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.
Статьи публикуются по мере поступления. Для упорядоченного тематического
поиска воспользуйтесь блоком
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. Принципиальная схема предлагаемого ГИРа приведена на рис. 1.
Рис.1
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 XI, 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 детекторам 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 7Д-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 постоя иного тока.
Внешний вид прибора показан в заголовке статьи, а монтаж деталей в корпусе — на рис.2.
Рис.2
Его корпусом служит латунная хромированная коробка размерами 120х70х45 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 секции блока КПЕ и, гнездах разъема XI. Остальные детали, кроме батареи питания, смонтированы на печатной плате (рис.3),
Рис.3
выполненной из фольгированного стеклотекстолита.
Блок КПЕ, использованный в ГИРе, от малогабаритного радиоприемника «Сел-га». Конденсаторы С2 и СЗ — КСО-1, С5 — КД, С9 и С10—оксидныеК52-1Б, осталь-ные — 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 высокочастотные, например КД509А, а германиевыеД9А(VD2иVD4)—наД18, Д20 или ГД508.
Микроамперметр РА1 на ток полного отклонения стрелки 500 мкА. Можно установить прибор бытового магнитофона, например, типа М4762.
Дроссель L2 намотан на кольце типоразмера К7х4х2 из феррита 1000НМ и содержит 150 витков провода ПЭВ-2 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.
| Диапозон МГц | Катушка L1 | ||
| Число витков |
Провод | Внутренний диаметр, мм |
|
| 3...6 6...10 8...15 13...25 24...35 |
30 25 22 19 9 |
ПЭВ-2 0,33 ПЭВ-2 0,47 ПЭВ-2 0,68 ПЭВ-2 1,28 ПЭВ-2 1,28 |
13 13 13 14 14 |
Конструктивно каждая контурная катушка размещена в карболитовом корпусе от кварцевого резонатора (рис. 4).
Рис.4
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 соединении 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
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
Гетеродинные индикаторы резонанса (ГИР) - это простые измерительные приборы, предназначенные для обнаружения и индикации резонанса в радиоэлектронных устройствах, содержащих резонансные цепи. Обычно ГИР представляет собой небольшую коробочку, в которой смонтирован ХС-генератор синусоидальных колебаний и измеритель потребляемого им тока или простой индикатор ВЧ-сигнала. Катушка генератора сменная и устанавливается на колодке, конденсатор переменной емкости (воздушный или слюдяной) имеет шкалу, отградуированную (для каждой сменной катушки) по частоте.
Если поместить катушку ГИР вблизи резонансного контура, то при приближении частоты настройки генератора к частоте контура начнется отсос энергии генератора в контур. Это хорошо заметно даже тогда, когда катушка ГИР удалена от контура на расстояние в несколько сантиметров. При отсосе меняется потребляемый генератором от источника питания ток, что и позволяет определить момент резонанса.
ГИР довольно удобный прибор. Обычно его применение даже не требует подключения к испытуемой цепи. При испытании радиоприемника могут быть оценены частоты настройки входных контуров, контуров усилителя промежуточной частоты и контуров гетеродина. Часто ГИР используется для определения резонансной частоты антенн, например коротковолновых радиостанций, а также резонансных частот фидеров и отрезков коаксиальных кабелей.
В СССР выпускались серийно приборы ГИР-1 и ГИР-2. Однако ГИР не относится к профессиональным приборам из-за невысокой точности измерений и сильного влияния на испытуемое устройство. Тем не менее, ГИР широко распространены в радиолюбительской практике. Описания этих полезных приборов можно найти в радиолюбительской литературе (например, в подборках журнала "Радио") и в Интернете.
Простой ГИР на одном полевом транзисторе
В Большой Советской Энциклопедии был описан ГИР на ламповом триоде. В наше время куда удобнее применить полевой транзистор. На рис. 1.59 показана схема простейшего ГИР на полевом транзисторе, часто встречающаяся в Интернете. Это типичная схема индуктивной трехточки.
Рис. 1.59. Схема простейшего ГИР на полевом транзисторе
Конструктивно этот ГИР монтируется в небольшой металлической коробочке. На лицевой панели устанавливается индикаторный прибор и конденсатор переменной емкости, снабженный шкалой настройки. На боковой стороне корпуса устанавливается разъем, к которому подключается катушка индуктивности XI.
Для перекрытия диапазона 25-40 МГц катушка имеет следующие параметры: диаметр каркаса 20 мм, длина намотки 30 мм, обмотка состоит из 9 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,6 мм с отводом от второго витка (считая от нижнего по схеме). При использовании набора сменных катушек прибор перекрывает диапазон частот от 3,0 до 150 МГц. ГИР используется для определения резонансных частот LC контуров, антенн и отрезков коаксиального кабеля. Как отмечалось, работа прибора основана на поглощении высокочастотной энергии исследуемым контуром или антенной в момент совпадения их собственной резонансной частоты и частоты настройки ГИР. В этот момент показания индикаторного прибора имеют резкий провал. Этот провал тем больше, чем сильнее связь между ГИРом и колебательным контуром и чем выше добротность этого контура.
Для точного измерения резонанса необходимо, чтобы ГИР был индуктивно связан с антенной в точке пучности тока. Как известно, пучность тока располагается на расстоянии 1/4 длины волны от конца вибратора. К этой точке и следует подносить ГИР. Изменяя частоту настройки прибора, находят минимум показаний индикатора и считывают в этот момент соответствующую частоту со шкалы. Эта частота и является резонансной частотой антенны. Необходимо помнить, что индикация резонанса происходит не только на основной частоте, но и на гармониках.
Если частота резонанса антенны измеряется в непосредственной близости от земли, то она смещается в сторону более низких частот. При подъеме антенны на мачту резонансная частота сместится вверх на 0,2-0,4 МГц. Используя ГИР, можно подобрать длину коаксиального кабеля для работы в режиме настроенной линии передачи (электрическая длина такой линии равна целому числу полуволн). Для этого один конец кабеля закорачивают, а к другому подносят ГИР и определяют резонанс вблизи частоты 27 МГц. Постепенно укорачивая кабель, добиваются резонанса на средней частоте используемого диапазона.
ГИР на транзисторном аналоге негатрона
Интересная схема ГИР приведена в (рис. 1.60). В ней используется транзисторный аналог негатрона с А-образной ВАХ на основе двух биполярных транзисторов Т1 и Т2. Благодаря этому контур генератора не требует отводов и отдельных цепей положительной обратной связи. На полевом транзисторе ТЗ и операционном усилителе построен высокочувствительный детектор ВЧ-напряжения со стрелочным индикатором.
Рис. 1.60. ГИР на транзисторном аналоге негатрона
Этот ГИР может служить индикатором работы внешних генераторов и обычным индикатором резонанса в пассивных резонансных цепях. Резистором-потенциомет- ром Р1 можно устанавливать режим отсутствия генерации или ее наличия. При отсутствии генерации прибор реагирует на внешнее ВЧ-излучение: если частота настройки близка к частоте этого излучения, показания индикатора возрастают. Можно также задать режим генерации, при которой стрелка индикатора отклоняется на заданную установкой потенциометра Р2 величину. Тогда, если частота генератора совпадает с частотой внешней резонансной цепи, показания индикатора уменьшаются из-за отсоса энергии от генератора внешней цепью.
В можно найти данные катушек ГИР в диапазоне частот от 1,3 до 50 МГц. Описан также вариант схемы с амплитудной модуляцией сигнала генератора. Это позволят более точно определять резонанс по звучанию телефонов.
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.
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.