Applikationen
Applikationen HF-Spannungsmessung mit logarithmischer Anzeige Eine logarithmische Anzeige bedeutet einen großen Anzeigebereich. Man spricht dann von Pegelmessung und gibt das Ergebnis mithilfe des Verhältnismaßes Dezibel an, beispielsweise in dBµ oder in dBm. In der HF-Technik benötigt man die Pegelmessung zum Beispiel bei der Signalstärkeanzeige eines Funkempfängers oder zum Ausmessen von Quarz- und anderen Filtern. Dazu steht eine Palette spezieller ICs zur Verfügung, die sukzessive immer weiter ausgebaut wird. Grundlagen aufgefrischt Das mit dem Logarithmus gebildete Verhältnis zweier Größen nennt man Pegel (Level). Je nachdem, ob der natürliche oder der dekadische Logarithmus verwendet wurde, kennzeichnet man einen Pegel mit den Verhältnismaßen Neper (veraltet) oder Dezibel. Ein Pegelmesser ist also so kalibriert, dass die Messgröße als Pegel bei bekanntem Bezug abgelesen werden kann, wie etwa in dBµ (Dezibel über 1 µV) oder dBm (Dezibel über 1 mW). Bei der Pegelmessung muss man wie bei allen anderen Messungen von Wechselgrößen darauf achten, ob man den Spitzenwert, den arithmetischen (linearen) oder den effektiven (quadratischen) Mittelwert misst bzw. anzeigt. Diese Problematik der Definition und Abhängigkeit dieser Größen untereinander gemäß Signalform sollte gut bekannt sein. Beispielsweise gilt für die Sinusform von Strom und Spannung: Effektivwert = 0,707 x Spitzenwert Bild 1: Interner Grundaufbau eines Log Amp/Detectors arithmetischer Mittelwert = 0,637 x Spitzenwert und somit Effektivwert = 1,11 x arithmetischer Mittelwert Spitzenwert = 1,57 x arithmetischer Mittelwert Bild 2: Blockdiagramm für den AD 8362 Bei Sinusform beträgt der Crest Factor (Scheifelfaktor) bekanntlich 1,414. Der Spitzenwert ist 1,414 mal größer als der Effektivwert. Bei modernen digitalen Modulationsarten trifft man wesentlich höhere Scheitelfaktoren an. Es ist möglich, den Effektivwert weitgehend unabhängig vom Crest Factor zu ermitteln. Damm muss intern eine Quadratur mit nachfolgendem Wurzelziehen erfolgen. Die Firma Analog Devices hat auf diesem Gebiet jahrzehntelange Erfahrungen. Solche Bausteine liefern den „wahren“ Effektivwert, den True-RMS (Root Mean Square, quadratischen Mittelwert). Messen mit dem Log Amp/Detector Für die logarithmische Anzeige, beispielsweise in dBµ, steht heute eine über 20 Typen umfassende Schaltkreispalette der Firma Analog Devices zur Verfügung. Die Entwicklung begann in den neunziger Jahren. Diese Bausteine arbeiten an einfacher Spannung 2,7...5,5 V. Der Dynamikumfang geht bis zu 100 dB – allein 60 dB entsprechen einem Umfang von z.B. 1 mV bis 1 V. Bild 1 zeigt anhand eines populären Vertreters den Grundaufbau der vom Hersteller als Log Amp/Detector bezeichneten Bausteine. Der AD 8307 weist 28 hf-praxis 5/2013
Applikationen Bild 3: Pin-Belegung des TSSOP beim AD 8362 eine hohe Temperaturkonstanz von 0,3 dB im Bereich -40 bis +85 °C auf und arbeitet von DC bis 500 MHz. Er hat 92 dB Dynamikumfang und ist mit seinem Acht-Pin-SOIC- oder DIP- Gehäuse sehr anwenderfreundlich, hat aber eine Fehlertoleranz von 1 d. In der Tabelle 1 wurden die Typen mit geringster Fehlertoleranz zusammengestellt. Ein Blick ins Innenleben Das Geheimnis des weiten Anzeigebereichs heißt Kettengleichrichter. Im Blockschaltbild sehen wir sieben Verstärker/Gleichrichter in „Kettenschaltung“. Ist die Eingangsspannung sehr klein, gibt die letzte Stufe infolge der Gesamtverstärkung von etwa 80 dB noch eine genügend genau messbare Spannung ab. Je größer die Eingangsspannung, umso mehr Stufen geraten – von hinten beginnend – in die Begrenzung und geben dann nur noch einen ganz bestimmten Strom ab. Alle Ströme werden summiert, sodass der Summenstrom immer ein Maß für die Eingangsspannung ist: Der Summenstrom ändert sich mit 12 µA/dB. Nach weiterer Verarbeitung steht die endgültige Ausgangsspannung mit 37,5 mV/dB bzw. 750 mV pro Spannungsdekade zur Verfügung. Unschlagbare Möglichkeiten Baut man beispielsweise einen Tastkopf mit dem AD 8307, so kann man einen per externem Widerstand variierbaren Messbereich vorsehen, der beispielsweise von -33 bis +55 dBm bzw. von 5 mV bis 126 V reichen kann. Der Eingangswiderstand ist „mittelohmig“. Im Internet und in Zeitschriften findet man diverse Anwendungsschaltungen des AD 8307. Die preiswerten und vielseitigen Log Amp/Detektoren offerieren die Lösung für fast jede praktische Aufgabe und überflügeln ältere Lösungen. Sie können heute als unschlagbare Universalbausteine für logarithmische Skalenverläufe angesehen werden und bilden auch die Basis für manch gute Wattmeter- Schaltung. Der AD 8362 Der Baustein AD 8362 gehört zur neusten Generation und ist ein True-RMS-Leistungsdetektor mit typisch 65 dB Messbereichsbreite. Er wurde – wie auch die anderen Vertreter dieser Gattung in Tabelle 2 – für HF-Kommunikations- und Messsysteme entwickelt, die hohe Anforderungen an die Genauigkeit stellen. Die Bilder 2 und 3 informieren näher. Der IC wird mit einfachen 5 V betrieben und benötigt extern nur einige Kondensatoren. Effektive Eingangsspannungen von 1 mV bis über 1 V auch mit großen Crest Factors werden korrekt verarbeitet. Daher sind genaue Messungen auch bei modernen Modulationsarten, wie CDMA, möglich. Das Eingangssignal wird über ein dämpfendes Widerstandsnetzwerk geführt und somit an die Eingangsstufe des Variable- Gain Amplifiers (VGA) angepasst. Eine kontinuierliche Verstärkungsregelung gelingt über zwölf Tap Points in Zusammenhang mit einer angepassten internen Technik. Somit ist der variable Attenuator durch die Spannung am Pin VSET steuerbar. Eine präzise arbeitende Square-Law-Detektor-Zelle sorgt für die vom Crest Factor unabhängige Mittelwertbildung. Dabei erfolgt ein Vergleich mit einem identischen Quadrierer, der jedoch eine feste Gleichspannung erhält (VTGT, 1,25 V). Die Eckfrequenz des Mittelwert-Filters kann mit einem externen Kondensator am CLPF- Pin gesenkt werden. Die Hochpass-Eckfrequenz senkt man mit einer Kapazität am Pin CHPF. Der AD8362 lässt sich nutzen, um die wirkliche mittlere Typ Frequenzbereich Fehler Dynamikbereich Gehäuse AD 8302 DC…2,7 GHz 0,2 dB 60 dB 14 TSSOP AD 8306 5…400 MHz 0,4 dB 100 dB 8 SOIC AD 8309 5…500 MHz 0,4 dB 100 dB 16 TSSOP AD 8310 DC…440 MHz 0,4 dB 100 dB 8 SOIC AD 8312 0,05…3,5 GHz 0,5 dB 48 dB WLCSP AD 8314 DC/0,1…2,7 GHz 0,5 45 µSOIC/CSP Tabelle 1: Log Amp/Detektoren mit maximal 0,5 dB Fehler Typ Frequenzbereich Dynamikbereich ADL 5902 0,05…9 GHz 65 dB AD 8362 50 Hz … 2,7 GHz 0,5 dB 60 dB AD 8364 LF…2,7 GHz, dual 60 dB AD 8363 50 Hz … 6 GHz 50 dB ADL 5511 DC…6 GHz auch Envelope Tabelle 2: Einige moderne TruPwr-Detektoren hf-praxis 5/2013 29
