Obsah Základy vf měření... 2 Metody vf měření výkonu a watmetry... 2

Transkript

1 Otázku sem nějak zředil, ale podle mě tam spousta věcí není pač všechno souvisí se vším a tak by šla udělat jedna otázka, která by pokryla všechno :). U toho co sem vypsal snad u detektorů to můžete vynechat a zaměřit se jen na VF diodový detektor. Každopádně za každé připomínky děkuji a pište je na mail habarta@seznam.cz nebo na icq# Obsah Základy vf měření... 2 Metody vf měření výkonu a watmetry... 2 Kalorimetrické metody... 2 Bolometrické a termoelektrické metody... 2 Wattmetr s termočlánkovým čidlem... 3 Diodové wattmetry... 3 Průchodové wattmetry... 3 Spektrální analyzátor a měření výkonu spektrálními analyzátory... 3 Dělič a slučovač signálů Wilkinsonova typu... 4 Směrový vazební člen... 6 Sondy... 7 Pasivní sondy... 7 Detektory... 8 VF diodový detektor... 8 Detektory maximální hodnoty Obálkové detektory Quasi-špičkové detektory Implicitní konvertory efektivní hodnoty napětí Fázové detektory Selektivní obvod Voltmetry ad 1) vf. zesilovač usměrňovač ad2) číslicový V-m ad3) selektivní V-m ad4) vektorové V-m ad5) usměrňovač zesilovač ad6) selektivní jednofrekvenční voltmetry Osciloskopy Analogové osciloskopy Vzorkovací osciloskopy Digitální paměťové obvody... 20

2 Základy vf měření Pokud délka propojení vedení není menší (cca 10x) než délka vlny pak musíme považovat každý vodič za vf vedení. Pro propojování v vf technice se používají často koaxiální kabely (známe technické paramtery, 50 a 75Ω). Nepřizpůsobeným spojením vf vedení vznikne stojaté vlnění popisováno činitelem odrazu PSV a činitelem odrazu. U vf techniky existují rušivé signály z rozptylových polí transformátorů a cívek a následná elektromagnetická indukce do obvodu, nežádoucí vazby el. polem mezi elektrickou sítí a měřenými obvody, spoji a přístroji. Špatné stínění a neuzemnění. Metody vf měření výkonu a watmetry Kalorimetrické metody Kalorimetrické wattmetry umožňují definovat výkon z přímé přeměny elektrické energie na teplo podle vztahu P VF = c p Q ( T 2 T1) t Bolometrické a termoelektrické metody Termistorové čidlo pracuje na principu přeměny elektrické energie na teplo. Současně se u termistoru využívá nelineární změny odporu v závislosti na teplotě. Termistory se vyznačují záporným teplotním koeficientem, jejich odpor tedy se stoupající teplotou klesá. Termistor může být zapojen přímo do vysokofrekvenčního obvodu nebo se může jen dotýkat zátěže. V takovém případě teplota zátěže ovlivňuje odpor termistoru. Hodnota i změny odporu se měří v odporových můstcích. Na počátku měření i v jeho průběhu je nutno zajistit kompenzaci okolní teploty a jejích změn. K tomu slouží další termistor.

3 Ve schématu na obrázku 6 jsou napětí z můstků V RF a V comp nejdříve převedena na obdélníková napětí nízké frekvence ( 200 až 500Hz). Je to výhodné z důvodu zanedbatelného driftu u střídavých zesilovačů oproti ss a snadného propojení sondy s přístrojem. Wattmetr s termočlánkovým čidlem Prochází-li elektrický proud spojem dvou vhodně zvolených kovových vodičů, vznikne na jejich volných koncích potenciální rozdíl Diodové wattmetry Čidlem diodových wattmetrů je polovodičová dioda, která má pro malé proudy kvadratickou voltampérovou charakteristiku. Nové planární technologie, aplikované na galium-arzenidové polovodičové struktury, umožnily výrobu vysokofrekvenčních detekčních a směšovacích diod zcela nových kvalit. Diody se vyrábějí pod označením Schottkyho PDB diody a jsou použitelné do frekvencí přibližně 50 GHz. Mají malý rozptyl parametrů, snesou i krátkodobé výkonové přetížení a při nulovém předpětí mají tvar voltampérové charakteristiky (obr.8) vhodný pro kvadratické detektory (tzv. koeficient neideálnosti je velmi malý n ť 1,05). Náhradní obvod detektoru s tímto typem diody je na obrázku 9. Ohraničená oblast představuje náhradní obvod diody. Průchodové wattmetry Průchozí wattmetry jsou uzpůsobeny tak, aby umožňovaly připojení libovolné zátěže. Nejčastěji jsou používány pro měření výkonů vysílačů, výkonového zisku tranzistorů, přizpůsobení antény ke koncovému stupni vysílačů, nastavení anténních systémů a také pro kalibraci wattmetrů. Průchozí wattmetr (obr.12 a 13) obsahuje navíc přesný směrový vazební člen nebo reflektometr, kde hlavní vedení slouží k připojení zdroje signálu a zátěže, to je k přenosu výkonu do zátěže a ve vedlejším vedení je wattmetr s bolometrickým, termoelektrickým nebo diodovým čidlem. Spektrální analyzátor a měření výkonu spektrálními analyzátory Pro měření výkonu v analogových i digitálních komunikačních systémech lze využít klasických spektrálních analyzátorů se speciálním softwarovým vybavením pro výpočet výkonu, dále spektrálních analyzátorů se zabudovaným RMS detektorem pro měření středního výkonu nebo signálových analyzátorů. Používají se spektrální analyzátory pro měření spektra úzkopásmového filtru (RBW filtr - resolution bandwidth), což umožňuje rozdělit šířku pásma do velmi úzkých frekvenčních pásem a vzorek amplitudy každého pásma

4 zobrazit na obrazovce jako jeden bod (pixel). Výkon je potom možné vypočítat jako součet výkonů BS 1 N jednotlivých bodů uvnitř kanálu podle následujícího vztahu P = j = P 1 i Bn N kde P je výkon v kanálu [W] B s je šířka pásma kanálu [Hz] B n je ekvivalení šumová šířka pásma RBW filtru P i je výkon reprezentovaný jedním bodem [W] N je počet měřících bodů Tato metoda je dostatečně přesná jen při dodržení následujících podmínek: Analyzátor musí používat vzorkovacího detektoru. Časový průběh digitálně modulovaných signálů se podobá bílému šumu a jedině vzorkovací detektor může zajistit snímání odpovídajících hodnot napětí a následný správný výpočet výkonu. Při použití špičkového detektoru a následném výpočtu střední hodnoty, by pro neharmonický signál, vzhledem k velkým hodnotám poměru špičkové a střední amplitudy signálu docházelo k chybnému výpočtu. Šířka pásma RBW filtru by neměla být menší než 1% a větší než 4% šířky pásma kanálu nebo podle jiného doporučení 1,2 až 3,6krát šířka stopy obrazového bodu, která je definována jako poměr šířky rozmítání (spanu) k počtu obrazových bodů. Pokud by byla šířka pásma příliš malá, byl by signál podvzorkován a spektrum by bylo změřeno neúplně, pokud by byla příliš velká, uplatnil by se vliv tvaru pásma filtru a snížila by se selektivita měření zejména v okrajových částech spektra. Šířka pásma video filtru musí být alespoň třikrát nejlépe však 10krát větší než šířka pásma RBW filtru. Při menší šířce video pásma je omezen plný rozkmit hodnot signálu, což vede k průměrování logaritmických hodnot signálu za logaritmickým zesilovačem a důsledkem jsou chyby při výpočtu výkonu, kdy se počítá průměr hodnot skutečných (viz rovnice). Průměrování stopy na stínítku pro získání stabilnějšího obrazu má podobné následky jako zmenšování šířky video pásma. Dělič a slučovač signálů Wilkinsonova typu Dělič výkonu splitter, resp. slučovač combiner je pasivní vysokofrekvenční trojbran s koaxiálními výstupy. Obvodové zapojení děliče i slučovače podle Wilkinsona je stejné, funkci obvodu určuje připojení zdroje a zátěže (viz obr. 1a, 1b). Obvod je realizován ze dvou čtvrtvlnných vedení, paralelně spojených v bodě 1, a rezistoru, spojujícího oba dva volné konce vedení, které tvoří brány 2 a 3. Čtvrtvlnná vedení transformují impedanci 50 Ω na dvojnásobek, a tím zaručují, že při zakončení bran 2 a 3 impedancí 50 Ω je obvod impedančně přizpůsoben. Rezistor 100 Ω zajišťuje přizpůsobení výstupních vedení a při přenosu ve zpětném směru zlepšuje izolační odpor výstupních bran 2

5 a 3. Ve funkci děliče jsou signály na branách 2 a 3 identické v amplitudě i fázi, a v důsledku toho je napětí na rezistoru nulové. Vše platí pro jmenovitou frekvenci. Použitelnost děliče tohoto typu v širším frekvenčním pásmu omezuje impedanční nepřizpůsobení (v rozsahu jedné oktávy je PSV asi 1,2). Obvod na obrázku 1b pracuje ve funkci slučovače. Signály dvou nezávislých generátorů (ZS = 50 Ω) zapojených na brány 2 a 3 se na bráně 1 objeví jako vektorový součet dělený 2. Základní obvodové vlastnosti ideálního slučovače lze vyjádřit pomocí následujících sparametrů V práci [1] je autorem provedeno odvození základních vlastností obvodu. Vychází se z vlnových rovnic pro oba úseky vedení. Jejich řešením, za splnění podmínek (1), se dojde k zajímavému poznatku, že totiž charakteristická impedance úseků vedení λ/4 (na obr. 1a mezi body 1 2 a 1 3) by měla být kde n je počet větví děliče a 0 R je externí zatěžovací odpor, na který byl dělič navržen. V našem konkrétním případě je n = 2, tedy 0 Z = 70,7 Ω. Rezistor 100 Ω, zapojený mezi body 2 3, si můžeme představit jako dva rezistory 50 Ω zapojené do série, kde společná svorka rezistorů není uzemněna. V obecném případě pro n větví jsou tyto rezistory spojeny stejným způsobem, to jest všechny do jednoho bodu. Pokud si představíme jednu větev děliče tvořenou zdrojem Us o vnitřní impedanci Zs připojeným na vstup vedení délky λ/4 s charakteristickou impedancí 0 Z (činitel odrazu Γs ), které je zakončeno impedancí 0 Z (vedení je impedančně přizpůsobeno, 2 Γ = 0), můžeme pro velikost napěťové vlny šířící se po vedení směrem k zátěži najít vztah Když bude vedení na svém konci impedančně nepřizpůsobeno, tzn. zakončeno obecnou impedancí ZL (činitel odrazu 2 Γ = ΓL ), bude velikost napěťové vlny přicházející na zátěž a velikost odražené napěťové vlny, která se vedením vrací ke zdroji, bude dána vztahem Pro dělič, který má dvě větve podle obrázku 1a, bude napětí na zatěžovacích impedancích stejné a ve shodě s (1) platí Odražené signály jsou V případě, že Wilkinsonův obvod je zapojen jako slučovací obvod podle obrázku 1b, jsou v bodech 2 a 3 připojeny dva zdroje signálu a v bodě 1 dostaneme jejich součet (viz [1]) Význam veličin je patrný z obr. 1b. Děličů a slučovačů výkonu se vyrábí široká škála v různém provedení a pro různá frekvenční pásma. Některé jsou vícesegmentové, pro dosažení lepšího přizpůsobení v širším kmitočtovém pásmu, některé zajišťují mezi výstupními branami fázový posuv 90 apod. Výše popsaný obvod Wilkinsonova typu je základním provedením vysokofrekvenčního děliče signálu a představuje ideální konfiguraci pro úzkopásmové aplikace.

6 Směrový vazební člen Směrový vazební člen (směrová vazební odbočnice) se v měřicí technice používá v řadě aplikací. Nejčastěji pro měření činitele odrazu, pro oddělení signálního generátoru od měřicích obvodů, pro rozdělení výkonu a pro připojení dalších přístrojů (vlnoměrů, analyzátorů, wattmetrů apod.). Funkce směrového vazebního členu je patrna z obrázku 1 Směrová vazba je v podstatě vysokofrekvenční reciproký osmipól, který vytváří dvě koaxiální vedení, vzájemně těsně vázaná. Ve vazebním úseku délky l přecházejí obě koaxiální vedení s kruhovým průřezem vnějšího a vnitřního vodiče na pásková vedení, kdy oba vnitřní vodiče obdélníkového průřezu jsou umístěny ve společné dutině rovněž obdélníkového průřezu. Vazební mezera s mezi oběma pásky určuje přenosové vlastnosti vazby. Tato konstrukce má výhodu v tom, že páskové vedení umožňuje lépe konstrukčně zvládnout vazbu s vysokou směrovostí a zároveň s širokým frekvenčním rozsahem. Z teorie vázaných vedení lze odvodit následující základní vztahy pro přenosové vlastnosti směrového vazebního členu. Modul přenosu z ramena 1 do ramena 3 modul přenosu z ramena 3 do ramena 4 modul přenosu z ramena 1 do ramena 2 a modul kombinovaného přenosu směrového vazebního členu kde l mm je elektrická délka vazebního úseku, β = 2π/ λ je konstanta šíření a λ je vlnová délka. Provozní parametry směrového vazebního členu Směrové vazební členy s vlnou TEM jsou charakterizovány těmito provozními parametry: vložným útlumem L, vazbou C, izolací I, směrovostí D a frekvenčním rozsahem. Všechny parametry jsou definovány za podmínky totálního přizpůsobení všech bran a udávají se zásadně v decibelech. Vložný útlum L vyjadřuje ztráty v hlavním vedení mezi branou 1 a 3.

7 Vazba C je definována jako poměr výkonu mezi hlavní bránou 1 a vedlejší bránou 2. Izolace I vyjadřuje nežádoucí pronikání vf. energie na izolovaný výstup 4, jeli v hlavním vlnovodu jen postupná vlna. Směrovost D je definována jako logaritmus poměru výkonu vln, které se šíří ve vedlejším vlnovodu v opačných směrech, je-li v hlavním vlnovodu jen postupná vlna. Sondy Pasivní sondy Sonda představuje obvod, přizpůsobující vstupní impedanci voltmetru k měřenému objektu tak, aby voltmetr co nejméně ovlivňoval měřený signál s výjimkou jeho amplitudy (pokud sonda představuje dělič například 10:1, nebo 100:1). Požadujeme, aby byl vstupní odpor R1 co největší (řádově MΩ) a vstupní kapacita C1 co nejmenší. Připojíme-li ke vstupu voltmetru místo sondy koaxiální kabel, zvětšíme vstupní kapacitu voltmetru nejméně o 100 pf, což má za následek zmenšení šířky frekvenčního pásma voltmetru. Sonda na obrázku 1 představuje dělič, který by měl být kmitočtově kompenzován. Musí proto platit rovnost časových konstant R1 C 1= R v(c k+ C v), nebo. Znamená to, že pokud zvětšíme vstupní odpor sondy, nutně musíme zmenšit její vstupní kapacitu. Velikost rezistoru R1 musí být v korelaci ze vstupním odporem voltmetru, jinak by nebyl dodržen požadovaný dělící poměr. Proto nelze sondy k různým voltmetrům zaměňovat. Náhradní obvod sondy 10:1 pro voltmetr ze vstupním odporem 1 MΩ je na obrázku 2 a, konkrétní provedení sond na obrázku 3.

8 Detektory VF diodový detektor Náhradní obvod detekční diody Nové planární technologie, aplikované na galium-arzenidové polovodičové struktury, umožnily výrobu vysokofrekvenčních detekčních a směšovacích diod zcela nových kvalit. Diody se vyrábějí pod označením Schottkyho PDB diody (PDB = planar doped barrier ) a jsou použitelné do frekvencí přibližně 50 GHz. Mají malý rozptyl parametrů, snesou i krátkodobé výkonové přetížení a při nulovém předpětí ( zero bias ) mají tvar voltampérové charakteristiky vhodný pro kvadratické detektory (tzv. koeficient neideálnosti je velmi malý n 1,05). Náhradní obvod detektoru s tímto typem diody je na obrázku 1. Ohraničená oblast představuje náhradní obvod diody. Indukčnost Ls spolu s kapacitou Cp reprezentují parazitní parametry zapouzdření diody. Rs je sériový odpor diody, který je představován zejména odporem substrátu a kontaktu (typicky 4 až 50 Ω). Rj je diferenciální odpor přechodu a lze jej vyjádřit vztahem kde n je koeficient neideálnosti, k je Boltzmannova konstanta 1, J/K, T je absolutní teplota, q je náboj elektronu 1, C, Id je proud vyvolaný předpětím a Is je saturační proud diody bývá v rozmezí až A (pro měřený detektor Is 9 10 A). Pro nenulové předpětí a pro n = 1,08 je diferenciální odpor diody roven Součet odporů Rj a Rs určuje takzvaný video odpor (obrazový odpor) Rv. Je to výstupní odpor detektoru pro signál o kmitočtu řádově jednotek MHz, který se udává v technických podmínkách detektoru. Kapacita Cj v náhradním schématu představuje bariérovou kapacitu přechodu a její velikost závisí na proudu diodou. Cj ovlivňuje napěťovou citlivost detektoru (její velikost bývá v rozsahu od 0,1 do 0,5 pf). Převodová charakteristika Převodová charakteristika detektoru je definována jako závislost výstupního stejnosměrného napětí na vstupním vysokofrekvenčním výkonu. Tato závislost je nelineární a

9 závisí na mnoha činitelích. Obecně ji lze vyjádřit vztahem Činitel γ je napěťová citlivost detektoru, která je svázána s voltampérovou charakteristikou diody vztahem kde β je proudová citlivost, která má teoretickou hodnotu 20 A/W. Je-li koeficient neideálnosti n = 1, bude pro napěťovou citlivost detektoru platit Napěťová citlivost je ovšem závislá i na dalších činitelích. V první řadě je to bariérová kapacita přechodu Cj. Její vliv lze vyjádřit vztahem Dále napěťovou citlivost ovlivňuje odporový dělič, složený z rezistorů Rv a RL. Vlivem tohoto děliče je citlivost redukována na hodnotu Posledním příspěvkem je vliv impedančního nepřizpůsobení detektoru, kdy se část výkonu přicházejícího na vstup detektoru odráží. Tento vliv lze vyjádřit vztahem Modul činitele odrazu Γ nebo odpovídající činitel stojatého vlnění PSV, změřený v závislosti na frekvenci, je parametr, který se udává v technických specifikacích detektoru. Rezonanční frekvence Vysokofrekvenční admitance diody podle obrázku 1 bude

10 Z rovnice lze určit dvě možné rezonanční frekvence, jednu sériovou ωs a druhou paralelní ωp U diod s axiálními přívody ve skleněném pouzdře bývá rezonance na frekvenci kolem 8 GHz, u diod s potlačenými parazitními parametry v keramickém pouzdře až asi 12 GHz. Měření převodní charakteristiky detektoru Měření provedeme podle zapojení na obrázku 3. detektor je připojen přímo na výstup generátoru a po celou dobu experimentu je ponechán takto zapojený. Výstup detektoru je propojen se vstupem voltmetru. Generátor pracuje v módu CW (frekvence ani amplituda výstupního signálu není rozmítána) a jeho frekvence je nastavena na 10 MHz. Výstupní úroveň signálu nastavujeme v rozsahu 50 dbm až +20 dbm. Měření provádíme na kmitočtu 10 MHz, zapisujeme úroveň signálu generátoru Pvst a stejnosměrné napětí na výstupu detektoru Uvýst. Účinnost detektoru Měření provedeme opět podle zapojení na obrázku 3. Účinnost detektoru je funkcí kmitočtu a pro daný kmitočet je definována poměrem Měření provádíme v lineární části charakteristiky, to jest při vstupním napětí 224 mv (0 dbm na zatěžovací impedanci 50 Ω), a v nelineární části charakteristiky, například pro 30 dbm. Frekvenční rozsah, ve kterém měříme, je od 10 MHz až do oblasti rezonančních frekvencí. Pracovní rozsah detektoru Nejvyšší použitelnou frekvencí detektoru je frekvence, při které chyba vlivem rezonance detektoru nepřesáhne určitou předem stanovenou mez, například ± 1 % nebo ± 1,5 db. Bod zlomu V určité části převodové charakteristiky nakreslené v logaritmickém měřítku se mění sklon přímek, kterými jsou proloženy lineární úseky charakteristiky (obr. 2). V oblasti mezi kvadratickou a lineární částí charakteristiky leží tzv. bod zlomu. Jeho pozice na charakteristice je definována vstupním výkonem, který je o daný počet db vyšší než výkon odečtený na přímce prodlužující lineární úsek kvadratické charakteristiky, pro stejné výstupní stejnosměrné napětí detektoru. Bývá v rozsahu 30 až 15 dbm, pro rozdíl výkonů = 0,3 až 1 db. Rezonanční frekvence Z náhradního obvodu detekční diody vyplývají dvě rezonanční frekvence. Dioda,

11 která je zapouzdřena v koaxiálním držáku, tyto rezonanční frekvence více či méně kopíruje, avšak jejich poloha i převýšení se mohou konstrukcí sondy změnit. Detektory maximální hodnoty. Po obvodové stránce se detektory maximální hodnoty (peak detectors) a quasi-špičkové hodnoty (quasi- peak detectors) nemusí odlišovat. Jsou v nejjednodušším případě složeny z vhodně polarizované a RC členu. Dioda je nelineární člen a musí mít malý vnitřní odpor Rd, neboť při kladných vrcholcích vf napětí se sběrný kapacitor Cv přes vnitřní odpor diody dobíjí a mezi vrcholky vybíjí přes rezistor Rv. Aby detektor sledoval maximální vrcholovou hocnotu, musí vybíjecí časová konstanta τv=rvcv splňovat určité podmínky. Musí být dostatečně veliká, aby napětí na sběrném kapacitoru po určitou dobu nekleslo. Časovou konstantu volíme : min 1,5 / 2 v v v RC f τ π = =. Obálkové detektory Obálkové detektory jsou používány k demodulaci amplitudově modulovaných signálů v komunikačních zařízeních a v spektrálních a signálových analyzátorech. Již z názvu je zřejmé, že úkolem detektoru je sejmout obálku signálu jehož amplituda v závislosti na čase není konstantní. Po obvodové stránce se detektory střední hodnoty (average detectors), maximální hodnoty (peak detectors), quasi-špičkové hodnoty (quasi- peak detectors) a obálkové detektory (envelope detectors) nemusí odlišovat. Jsou v nejjednodušším případě složeny z vhodně polarizované diody (u detektorů střední hodnoty dvou až čtyř diod) a RC členu.

12 Dioda je nelineární člen a musí mít malý vnitřní odpor Rd, neboť při kladných vrcholcích vf napětí se sběrný kapacitor Cv přes vnitřní odpor diody dobíjí a mezi vrcholky vybíjí přes rezistor Rv. Aby detektor sledoval obálku, musí vybíjecí časová konstanta τv=rvcv splňovat určité podmínky. Nesmí být příliš velká, aby napětí na kapacitoru stačilo sledovat pokles amplitudy vf signálu. Platí zásada, že rychlost vybíjení kapacitoru přes rezistor Rv nesmí být větší než změna amplitudy vf signálu. Podle obrázku 2 lze usoudit, že pro danou vybíjecí časovou konstantu (obr.2b) se zkreslení zvětší při vyšší modulační frekvenci na obr. 2d (rychlejší pokles obálky) a při menší hloubce modulace m na obr.2c ( pro pomalejší pokles obálky). Velikost časové konstanty RC členu je tudíž závislá na hloubce modulace m a na modulační frekvenci fmax. 1 1 m 1,5 C nebo τ v = R v C v = R2πf 2 π f max max Quasi-špičkové detektory Tato skupina detektorů vznikla v důsledku rozvoje technické disciplíny EMC (elektromagnetická kompatibilita). Přesné specifikace detektorů jsou definovány v celosvětové normě CISPR-16 [1].

13 Koncepce detektoru je zvolena tak, aby nabíjecí a vybíjecí konstanty detektoru splňovaly pro dané frekvenční pásmo určité podmínky, definované celosvětovou normou. Detektoru se používá k detekci pulsního rušení. Od určité opakovací frekvence pulsů jsou hodnoty špičkového a quasi-špičkového detektoru stejné (obr.2). Asi do opakovací frekvenci 10 khz je hodnota quasišpičkového detektoru rozdílná. Na obrázku 3 je nakreslen klasický detektor s operačními zesilovači. Funkce špičkového detektoru docílíme při zapnutém spínači P a quasišpičkového při zapnutém QP1 nebo QP2 podle požadované časové konstanty.

14 Implicitní konvertory efektivní hodnoty napětí Pro měření efektivní hodnoty napětí na nízkých frekvencích do 1 až 200 kh s dynamikou do 30 db a citlivosti 1 mv se můžeme setkat s voltmetry střední třídy pracující na principu implicitních konvertorů. Uvažujeme například převod podle obrázku 1. Výstupní napětí U2 bude umocněním rovnice dostaneme a po úpravě Zlogaritmováním rovnice dostaneme Pro tento vztah již lze realizovat obvodovou substituci, která je nakreslená na obrázku 2. Vstupní signál je z důvodu logaritmování nejdříve dvojcestně usměrněn a pak zpracován v souladu s rovnici (1). Druhý typ implicitního konvertoru je realizován ve formě analogového integrovaného obvodu [1]. Efektivní hodnota napětí je určená známým vztahem. Umocněním rovnice dostaneme Střední hodnota kvadrátu vstupního signálu je vyjádřena vztahem Porovnáním rovnic (3) a (4) dostaneme A po úpravě dostaneme již vztah pro obvodovou implementaci Obvodová realizace konvertoru je na obrázku 3. Integrovanou formu konvertoru reprezentují obvody AD736 a AD737 od Analog Device.

15 Fázové detektory Úkolem fázového detektoru je rozlišit rozdíl fáze mezi dvěma signály, například cos L L U tω a druhým signálem ( ) cos R R U t t ω + Φ. Je mnoho obvodových variant fázových detektorů vzhledem k jejich časté aplikaci v PLL. Na obrázku 1 je jednoduché schéma balančního směšovače. Filtr-dolnofrekvenční propust odfiltruje součtovou složku a dostaneme nebo po dosazení amplitudy záznějového signálu Podmínkou pro fázovou detekci je Po dosazení do (1) dostaneme Vzhledem k podmínce (2) bude první člen v hranaté závorce roven 1 a druhý člen vede na vztah ( ) sin t Φ. Po dosazení dostaneme kde U( t) představuje napěťovou fluktuaci a Φ(t) fázovou fluktuaci. Pokud bude Φ (t)<< 1radián, přibližně platí sin Φ(t) = Φ(t) a rovnice (3) dostane tvar kde KΦ je konstanta fázového detektoru ve voltech na radián.

16 Selektivní obvod Voltmetry Voltmetry můžeme rozdělit na V-m typu 1) vf. zesilovač - usměrňovač 2) číslicový V-m 3 selektivní V-m 4) vektorové V-m 5) usměrňovač zesilovač 6) selektivní jednofrekvenční voltmetry ad 1) vf. zesilovač usměrňovač Hrubé blokové schéma V-m začíná vstupním děličem, za nímž následuje vf. zesilovač, pak detektor (dioda) a nakonec SS zesilovač. Tyto V-m mají velký vstupní odpor (výhoda) a velkou paralelní kapacitu (20-60 pf, nevýhoda). - Frekvenční rozsah se mění podle použitelnosti (jednotky Hz-MHz). - Dynamika (rozdíl mezi nejmenší a největší měřitelnou hodnotou) 40dB a více s rozlišením 50uV a max. měřitelným napětím 300V. 2 Citlivost a max. frekvence jsou omezeny šumem vstupních obvodů. Šumové napětí u = 4kTRvst ( f max f min ). Vstupní obvod (obr. 4) - nesymetrický koaxiální vstup - stíněn proti rušení - dvě ochranné diody proti přepětí

17 Za vf zes. je lin. detektor střední hodnoty, v případě harm. sig. lze stupnici kalibrovat v efektivních hodnotách. Pro minimalizaci vstupní kapacity se používají sondy. ad2) číslicový V-m Vhodné pro nf. Oblast (audio a video). Vf použití omezuje dynamika (potřeba mnoho bitů, 90dB->18bitů) a rychlost vstupního A/D převodníku (vzorkovací frekvence stovky khz). Před A/D převodníkem bývá antialiasingový filtr před kterým je ještě dělič. Za A/D převodníkem pamět->displej. Vše je synchronizováno hodinami (A/D a mikroprocesor). ad3) selektivní V-m Nf i Vf frekvence (až jednotky GHz). Selektivní obvod vybírá ze spektra určitou část. Ideální ale nereálná(kvůli filtrům) šířka propustného pásma 1Hz. Použití selektivního obvodu se podle frekvence liší - v nf je(typu RC) umístěn ve zpětné vazbě zesilovačů - v vf je napřed provedena konverze frekvence do nf a pak se realizují filtry U vf selektivního V-m je mf (viz. obr. 7) pro analogový displej detekován obálkovým nebo špičkovým detektorem. Pro číslicový displej je pro maximální rozlišení (až 1Hz) mf signál digitalizován. Číslicová filtrace zajistí optimální rozlišení a číslicová detekce dovolí zobrazit jakýkoli tvar (max. kladné i záporné amplitudy, špička-špička, střední hodnotu, efektivní hodnotu a pro EMC quasi špičkovou hodnotu). ad4) vektorové V-m mají dva symetrické vstupy a umožňují dvoukanálové měření amplitud a fázového rozdílu. Frek. rozsah od 0,1 do 1 GHz. Vzorkovací obvody (4 diodové provádějící sekvenční vzorkování) umístěny v měřících sondách. S koaxiálním příslušenstvím lze měřit impedanci, s-parametry tranzistorů apod. Za vzorkovacími obvody jsou úzko pásmové yesilovače a lin. analogový V-m. Fáze mezi kanály se měří analogově. Bistabilní klopný obvod je řízen pravoúhlým signálem. Při nulové fázi je střída multivibrátoru 1:1. Změna střídy je důležitá pro určení fázového posuvu.

18 ad5) usměrňovač zesilovač Dynamika větší než 90dB, vstupní impedance větší než 10kΩ a vstupní kapacita 2 až 3 pf. Frekvenční rozsah - s klasickou diodovou hrotovou sondou do 1GHz - s koax. T nástavcem do 2 až 3 GHz - s impedančně přizpůsobenou 50ti Ω T sondou do 18-36GHz. Detekční sonda do cca 10 mv má kvadratickou chr. a V-m může měřit přímo efektivní hodnotu. Od napětí kolem 3V je detektor lineární. Rozsah měřitelného napětí stovky uv až stovky V. ad6) selektivní jednofrekvenční voltmetry Základní sestava mikrovlnného systému Měření v mikrovlnném pásmu má řadu zvláštností. Obvody, pokud nejsou přímo určeny k vyzařování, jsou uzavřeny a tudíž nejsou přístupny pro různé hrotové sondy voltmetrů, osciloskopů a pod. Vzhledem k délce vlny a rozměrům sond by tato měření byla značně nepřesná. Asi od 2 GHz se zpravidla vf voltmetry nahrazují měřiči výkonu. Všude tam, kde nemusíme znát absolutní hodnotu výkonu, ale jen relativní změny, používají se laděné nebo neladěné obálkové detektory, na které navazují jednofrekvenční selektivní voltmetry. To předpokládá, že generátor měrného signálu je amplitudově modulován například frekvencí 1 khz. Měronosnou veličinou je zde amplitudově modulovaný signál. Příklad základní sestavy je nakreslen na obrázku 1. Generátor je amplitudově modulován harmonickým signálem o frekvenci 1 khz. Feritový izolátor, proměnný útlum (atenuátor), směrový vazební člen s laděným detektorem v hlavní i vedlejší větvi jsou základní komponenty pro celý experiment mikrovlnného systému. Indikátor je jednofrekvenční selektivní voltmetr (1 khz) s lineárním nebo logaritmickým průběhem stupnice a je přes přepínač připojen na výstupy dvou obálkových detektorů. Měrné vedení Druhý měřicí systém je nakreslen na obrázku 2. Na vstup vedení je připojen generátor, amplitudově modulovaný harmonickým signálem o frekvencí 1 khz. Pravý výstup měrné hlavy je opatřen obálkovým detektorem, který demoduluje AM signál když posouváme měrnou hlavici podél vedení a snímáme pole uvnitř vedení. Demodulovaný signál měříme selektivním voltmetrem 1kHz, který je zde ve funkci měřiče PSV. V obou konkrétních měřicích systémech se používá selektivní voltmetr, jehož zjednodušené schéma a zapojení do systému je na obrázku 3.

19 Modulační oscilátor nebo 1 khz filtr musí umožňovat jemné doladění frekvence, aby se dosáhlo největší citlivosti měření. Měřicí systém s přeměnou frekvence Měřicí systém podle obrázku 4 využívá principu přeměny frekvence. Dva identické oscilátory jsou laděny tak, aby byl mezi nimi frekvenční rozdíl fm. Tento získáme ve směšovači. Měronosnou veličinou je signál o frekvenci f1. Vlastností směšovače je, že zachovává amplitudu i fázi měronosné veličiny. Mění se jen frekvence, která zůstává při ladění oscilátorů stále stejná. To umožňuje jako indikátoru použít selektivního jednofrekvenčního voltmetru. Selektivní člen je naladěn na frekvenci fm. Osciloskopy Umožňuje sledovat průběhy signálů v závislosti na čase a usnadňuje měření některých jejich parametrů. Vstupní obvody - umožňují připojení pozorovaného (měřeného) signálu, volbu vstupního odporu (50Ω, nebo 1MΩ a více), volbu signálu se stejnosměrnou složkou nebo střídavého signálu bez ss složky, možnost připojení kalibračního zdroje nebo uzemnění a pomocí kmitočtově kompenzovaných děličů zeslabení vstupního signálu. Vstupní zesilovače - zesilují vstupní signál na požadovanou úroveň pro následující obvody, u analogových osciloskopů převádějí nesymetrický vstup na symetrický, který je požadován pro správnou funkci vychylování u klasické obrazovky. Jsou určující pro šířku pásma osciloskopu. Spouštěcí obvody (synchronizace) - zajišťují rozběhnutí časové základny. Spouštění může být odvozeno od externího podnětu, od libovolně zvoleného bodu pozorovaného signálu v některém kanálu. Jde o to, aby spouštění bylo časové vázáno na pozorovaný signál co nejpřesněji.

20 Zpožďovací obvody- umožňují pozorovat signál od počátku. Okamžik rozběhu časové základny předchází o zvolený interval počátek pozorovaného průběhu. Časová základna - vytváří časové měřítko na horizontální ose obrazovky (displeje). U analogových osciloskopů obvody časové základny generují lineárně narůstající napětí v závislosti na čase. Analogové osciloskopy Zobrazovat lze v módu Y-t, nebo po odpojení časové základny v módu X-Y. Mezi průběhem na vstupu a zobrazení není časové zpoždění. Vzorkovací osciloskopy Rozšíření pásma až do několika GHz. Pomocí rychlých vf vzorkovačů (rychlé diody) získání časových krátkých vzorků s informací o amplitudě a časové poloze. Tyto vzorky se pak časově roztáhnou a dále se zpracovávají nf obvody. Digitální paměťové obvody Umožňuje měřit amplitudu, frekvenci, periodu, zpoždění, spekrum, atd. Vstupní obvody pracují stejně jako u analogových osc. následně je pak signál převeden do číslicové podoby. Zpoždění mezi signálem na vstupu a na obrazovce.