AD8307 измерение шумов

Автор: balmer, balmer@inbox.ru
Опубликовано 19.08.2013
Создано при помощи КотоРед.

Добрый день многоувожаемые.

Хочу рассказать о хорошей микросхеме - AD8307. Это логарифмический усилитель-детектор. Имеет отличный динамический диапазон 92 db. Отличную полосу пропускания 500 МГц. И стоит при этом около 30 рублей на ebay. Отличная вещь чтобы померять уровень сигнала. Причем, может измерить этот уровень в широченном диапазоне напряжений от сотен микровольт до пары вольт. И при частотах от десятков герц до сотен мегагерц.

Решил сделать на этой штуке измеритель шумов. Борюсь с шумами в последний год много и подчас безуспешно. Шумит буквально все. Шумит сеть 220 вольт. Шумят вреобразователи напряжения. Шумят микроконтроллеры. Даже дисплей от Nokia 3110 выдает шумы, хотя казалось бы протребляет всего 0.3 ma. Лично мне эти шумы мешают использовать ADC встроенные в микроконтроллеры. Вот скажем Atmega8 - у нее медленный, но точный ADC, который свои десять бит точности держит стабильно. STM32 - у него быстрый и точный ADC. Но всю эту точность можно убить элементарно. Например подключить питание дисплея Nokia 3110 через пин Atmega8, сразу 3-4 младших бита будут недостоверными. Или заставить микроконтроллер генерировать прямоугольный сигнал высокой частоты. Вобщем вариантов испортить все масса.

Так-что вот простой вариант измерения шумов - без всяких микроконтроллеров и LCD дисплеев.

Схема очень простая:

AD8307 включенная по даташиту, буферный усилитель на LM358 и стабилизатор напряжения 7805L.

SIGNAL-,SIGNAL+ у меня идут к аналоговому мультиметру, включенному на диапазон 2.5 V.
Питание так-же берется от этого мультиметра.
LSP1,LSP2 - это вход данного прибора. Входное сопротивление невысокое, порядка 1 ком, так что это надо учитывать при измерениях.

Выглядит это в реальности так:

Несмотря на всю свою простоту - схема перекрывает весь нужный мне диапазон. Хоть и постарался сделать щупы покороче, но это штука настолько чуствительная, что реагирует на движение рук недалеко от входа. В тоже время ее не перегружает сигнал апмлитудой в пару вольт. Так, так что свое основное предназначение - измерение шумов в схеме она выполняет отлично.

Хоть она и небыла для этого предназначенна, но этот прибор можно просто носить по квартире и определять, где провода под напряжением, просто поднося щупы к проводу. Экран монитора как оказалось тоже источник помех серьезный. Более того - в разных квартирах уровень шума может отличаться в десятки и даже сотни раз.

Настраивать сие чудо техники по этой причине надо так. Сначала определяем ноль прибора. Лично я делал это на даче, где нет электричества. Если закоротить щупы, то получается ноль и подстроечным резистором R2 можно выставить на ноль показания мультиметра. В моей квартире нуля добиться невозможно, разве что запаять входы микросхемы накоротко. В квартире на свои 5 см закороченных щупов он ловит порядка милливольта помех.

Далее собрал простейший синосуидальный генератор с питанием от батарейки, и резистивным делителем, чтобы откалибровать прибор. Естественно с батарейным питанием и естественно с максимально короткими проводами. Могу сразу сказать - пытаться откалибровать этот прибор от генератора который запитан от сети - наивно. Во первых, наверняка подключение к генератору будет через щупы. Это уже достаточно мощный источник помех. Во вторых, на выход генератора будет обязательно проникать шум от сети 220 V. В третих, в моем случае был генератор на AD9830 c с буферными микросхемками, и фильтрами низкой частоты, но все равно тактовая частота задающего генератора 125 МГц проникала на выход. Она в тысячу раз меньше основного сигнала (при размахе основного сигнала 3 V). Но когда речь идет о милливольтах, то избавиться от такой высокочастотной помехи не просто.

Поэтому таки синусоидальный генератор на низкую частоту и с небольшой амплитудой сигнала. Вот мой вариант генератора на частоту 100 кгц.

В реальности это выглядит так:

Резистор R2 надо подбирать. У меня при напржении питания 3 V и R2=5.6 ком получилось 400 mV чистого синуса на входе. С таким генератором, без лишних проводов и на даче получилось неплохо откалибровать прибор. Цифра получилась чуть больше 25 mV/dB во всем диапазоне. Лишь при напряжениях ниже 0.1 mV начинается нелинейный участок.

Ну и на сладкое. Раз уж прибор такой чувствительный, попробуем измерить с помощью этого прибора ESR конденсаторов и сопротивление кусков провода. Есть замечательный прибор, который хорошь своей простотой и достаточно неплохой чувствительностью. Пусть не вводит в заблуждение мост из резисторов, он нужен там лишь для того, чтобы вывести детектор на линейный участок. Это основной недостаток этой схемы - так как 0 получается при максимальном напряжении, то калибровка нуля непростое дело и он теоретически должен уезжать при малейшем изменении внешних параметров. Другой недостаток - возбуждающий сигнал и измерение идет через одни и те-же провода.

Попробуем сделать тоже самое, но лучше. Возмем источник сигнала помощнее. У меня лично попался под руку импульсный преобразователь 220V->12V для галогеновых ламп. Работает на частоте 50 кгц. Намотал на его трансформатор 1 виток провода. Собрал сопротивление 0.25 om, для ограничения тока через измеряемую деталь. Встречайте - очень хороший ESR метр и милиомметр из того что было.

Для конденсатора 4700 mkf 25 V получилось примерно 60 mOm (миллиом).

Обратите внимание - по дизайну получилось, что генератор полключается одними щупами к измеряемой запчасти, а сигнал на прибор идет по другим щупам. Это очень правильно, и практически нивелирует ошибки, которые вносят щупы. Сопротивление контакта межде щупами и деталью так-же не очень важно. Мы измеряем сопротивление именно детали, а не деталь+щупы. Поэтому измеритель получилься достаточно неплохим. Сильно не калибровал его, но примерно такие цифры. Шкала у меня от 0 до 10 делений. 8 делений == 1 ом, 6 делений == 0.05 ом, 4 деления 0.01 ом.

Можно таким образом измерить и кусок довольно провода 2.5 mm²:

Получилось 20 mOm.

Кстати немножко теории - таким способом мы измеряем суммарное сопротивление, как акивное так и реактивное. На частоте 50 KHz конденсатор емкостью 1 мкф имеет реактивное сопротивление порядка 3 ом. Надо это учитывать при интерпретации результатов. А еще у конденсаторов электролитических есть приличная индуктивность. В нашем случае, так как мы запитываем практически прямоугольными импульсами, индуктивность может неплохо влиять. Например сопротивление индуктивности 10 nH при частоте 1 MHz это 60 милиОм по формулам. А индуктивность такого порядка легко может затесаться внутрь электролитического конденсатора. Поэтому точное измерение ESR это нетривиальная задача.

Файлы:
Измеритель шумов
Генератор синусоидального сигнала

Все вопросы в Форум.