RF Milivoltmeter 411A European Version (115/230 V)

Das HF Millivoltmeter von HP hat einen Tastkopf, der 2 Dioden enthält. Eine Diode richtet die zu messende HF Spannung gleich, während die zweite Diode (als Referenzdiode) eine 100kHz Schwingung gleichrichtet.

Die zu messende HF Spannung (500kHz - 500MHz) kommt also nur bis zum Tastkopf, während das "Gerät" an sich nur die gleichgerichtete HF Spannung weiter verarbeitet.
Hier wäre eigentlich ein Gleichspannungsverstärker erforderlich. Da aber Gleichspannungsverstärker kritisch sind bezüglich der Stabilität ihres Arbeitspunktes und einen starken Temperaturgang haben, wird statt dessen die (sehr kleine) Gleichspannung, die die Dioden liefern, mit Hilfe eines Choppers zerhackt, so daß eine Wechselspannung entsteht. Diese Wechselspannung kann man mit Hilfe (jetzt eines Temperatur stabilen) Wechselspannungs-Verstärkers sehr leicht in definierter Weise verstärken. Zur Anzeige mit Hilfe eines Zeigerinstruments (Drehspul-Instrument) wird die verstärkte Wechselspannung wieder gleichgerichtet.

Das Blockschaltbild des in Röhrentechnik ausgeführten Gerätes zeigt Bild 4-1.

Links oben sind die beiden Dioden in dem gestrichelten Rechteck. 

Die gewählte Schaltung ist augenscheinlich eine Regelkreisstruktur, wie dem Begriff "Feedback" zu entnehmen ist.
Zur Analyse der Regelkreisstruktur wird diese vereinfacht, indem Böcke zusammengefaßt werden.

In der oberen Struktur sieht man links die beiden Dioden für die HF Spannung und die 100kHz Schwingung, deren gleichgerichtete Spannungen von einander subtrahiert werden. (Technisch im Comparator mit anschließender Modulation durch den Chopper)

Es folgt ein Verstärkungs-Steller, der den Verstärkungsfaktor K ergibt. (Drehknopf an der Frontseite des Gerätes zur Einstellung des Meßbereichs)

Anschließend durchläuft das Signal einen (Wechselspanungs-) Verstärker mit sehr hoher Verstärkung V (und einen Gleichrichter, der im Regelkreis weggelassen ist) um dann zur Anzeige zu gelangen.

Das Ausgangssignal wird nun auch einem Multiplizierer (Modulator) zugeführt und bestimmt damit die Amplitude einer 100kHz Träger-Schwingung. Dieser 100kHz Träger durchläuft dann einen Spannungsteiler mit dem (reziproken) Verstärkungsfaktor 1/K und gelangt so zur Referenz-Diode. Die Werte für K und 1/K werden gemeinsam geschaltet, so daß immer K*(1/K)=1 ist.

Die Schaltung ist also so ausgelegt, daß die Signaldiode und die Referenzdiode jeweils im gleichen Spannungsbereich arbeiten.

Die beiden Dioden sind auf gleiche Kennlinien ausgesucht, so daß sie (vereinfacht) für den Regelkreis als gleich angesehen werden können.

In der unteren Regelkreisstruktur werden (verallgemeinert) nur die Signale X_e und X_a (Signal-Informationen) betrachtet. Da die Eigenschaften der Dioden als gleichartig angenommen sind, werden diese als "Nichtlinearität" N angesetzt und hinter die Summierstelle verschoben. Eine solche Umformung ist zulässig, wenn man beachtet, daß die sowohl im "Vorwärts-Weg" als auch im "Schleigen-Weg" befindlichen Übertragungs-Blöcke sich dadurch nicht ändern dürfen.

Für den Vorwärts-Weg gilt:

X_a = N*K*V*X_e

Für den Schleifen-Weg gilt:

X_a = (1/K)*N*K*V*X_a

Also gilt insgesamt, wenn man die "Summierstelle" (Subtrahierstelle) berücksichtigt:

X_a = N*K*V*X_e - (1/K)*N*K*V*X_a

X_a(1 + (1/K)*N*K*V) = N*K*V*X_e

Daraus folgt:

X_a/X_e = (N*K*V)/(1 + (1/K)*N*K*V)

Wird nun V sehr groß (theoretisch V → ∞ ) so folgt wegen (1/K)*K = 1:

X_a/X_e = K

Das bedeutet aber, daß der Frequenzgang des Millivoltmeters frequenz-unabhängig (bis zur Grenzfrequenz der Diode) ist und einen konstanten Wert K hat, der mit Hilfe des Einstellknopfes auf der Frontseite des Gerätes gewählt wird. Zudem ist auch die Skala im Anzeigeinstrument linear eingeteilt.

Das wird sofort erkennbar, wenn die letzte Gleichung umgeformt wird:

X_a = K*X_e

Also ist die Ausgangsgröße (die Anzeige des Meßinstruments) proportional zur Eingangsgröße (der Amplitude der HF Schwingung). Daher ist die Anzeige linear und unabhängig von der "krummen" Kennlinie der Dioden.

Durch die Bedingung V → ∞ fällt die Auswirkung der Nichtlinearität N der Diode heraus, da N sowohl im Zähler, als auch im Nenner steht und sich dadurch heraus kürzt.

Die Skala ist in Effektiv-Werten (RMS, root mean square) der Spannung beschriftet. Aber das gilt nur dann, wenn die zu messende HF Spannung ebenfalls sinusförmig ist, wie die interne Referenz-Spannung von 100kHz. Das Gerät ist also kein "True RMS" Meßgerät.

Ohne diese Regelkreis-Struktur hätte ein HF Millivoltmeter erstens keine linear unterteilte Skala und brauchte zweitens für jede Einstellung des Eingangsteilers eine extra Skaleneinteilung, weil da die krumme Kennlinie der Gleichrichter-Diode voll zum Tragen käme. Tatsächlich gab es zur damaligen Zeit auch derartige Geräte.

Das HP 411A war in so weit ein Meilenstein, als hier (die ursprünglich getrennten) Fachgebiete HF-Technik bzw. Schaltungstechnik und Regelungstechnik verknüpft wurden.

MfG DR

Dietmar Rudolph † 6.1.22, 13.Aug.15

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Im Beitrag "RF- Millivoltmeter als Regelkreis" wurde gezeigt, daß durch die hier verwirklichte Regelkreis-Struktur die Nichtlinearität der Gleichrichter-Diode in ihrer Wirkung eliminiert wurde. Dadurch ergab sich - trotz der Krümmung der Diodenkennlinie - eine lineare Unterteilung der Skala der Anzeige. (Dies war für die damalige Zeit eine beachtliche Neuerung, weil hier die früher getrennten Fachgebiete der "Schwachstrom-Technik" (Hochfrequenz-Technik & Schaltungs-Technik) und der "Starkstrom-Technik" (Regelungs-Technik) verknüpft wurden.

Die hier angewendete Linearisierung beruht darauf, daß (im "Vorwärts-Zweig") eine sehr große Verstärkung realisiert wird.

Nun kommen aber aus einer Gleichrichter-Diode bei einer HF-Spannung im Millivolt-Bereich ebenfalls nur Millivolts an Gleichspannung heraus. Und die müssen nun sehr stark verstärkt werden. Da hat man technisch ein Problem, weil die Arbeitspunkte der Röhren und deren Temperaturabhängigkeit ebenfalls im Millivolt-Bereich schwanken. Folglich geht eine definierte Gleichspannungsverstärkung über mehrere Verstärkerstufen so kleiner Spannungen nicht. Die Anzeige würde in einem solchen Fall praktisch beliebig "spazieren laufen".

Abhilfe schafft es da, die zu verstärkende Gleichspannung in eine Wechselspannung zu wandeln. Denn Verstärker (auch für sehr kleine) Wechselspannungen lassen sich sehr temperaturstabil realisieren. Bei Röhrenverstärkern genügt dabei meist schon ein richtig dimensionierter Kathoden-Widerstand, der ja eine Gleichstrom-Gegenkopplung darstellt.

Womit konnte (nach dem damaligen Stand der Technik) eine Gleichspannung im Millivolt-Bereich "zerhackt" werden, ohne daß dabei ein (störendes) Übersprechen von der den Zerhacker (Chopper) steuernden Spannung entsteht?

Die Lösung, für die man sich bei diesem Millivoltmeter entschied, war, lichtabhängige Widerstände (V₁, V₂, V₃, V_4,  magenta eingerahmt ) periodisch zu beleuchten. 

In dem Schaltungs-Ausschnitt sieht man links die HF-Gleichrichter-Diode CR1 und die Referenz-Diode CR2. Die von diesen Dioden erzeugten Gleichspannungen werden abwechselnd auf das Gitter der 1. Verstärker-Röhre V3A (12AX7 = ECC83) gegeben. Je nach Beleuchtung der Foto-Widerstände wird entweder die gleicherichtete HF-Spannung oder die gleichgerichtete Referenz-Spannung zum Gitter der Röhre V3A "durch gelassen". Die so entehende Wechselspannung wird nun in einem 3 stufigen Wechselspannungs-Verstärker verstärkt. Die verstärkte Wechselspannung wird am Ende des Wechselspannungs-Verstärkers wieder mit Hilfe von 2 Foto-Widerständen (phasenrichtig) in die beiden (dann verstärkten) Gleichspannungen aufgeteilt. Hier entsteht auch die für einen Regelkreis wesentliche "Differenz-Bildung" der beiden Spannungen. Diese Differenz-Spannung wird  mit Hilfe des 1µF Kondensators C46 geglättet, so daß hier wieder eine (saubere) Gleichspannung zur Verfügung steht, die hinter dem Kathoden-Folger zur Anzeige zur Verfügung steht.

Rein mechanisch besteht der Chopper aus einem Synchron-Motor mit einem Flügelrad. Das Licht der Glühlämpchen wird durch das Flügelrad gechoppt und beleuchtet so die Fotowiderstände. Durch die "Flügel" und die Positionierung der Lämpchen sind die korekten Phasenbeziehungen festgelegt.

Oben ist eine Aussparung, wo man die Rotation des Flügelrades kontrollieren kann. In der linken Hälfte dieser Aussparung ist jetzt ein Flügel erkennbar.

Der Ausgangs-seitige Chopper, d.h. die Foto-Widerstände, ist links unmittelbar hinter den Glühlämpchen, während der Eingangs-seitge Chopper rechts hinter den Glühlämpchen sitzt. Aber nicht direkt, sondern das Licht wird über 2 Glasstäbe zugeführt. Die Foto-Widerstände V1 und V2 sind in dem Kästchen rechts untergebracht.

Im Schaltplan des HP411A ist als Gleichrichter eine 6X4 angegeben. Tatsächlich eingebaut sind aber 2 Selengleichrichter ECO-0952. (Lötstellen sehen original aus.)

Die Fassung der 6X4 ist von der Röhrenseite mit einem Pertinax-Plättchen blockiert, damit keine Röhre zusätzlich eingesteckt wird.

Abschließend noch ein Bilck auf die andere Seite des Gerätes.

MfG DR

Dietmar Rudolph † 6.1.22, 17.Aug.15

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