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.
Применяют их, в частности, и при настройке антенн. Однако классические варианты ГИР ориентированы на индуктивную связь с измеряемым колебательным контуром. Их небольшие по размерам катушки индуктивности в большинстве случаев не позволяют обеспечить достаточную связь с элементами антенны, например, с проволочной рамкой. В результате индикация резонансной частоты элемента становится нечёткой, что приводит к значительным погрешностям измерений.
Английский коротковолновик Питер Додд (G3LDO) решил эту проблему просто, изготовив для настройки элементов своего "двойного квадрата" несложный специализированный ГИР. Он отличается от классических вариантов этого прибора лишь его конструктивным исполнением (Peter Dodd. Antennas. — RadCom, 2008, March, p. 66,67).
Рис. 1 ГИР для настройки проволочных антенн
Схемотехническое решение гетеродинного индикатора резонанса может быть любым — великое множество их было опубликовано в радиолюбительской литературе. Питер Додд использовал один из простейших вариантов ГИР Схема его показана на рис. 1. Индикация резонанса осуществляется в нём по изменению тока истока транзистора VT1, а чтобы эти изменения были более ярко выражены, на измерительный прибор РА1 подается напряжение смещения. Его можно регулировать переменным резистором R4, устанавливая перед началом измерений стрелку прибора близко к конечной отметке его шкалы. Частоту резонанса регистрируют цифровым частотомером. Из отечественных транзисторов в этом ГИР можно применить, например, транзисторы КП303В. Частотомер подключают к разъёму XW1.
Рис. 2 Фото устройства
Конструктивное отличие от традиционных вариантов исполнения ГИР состоит в том, что автор применил катушку больших размеров, которая позволила обеспечить заметную связь с элементом антенны, резонансную частоту которого надо измерить (рамкой или линейным вибратором). Внешний вид его прибора приведен на рис. 2. Его основанием служит диэлектрическая пластина шириной 150 и толщиной 15 мм. Длина её некритична — зависит от размеров коробки, в которой размещаются элементы ГИР, и от размеров частотомера. Автор использовал частотомер заводского изготовления. В верхней части этой пластины намотана катушка, которая содержит пять витков провода диаметром 1 мм в изоляции. Её индуктивность получилась около 3 мкГн, что обеспечило перекрытие ГИР при использованном КПЕ от 12 до 22 МГц. Изменяя число витков, можно получить и другое, требуемое для настройки конкретной антенны, перекрытие по частоте. В верхней части пластины размещены два диэлектрических крючка (из тех, что используют для крепления электропроводки), которыми прибор подвешивают на проволочный элемент антенны. Это позволяет зафиксировать взаимное положение катушки ГИР и этого элемента, что также повышает точность измерений. Часть проволочного элемента антенны будет параллельна длинной стороне прямоугольных витков катушки. Это, как показала проверка, обеспечивает достаточно сильную связь катушки ГИР с элементом антенны и надёжную регистрацию его резонансной частоты. Так, при работе с рамками "двойного квадрата" изменение показаний измерительного прибора при резонансе составляло примерно 40% от всей шкалы.
Все, кто имел дело с гетеродинным индикатором резонанса, знают, что работа с ним является довольно кропотливым делом, т.к. в процессе измерения приходится манипулировать не только ручкой настройки частоты, но и регулятором чувствительности прибора, а в некоторых конструкциях - и ручкой режима.
Это связано с тем, что практически во всех перестраиваемых в широком диапазоне частот генераторах амплитуда ВЧ напряжения также меняется в широких пределах. Чтобы не пропустить момент резонанса, ручку настройки необходимо вращать как можно медленнее и внимательно наблюдать за показаниями стрелочного индикатора.
Работа с ГИРом значительно упрощается и ускоряется, если дополнить его устройством, фиксирующим момент резонанса каким-либо световым индикатором.
На рис. 1 приведена схема ГИРа со светодиодным индикатором резонанса. Работу его поясняют графики рис. 2 и рис. 3. Чем выше скорость вращения ротора конденсатора настройки, тем круче фронт изменения ВЧ напряжения на контуре (линия А1 на графиках рис. 2 и рис. 3).
Задача заключается в фиксации резкого уменьшения уровня В Ч напряжения. Решается она применением дифференциального усилителя, который, в общем случае, реагирует не на абсолютную величину параметра, а на его изменение в какую-либо сторону.
Задающий генератор ГИРа собран на транзисторе VT1 по схеме, описанной в . Дифференциальный усилитель собран на транзисторах VT3, VT4, VT5. При перестройке по диапазону в сторону уменьшения емкости или, что то же самое, в сторону увеличения ВЧ напряжения (показано стрелкой на рис. 2 и рис. 3) выпрямленное напряжение отрицательной полярности на затворе VT3 плавно увеличивается.
На стоке VT3 и левой обкладке конденсатора С7 напряжение положительной полярности также плавно увеличивается. Транзисторы VT4 и VT5 при этом заперты. В момент резонанса напряжение на затворе VT3 резко меняется в сторону положительного потенциала, происходит резкое падение потенциала стока VT3. Конденсатор С7 "передает" этот перепад потенциала на базу VT4. В результате VT4 и VT5 открываются и светодиод HL1 ярко вспыхивает. Длительность вспышки зависит от постоянной времени заряда C7R7.
На транзисторе VT2 собран усилитель постоянного тока для измерительного прибора
Q -добротнотсь в усл. ед.
U - выскоочастотное напряжение в усл. ед.
а - угол поворота ротора конденсатора С, град.
С - емкость конденсатора.
t - время вращения ротора конденсатора, усл. ед
т.1 - момент резонанса.
РА. Резистором R5 устанавливается необходимая чувствительность прибора. При помощи цепочки R4VD4 подается дополнительное положительное смещение на исток VT2. Резистором R3 стрелка прибора устанавливается в любое место шкалы, на-иболее удобное для наблюдения момента-резонанса.
|
Диапазон МГц |
0,12-0,5 |
0,495-2,0 |
1,95-8,1 |
|
Работа с прибором очень проста. Исследуемый колебательный контур связывают с контуром ГИРа. Ручкой настройки быстро переводят конденсатор из положения максимальной емкости в другое крайнее положение. Если вспышки светодиода не было, на данном поддиапазоне резонанса нет.
Если наблюдалась вспышка светодиода, установив ручку настройки примерно в положение, при котором был резонанс, резистором R5 устанавливают максимальную чувствительность измерительного прибора, резистором R3 устанавливают стрелку в середину шкалы и, медленно вращая ручку настройки ГИРа, определяют момент резонанса традиционным способом. Для более точного определения момента резонанса служит "растягивающий" подстроечный конденсатор с воздушным диэлектриком С5 емкостью 2...15 пф, ручка которого выведена на переднюю панель ГИРа. Значение частоты резонанса считывается по шкале частотомера.
Значения L, С* приведены в таблице. Радиолюбители могут сами рассчитать величины L, С* и намоточные данные L исходя из выбранных граничных частот под-диапазонов, имеющихся переменного конденсатора и каркасов для катушек индуктивности. Методика расчета L, С* неоднократно приводилась в технической литературе, например .
При повторении ГИРа по данной схеме необходимо учесть, что на низкочастотном диапазоне может наблюдаться периодический срыв колебаний (релаксация) из-за большой добротности контура и большой ПОС. Избавиться от этого можно либо включив в разрыв отвода от катушки резистор на 47 - 200 Ом, либо сделав отвод не от середины катушки, а ближе к "земляному" концу. Следует учесть также, что светодиод будет вспыхивать всякий раз при быстром вращении ротора конденсатора в сторону увеличения емкости, т.к. при этом ВЧ напряжение на контуре уменьшается.
Литература
1. Транзисторный ГИР // Радио. - 1971. - N 5. - С. 55.
2. Борисов В. ГИР // Радио. - 1974. - N3. - С. 53.
3. Гавриков В, Прахин П. Амплитудно-стабильный гетеродин // Радио. - 1984. - N 2. - С. 22.
4. Бирюков С. К расчету колебательных контуров генераторов // Радио. - 1992. - N11-С. 23.
5. Малинин P.M. Справочник радиолюбителя-конструктора. - М.: Энергия, 1978.
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.
Радио 2008 №12
Простые в изготовлении и эксплуатации гетеродинные индикаторы резонанса широко используются радиолюбителями. Применяют их, в частности, и при настройке антенн. Однако классические варианты ГИР ориентированы на индуктивную связь с измеряемым колебательным контуром. Их небольшие по размерам катушки индуктивности в большинстве случаев не позволяют обеспечить достаточную связь с элементами антенны, например, с проволочной рамкой. В результате индикация резонансной частоты элемента становится нечёткой, что приводит к значительным погрешностям измерений.
Английский коротковолновик Питер Додд (G3LDO) решил эту проблему просто, изготовив для настройки элементов своего "двойного квадрата" простой гетеродинный индикатор резонанса. ГИР. Он отличается от классических вариантов этого прибора лишь его конструктивным исполнением (Peter Dodd. Antennas. - RadCom, 2008, March, p. 66,67).
Рис. 2
Схемотехническое решение гетеродинного индикатора резонанса может быть любым - великое множество их было опубликовано в радиолюбительской литературе. Питер Додд использовал один из простейших вариантов ГИР Схема его показана на рис. 1. Индикация резонанса осуществляется в нём по изменению тока истока транзистора VT1, а чтобы эти изменения были более ярко выражены, на измерительный прибор РА1 подается напряжение смещения. Его можно регулировать переменным резистором R4, устанавливая перед началом измерений стрелку прибора близко к конечной отметке его шкалы. Частоту резонанса регистрируют цифровым частотомером. Из отечественных транзисторов в этом ГИР можно применить, например, транзисторы КП303В. Частотомер подключают к разъёму XW1.
Рис. 2
Конструктивное отличие от традиционных вариантов исполнения ГИР состоит в том, что автор применил катушку больших размеров, которая позволила обеспечить заметную связь с элементом антенны, резонансную частоту которого надо измерить (рамкой или линейным вибратором). Внешний вид его прибора приведен на рис. 2. Его основанием служит диэлектрическая пластина шириной 150 и толщиной 15 мм. Длина её некритична - зависит от размеров коробки, в которой размещаются элементы ГИР, и от размеров частотомера. Автор использовал частотомер заводского изготовления.
В верхней части этой пластины намотана катушка, которая содержит пять витков провода диаметром 1 мм в изоляции. Её индуктивность получилась около 3 мкГн, что обеспечило перекрытие ГИР при использованном КПЕ от 12 до 22 МГц. Изменяя число витков, можно получить и другое, требуемое для настройки конкретной антенны, перекрытие по частоте.
В верхней части пластины размещены два диэлектрических крючка (из тех, что используют для крепления электропроводки), которыми прибор подвешивают на проволочный элемент антенны. Это позволяет зафиксировать взаимное положение катушки ГИР и этого элемента, что также повышает точность измерений. Часть проволочного элемента антенны будет параллельна длинной стороне прямоугольных витков катушки. Это, как показала проверка, обеспечивает достаточно сильную связь катушки ГИР с элементом антенны и надёжную регистрацию его резонансной частоты. Так, при работе с рамками "двойного квадрата" изменение показаний измерительного прибора при резонансе составляло примерно 40% от всей шкалы.
Схема простого гетеродинного индикатора резонанса. ГИР.