Оглавление:
Предлагаем ознакомиться с проектом широкополосного аналогового мультиметра для измерения переменного напряжения и тока в диапазоне от 20 Гц до 1 МГц с выбираемой чувствительностью от 1 мВ до 100 В, а также амперметра с диапазоном тока от 10 мА до 10 А.
Может показаться удивительным предлагать чисто аналоговые измерители, когда сейчас широко используются цифровые. Но практически все цифровые имеют аналоговые схемы, предшествующие аналого-цифровому преобразователю (АЦП). Широкополосные аналоговые вольтметры с частотами от менее 20 Гц до 200 кГц широко использовались в прошлом и до сих пор очень полезны.
Характеристики широкополосного измерителя
С современными операционными усилителями (ОУ) конструкция этого аналогового измерителя может быть значительно упрощена. Схема обеспечивает ровную полосу пропускания от 20 Гц до 1 МГц (-1 дБ на 10 Гц) с использованием недорогих компонентов.
Нетрудно добавить возможность измерения токов в цепях, в которых введение сопротивления 0,1 Ом на заземленный конец не приводит к значительному снижению тока. Если прибор работает от батареи или имеет конструкцию класса безопасности 2, заземляющее соединение не обязательно должно быть реальным заземлением.
Тут шесть диапазонов напряжения: 1, 10, 100 мВ и 1, 10, 100 В (полная шкала), и четыре диапазона тока: 10, 100 мА и 1, 10 А (полная шкала). В конструкцию входит широкополосный пиковый детектор, чувствительность которого можно переключать для считывания пикового напряжения или среднеквадратичного (RMS) синусоидального сигнала.
Предусмотрена установка внешних фильтров для обеспечения специальных частотных характеристик. Эта функция также позволяет использовать измеритель как два отдельных усилителя с переключаемым регулируемым коэффициентом усиления.
Прибор работает от двух батареек 9 В или двухполярного блока питания +/-9 В. Потребляемый ток составляет менее 25 мА для каждой батареи, поэтому можно прогнозировать длительный срок службы.
Проект аналогового ампер-вольт метра
Входной аттенюатор — переключатель режима тока, необходим так как хотим измерять напряжения до 100 В, а его нельзя подать непосредственно на усилитель. Токовый режим выбирается таким образом, чтобы последовательно с токоизмерительным резистором не было переключающего контакта, что устраняет потенциальный источник ошибки. Небольшая плата заключается в том, что для работы в текущем режиме требуется отдельный разъем.
Использование двух ОУ для усиления
Усилителю требуется коэффициент усиления около 1000 (60 дБ), чтобы получить показания полной шкалы для входного сигнала 1 мВ. Это достигается за счет использования в LM4562 двух ОУ с коэффициентом усиления 31,62 каждый. Чип LM4562 на самом деле предназначен для Hi-Fi предусилителей, поэтому имеет низкий уровень шума и искажений, а также широкую полосу пропускания. С напряжением смещения дело обстоит не так уж и плохо, но в данном устройстве это можно преодолеть.
Поскольку есть два усилительных каскада, легко обеспечить разъемы и переключатели, чтобы другие микросхемы можно было вставить между двумя усилителями, и их также можно было использовать в качестве независимых усилителей, если на выходе второго будет добавлен дополнительный разъем.
Выбор детектора преобразования
Необходимо принять важное решение относительно типа детектора, предназначенного для преобразования усиленного сигнала в постоянный ток для работы либо с цифровым дисплеем, либо со стрелочным индикатором.
- Простейший детектор относится к полуволновому усредненному типу, который мало что говорит о сигнале и может скрывать значительный скачок напряжения в необнаруженном полупериоде.
- На другом конце шкалы сложности находится детектор «истинного среднеквадратичного значения», помеченный как «истинный», чтобы отличить его от детектора среднего значения, усиление которого было настроено для считывания среднеквадратичного значения волнового сигнала, но не всех остальных. Это хорошо, если хотим узнать среднеквадратичное значение сигнала, но единственным доступным по цене устройством является чип AD736, который ограничен частотой 200 кГц, тогда как усилитель работает до 1 МГц и выше.
- Третьим типом детектора является полноволновый пиковый, который можно собрать по разумной цене. Часто необходимо измерить пиковое значение сигнала, так как оно может указывать на то, что что-то в цепи перегружено и пиковое значение обрезано. Также легко найти среднеквадратичное значение синусоидального сигнала (даже с искажением до 10 %), разделив пиковое значение на 1,4 или умножив на 0,7, если форма волны не сильно обрезана. Это легко организовать, поскольку для этого требуется включить аттенюатор на 3 дБ.
Другой простой аттенюатор интерполирует между шагами 20 дБ (10 раз) переключателя диапазона, что позволяет всем показаниям выше 0,5 мВ на стрелочном приборе находиться в верхней половине шкалы. Причем могут применяться оба аттенюатора.
Поиск опубликованных полноволновых пиковых детекторов работающих до 1 МГц, оказался безрезультатным, но путем слияния методов двух неподходящих детекторов было найдено решение, использующее еще один ОУ LM4562 и два ВЧ биполярных транзистора BF140. Конечно, можно использовать и другие транзисторы с аналогичными или лучшими характеристиками.
Проектирование схемы проекта
Для этого эксперимента блоки описываются по отдельности с их схемами (за исключением усилителей), в которых используется двойной ОУ и двухполюсный переключатель, поэтому их разделение может привести к путанице. Вся схема слишком велика, чтобы ее можно было разместить на одной странице. Соединения питания на операционных усилителях показаны только как V+ и V– и в блоке питания, чтобы избежать слишком большого количества длинных проводов.
Входной аттенюатор и переключатель тока
Схема входного аттенюатора и переключателя токового режима показана на рисунке.
Переключатель показан в положении максимальной чувствительности. Начиная с нижнего положения и двигаясь по часовой стрелке, ступени переключателя: текущий режим (10 мА), 100 В, 10 В и 1 В.
Резистор датчика тока (и все остальные резисторы, если не указано иное) должен иметь допуск ±1%, так что это не дешевый компонент, но доступный. Альтернативой является параллельное использование резистора 0,15 Ом с другим сопротивлением, выбранным так, чтобы сопротивление было близким к 0,1 Ом. Он не должен быть проволочным, если он не в металлическом корпусе, потому что в противном случае индуктивность может внести ошибку на высоких частотах: 100 нГн составляет 628 мОм на 1 МГц.
Обратите внимание, что токоизмерительный резистор подключен к входному разъему как можно ближе, чтобы не создавать дополнительного сопротивления. По той же причине последовательно отсутствует блокирующий конденсатор по постоянному току. Если используется компонент с номинальной мощностью 1 Вт или более, любой констроль постоянного тока менее 10 А не должен вызывать проблем.
C2 должен быть полиэфирным пленочным конденсатором с номиналом 250 В или выше, если используете более высокие напряжения постоянного тока.
Подстроечный конденсатор предназначен для корректировки затухания на высоких частотах. Эти значения подошли, но емкости сильно зависят от конструкции, поэтому вам могут понадобиться другие значения.
Усилители и переключатель диапазона
Схема показана на рисунке.
Коммутация устроена так, что в цепи сигнала нет неиспользуемых резисторов; они привязаны к земле. Переключение для аттенюаторов 3/10/13 дБ и «Внешнего фильтра» описано в следующем разделе.
Переключатели показаны в положении 1 В. Каждый шаг изменяет усиление на 10 дБ на каждом полюсе переключателя, что дает шаг 20 дБ (10 раз).
Низкое значение резисторов обратной связи R10 и R16 является ключом к получению широкой полосы пропускания. Они должны быть как можно ближе к 2,2 кОм, что может означать выбор из нескольких компонентов.
R5 и R10 могут иметь значение серии E96 71,5 Ом или 82 Ом || 560 Ом (|| означает параллельно). R6 и R11 180 Ом || 3,3 кОм. R7 и R12 — 820 Ом || 10 кОм. Очевидно, что возможны и другие комбинации. Дополнительно R8 и R13 могут быть 220 кОм.
Необходимо максимально приблизиться к требуемым значениям, поскольку от этого зависит точность прибора. По возможности следует избегать предустановленных резисторов или использовать высококачественные компоненты; в противном случае пострадает стабильность калибровки.
Обратите внимание, что использование резисторов 2,2 кОм и 220 кОм для настройки усиления обратной связи дает неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 1,01 (0,086 дБ), что достаточно близко к 1.
Дополнительные аттенюаторы и фильтры
Аттенюаторы на 3 дБ (синусоидальный сигнал от пика до среднеквадратичного значения) и 10 дБ (масштабная лупа) и переключатели внешнего фильтра показаны на рисунке.
Как и прежде, необходимо измерить резисторы и подобрать наиболее близкие к требуемым номиналам. Помогает то, что в этом случае можно использовать предпочтительные значения E12 за счет одного дополнительного резистора для сети -13 дБ. Полезно проверить, насколько хорошо резисторы серии Е12 обеспечивают требуемое затухание.
Используя резисторы с измеряемым значением, ошибку можно свести к минимуму, добавив резистор с низким значением последовательно с тем резистором, который слишком мал. Например, если бы резисторы для 3 дБ были точно 3,3 кОм и 8,2 кОм, ошибку можно было бы исправить, добавив 82 Ом последовательно с 3,3 кОм.
В этой схеме довольно удобно использовать тумблеры, но можно и ползунковые или поворотные переключатели.
Пиковый детектор и измеритель
Пиковый детектор показан на рисунке.
Он имеет три функции, обеспечивающие широкую полосу пропускания:
- Значения резисторов намного ниже, чем обычно в этих схемах.
- В первом каскаде используются диоды Шоттки.
- Для минимизации нагрузки на выходе второго каскада используются два эмиттерных повторителя.
Диоды BAT54 можно заменить на BAT85. D3 защищает от чрезмерного тока, если переключатель диапазонов установлен неправильно.
Элементы BF240, использованные в прототипе, могли быть заменены другими устройствами с очень похожими характеристиками. Несмотря на то что это старый транзистор, он все еще доступен и использовался для радиочастотных каскадов FM-радио, поэтому другие для той же службы могут подойти. Имейте в виду, что транзисторы общего назначения, такие как BC547 и 2N3904, не подходят.
Кроме того, R23 и R26 можно сделать из двух резисторов 1к, а R32 можно сделать из резисторов 10к и 56к параллельно. Значение выбирается таким образом, чтобы предустановленный резистор, отрегулированный на показания 1 В на измерителе с входным среднеквадратичным значением 1 В на частоте 1 кГц и примененным аттенюатором 3 дБ, находился примерно на полпути по его дорожке. Вместо R32, RV1 и стрелочника M можно подключить цифровой дисплей.
Источник питания прибора
Схема блока питания показана на рисунке.
Конденсаторы емкостью 100 нФ следует устанавливать как можно ближе к выводам микросхемы на стороне питания дорожки. Если бы дорожка шла сначала к выводу м/с, а затем к конденсатору, последовательно с конденсатором возникала бы нежелательная индуктивность, а для резонанса с конденсатором емкостью 100 нФ не требуется большой индуктивности.
Сборка измерителя
Если не указано иное (например, «зависит от компоновки»), числа основаны на измеренных значениях прототипа.
- Входное сопротивление (все диапазоны напряжения): 1 МОм ±1%
- Входная емкость: 20 пФ (зависит от компоновки)
- Частотная характеристика: Плоская от 20 Гц до 1 МГц: -1 дБ при 10 Гц и 1,2 МГц.
- Диапазоны напряжения: 1–10–100 мВ–1–10–100 В; Точность зависит от того, насколько резисторы переключателя диапазона и аттенюатора близки к своим правильным значениям.
- Выход постоянного тока: при подаче 1 В RMS на частоте 1 кГц на вход напряжения и переключателе диапазонов, установленном на 1 В, с аттенюатором 3 дБ в цепи выходное напряжение постоянного тока на стыке R29 и R30 должно быть в пределах 0,95. V до 1,05 В. Если это не так, немного отрегулируйте значение R16 (чтобы не исправить БОЛЬШУЮ ошибку).
- Диапазоны тока: 10–100 мА –1 А. Точность зависит от точности переключения диапазонов и от того, насколько токочувствительный резистор R1 близок к правильному значению.
- Выход постоянного тока: при действующем токе 1 А на частоте 1 кГц, подаваемом на токовый вход, и переключателе диапазонов, установленном на 100 мВ, с аттенюатором 3 дБ в цепи выходное напряжение постоянного тока на стыке R29 и R30 должно быть в пределах 0,95. V до 1,05 В. Если это не так, немного отрегулируйте значение R1 (чтобы не исправить БОЛЬШУЮ ошибку).
Вы можете получить 1 А, используя аудиоусилитель с резистором 8 Ом ± 1% последовательно с выходом и токовым входом. Отрегулируйте уровень входного сигнала, чтобы получить среднеквадратичное значение 8 В на резисторе 8 Ом.
Частотные характеристики при каждом значении диапазона показаны на рисунках далее.
Дополнительные внешние фильтры должны иметь входное сопротивление не менее 10 кОм и выходное сопротивление не более 1 кОм. Чтобы предотвратить попадание нежелательных радиочастотных излучений в прибор, необходим металлический корпус. Возможно, потребуется поставить ферритовые кольца на все входы и выходы как можно ближе к разъему. Между входами каждого операционного усилителя может потребоваться конденсатор очень малой емкости, например 10 пФ.
