отказавшись от закрытого объёма. Вот так:
Источник