Sonda logarytmiczna z układem AD8307 (2)

Zasada działania i koncepcja realizacji sondy

Blok zasilania stanowi pojemnościowa (bezindukcyjna) przetwornica DC/DC, podwajająca napięcie zasilania. Jest to rozwiązanie wygodne w przypadku zasilania sondy z użyciem dwóch stosunkowo niewielkich, bardzo tanich dziś ogniw AAA, zamocowanych w koszyczku wprost do płytki drukowanej. Napięcie wymagane do zasilania układu AD8307 (U2) nie powinno być niższe od 2,7 V ani wyższe od 5,5 V – i właśnie dlatego podwojenie napięcia z dwóch ogniw alkalicznych lub akumulatorków NiMH w całym zakresie ich cyklu pracy wydaje się optymalnym rozwiązaniem. Przetwornica pracuje w układzie multiwibratora astabilnego (z tranzystorami Q1 i Q2), który steruje podwójną pompą ładunkową z tranzystorami Q3 i Q4, diodami D2..D7 oraz pojemnościami C5…C6, z częstotliwością F równą około 30 kHz, leżącą niewiele powyżej pasma akustycznego. Teoretyczną częstotliwość pracy tak zbudowanej przetwornicy F określa wzór:

F=1/T≈1/[0,7·(R3·C4+R4·C3)]

gdzie T jest czasem trwania pełnego cyklu (okresu) pracy zastosowanego przerzutnika astabilnego. W tym przypadku wynosi ono 1/[0,7·(22 kΩ·1 nF+22 kΩ·1 nF)]=32,47 kHz i oże być modyfikowana – najlepiej wyłącznie za pomocą wartości pojemności C3=C4, co gwarantuje zachowanie prawidłowych warunków pracy tranzystorów Q1 i Q2 oraz symetrię generowanego przebiegu (współczynnik wypełnienia D≈50%). Diody D2..D5 gwarantują z kolei, że tylko jeden z tranzystorów Q3 i Q4 będzie w pełni otwarty, gdy drugi z nich pozostanie zatkany. Jako diody D6 i D7, „pompujące” pojemności C5 i C6, zastosowano diody Schottky’ego o napięciach przewodzenia znacznie niższych od zwykłych diod krzemowych, co pozwoliło zminimalizować straty wprowadzane podczas podwajania napięcia. Wyjście bloku zasilania przyrządu zamyka symetryczny filtr LC z elementami L1, L2 i C7, którego zadaniem jest ostatecznie odseparować ewentualne tętnienia na wyjściu podwajacza napięcia – zarówno od wejścia kolejnego bloku przyrządu, jak i od właściwej (sygnałowej) masy całego urządzenia.

Uzyskane z poprzedniego bloku zasilania, podwojone napięcie ogniw zasilających typu AAA – w przypadku ogniw, które nie są całkowicie wyeksploatowane – nie powinno być niższe od 4,5 V (w wyliczeniach należało wziąć pod uwagę spadki napięcia na diodach Schottky’ego D6 i D7, „pompujących” pojemności C5 i C6, które powinno wynosić łącznie nie więcej niż 0,4...0,6 V). Takie napięcie powinno wystarczyć do zapewnienia poprawnej pracy bloku stabilizatora regulowanego, który został oparty na popularnym od lat, sprawdzonym układzie U1 (TL431A), potocznie nazywanym regulowaną diodą Zenera. Pełni on funkcję źródła napięcia odniesienia dla szeregowego elementu wykonawczego, czyli tranzystora Q5 (BC547B), którego baza jest sterowana poprzez rezystor R7 (4,7 kΩ). Wewnętrzne napięcie odniesienia układu scalonego TL431A wynosi Vref=2,5 V i jest w trybie ciągłym porównywane z napięciem uzyskanym na dzielniku rezystancyjnym z elementami R8-RV1-R9. Proces ten odbywa się w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego, której działanie sprawia, że napięcie Vstab na emiterze tranzystora Q5 (i – tym samym – na wyjściu stabilizatora) wynosi dokładnie:

Vstab=(1+Ra/Rb)·Vref

gdzie Ra i Rb są rezystancjami odpowiednio: górnej i dolnej gałęzi ciągu oporności R8-RV1-R9, a ich partykularne wartości są ustalane przez ustawienie suwaka potencjometru montażowego RV1. W szczególności, dla przyjętych w projekcie wartości wspomnianych wcześniej elementów rezystancyjnych, możliwe do osiągnięcia napięcia wyjściowe stabilizatora regulowanego mieszczą się w zakresie od:

Vstab(min)=[1+1 kΩ/(1 kΩ+3,3 kΩ)]·2,5 V≈3,08 V

do

Vstab(max)=[1+(1 kΩ+1 kΩ)/3,3 kΩ]·2,5 V≈4,02 V

W projekcie przyjęto wartość Vstab=3,3 V jako właściwe napięcie zasilania układów scalonych U2 (AD8307) i U3 (MCP6002) – i zarazem osiągalne w całym użytecznym zakresie napięć oferowanych przez parę sprawnych ogniw alkalicznych lub akumulatorów NiMH typu AAA. Warto w tym miejscu wspomnieć, że minimalne napięcie zasilające blok stabilizatora regulowanego powinno być większe od Vstab co najmniej o napięcie Ube pomiędzy bazą a emiterem tranzystora Q5 (ok. 0,7 V max.), powiększone o spadek napięcia na rezystorze R7, polaryzującym bazę Q5. Przy poborze prądu przez część pomiarową przyrządu na poziomie 10 mA i wzmocnieniu stałoprądowym tranzystora Q5 nie mniejszym niż 200 razy otrzymujemy wartość 3,3 V+0,7 V+10 mA/200·4,7 kΩ=4,235 V.

Przy stratach szeregowych przetwornicy podwajającej napięcie na diodach D6 i D7 rzędu nawet 0,6 V oznacza to wymóg dotyczący napięcia pojedynczego ogniwa zasilającego „AAA” na poziomie (4,235 V+0,6 V)/2/2≈1,21 V co należy uznać za niewygórowaną wartość, maksymalizującą czas wykorzystania zastosowanych źródeł energii zasilania.

Sercem omawianej sondy logarytmicznej, tworzącym główny blok pomiarowy jest oczywiście układ scalony U2 (AD8307), wraz z garścią elementów towarzyszących. Należą do nich: prosty, dolnoprzepustowy filtr RC zasilania U2 (R14-C9), kondensatory separujące wejścia różnicowe U2 dla składowej (i zarazem sprzęgające je z blokiem wejścia pomiarowego oraz z masą układu), rezystor R15 (sprowadzający podstawową rezystancję wejściową bloku pomiarowego do wartości 1 kΩ), potencjometr RV2 z rezystorem R16 (pozwalający na regulację punktu przecięcia logarytmicznej funkcji przenoszenia układu pomiarowego w zakresie około ±3 dB) oraz potencjometr RV3 z rezystorem R17. Ostatnie dwa wymienione elementy bierne służą do regulacji nachylenia logarytmicznej funkcji przenoszenia układu pomiarowego na wyjściu OUT układu U2. W przypadku przyjętych w projekcie wartości elementów oraz mając na uwadze fakt, że nachylenie charakterystyki wewnętrznego wyjściowego źródła prądowego wynosi 2 μA/dB, a wbudowana rezystancja – włączona między wyjście tego źródła a masę układu U2 (wyprowadzenie COM) – ma wartość 12,5 kΩ, uzyskujemy teoretyczną możliwość regulacji nachylenia logarytmicznej funkcji przenoszenia układu pomiarowego w zakresie od 

Ku0(min)=2 μA/dB·(12,5 kΩ||33 kΩ)≈18,13 mV/dB 

do 

Ku0(max)=2 μA/dB·[12,5 kΩ||(33 kΩ+50 kΩ)]≈21,73 mV/dB

czyli w przybliżeniu 19,93 mV/dB ±9,03%. W praktyce istotne jest to, że możemy „operować” w bardzo blisko wartości Ku0=20 mV/dB z dość sporym marginesem regulacji rzędu ±9%.

Blok wzmacniacza, filtru i bufora wyjściowego został zrealizowany z zastosowaniem popularnego podwójnego wzmacniacza operacyjnego MCP6002 (U3A/B) typu RRIO, czyli z wejściami i wyjściami pracującymi w pełnym zakresie pomiędzy potencjałami szyn zasilania. Należy podkreślić, że ten wzmacniacz powinien być zasilany napięciem stałym w zakresie od 1,8 do 6,0 V (maksymalnie 7,0 V), a zastąpienie go innym popularnym wzmacniaczem operacyjnym (np. LM358) nie przyniesie satysfakcjonujących rezultatów pomiarowych. Zasilanie obu wzmacniaczy operacyjnych filtrują kondensatory C14 i C15. Wzmacniacz U3A pracuje w prostym układzie nieodwracającym, ze wzmocnieniem ustalanym przez wartości rezystorów R18 i R19 na poziomie (1+R18/R19)=1,25x. To dodatkowe wzmocnienie pozwala na przesunięcie zakresu regulacji nachylenia logarytmicznej funkcji przenoszenia układu pomiarowego z zakresu 18,13...21,73 mV/dB 
do zakresu 22,66...27,16 mV/dB, czyli około 24,9 mV/dB ± 9%. Za wzmacniaczem z układem U3A zaimplementowano prosty filtr dolnoprzepustowy z elementami R20 i C16 – jego zadaniem jest eliminowanie przenoszenia na wyjście sondy krótkotrwałych zakłóceń, które mogą wystąpić na jej wejściu. Wzmacniacz operacyjny U3B z tranzystorem Q6 (BC547B) oraz elementami R21, R22 i C17 realizują funkcję niskoimpedancyjnego bufora wyjściowego (z dodatkową eliminacją zakłóceń impulsowych w przetworzonym sygnale logarytmicznym), którego obecność pozwala na dalsze prowadzenie skonwertowanego sygnału w torze koncentrycznym o impedancji znamionowej 50 Ω. Ewentualne zakłócenia zasilania wzmacniaczy operacyjnych U3A i U3B są lokalnie blokowane do masy za pośrednictwem kondensatorów C14 i C15. Warto w tym miejscu wspomnieć, że zmieniając wartości rezystorów R18 i R19, można uzyskać nachylenie logarytmicznej funkcji przenoszenia układu pomiarowego inne niż 25 mV/dB, jednak w tym przypadku należałoby także zweryfikować, czy przyjęte napięcie zasilania układów U2 i U3 (tu: +3,3 V) wspiera takie alternatywne rozwiązanie.