Радиолюбительские измерения
Гетеродинный индикатор резонанса
Гетеродинный индикатор резонанса генерирует колебания частотой до 100 МГц и совмещает в себе функции автогенератора и индикатора одновременно..
Для генерации колебаний разных диапазонов используют сменные катушки L, включаемые через гнезда Гн1 и Гн2 в контур генератора.
Рис.1. Принципиальная схема ГИРа
Генератор собран по схеме емкостной трехточки. В его
контур, кроме катушки L входит блок КПЕ С1С2, секции которого включены между
анодом и управляющей сеткой лампы. Чтобы устранить влияние руки оператора
при настройке, роторы конденсаторов соединяют с корпусом.
Для измерения резонансной частоты неизвестного контура сменную катушку
генератора приближают к катушке этого контура и подбирают частоту генератора
блоком С1С2.
Момент совпадения частоты генератора с резонансной частотой неизвестного контура фиксируют по индикатору ГИР.
Это явление характеризуется "отсасыванием" исследуемым
контуром высокочастотной энергии из контура генератора. А так как контур ГИР
включен в сеточную цепь лампы, это явление сопровождается уменьшением угла
сектора на экране индикатора. Резонансную частоту исследуемого контура
определяют по шкале блока С1С2, у которого угол поворота ротора прямо
пропорционален изменению емкости его секций. Шкалу ГИР градуируют при помощи
волномера промышленного изготовления.
Сменные катушки генератора наматывают проводом ПЭЛ 0,4 на каркасах диаметром
12 мм. Числа витков катушек приведены в таблице.
С помощью ГИР можно также измерять малые емкости и индуктивности.
Для измерения емкости составляют контур из катушки и конденсатора известной емкости Ск; определяют резонансную частоту этого контура f1. Затем параллельно контуру присоединяют конденсатор, емкость которого нужно измерить, и снова определяют резонансную частоту f2 получившегося контура. Измеряемую емкость конденсатора, пФ, определяют по формуле:
Если известна индуктивность контурной катушки, то емкость конденсатора, включенного в контур, пФ, определяют по формуле:
где, fрез - в мГц; Lо - в мГ.
Для определения индуктивности катушки составляют контур из конденсатора
известной емкости С0 и катушки, индуктивность которой нужно измерить. Затем
изложенным выше способом определяют собственную частоту этого контура.
Измеряемую индуктивность, мГ, определяют по формуле.
Для налаживания и контроля коротковолновой и ультракоротковолновой аппаратуры широко применяются гетеродинные индикаторы резонанса (ГИР), которые представляют собой автогенераторы колебаний высокой частоты со сменными катушками индуктивности резонансного контура, устанавливаемыми на внешней поверхности корпуса. Такие приборы снабжают стрелочными индикаторами настройки, минимум показаний которых соответствует точному совпадению частот ГИР и измеряемого резонансного контура, находящегося рядом со сменным контуром прибора. Далее по шкале индикатора ГИР нетрудно определить точное значение резонансной частоты измеряемого контура.
На рис. 85 приведена принципиальная схема простого ГИР, комплект сменных катушек которого позволяет работать в четырех диапазонах KB и УКВ с полосами частот 4—8 МГц, 8—16 МГц, 16—32 МГц, 40—80 МГц. Шкалу частот ГИР калибруют в точках 4Д 5,0, 6,0, 7,0 и 8,0 МГц. На всех остальных диапазонах используется та же шкала, но цена делений увеличивается соответственно в 2, 4 и 10 раз. Описание прибора было опубликовано в одном из американских радиожурналов.
Автогенератор ГИР собран по трехточечной схеме с емкостной обратной связью на полевом транзисторе Т1. Его частота плавно перестраивается по диапазону при помощи конденсатора переменной емкости C1 с воздушным диэлектриком. Сменные контурные катушки. L1 наматывают на отдельных цилиндрических каркасах из полистирола с внешним диаметром 12 мм проводом ПЭВ-1 0,4. Для удобства смены катушек их каркасы снабжены двумя штыревыми контактами, которые вставляются в гнезда на корпусе прибора. Моточные данные катушек L1 для различных диапазонов приведены в табл. 10. Для повышения устойчивости генерации в широком диапазоне частот введен дополнительный переключатель В1, с помощью которого коммутируются конденсаторы С5 и С6, корректирующие работу прибора на KB или УКВ.
Индикатором настройки прибора является микроамперметр на ток 50 мкА, который включен в цепь затвора транзистора параллельно резистору R2. При наличии генерации прибор должен показывать ток 30—40 мкА. Если вблизи катушки L1 (на расстоянии до 10 см) будет находиться контур приемника или передатчика, настроенного на частоту ГИР, то показания микроамперметра должны уменьшиться.
Универсальность этого ГИР заключается в том, что он может работать также в качестве высокостабильного генератора, если катушку L1 заменить кварцем. Каких-либо дополнительных переделок при этом не требуется.
Для изготовления универсального ГИР может быть использован отечественный полевой транзистор типа КП302 или КП303 с любым буквенным индексом. Корпус прибора с внешними размерами 40Х50Х100 мм рекомендуется делать из алюминия. Шкалу изготовляют в виде круга диаметром 50 мм и наклеивают на картонный диск толщиной 3 мм.
Васильев В. А. Зарубежные радиолюбительские конструкции. М., «энергия», 1977.
При конструировании и настройке радиоаппаратуры, весьма полезен такой остроумный прибор как гетеродинный индикатор резонанса. Прибор, в большинстве случаев, довольно прост и может быть изготовлен даже начинающим радиолюбителем.
Применяется, в основном для измерения частоты резонанса в колебательных контурах радиоаппаратуры. С помощью ГИР, можно также измерять емкости конденсаторов и индуктивности катушек, измерять резонанс антенны.
Гетеродинный – значит генерирующий колебания высокой частоты. У генератора ВЧ нашего прибора, катушка колебательного контура вынесена наружу и выполнена на манер этакого щупа. Принцип измерений основан на том факте, что в случае настройки на одну частоту двух близко расположенных контуров, они входят в резонанс и наблюдается "отсос" энергии колебаний из одного контура в другой. Колебательный контур ГИРа перестраиваемый - имеет переменный конденсатор с проградуированной шкалой.
Чтобы определить частоту резонанса исследуемого контура, катушку ГИРа (или катушку связи) подносят к контуру и изменяя частоту прибора, добиваются минимума показаний индикатора. Настройка довольно «острая». Этакий провал стрелки индикатора. Искомую частоту считывают со шкалы.
Прибор был изготовлен по простейшей схеме, опубликованной в журнале «Радио» №3 1975г. Автор В. Борисов.
Собрать схему ничего не стоит, но для того чтобы прибором было удобно пользоваться, придется повозиться.
Нам потребуется.
Инструменты.
Минимальный набор слесарного инструмента преимущественно для мелких работ, обязательно ножницы по металлу, несколько разных надфилей. Инструмент для разметки. Хорошо бы располагать ювелирным лобзиком или гравёром - для выпиливания окон в корпусе, но можно и обойтись. Лобзик «пионерский», по дереву, плюс подставку «ласточкин хвост» для выпиливания. Понадобится что-то сверлильное – электрическая дрель или сверлильный станок, сойдет и шуруповерт. В отдельных случаях, могут быть полезны вытяжные заклепки с соответствующим инструментом для их установки.
Паяльник небольшой мощности и все что к нему полагается, в том числе набор инструментов для электромонтажа. Паяльник мощностью около 75…100Вт, для конструкционной пайки. Кое-где удобен клеющий пистолет. Немного терпения и аккуратности.
Материалы.
Кроме радиоэлементов, понадобиться немного кровельной оцинкованной стали, кусочек оргсекла и ДВП или текстолит. Немного мелких метизов. Пластиковые каркасы для сменных катушек.
Для начала стоит подобрать все радиоэлементы и зная их габариты заняться компоновкой прибора. Удобно это делать в САПР Автокад. Для домашнего, хоббийного использования, достаточно освоить принцип построения и несколько основных инструментов.
Корпус прибора решено было изготовить из оцинкованной кровельной стали 0,5мм, методом гибки из двух П-образных деталей. Металлический корпус, также, хорошо экранирует схему. Окна в корпусе для установки приборов, разъема, были выпилены гравером с отрезным диском. Удобно будет использовать и ювелирный лобзик.
В этом варианте ГИРа - разъем для сменных катушек должен быть, как минимум три контакта (используется катушка с отводом). Для уменьшения габаритов прибора решено было применить DB-9, похожий на разъем COM порта системного блока компьютера. В схеме предполагается использовать индикатор – микроамперметр на ток 50мкА. Такой прибор имеет значительные габариты. Значительно меньше микроамперметры, использующиеся для индикации уровня записи в старой аппаратуре магнитной записи звука. Для возможности применить такой индикатор, нужно в исходную схему прибора добавить усилительный каскад на низкочастотном транзисторе (схема б). Сам индикатор разбирал, заменил штатную шкалу на самодельную с нулем посередине.
Конденсатор переменной емкости применен с твердым диэлектриком, от импортного радиоприемника.
Изготовлена металлическая коробочка. Две половинки корпуса скрепляются четырьмя винтиками М4. На внутренних стенках припаяны гаечки. Оцинкованная сталь хорошо паяется обычным оловянно-свинцовым припоем с «паяльной кислотой» (хлористый цинк). Не забываем хорошо промыть места паек.
На конденсатор одевается ручка-шкала выточенная из кусочка органического стекла.
На заготовке чертится окружность нужного диаметра. Это можно сделать циркулем, разметочным циркулем (с двумя иглами). Также, для оргстекла, удобно для такой цели использовать штангенциркуль, нужный размер зафиксировать стопорным винтом и чертить острыми лапками для измерения отверстий.
Заготовка была выпилена обычным «пионерским» лобзиком. Края отшлифованы шлифовальной шкуркой, для этого заготовку зажимал в шуруповерте.
Изнутри на прозрачном диске сделаны две глубокие радиальные риски и заполнены краской. На кончиках просверлены маленькие отверстия для удобной разметки шкалы - в нужных местах отметки делают иглой или остро отточенным карандашом. Крепится на ось конденсатора его штатным крепежом от того же радиоприемника. Под подвижным прозрачным диском, на одной с ним оси, расположен неподвижный диск из ДВП закрепленный к корпусу. Диаметр чуть меньше прозрачного, чтобы подвижный диск удобно вращать большим пальцем, держа прибор в руке. Диск выпилен лобзиком и покрыт для прочности несколькими слоями лака. На него приклеена бумажная шкала.
Монтаж мелких элементов, на выводах установочных, выводы максимально короткие, особенно в ВЧ части. Батарея «Крона» расположена внутри корпуса прибора, подключается колодкой от такой же вышедшей из строя. Чтобы она не бултыхалась внутри корпуса на проводах, сделан некий «батарейный отсек» - С-образная деталь из той же кровельной стали. Припаян к снимаемой крышке. Напротив батареи кусочек поролончика, при сборе корпуса он поджимает батарею. На фото, первый вариант катушек.
При помощи гетеродина самодельного радиоприемника оснащенного частотометром, проградуирована шкала. Градуировку можно также осуществить при помощи частотометра, ВЧ генератора, генератора стандартных сигналов (ГСС), наконец, при помощи КВ радиоприемника с точной шкалой.
Прибор в сборе, с двумя сменными катушками, изготовленными из одноразовых шприцев с применением термоклея.
При необходимости измерений в диапазоне сотен килогерц – единиц мегагерц, конструкцию сменной катушки следует применить аналогичную магнитной антенне радиоприемника, на отрезке ферритового стержня.
Транзисторный ГИР, схема которого приведена на рисунке, предназначен для налаживания радиоаппаратуры в диапазоне 9-210 Мгц.
Для удобства работы с прибором весь диапазон разбит на 7 поддиапазонов.
Транзисторный ГИР выполнен на трех транзисторах, один из которых (Т1) использован в генераторе ВЧ, а два других (Т2 и Т3) - в усилителе постоянного тока.
Транзистор генератора ВЧ включен по схеме с общей базой. Колебательный контур состоит из конденсаторов С1, С2, С5 и катушки индуктивности L1.
Коллекторный ток транзистора устанавливают переменным резистором R2 при настройке прибора, добиваясь устойчивой генерации во всем диапазоне рабочих частот. Питание генератора ВЧ стабилизировано стабилитроном Д1, благодаря чему точность градуировки прибора не изменяется при снижении напряжения питания до 7 в.
Напряжение высокой частоты с коллектора транзистора Т1 через конденсатор С7 подается на соединенные параллельно диод Д2 и переменный резистор R4. Положительные полуволны выпрямленного напряжения с резистора R4 поступают на вход двухкаскадного усилителя постоянного тока. В усилителе применены специальные малошумящие кремниевые транзисторы с большими коэффициентами усиления и малыми коллекторными токами покоя. Применение кремниевых транзисторов позволило практически избавиться от влияния температуры окружающей среды на работу усилителя.
В коллекторную цепь транзистора Т3 включен стрелочный индикатор. Для предохранения его от бросков тока, имеющих место, например, при смене катушек, параллельно индикатору включены диоды Д3 и Д4. Чувствительность индикатора регулируется переменным резистором R4.
Изменение режима работы прибора осуществляется переключателем П1.
Мгц
* Петля размерами 8×26 мм
Примечание.
Транзисторы 2N2484 можно заменить отечественными кремниевыми транзисторами КТ315Г, а транзистор AFY16 - транзистором ГТ313Б. Вместо диодов ОА200 можно применить диоды КД10ЗА, КД103Б. В качестве кремниевого стабилитрона можно использовать два стабилитрона КС 133А, соединенные последовательно. Катушки индуктивности можно намотать на полистироловых каркасах диаметром 20 мм и длиной 25-30 мм.
Гетеродинный индикатор резонанса для определения резонансной частоты колебательного контура усилителя радиочастоты, элемента антенны радиопередатчика или иной активной колебательной системы обычно используют резонансный волномер. Такой прибор содержит колебательный контур, состоящий из калиброванной катушки индуктивности и образцового конденсатора переменной емкости, снабженного градуированной шкалой. Если колебательную систему связать индуктивно с контуром волномера и перестраивать его по частоте, добиваясь возникновения в нем максимального напряжения радиочастоты, то по шкале волномера можно определить резонансную частоту исследуемой колебательной системы.
В радиолюбительской практике для измерения резонансной частоты пассивной колебательной системы чаще всего применяют гетеродинный индикатор резонанса – ГИР. Он объединяет в себе резонансный волномер и маломощный генератор калиброванной радиочастоты. Колебательный контур волномера ГИРа является одновременно и контуром его гетеродина. С помощью такого измерительного прибора несложно определить резонансную частоту колебательного контура, отрезков соединительных линий, элементов антенн коротковолновых радиостанций. ГИР, кроме этого, можно использовать и как сигнал-генератор.
Гетеродинный индикатор резонанса принципиальная схема приведена на рис.
Его гетеродин выполнен на полевом транзисторе VT1, включенном по схеме с общим истоком. Такой транзистор обеспечивает прибору значительно большую стабильность частоты, чем биполярный. Диод VD1, подсоединенный к выводам затвора и истока транзистора, улучшает форму генерируемого напряжения, приближая ее к синусоидальной. Без диода положительная полуволна тока стока станет искажаться из-за увеличения коэффициента усиления транзистора с повышением напряжения на затворе, что неизбежно приводит к появлению четных гармоник в спектре сигнала гетеродина. Резистор R5 ограничивает ток стока полевого транзистора.
Колебательный контур прибора образуют сменная катушка L1, подключаемая к разъему X1, блок конденсаторов переменной емкости С1 и соединенные с ним последовательно конденсаторы С2, СЗ. Переключают прибор на работу в одном из пяти диапазонов измерения (3…6, 6…10, 8…15,13…25 и 24…35 МГц) включением катушки L1 соответствующей индуктивности.
Через конденсатор С5 напряжение радиочастоты поступает на вход высокочастотного вольтметра-индикатора, состоящего из детектора, диоды VD2 и VD4 которого включены по схеме удвоения напряжения, и усилителя постоянного тока на транзисторе VT2 с микроамперметром РА1 в коллекторной цепи. Диод VD3 стабилизирует образцовое напряжение на диодах VD2, VD4, тем самым повышая чувствительность детектора и стабильность работы усилителя. Переменным резистором R3, объединенным с выключателем питания SA1, устанавливают стрелку микроамперметра РА1 в исходное положение. Дроссель L2 - элемент развязки гетеродина от источника питания по высокой частоте.
Источником питания прибора может быть встроенная в него батарея напряжением 3…9 В (предпочтение следует отдать батарее «Корунд» или аккумуляторной 7 Д-0,1) или внешний сетевой блок питания с таким же выходным напряжением.
В описываемом ГИРе нет дополнительного стабилизатора питающего напряжения, поэтому при работе с ним необходимо пользоваться источником с одним и тем же значением напряжения постоянного тока.
Внешний вид прибора показан в заголовке статьи, а монтаж деталей в корпусе - на рис.
Его корпусом служит латунная хромированная коробка размерами 120x70x45 мм с плотно закрывающейся крышкой. Блок конденсаторов переменной емкости С1, индикатор РА1 и переменный резистор R3 размещены на лицевой стенке корпуса. Конденсаторы С2 и СЗ смонтированы непосредственно на выводах секций блока КПЕ и гнездах разъема X1. Остальные детали, кроме батареи питания, смонтированы на печатной плате (рис.), выполненной из фольгированного стеклотекстолита.
Блок КПЕ, использованный в ГИРе, от малогабаритного радиоприемника «Селга». Конденсаторы С2 и СЗ - КС0-1, С5- КД, С9 и С10-оксидные К52-1Б, остальные - КМ-5. Все постоянные резистора типа МЛТ, переменный R3 с выключателем питания SA1 - СПЗ-4вМ. Диоды КД512А (VD1), КД521Б (VD3) можно заменить на любые другие кремниевые 0,12. Катушка готового дросселя пропитана клеем “Суперцемент”.
Намоточные данные контурной катушки пяти диапазонов измерения приведены в таблице.
Каркасами катушек первых трех диапазонов могут служить отрезки полиэтиленовой изоляции коаксиального кабеля РК-106. Катушки двух последних диапазонов бескаркасные. Катушку диапазона 24…35 МГц желательно намотать медным посеребренным проводом диаметром 1 мм.
Конструктивно каждая контурная катушка размещена в карболитовом корпусе от кварцевого резонатора. Между основанием корпуса и защитным колпаком зажат согнутый из тонкого алюминия уголок, к которому приклеена шкала соответствующего диапазона измерения. Делать одну общую шкалу для всех диапазонов нецелесообразно - при различной плотности перестройки применяемых контуров это затруднит пользование прибором.
На торцевой стенке корпуса укреплена двухгнездная колодка кварцедержателя, в которую и вставляют штыри контурной катушки. Шкала при этом оказывается под ручкой блока КПЕ с указательной стрелкой.
Монтаж высокочастотных цепей и соединений выполнен голым медным посеребренным проводом диаметром 1 мм, низкочастотных - проводом МГШВ.
Налаживание ГИРа
начинают с тщательной проверки правильности всех соединений. Затем в гнезда разъема X1 вставляют контурную катушку любого из диапазонов измерения и включают питание. При этом стрелка микроамперметра РА1 должна отклониться от нулевой отметки. Переменным резистором R3 ее устанавливают на крайнюю правую отметку шкалы. Затем, вращая ручку блока КПЕ из одного крайнего положения в другое, наблюдают небольшое перемещение стрелки прибора. При минимальной емкости КПЕ стрелка должна отклоняться больше вправо, что объясняется повышением добротности контура с повышением частоты генератора.
Шкалы всех диапазонов измерения градуируют, пользуясь, например, калиброванным приемником.
Если в каких-то участках диапазона необходимо повысить точность шкалы, то параллельно катушке подключают слюдяной конденсатор постоянной емкости. Индуктивность контурной катушки и емкость контура с учетом дополнительного конденсатора можно рассчитать по формуле LC=25330/f2 где С - в пикофарадах, L - в микрогенри, f - в мегагерцах.
Определяя резонансную частоту исследуемого контура, к нему возможно ближе подносят катушку ГИРа и, медленно вращая ручку блока КПЕ, следят за показаниями индикатора. Как только его стрелка качнется влево, замечают соответствующее положение указателя на ручке КПЕ. При дальнейшем вращении ручки настройки стрелка прибора возвращается в исходное положение. Та отметка на шкале, где наблюдается максимальный «провал* стрелки, как раз и будет соответствовать резонансной частоте исследуемого контура.
Г. Гвоздицкий по материалам журнала Радио.
