Измерение высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов малой амплитуды — это одна из самых сложных задач в радиолюбительской практике. Современные цифровые осциллографы и профессиональные анализаторы спектра для большинства энтузиастов остаются слишком дорогими. Однако, не затрачивая огромных средств, в домашней лаборатории можно собрать свой собственный, достаточно простой и недорогой ВЧ-милливольтметр. В этой статье мы подробно рассмотрим, как создать такой прибор своими руками.

Зачем нужен ВЧ-СВЧ милливольтметр в лаборатории?

Стандартные цифровые мультиметры (даже такие популярные, как серия М-832) отлично справляются с измерением постоянного тока и низкочастотного переменного напряжения (до нескольких килогерц). Но как только частота сигнала превышает десятки килогерц, показания обычного мультиметра становятся некорректными, а на частотах мегагерцового диапазона он вообще перестает реагировать на сигнал.

Именно поэтому в лаборатории жизненно необходим специализированный высокочастотный милливольтметр. Пусть даже он будет стрелочным, но он обеспечит эффективное измерение переменного напряжения в широком диапазоне частот (например, от 40 кГц и выше, вплоть до СВЧ диапазонов). Подобный прибор позволяет:

• Настраивать фильтры и резонансные контуры.
• Измерять коэффициент усиления высокочастотных транзисторных каскадов.
• Контролировать уровень сигнала на выходе генераторов и передатчиков.
• Оценивать параметры источников опорного напряжения (ИОН).

Основные технические характеристики самодельного прибора

Предлагаемая схема самодельного высокочастотного милливольтметра способна измерять переменное напряжение в четырех диапазонах со следующими максимальными значениями:

1. 0,03 V (30 мВ)
2. 0,3 V (300 мВ)
3. 3 V
4. 10 V

При этом прибор сохраняет среднюю точность измерений не хуже 10% при работе в частотном диапазоне от 40 кГц и выше. Конструктивно схема представляет собой несколько блоков: измерительную головку (микроамперметр), источники питания, блок делителей напряжения и плату с выпрямителем высокочастотного напряжения.

Принципиальная электрическая схема

Принципиальная электрическая схема милливольтметра построена на транзисторах (в некоторых вариантах используются операционные усилители для повышения входного сопротивления и линейности шкалы) и схеме выпрямителя высокочастотного напряжения. Входной каскад собран в виде выносного щупа-пробника, что критически важно для минимизации влияния паразитных емкостей и индуктивностей проводов на СВЧ-сигнал.

Схема милливольтметра постоянного тока, которая часто объединяется с ВЧ-вариантом в универсальных приборах, может быть построена на транзисторах VI.1 и VI.2, образуя дифференциальный усилитель. Это позволяет добиться высокой чувствительности и температурной стабильности.

Особенности применяемых деталей

Качество и правильный выбор комплектующих напрямую влияют на работу прибора на высоких частотах:

• Конденсаторы: В схеме фильтров и разделительных цепей желательны пленочные конденсаторы типа К73-хх. При их отсутствии можно взять и керамические, номиналом 47 ⏤ 68 нФ. Однако в выносном щупе-пробнике необходимо применять высокочастотный и высоковольтный конденсатор (например, типа КСО на рабочее напряжение не менее 1000 В), чтобы избежать пробоя при случайном попадании постоянного напряжения на вход.
• Диоды: Для детектора в пробнике следует использовать ВЧ или СВЧ диоды с малым падением напряжения (например, германиевые типа Д311 или современные диоды Шоттки). Придется заново подбирать пары диодов для симметрии.
• Резисторы: Используются высокоточные (с допуском 1%) металлопленочные резисторы для делителей напряжения.

Настройка и калибровка прибора

Настройка милливольтметра-вольтметра проводится в строгой последовательности, чтобы минимизировать погрешности. Главная задача — правильная установка нуля и калибровка чувствительности.

Балансировка прибора (установка 0)

Балансировка прибора (установка 0) осуществляется переменным резистором R10. Эту операцию рекомендуется проводить на поддиапазоне 0,1 В. Можно выполнять настройку и на более чувствительных поддиапазонах, но следует учитывать, что при включенном выносном пробнике возрастает влияние рук оператора (паразитная емкость тела относительно земли меняет показания). Поэтому при тонкой настройке не следует держаться за металлические части щупа.

Проверка шумов и нелинейности

Перед началом точных измерений важно оценить собственные шумы прибора. Параметры, которые стоит проверить:

• Приведенная дифференциальная нелинейность и входное сопротивление;
• Температурный коэффициент (зависимость показаний от нагрева элементов).
• RMS шумов при короткозамкнутом входе (должен быть минимальным).
• RMS шумов при подключенном ко входу 10 В ИОН (на базе высокостабильных источников опорного напряжения, таких как LTZ1000).

Калибровка с использованием мультиметра

Для калибровки переменного тракта можно использовать эталонный генератор сигналов. Собираем все по схеме, питание подключаем от батареи 6F22 (Крона). Затем подаем на вход известный сигнал. Вращаем ползунок подстроечного резистора до тех пор, пока на экране измерительного прибора не увидим точное значение тока или напряжения, соответствующее эталонному; Этим наладка базового диапазона завершается.

Альтернативные решения: ВЧ-пробник для мультиметра

Если сборка полноценного отдельного милливольтметра кажется слишком трудоемкой, существует компромиссный вариант. Как предложил Б. Степанов в журнале «Радио», можно изготовить ВЧ-пробник для дешевого цифрового мультиметра (типа М-832). Пробник представляет собой миниатюрную схему детектора, помещенную в экранированный корпус на конце измерительного кабеля. Выход пробника подключается к обычным гнездам мультиметра (в режим измерения постоянного напряжения).

Такой подход позволяет измерять ВЧ-сигналы с приемлемой точностью, используя дешевый мультиметр в качестве индикатора постоянного напряжения, так как пробник сам выпрямляет ВЧ сигнал в постоянное напряжение.

Техника безопасности при работе

При работе с высокочастотной техникой и источниками питания следует соблюдать ряд правил:

1. Не дотрагивайтесь до работающего оборудования мокрыми руками, особенно если в приборе используются высоковольтные блоки питания (например, удвоители напряжения по схеме трансформатора МОТ или схемы зажигания).
2. Будьте бдительны, следите за своими действиями и руководствуйтесь правилами электробезопасности при наладке.
3. При измерении напряжений свыше нескольких десятков вольт всегда учитывайте рабочее напряжение входных конденсаторов пробника (не менее 1000 В).

Создание ВЧ-СВЧ милливольтметра своими руками — это отличная инженерная задача, решая которую вы не только получаете в свою лабораторию крайне полезный инструмент, но и углубляете свои знания в области высокочастотной схемотехники. Тщательно подбирая детали (особенно конденсаторы К73-хх и качественные ВЧ диоды) и аккуратно выполняя балансировку резистором R10, вы получите прибор, который по своим характеристикам не уступает многим фабричным аналогам прошлого поколения и с успехом закроет большинство задач радиолюбителя.