Изложен принцип создания измерителей добротности (Q-метров) с ударным возбуждением колебательного контура, подсчет количества затухающих импульсов которого производится преобразованием их в пропорциональное выходное напряжение. Это напряжение может быть измерено с высокой точностью простейшим цифровым мультиметром.
Добротность является одной из важнейших характеристик колебательного контура, она определяет качество катушки индуктивности, степень потери электрической энергии в ней. Добротность определяется как отношение реактивного сопротивления катушки индуктивности к ее активному сопротивлению. При использовании катушки в составе колебательного контура добротность колебательного контура может быть определена по формуле Q = F0/ΔF, где ΔF – ширина полосы пропускания на уровне –3 дБ относительно максимума полосы пропускания F0.
Для измерения добротности катушек индуктивности известно много альтернативных способов [1]. Однако, как правило, все эти способы достаточно непросты в реализации.
Один из достаточно доступных способов измерения добротности был описан в работе [2]. Метод заключается в ударном возбуждении катушки индуктивности и последующем подсчете количества затухающих до определенного уровня напряжения импульсов с использованием внешнего измерительного прибора – цифрового частотомера. Использование этого способа напрямую подразумевает использование стационарной прецизионной измерительной техники.
В настоящей статье для подсчета затухающих импульсов при ударном возбуждении колебательного контура используется иной, более простой способ, а именно – преобразование количества импульсов в пропорциональное приращение выходного напряжения. Это напряжение с высокой точностью может быть измерено простейшим портативным измерительным прибором – мультиметром. В этой связи все устройство для измерения добротности катушек индуктивности может быть размещено в объеме спичечного коробка, причем сам процесс измерения практически мгновенен.
Для начала рассмотрим теоретическое обоснование способа измерения. На Рисунке 1 представлена эквивалентная схема параллельного колебательного контура, подключенного к источнику сигнала G. На этом рисунке RИСТ является внутренним сопротивлением источника сигнала, конденсатор C представляет собой собственную емкость катушки индуктивности и внешнего дополнительно подключенного конденсатора, RИНД представляет собой активное сопротивление катушки индуктивности и RНАГР – сопротивление нагрузки. В свою очередь, эквивалентную схему любого конденсатора можно представить в виде последовательно RПОСЛ или параллельно RПАРАЛ включенного конденсатору сопротивления.
 | |
| Рисунок 1. | Эквивалентная схема параллельного колебательного контура с учетом сопротивлений источника сигнала RИСТ, нагрузки RНАГР и катушки индуктивности RИНД, а также конденсатора C. |
На Рисунке 2 показан принцип измерения добротности Q путем подсчета количества надпороговых импульсов N затухающих колебаний при ударном возбуждении колебательного контура. Из теоретических предпосылок [1] следует, что добротность катушки индуктивности можно определить по количеству импульсов, зарегистрированных за время tИ, при котором амплитуда этих импульсов относительно начального уровня снизится в 23.14 раза:
На самом деле это выражение для определения добротности справедливо для случая бесконечно большого сопротивления источника сигнала RИСТ, равно как и сопротивления нагрузки RНАГР, что в действительности не выполняется на практике. Сопротивление источника сигнала, а также сопротивление нагрузки непременно шунтируют колебательный контур и снижают добротность катушки индуктивности. Добротность колебательного контура также зависит от емкости конденсатора: чем меньше емкость и чем больше индуктивность, тем выше добротность.
 | |
| Рисунок 2. | Затухающие колебания в колебательном контуре при его ударном возбуждении. |
На Рисунке 3 показана эквивалентная схема измерителя добротности, поясняющая принцип измерения путем преобразования количества импульсов в выходное напряжение. При нажатии на кнопку SB1.1 конденсатор C, предварительно заряженный до напряжения питания устройства, подключается к катушке индуктивности L, возбуждая в ней затухающие колебания. Эти колебания поступают на вход порогового устройства и преобразуются в прямоугольные импульсы, которые поступают на вход счетчика импульсов на микросхеме DD1. Резистивная матрица на выходе счетчика преобразует количество подсчитанных входных импульсов в пропорциональное им выходное напряжение, которое может быть измерено внешним цифровым измерителем напряжения PA1 (мультиметром). Сдвоенная с кнопкой SB1.1 кнопка SB1.2 предназначена для обнуления показаний счетчика (подготовки счетчика к началу работы).
 | |
| Рисунок 3. | Принцип работы Q-метра ударного возбуждения с преобразованием количества затухающих надпороговых импульсов в напряжение. |
Значение емкости конденсатора C должно соответствовать емкости конденсатора, совместно с которым катушка индуктивности будет работать в составе настраиваемого или проектируемого устройства. Максимальная частота возбуждения колебательного контура для обеспечения корректных измерений определяется частотными свойствами порогового устройства и микросхемы счетчика импульсов.
На Рисунке 4 приведена практическая схема измерителя добротности с использованием в качестве порогового элемента компаратора DA1.1 микросхемы LM3302. К выходу компаратора подключен счетный вход многорегистрового счетчика импульсов на микросхеме DD1 CD4040B. К выходам счетчика импульсов подключена резистивная матрица R7–R16. Выходное напряжение на резисторе R16 измеряется внешним цифровым мультиметром, например, DT-830 или DT-832 или ему подобным.
 | |
| Рисунок 4. | Q-метр ударного возбуждения с использованием счетчика импульсов CD4040B. |
В соответствии с теоретическими предпосылками порог переключения компаратора DA1.1 при помощи резистивного делителя R2, R3 установлен на уровне 432 мВ. Резистивная матрица выполнена из набора резисторов, сопротивление каждого из которых меньше в два раза по отношению к предыдущему резистору матрицы. Каждому импульсу, поступающему на вход счетчика импульсов, соответствует приращение выходного напряжения на 10 мВ.
Резисторы матрицы составляют из параллельно или последовательно включенных резисторов, предварительно отобранных с минимальным отклонением по одинаковому стандартному номиналу, например, 240, 120, 30, 15, 7.5 кОм. Резистор R16 можно составить из резистора номиналом 910 Ом + подстроечного резистора (потенциометра).
Как известно, широко распространенные цифровые мультиметры при работе в диапазоне измерения 2 В имеют разрешение 1 мВ, что позволяет измерять добротность колебательного контура до значений Q = 200. Напряжения выше 2 В измеряются с шагом 10 мВ. При использовании восьми разрядов счетчика максимальное значение измеряемой добротности Q = 256. При желании диапазон измеряемых значений может быть расширен до значений Q = 512 и выше за счет использования ранее не задействованных разрядов.
На Рисунке 5 показана схема измерителя добротности, работающего на TTL-логике. В частности, в качестве счетчика импульсов использована микросхема DD1 SN74LS393. В связи с тем, что напряжение питания устройства составляет 5 В, напряжение сравнения (переключения) компаратора DA1.1 устанавливается резистивным делителем R2, R3 на уровне 216 мВ.
 | |
| Рисунок 5. | Q-метр ударного возбуждения с использованием счетчика импульсов SN74LS393. |
Максимально упрощенная схема индикатора уровня добротности приведена на Рисунке 6. В качестве порогового элемента использован полевой транзистор VT1 2N7002. Поскольку управлять порогом переключения транзистора невозможно, для настройки устройства используют подбор напряжения питания. Устройство содержит семиразрядный счетчик импульсов DD1 CD4024, что позволяет оценить значение добротности катушки индуктивности в диапазоне от 0 до 128.
 | |
| Рисунок 6. | Индикатор добротности ударного возбуждения с использованием счетчика импульсов CD4024. |
Каждому зарегистрированному импульсу соответствует приращение выходного напряжения 20 мВ.