|
Trefwoorden |
meten van HF spanningen
over groot frequentie bereik (Eerder
gepubliceerd in Electron # 10, 2013) Inleiding Wanneer we willen meten aan schakelingen waarin frequenties optreden
van meer dan enige tientallen kHz., moeten we steeds bedacht zijn op de
beperkingen van het meetinstrument en de wijze waarop we meten. Een
meetinstrument zal altijd enige belasting op een schakeling uitoefenen en
deze willen we natuurlijk zo klein mogelijk houden om uitsluitend het gedrag
van de schakeling te kennen. Tenslotte is het meetinstrument alleen
aangesloten wanneer we in de schakeling willen meten en werkt de schakeling
zonder deze belasting bij 'normaal' gebruik. Vooral bij metingen boven 1 MHz. is dit belangrijk, omdat zo'n
meetinstrument al snel een significantie belasting uitoefent en bovendien op
de schakeling wordt aangesloten via testsnoeren, die de schakeling ook al
niet 'onberoerd' laten. Een enkel voorbeeld geeft aan hoe deze zaken kunnen
liggen. Een oscilloscoop heeft doorgaans een ingangsimpedantie die
gespecificeerd is als een weerstand van 1 MOhm, parallel aan een capaciteit
van 10 pF. We zouden graag storingsvrij willen meten en gebruiken dan een
afgeschermd meetsnoer met een lengte
van een meter of meer. Afhankelijk van het type kan de eigen capaciteit van
zo'n meetsnoer variëren van ca 100 pF per meter
lengte (50 Ohm coax) tot 200 pF en meer (afgeschermde audiokabel). Bij
gebruik van coax als meetsnoer met een lengte van een meter wordt de totale
capaciteit 110 pF, hetgeen een impedantie vertegenwoordigt van 145 Ohm op 10
MHz. Zelfs bij metingen aan een systeem-impedantie van 50 Ohm zal de
schakeling al merkbaar worden belast; i.p.v. 50 Ohm met stroom en spanning in
fase, maakt de meteraansluiting hiervan: 60 Ohm met 21 graden fase verschil
tussen stroom en spanning. Misschien is dat voor een aantal metingen nog
acceptabel, maar de verstoring van de schakeling wordt al snel onacceptabel
bij hogere werkfrequentie of impedantie op het meetpunt van honderd Ohm of
meer. Ook een doorsnee 'breedband' spanningsmeter heeft al snel een
ingangsimpedantie van 1 MOhm parallel aan 33 pF (Philips PM2500 series). In de
praktijk wordt zo'n oscilloscoop en breedband voltmeter dan ook meestal
gebruikt met een 1 : 10 verzwakker probe, en heeft dan een ingangsimpedantie
van 10 MOhm parallel aan 11 pF, ten koste van een verminderde gevoeligheid.
Deze impedantie vertegenwoordigt nog altijd een belasting van 480 Ohm op 30
MHz., zodat ook hiermee niet aan hoog-ohmige
circuits kan worden gemeten. In het volgende stukje wordt daarom een methode besproken om met zeer
eenvoudige middelen toch te kunnen meten aan hoog-ohmige
schakelingen zonder dat het te meten object hiervan veel belasting
ondervindt. Bovendien werkt deze methode over een zeer breed
frequentiegebied, doorgaans vanaf enkele kHz. tot aan vele honderden MHz. en
meer. Een proefschakeling op dit principe gaf een meetnauwkeurigheid binnen
enkele procenten over een frequentiegebied van 10 KHz. tot aan 1 GHz. In de basis opleiding tot radio-zendamateur leerden we een schakeling
kennen voor het 'terugwinnen' van de modulatie uit een samengesteld HF (of
MF) signaal. Zo'n detector schakeling bestaat uit een diode, gevolgd door een
capaciteit en een belastingsweerstand, welke laatste doorgaans een hoge
waarde heeft. Een voorbeeld vinden we in de figuur hier onder.
Deze vorm van detectie staat bekend als de serie-detector. Er is ook
een variant waarbij de capaciteit in serie staat met de ingang, waarna de
diode naar aarde wordt geschakeld. Parallel aan de diode komt dan de
belastingsweerstand. Deze variant is bekend als de parallel detector. Bij gebruik van de juiste componenten zijn deze detectoren tot
verbazingwekkende prestaties in staat. In figuur 1 is te zien dat deze
(serie-)detectieschakeling alleen stroom zal trekken aan de HF-zijde, wanneer
de condensator moet worden opgeladen. Daarna wordt de condensator alleen
ontladen door de belastingsweerstand (hier 1 MOhm). Zelfs bij relatief kleine
waarden van de condensator (hier 10 nF), is de tijd
tussen twee opladingen door het HF signaal zo kort, dat de
belastingsweerstand de condensator nauwelijks zal ontladen. Bij gebruik van
de afgebeelde waarden wordt de condensator tussen twee perioden van het HF
signaal nog maar ontladen met 1% van de opgeladen waarde bij een frequentie
van 10 kHz. Bij hogere frequenties is dat nog minder. De diode hoeft de
condensator dus nauwelijks bij te laden. De detectorschakeling zal daarom de
HF bron ook vrijwel niet belasten. In het geval van de serie detector is
gemakkelijk te bewijzen dat deze in het ideale geval de HF-generator belast
met een weerstand gelijk aan 1/2 maal de belastingsweerstand (hier 1 MOhm,
dus met 500 kOhm). Bij de parallel-detector
wordt deze belasting gelijk aan 1/3 maal de belastingsweerstand. De
afgebeelde serie detector is hier dus in het voordeel. Bij kleine signalen gaat de diodekarakteristiek een grotere rol
spelen, waardoor de condensator wat vaker, en vooral via een grotere serie-weerstand moet worden geladen. Hierdoor worden deze
hoge dempingsweerstanden in de praktijk niet gehaald bij zeer kleine
signalen, maar een waarde van vele tientallen kOhm wordt met de juiste diode
gemakkelijk bereikt. Bij eerdere proeven (zie Meten van
kleine condensatoren en spoelen) kon worden vastgesteld dat de demping
door een detector met een goed gekozen diode ligt tussen 50 kOhm bij signalen
van enkele tientallen millivolt en al met 150 kOhm vanaf enkele honderden mV. Pas bij veel grotere signalen zal ook werkelijk de
theoretische grens van 1/2 maal de belastingsweerstand worden bereikt. In HF
schakelingen worden echter zelden impedanties (veel) hoger dan 10 KOhm
toegepast, zodat zelfs bij de kleinste signalen van enkele tientallen mV. de weerstandbelasting door deze detector nauwelijks
een rol speelt. In de schakeling zien we verder dat de parasitaire diodecapaciteit
(parallel aan de diode) in serie staat met een veel grotere capaciteit van 10
nF. In deze serieschakeling komt daarom vrijwel de
gehele HF spanning over deze kleine parasitaire capaciteit (de diode), omdat
de kleinste capaciteit de hoogste reactantie vertegenwoordigt. De capacitieve belasting van de HF-bron
wordt daarom vrijwel uitsluitend bepaald door de eigen capaciteit van de
diode. Voor een detectieschakeling in het HF-bereik is daarom de juiste keuze
van de diode erg belangrijk. Deze moet een zo laag mogelijke eigen capaciteit
vertonen en bovendien zeer snel kunnen 'schakelen'. In de praktijk zijn het
daarom vooral de z.g. gold-bonded germanium diodes
die voor deze toepassing kunnen worden ingezet, ook al omdat deze bij een
lage ingangspanning al in het geleidingsgebied
komen (lage drempelspanning). Ook sommige Schottky diodes
vertonen een lage drempelspanning en een lage parasitaire parallel
capaciteit, maar vele metingen hebben bewezen dat die het in deze toepassing
toch moeten afleggen tegen de 'ouderwetse' gold-bonded
germanium types. Hoewel niet altijd even duidelijk gespecificeerd, vertonen veel van
deze gold-bonded diodes een parasitaire capaciteit
van enkele tienden van een pF tot ca 1,5 pF. Uit
een groot aantal proeven met diverse detector schakelingen en vooral veel
typen dioden, bleek tot mijn verrassing dat juist enkele oudere types zeer
goed kunnen voldoen. Zo heb ik bij het type OA95 bij enkele tientallen
millivolt aan HF signaal een diode capaciteit gemeten van ca
0,6 pF, die verder nog afnam tot ca 0,3 pF bij
enkele honderden mV. Ook hier zal deze lage capaciteit in een praktische toepassing niet
helemaal gehaald kunnen worden, omdat de diodedetector meestal in een
(metalen)omhulling wordt toegepast en hierdoor extra capaciteit ontstaat. Met
enige zorgvuldigheid is dit echter te beperken tot 1 á 1,5 pF, waardoor de
detector niet hoeft onder te doen voor professionele meetinstrumenten. Het is wellicht aardig om hierbij op te merken dat deze relatief hoge
weerstandbelasting en lage capacitieve waarden gemakkelijk gemeten konden
worden met de 'kring-meting' methode, zoals besproken in het hoofdstuk over
het meten van kleine condensatoren en spoelen als eerder gemeld hier boven.
Doorgaans is het erg moeilijk om deze impedanties met enige nauwkeurigheid
vast te kunnen stellen, maar met de kringmetingen kan elke amateur dit
gemakkelijk zelf nameten en met eenvoudige middelen. De gold-bonded germanium diode OA95, blijkt
naast de al genoemde goede eigenschappen ook nog bestand tegen relatief hoge
spanning in de sperrichting. Waarom dat belangrijk is blijkt gemakkelijk uit
de tekening van figuur
De detector in figuur 2 is uitgevoerd als doorvoer type. In het
onderste deel bevindt zich een doorlopende verbinding, met daarop aangesloten
de diode met condensator en weerstand. De detectorspanning kan worden
afgenomen van de bovenste BNC-connector. Deze uitvoering geeft naast een
directe spanningsmeting bovendien de mogelijkheid om in een doorlopende
(coax-)kabel te meten en verder om deze in te zetten voor vermogensmetingen.
De andere zijde wordt dan afgesloten met een meetafsluiter (doorgaans 50 Ohm,
maar 75 Ohm is net zo gemakkelijk), en de spanning over deze weerstand geeft
dan meteen het afgegeven vermogen. Natuurlijk moet de detector eerst worden
gekalibreerd voor dergelijke metingen. De uitlezing van de detector (als een gelijkspanning die evenredig is
met het HF-signaal) kan op vele manieren gebeuren, mits de
belastingsweerstand van dit uitleesinstrument maar hoog genoeg is (enkele MOhm).
Een oscilloscoop is een mogelijkheid, maar ikzelf gebruik deze detector het
liefst tezamen met een digitale multimeter. Deze vertonen tegenwoordig een
ingangsweerstand van 10 MOhm en geven meteen een gemakkelijke uitlezing met
voldoende nauwkeurigheid. Zorg verder voor korte bedrading in de schakeling
en naar het HF-meetobject. De bedrading naar de meter kan heel goed worden
verzorgd met afgeschermd audio snoer van elke lengte. De parallel capaciteit
van dit snoer speelt nu geen rol meer omdat de waarde hiervan wordt opgeteld
bij de al aanwezige detectorcapaciteit van 10 nF. Bij gebruik van de detector als meetkop
moet deze steeds in een voor gelijkspanning gesloten situatie worden
gebracht. Bij meting direct aan een parallel trillingskring of over een
meetweerstand is dat automatisch gegarandeerd. In andere situaties, wanneer
bv. de HF-uitgang van de rest van de schakeling is gescheiden door een
condensator, dient deze gelijkstroomweg eerst te worden aangebracht in de
vorm van een weerstand parallel aan de detector. Voor de schakeling van
figuur 1 mag deze weerstand niet meer dan zo'n 15 kOhm bedragen. De diode OA95 ligt
misschien nog in de rommelbak, maar is zeker ook nog op meerdere plaatsen te
koop voor weinig geld, zoals een korte blik op internet leert. Het principe van de diode detector is
overigens al bekend uit het begin van de 20e eeuw. Je ziet maar weer dat
‘oude’ technieken hun waarde blijven behouden. Denk verder niet
dat dit soort eenvoudige toepassingen beperkt blijven tot de amateur wereld.
Al heel lang brengt o.a. HP een serie 'Crystal detectors' in behuizing op de
markt, o.a. model 420A en 725A. Ook beschik ik over een type Sage F6128 dat
blijkens het opschrift geschikt is voor het bereik 1,5 - 12,4 GHz. Ik heb vele metingen aan deze diode detectoren gedaan. Een
interessante meting is die waarbij de uitgangspanning bij kleine HF
spanningen wordt bekeken. De grafiek hieronder geeft daarvan een voorbeeld.
De grafieken voor de AA119, BAT81 en OA95 zijn allemaal gemeten in de
behuizing als hierboven. Uit de grafiek blijkt dat bij toepassing van de
dioden AA119 en OA95 de onnauwkeurigheid kleiner is dan 4% (binnen +/- 0,3
dB) over het hele frequentiebereik. Het is zelfs de vraag of het ietwat
slingerende gedrag van de grafiek bij de hoogste frequenties niet een
eenvoudig 'artefact' is van de meetomhulling. Hoewel de AA119 een marginaal
hoger signaal af geeft (ca 2,7 % hoger rendement)
werd toch voor de OA95 gekozen omdat deze bestand is tegen een aanzienlijk
hogere sperspanning (115 V. vs 45 V.). Uit de
grafiek blijkt verder dat de modernere BAT81 een ca
10 % lager detectie rendement vertoont, ook weer bij een maximale
sperspanning van 40 V. De beide HP detectoren zijn duidelijk in het nadeel met een
aanzienlijk lager rendement bij een minder grote bandbreedte (tenminste aan
de lage frequentie zijde). Naast de getoonde types zijn nog veel meer dioden
getest, die echter allemaal een minder resultaat gaven. Een tweede belangrijke grafiek betreft het kleinst mogelijke signaal
dat nog met enige nauwkeurigheid met deze detectoren kan worden gemeten. De
volgende grafiek geeft daarin enig inzicht.
In de grafiek zijn de in- uitgangskarakteristieken getekend van
dezelfde diodes als in de vorige grafiek. Ter vergelijking is de best passende
rechte lijn getekend (gestippeld), zodat een goede indruk verkregen van
worden van het diode gedrag bij kleine signalen. Duidelijk blijkt dat zowel
de AA119 als de OA95 deze rechte lijn nog nauwkeurig volgen tot ingangspanningen minder dan 100 mV.
De BAT81 begint bij 200 mV al duidelijk af te
wijken terwijl ook de beide HP meet-units bij 100 mV.
al duidelijk afwijken van een hierdoor getrokken rechte lijn. De conclusie
uit deze grafiek kan dan ook direct worden getrokken dat een detector
gebaseerd op een AA119 of een OA95 een hoge lineariteit vertoont in het
bereik vanaf ca 100 mV
tot aan de maximale waarde, bepaalt door de maximale sperspanning (zie
boven). Voor de detector unit met de OA95 is dit dus 100 mV.
tot 40 V. hetgeen overeen komt met een bereik over 52 dB. Dit is zeker niet
slecht voor dit eenvoudige en ongecorrigeerde, simpele meetsysteempje. Correctie
schakeling De vraag kan overigens gesteld worden, of het mogelijk is om ook
lager dan 100 mV. nog nauwkeurig te kunnen meten.
Met een correctie schakeling waarbij eenzelfde diode is opgenomen in het
terugkoppel circuit van een operationele versterker blijkt zeker nog enige
winst te behalen. De volgende schakeling geeft hiervan een voorbeeld.
Het principe van deze schakeling is eenvoudig. Bij kleine uitsturing
van de HF diode en dus kleine spanning op de ingang van de operationele versterker,
is ook de stroom door de diode in het terugkoppelcircuit erg klein. Daardoor
is de schijnbare weerstand van de diode hoger en levert de schakeling meer
versterking. Wanneer de diode karakteristieken van beide diodes gelijk zijn
aan elkaar, loopt de verhoogde versterking precies gelijk op met de afname
van het diode rendement van de detector. Hierdoor neemt de lineariteit van
het totale detectiecircuit toe bij kleine signalen. Een goede methode om gelijke diodes te vinden, is door een aantal van
deze componenten met elkaar te vergelijken onder verder gelijke (stroom)
omstandigheden, die het best kunnen worden gekozen in het gebied waar de
diodes werkzaam zijn. Ik vergelijk de diodes daarom bij een stroom van ca 0,5 mA, bv. door de diode in doorlaat richting aan te
sluiten op een voeding van 10 V. in serie met een weerstand van 18 kOhm. De
spanning over de diode wordt gemeten met een goede digitale voltmeter en de
waarde genoteerd tot op de mV. Na een serie
metingen worden de dichtst bij elkaar liggende diode spanningen gekozen,
liefst op een enkele mV gelijk; de absolute waarde
van die spanning is dan niet van belang. De aldus 'gepaarde' diodes geven de
beste resultaten.
In figuur 6 is te zien welke invloed de linearisatie heeft op de
diode karakteristiek. In de ongecorrigeerde situatie (blauw) begint de curve
af te wijken van de best mogelijke rechte lijn (gestippeld) tussen 100 en 80 mV. Na correctie begint deze afwijking pas zichtbaar te
worden vanaf 40 mV. en lager. Door de correctie is
het nauwkeurige meetgebied aan de onderzijde met een ruime factor 2 toegenomen. Het valt verder op dat de rechte lijnen steeds niet door het nulpunt
van de grafiek gaan. Voor een zo correct mogelijke uitlezing (rechte lijn)
moet de uitgangsspanning daarom niet bij nul beginnen, maar pas wanneer de ingangspanning een zekere waarde heeft bereikt. Voor deze
gevraagde, initiële 'off-set' zorgen de verdere
componenten in de schakeling van figuur 5, hier gemaakt voor een
voedingspanning van plus en min 15 V. De juiste instelling wordt verkregen
door een effectieve HF ingangspanning aan de bieden
van 50 mV., waarna met de potentiometer de
uitgangspanning wordt ingesteld op de juiste waarde (hier ca
40 mV.) De juiste waarde hangt overigens samen met
de toegepaste diode, hier dus de OA95. Denk er verder aan dat door deze correctie in het lage deel van de
karakteristiek, de maximale uitgangspanning bepaald wordt door de
(voedingsspanning van de) operationele versterker. Bij het hier toegepaste
type (NE5512) ligt deze op plus en min 15 V., waardoor de maximale
uitgangspanning ca 13,5 V. wordt, bij een belasting
met 2 kOhm of meer. Het dynamisch bereik van de gecorrigeerde detector loopt
dan vanaf ca 35 mV. tot
13,5 V., een bereik van ca 52 dB, gelijk aan de
ongecorrigeerde uitvoering. Het loont overigens de moeite om voor gebruik de
diode detector te kalibreren tegen een goede HF generator. Bob J. van Donselaar, on9cvd@veron.nl |
|
