Вольтметр зробити операційний підсилювач. Середньоквадратичний вольтметр змінного струму. Технічні характеристики вольтметра
Висока точність вимірів величини ВЧ-напруг (до третього-четвертого знака) у радіоаматорській практиці, власне, і не потрібна. Більш важлива якісна складова (наявність сигналу досить високого рівня – чим більше, тим краще). Зазвичай, при вимірюванні ВЧ-сигналу на виході гетеродина (генератора), така величина не перевищує 1,5 - 2 вольт, а сам контур резонанс налаштовують за максимальною величиною ВЧ напруги. При налаштуваннях у трактах ПЧ сигнал покаскадно підвищується від одиниць до сотні мілівольт.
При налаштуваннях гетеродинів, трактів ПЧ досі часто застосовуються лампові вольтметри (типу ВК 7-9, В7-15 та ін) з діапазонами вимірів 1 - 3в. Високий вхідний опір і мала вхідна ємність в таких приладах є визначальним фактором, а похибка становить до 5-10% і визначається точністю стрілочної вимірювальної головки, що застосовується. Вимірювання таких параметрів можна проводити за допомогою саморобних стрілочних приладів, схеми яких виконані на мікросхемах з польовими транзисторами на вході. Наприклад, у ВЧ мілівольтметрі Б.Степанова (2) вхідна ємність становить всього 3 пФ, опір на різних піддіапазонах (від 3 мВ до 1000 мВ) навіть у гіршому випадку не перевищує 100 кОм при похибці +/- 10% (визначається голкою, що застосовується і похибкою КВП для градуювання). При цьому вимірювана ВЧ напруга з верхньою межею частотного діапазону 30 мГц без явної частотної похибки, що цілком прийнятно в практиці радіоаматорської.
За схемотехнікою пропонований прилад дуже простий, а мінімум комплектуючих, що застосовуються, знайдуться «в ящику» практично кожного радіоаматора. Власне, у схемі нічого нового немає. Застосування ОУ з цією метою докладно описано в радіоаматорській літературі 80-90 років (1, 4). Використана широкорозповсюджена мікросхема К544УД2А (або УД2Б, УД1А, Б) з польовими транзисторами на вході (а отже, з високим вхідним опором). Можна застосовувати будь-які операційні підсилювачі інших серій з польовиками на вході та в типовому включенні, наприклад, К140УД8А. Технічні характеристики мілівольтметра-вольтметра відповідають наведеним вище, оскільки основою приладу стала схема Степанова (2).
У режимі вольтметра коефіцієнт посилення ОУ дорівнює 1 (100% ООС) та напруга вимірюється мікроамперметром до 100 мкА з додатковими опорами (R12 – R17). Вони, власне, визначають піддіапазони приладу в режимі вольтметра. При зменшенні ООС (перемикачем S2 включаються резистори R6 – R8) Кус. зростає відповідно підвищується чутливість операційного підсилювача, що дозволяє його використовувати в режимі мілівольтметра.
Особливістю запропонованої розробки є можливість роботи приладу у двох режимах - вольтметра постійного струму з межами від 0,1 до 1000, мілівольтметра з верхніми межами піддіапазонів 12,5, 25, 50 мВ. При цьому в двох режимах використовується той самий дільник (Х1, Х100), так що, наприклад, на піддіапазоні 25 мВ (0,025 в) із застосуванням множника Х100 можна вимірювати напругу 2,5 в. Для перемикання піддіапазонів приладу застосовано один багатопозиційний двоплатний перемикач.
Із застосуванням виносного ВЧ-пробника на германієвому діоді ГД507А можна вимірювати ВЧ-напругу в тих піддіапазонах з частотою до 30 мГц.
Діоди VD1, VD2 захищають стрілочний вимірювальний прилад від перевантаження при роботі.
Ще однією особливістю захисту мікроамперметра при перехідних процесах, що виникають при включенні-вимкненні приладу, коли стрілка приладу зашкалює і може навіть погнутися, є застосування релейного відключення мікроамперметра та замикання виходу ОУ на резистор навантаження (реле Р1, С7 і R11). При цьому (при включенні приладу) на зарядку С7 потрібні частки секунди, тому реле спрацьовує із затримкою і підключається мікроамперметр до виходу ОУ на частки секунди пізніше. При вимиканні приладу С7 розряджається через лампу-індикатор дуже швидко, реле знеструмлюється та розриває ланцюг підключення мікроамперметра раніше, ніж повністю знеструмляться ланцюги живлення ОУ. Захист власне ОУ здійснюється включенням входу R9 і С1. Конденсатори С2, С3 є блокувальними та запобігають збудженню ОУ.
Балансування приладу («установка 0») здійснюється змінним резистором R10 на піддіапазоні 0,1 (можна і на більш чутливих піддіапазонах, але при включеному виносному пробнику зростає вплив рук). Конденсатори бажані типу К73-хх, але за їх відсутності можна взяти і керамічні 47-68н. У виносному щупі-пробнику застосований конденсатор КСВ на робочу напругу не менше 1000в.
Налаштування мілівольтметра-вольтметра проводиться у такій послідовності. Спочатку налаштовують дільник напруги. Режим роботи – вольтметр. Підстроювальний резистор R16 (піддіапазон 10в) встановлюють на максимальний опір. На опорі R9, контролюючи зразковим цифровим вольтметром, встановлюють напругу від стабілізованого джерела живлення 10 (положенні S1 - Х1, S3 - 10в). Потім у положенні S1 - Х100 підстроювальними резисторами R1 і R4 за зразковим вольтметром встановлюють 0,1в. При цьому в положенні S3 - 0,1 стрілка мікроамперметра повинна встановитися на останню позначку шкали приладу. Співвідношення 100/1 (напруга на резисторі R9 - Х1 - 10в до Х100 - 0,1в, коли положення стрілки приладу, що настроюється на останньому розподілі шкали на піддіапазоні S3 - 0,1в) перевіряють і коригують кілька разів. При цьому обов'язкова умова: при перемиканні S1 зразкову напругу 10в не можна змінювати.
Далі. У режимі вимірювання постійної напруги в положенні перемикача дільника S1 - Х1 і перемикача піддіапазонів S3 - 10в змінним резистором R16 встановлюють стрілку мікроамперметра на останній поділ. Результатом (при 10 на вході) повинні бути однакові показання приладу на піддіапазоні 0,1в - Х100 і піддіапазоні 10в - Х1.
Методика налаштування вольтметра на піддіапазонах 0,3в, 1в, 3в та 10в колишня. При цьому положення двигунів резисторів R1, R4 у дільнику міняти не можна.
Режим роботи - мілівольтметр. На вході 5 ст. У положенні S3 - 50 мВ дільник S1 - Х100 резистором R8 встановлюють стрілку на останній поділ шкали. Перевіряємо показання вольтметра: на піддіапазоні 10в Х1 або 0,1в Х100 стрілка повинна бути на середині шкали - 5в.
Методика налаштування на піддіапазонах 12,5мВ і 25мВ така ж, як і для піддіапазону 50мВ. На вхід подається відповідно 1,25 і 2,5 при Х 100. Перевірка показань проводиться в режимі вольтметра Х100 - 0,1в, Х1 - 3в, Х1 - 10в. Слід врахувати, що коли стрілка мікроамперметра знаходиться у лівому секторі шкали приладу, похибка при вимірах збільшується.
Особливість такої методики калібрування приладу: не потрібна наявність зразкового джерела живлення 12 - 100 мВ та вольтметра з нижньою межею вимірювання менше 0,1 ст.
При калібруванні приладу в режимі вимірювання ВЧ напруг виносним пробником на піддіапазони 12,5, 25, 50 мВ (за потреби) можна побудувати коригувальні графіки або таблиці.
Прилад зібраний навісним монтажем у металевому корпусі. Його розміри залежать від розмірів вимірювальної головки і трансформатора блоку живлення. У наведеній схемі працює двополярний БП, зібраний трансформаторі від імпортного магнітофона (первинна обмотка на 110в). Стабілізатор найкраще зібрати на МС 7812 та 7912 (або двох LM317), але можна і простіше – параметричний, на двох стабілітронах. Конструкція виносного ВЧ пробника та особливості роботи з ним докладно описана (2, 3).
Використовувана література:
1. Б.Степанов. Вимірювання малих ВЧ напруг. Ж. «Радіо», № 7, 12 – 1980, с.55, с.28.
2. Б.Степанов. Високочастотний мілівольтметр. Ж. «Радіо», № 8 – 1984, с.57.
3. Б.Степанов. ВЧ-головка до цифрового вольтметра. Ж. «Радіо», № 8, 2006, с.58.
4. М.Дорофєєв. Вольтомметр на ОУ. Ж. «Радіо», № 12, 1983, с.30.
Чимало автомобілістів стикається з такою проблемою, як непередбачуваний розряд акумулятора. Особливо неприємно, коли відбувається це в дорозі далеко від дому. Однією з причин може бути вихід із ладу генератора авто. Попередити розряд акумулятора, що насувається, допоможе вольтметр автомобільний. Нижче наведемо кілька простих схем такого пристрою.
Вольтметр автомобільний на мікросхемі LM3914
Ця схема автомобільного вольтметра призначена для контролю напруги бортової мережі автомобіля в межах від 10,5 до 15В. Як індикатор використовуються 10 світлодіодів.
Основа схеми - інтегральна. Дана мікросхема здатна оцінити вхідну напругу та вивести результат на 10 світлодіодів у режимі крапка або стовпчик. Мікросхема LM3914 здатна працювати у широкому діапазоні живлення (3В…25В). Яскравість світла світлодіодів можна виставити за допомогою зовнішнього змінного резистора. Виходи мікросхеми сумісні з ТТЛ та КМОП логікою.
Десять світлодіодів VD1-VD10 відображають поточне значення напруги акумулятора або напруга бортової мережі автомобіля в режимі точки (виведення 9 не підключено або підключено на мінус) або стовпчик (висновок 9 підключено на плюс живлення).
Резистор R4 підключений між контактами 6,7 та мінусом живлення задає яскравість свічення світлодіодів. Резистори R2 та змінний резистор R1 утворює дільник напруги. За допомогою змінного резистора R1 проводиться налаштування верхнього рівня напруги, а за допомогою нижнього R3.
Як було зазначено раніше, даний автомобільний вольтметр забезпечує індикацію від 10,5 до 15 вольт. Калібрування схеми виконується в такий спосіб. Подайте на вхід схеми вольтметра напругу 15 вольт від блока живлення. Потім змінюючи опір резистора R1, необхідно домогтися, щоб спалахнув світлодіод VD10 (в режимі точки) або всі світлодіоди VD ... VD10 (в режимі стовпчик).
Потім на вхід подайте 10,5 вольт і змінним резистором R3 досягайте, щоб горів тільки світлодіод VD1. Тепер збільшуючи напругу з кроком 0,5 вольта, світлодіоди один за одним загорятимуться, і при напрузі 15 вольт горітимуть всі світлодіоди. Перемикач SA1 призначений для перемикання між режимами індикації крапка/стовпчик. При замкнутому перемикачі SA1 – стовпчик, при розімкнутому – точка.
Автомобільний вольтметр на транзисторах
Наступна схема автомобільного вольтметра побудована на двох. Коли напруга на акумуляторі становить менше 11 вольт, стабілітрони VD1 і VD2 не пропускають струм, через що світиться тільки червоний світлодіод, що вказує на низьку напругу бортової мережі автомобіля.
Якщо напруга між 12 і 14 вольт, стабілітрон VD1 відкриває транзистор VT1. Зелений світлодіод спалахує, вказуючи на нормальну напругу. Якщо напруга батареї перевищує 15 вольт, стабілітрон VD2 відкриває транзистор VT2, внаслідок чого спалахує жовтий світлодіод, що показує значне перевищення напруги в мережі автомобіля.
Вольтметр на операційному підсилювачі LM393
Цей простий автомобільний вольтметр побудований на операційному підсилювачі. Як індикатор, як і в попередній схемі, використовуються три світлодіоди.
При низькій напрузі (менше 11В) спалахує червоний світлодіод. Якщо напруга гаразд (12,4…14В) то світиться зелений. У разі, якщо напруга перевищила 14В, то спалахує жовтий світлодіод. Стабілітрон VD1 формує опорну напругу. Ця схема схожа зі схемою.
Вольтметр автомобільний на мікросхемі К1003ПП1
Дана схема вольтметра для автомобіля побудована на мікросхемі К1003ПП1 і дозволяє відстежувати напругу бортової мережі зі свіченням 3 світлодіодів:
- При напрузі менше 11 вольт світиться світлодіод HL1
- При напрузі 11,1…14,4 вольт світиться світлодіод HL2
- При напрузі більше 14,6 вольт світиться світлодіод HL3
Налаштування. Після подачі на вхід напруги від будь-якого блоку живлення (11,1…14,4В), змінним резистором R4 необхідно досягти свічення світлодіода HL2.
У практиці радіоаматора бувають такі моменти, коли потрібно одночасно виміряти постійну складову сигналу та змінну. Зазвичай в такому випадку користуються осцилографом, але як бути якщо немає осцилографа. Якщо немає необхідності в точному визначенні форми сигналу змінної складової, можна скористатися двома вольтметрами, один для вимірювання постійної напруги, інший для змінного, включивши їх до однієї точки.
В цьому випадку потрібно два прилади, користуватися одним універсальним (з перемикачем - "змінний-постійний") не зручно, неможливо спостерігати одночасно за племінною та постійною складовою, потрібен час на перемикання, а в деяких випадках бажано бачити зміну обох складових.
У такій ситуації може бути корисним описаний нижче прилад. Він в одному корпусі містить два електронні вольтметри, змінного і постійного струму, що мають одне спільне джерело живлення і один загальний провід, і два незалежних стрілочних індикатора і входу.
Обидва входи такого вольтметра можна підключити до однієї точки і одночасно спостерігати за зміною постійної та змінної складової, або вольтметром постійного струму вимірювати будь-яку напругу, що управляє, або режим роботи каскаду (наприклад, напруга зміщення), і одночасно спостерігати за рівнем вихідного змінного сигналу при за допомогою вольтметра змінного струму, включеного на виході пристрою.
Прилад має такі параметри: діапазон вимірюваної напруги постійного струму - від 1 мВ до 1000В, діапазон вимірюваної напруги змінного струму - від 1 мВ до 100В, вхідний опір входу вимірювання постійної напруги - 10 Мом, вхідний опір входу вимірювання змінної напруги - 1 Мом, потужність споживання від мережі 1 Вт, гранична частота вимірюваної напруги - 100 кгц при похибці не більше 1% і 1 Мгц при похибці не більше 10%.
Принципова схема показана малюнку 1. Вольт-метр постійного струму зроблено на операційному підсилювачі А1. Тут, при перемиканні меж вимірювання використовується одночасно два способи, по-перше вхідна напруга ділиться за допомогою двоступінчастого дільника на резисторах R1 R2, по-друге змінюється коефіцієнт посилення операційного підсилювача за допомогою зміни глибини ООС перемиканням резисторів R7-R9.
При вимірюванні напруги величиною менше 1 (на межах 0,01,0,1, 1 В), вхідний сигнал не ділиться, і тільки змінюється коефіцієнт посилення ОУ А1, при вимірюванні напруги більше 1В (межі 10, 100, 1000В), вхідний сигнал ділиться на 1000 резисторами R1 R2, а вибір цих меж проводиться також зміною посилення ОУ.
Вхідний ланцюг, що складається з резистора R3 і двоспрямованого стабілітрона V1 призначений для захисту входу операційного підсилювача від навантаження, викликаного помилково неправильним включенням межі вимірювання. Резистор і стабілітрон є параметричним стабілізатором, який не дає вхідній напрузі бути більше 6,2 В.
Мікроамперметр PV1 , за шкалою якого проводиться відлік постійної напруги, включений в ланцюг ООС ОУ між його входом, що інвертує, і виходом, його опір разом з опором резисторів R7-R9 створює дільник вихідної напруги, і відповідно змінюючи нижнє плече цього дільника (при перемиканні резисторів) і глибина ООС, отже змінюється коефіцієнт посилення. Така побудова схеми вибору меж виміру дозволило звести до мінімуму кількість високоомних резисторів.
Попереднє встановлення стрілочного індикатора в нульове положення (перед початком вимірювання) проводять балансуванням операційного підсилювача за допомогою змінного резистора R5. Резистори R4 та R6 обмежують межі балансування та збільшують точність установки нуля. Для встановлення нуля перемикач меж S1 потрібно встановити в положення "0", при цьому вхідний ланцюг вольтметра замикається коротко.
Змінна напруга вимірюється вольтметром на операційному підсилювачі А2. Тут використовується така сама схема з двоступінчастим вхідним дільником і триступінчастою зміною коефіцієнта посилення ОУ. Різниця в тому, що вхідний дільник має частотну корекцію на конденсаторах С2 та С3. Це необхідно для забезпечення достовірності вимірів у широкому діапазоні вхідних частот.
Резистор R12 і стабілітрон V2 служать для запобігання входу від перевантаження при неправильному виборі межі вимірювання, працюють так само як і в вольтметрі постійного струму.
Індикатор PV2 такий же як у вольтметрі постійного струму, але тут він служить для вимірювання змінної напруги і включається через мостовий випрямляч на діодах V3-V6, резистор R16 служить для точної установки чутливості мікроамперметра, для збереження вже наявної градуювання шкали.
Перемикання коефіцієнтів посилення ОУ проводиться також шляхом зміни глибини ООС зміною коефіцієнта поділу ланцюга, що складається з мікроамперметра і одного з резисторів R17-R19, включеної між інверсним входом і виходом ОУ А2.
Установка нуля вимірювального приладу проводиться балансуванням операційного підсилювача за допомогою змінного резистора R14, резистори R13 та R15 обмежують межі балансування, роблячи її точнішою.
Джерело живлення зроблено за простою трансформаторною схемою з мостовим випрямлячем і параметричним двополярним стабілізатором на стабілітрон V7 і V8 (ОУ споживають невеликий струм, і використання транзисторних стабілізаторів, що забезпечують великий вихідний струм не потрібно).
Б. Григор'єв (СРСР)
Найважливіша характеристика змінної напруги (струму) – його середньоквадратичне * значення (СКЗ). Знати справжнє СКЗ необхідно щодо потужності чи енергетичних співвідношень в ланцюгах змінного струму, вимірі шумових характеристик пристроїв і коефіцієнтів гармонічних чи интермодуляционных спотворень, налагодженні тиристорних регуляторів потужності. Поєднання «справжнє СКЗ» було вжито тут невипадково. Справа в тому, що виміряти СКЗ складно, тому вольтметрами (самостійними або включеними до складу мультиметрів) зазвичай вимірюють або середнє випрямлене або пікове значення змінної напруги. Для напруги синусоїдальної форми, а воно частіше за інших зустрічається в практиці вимірювань, є однозначний зв'язок між цими трьома значеннями СКЗ: пікове в 1,41 рази більше, ніж СКЗ, а середнє випрямлене в 1,11 раза менше за нього. Тому вольтметри широкого застосування практично завжди відкалібровані в СКЗ незалежно від того, що насправді реєструє цей прилад. Отже, при вимірі СКЗ змінної напруги, форма яких помітно відрізняється від синусоїдальної, користуватися цими вольтметрами в загальному випадку не можна, проте для періодичних сигналів нескладної форми (меандр, трикутник тощо) можна обчислити поправочні коефіцієнти. Але цей спосіб неприйнятний для найважливіших у практиці вимірювань (зокрема, і тих, що згадувалися вище). Тут на допомогу може прийти тільки реєструючий справжні СКЗ змінної напруги.
Тривалий час для вимірювання СКЗ використовувалися методи, засновані на перетворенні змінної напруги на постійне за допомогою термоелектронних приладів. У модернізованій формі ці методи застосовуються й досі. Однак все більш широке поширення набуває вимірювальна апаратура, що є спеціалізованими аналоговими обчислювальними пристроями. По тій чи іншій математичної моделі вони обробляють вихідний сигнал те щоб продуктом обробки було його СКЗ. Цей шлях, навіть з урахуванням успіхів мікроелектроніки, неминуче веде до ускладнення апаратури, що неприйнятно для радіоаматорської практики, оскільки вимірювальний прилад стає складнішим за пристрої, для налагодження яких він необхідний.
Якщо не висувати вимогу, щоб СКЗ був прямопоказуючим (а це важливо, насамперед, для масових вимірювань), то можливе створення дуже простого у виготовленні та налагодженні приладу. Метод вимірювання СКЗ заснований у ньому на посиленні напруги рівня, у якому починає світитися звичайна лампочка розжарювання. Яскравість свічення (її реєструють фоторезистором) лампочки однозначно пов'язана з СКЗ прикладеної до неї змінної напруги. Щоб унеможливити нелінійність перетворювача змінну напругу - резистора, доцільно використовувати лише для реєстрації певної яскравості світіння лампочки, що встановлюється при калібруванні приладу. Тоді вимірювання СКЗ зводяться до регулювання коефіцієнта передачі попереднього підсилювача так, щоб лампочка світилася із заданою яскравістю. Середнє квадратичне значення напруги, що вимірювається, зчитують за шкалою змінного резистора.
читанні з діодами VD1 та VD2 забезпечують захист мікроамперметра при значному розбалансі моста. Цей мікроамперметр за допомогою перемикача SA1 можна підключити до виходу підсилювача для його балансування по постійному струму.
Вимірювана напруга надходить на неінвертуючий вхід ОУ DA1. Слід зазначити, що якщо виключити розділовий СІ, то на вхід приладу можна буде подавати змінну напругу постійної складової. І в цьому випадку показання приладу відповідатимуть справжньому СКЗ сумарної (постійної + змінної) напруги.
Тепер про деякі особливості вольтметра, що розглядається, і про вибір елементів для нього. Головним елементом приладу є VL1 оптрон. Зрозуміло, дуже зручно використовувати готовий стандартний прилад, але аналог оптрона можна виготовити самостійно. Для цього необхідні лампочка розжарювання та , які поміщають у корпус, що виключає попадання на зовнішнє світло. Крім того, бажано забезпечити мінімальну передачу тепла від лампочки до фоторезистори (його і від температури). Найбільш жорсткі вимоги пред'являються лампочці розжарювання. Яскравість її світіння при СКЗ напруги на ній близько 1,5 має бути достатньою, щоб вивести в робочу точку, відповідну балансу моста. Таке обмеження обумовлено тим, що прилад повинен мати хороший пік-фактор (відношення максимально допустимого амплітудного значення напруги вимірювання до середнього квадратичного). При невеликому пік-факторі прилад може не зареєструвати окремі викиди напруги і тим самим занизити його СКЗ. При значеннях елементів моста даних на схемі рис. 1, СКЗ напруги на оптроні , що виводять його в робочу точку ( близько 10 кОм), буде приблизно 1,4 В. Максимальна амплітуда вихідної напруги (до початку обмеження) в даному приладі не перевищує 11 В, тому пік-фактор буде близько 18 дБ. Це значення цілком прийнятне для більшості вимірювань, але при необхідності його можна трохи збільшити, підвищивши напругу підсилювача.
Ще одне обмеження на лампочку розжарювання – її струм у робочій точці не повинен перевищувати 10 мА. В іншому випадку необхідний потужніший емітерний повторювач, оскільки він повинен забезпечувати піковий струм. приблизно в 10 разів більший, ніж струм, який споживається лампочкою розжарювання в робочій точці.
До фоторезистори саморобного оптрона особливих вимог не пред'являється, але якщо у радіоаматора є можливість вибору, то бажано знайти екземпляр, який має необхідне в робочій точці при меншій освітленості. Це дозволить продати більший пік-фактор приладу.
Вибір ОУ однозначно визначає комбінацію двох параметрів: чутливість та смугу пропускання. Амплітудно-(АЧХ) операційного підсилювача К140УД8 наведена на рис. 2 (вона типова для багатьох ОУ із внутрішньою корекцією). Як видно з АЧХ, щоб забезпечити вимірювання СКЗ напруги в смузі частот до 20 кГц, максимальний (при верхньому за схемою рис. 1 положенні движка змінного резистора R3) коефіцієнт посилення не повинен в даному випадку перевищувати декількох десятків. Це підтверджує нормована АЧХ приладу, яка наведена на рис. 3.
Криві 1-3 відповідають трьом положенням двигуна змінного резистора R3: верхньому, середньому та нижньому.
При цих вимірах підсилювача (відповідає кривою 1) було близько 150, що відповідає межам виміру СКЗ від 10 до 100 мВ. Видно, що спад АЧХ на частотах вище 10 кГц у разі стає дуже істотним. Для зменшення спаду АЧХ можливі два способи. По-перше, можна зменшити (підбором резисторів R4 та R5) підсилювача до 15...20. Це на порядок зменшить чутливість приладу (що можна легко компенсувати попередніми підсилювачами), але тоді і в гіршому випадку його АЧХ не йтиме нижче кривої 3 на рис. 3. По-друге, можна замінити на інший, більш широкосмуговий (наприклад, К574УД1, ), що дозволить реалізувати при смузі пропускання підсилювача 20 кГц високу чутливість приладу. Так, для К574УД1 підсилювача при такій смузі пропускання може бути близько кількох сотень.
До інших елементів пристрою особливих вимог не пред'являється. Зазначимо лише, що максимально допустима робоча напруга для транзисторів VT1 і VT2, а також для фоторезистора має бути не менше 30 В. Втім, для фоторезистора вона може бути і меншою, але тоді на міст слід подати знижену напругу та підібрати (за потреби) резистори R14 та R15.
Перед першим включенням вольтметра двигун резистора R6 встановлюють у середнє положення, резистора R3 в нижнє, а резистора R5 в крайнє праве за схемою положення. Перемикач SA1 переводять у ліве за схемою положення, а за допомогою змінного резистора R6 встановлюють стрілку мікроамперметра РА1 на нульову позначку. Потім двигуни резисторів R3 і R5 переводять відповідно у верхнє і крайнє ліве положення і уточнюють балансування підсилювача. Повернувши SA1 у вихідне положення (контроль балансу моста), приступають до калібрування приладу.
На вхід вольтметра подають напругу синусоїдальної форми звукового генератора. Його середнє квадратичне значення контролюють будь-яким вольтметром змінного струму, що має необхідні межі вимірювань та частотний діапазон. Відношення максимальної вимірюваної напруги до мінімальної для даного вольтметра трохи більше 10, тому межі вимірювань доцільно вибрати від 0,1 до 1 В (для широкосмугового варіанта з ОУ КІОУД8) або від 10 до 100 мВ (для варіанту з номіналами за рис. 1). Встановивши вхідну напругу трохи менше нижньої межі вимірювань, наприклад 9...9,5 мВ, за допомогою підстроювального резистора R5 домагаються балансу моста (рух R3 - у верхньому за схемою положенні). Потім двигун резистора R3 переводять у нижнє положення, а вхідна напруга збільшують доти. доки не відновиться баланс мосту. Якщо ця напруга буде більше 100 мВ (для наведеного нами варіанта), то можна переходити до калібрування приладу і градуювання його шкали. У разі коли напруга, при якій балансується міст, менше 100 мВ або помітно більше цього значення, слід уточнити резистора R2 (відповідно зменшити або збільшити його). При цьому, звичайно, процедуру встановлення меж вимірювання повторюють знову. Операція калібрування приладу очевидна: подаючи з його вхід напругу не більше 10… 100 мВ, обертанням движка резистора R3 домагаються нульових показань мікроамперметра і наносять на шкалу відповідні значення.
Вимірювання відношення сигнал-шум магнітофонів, підсилювачів та іншої звуковідтворювальної апаратури зазвичай виробляють з фільтрами, що зважують, які враховують реальну чутливість людського вуха до сигналів різних частот. Ось чому середньоквадратичний доцільно доповнити таким фільтром, важлива якого наведена на рис. 4. Формування необхідної АЧХ проводиться трьома RC-ланцюгами - R2C2, R4C3C4 та R6C5. Амплітудно- цього фільтра наведена на
Мал. 5 (крива 2). Тут для порівняння показана (крива 1) відповідна стандартна АЧХ (стандарт РЕВ 1359-78). В області частот нижче 250 Гц і вище 16 кГц АЧХ фільтра дещо відрізняється від стандартної (приблизно на 1 дБ), але похибкою, що виникає при цьому, можна знехтувати, оскільки шумові складові з такими частотами щодо сигнал-шум звуковідтворювальної апаратури невеликі. Виграш за ці невеликі відхилення від стандартної АЧХ - простота фільтра і можливість за допомогою одного перемикача на два напрямки (SA1) відключити фільтр і отримати лінійний коефіцієнт передачі 10. У фільтра коефіцієнт передачі на частоті 1 кГц також дорівнює 10.
Зазначимо, що R5 не задіяний у формуванні фільтра АЧХ. Він виключає можливість його самозбудження на високих частотах через фазові зрушення в ланцюзі зворотного зв'язку, зумовлених конденсаторами СЗ і С4. цього резистора некритично. При налаштуванні приладу його збільшують доти, доки не припиниться самозбудження фільтра (контролюють широкосмуговим осцилографом або високочастотним мілівольтметром).
Після підбору резистора R5 переходять до підстроювання фільтра АЧХ в області високих частот. Послідовно знімаючи АЧХ фільтра при різних положеннях ротора підстроювального конденсатора С4, знаходять таке положення, при якому на частотах вище 1 кГц відхилення АЧХ від стандартної будуть мінімальними. В ділянці низьких частот (300 Гц і нижче) хід АЧХ при необхідності уточнюють підбором конденсатора С5. С2 (що з двох конденсаторів ємністю 0,01 мкФ і 2400 пФ, включених паралельно) впливає насамперед перебіг АЧХ на частотах 500…800 Гц. Останній етап у налаштуванні фільтра – підбір резистора R2. Його має бути таким, щоб коефіцієнт передачі фільтра на частоті 1 кГц дорівнював 10. Потім перевіряють наскрізну АЧХ фільтра і при необхідності уточнюють ємність конденсатора С2. Коли фільтр вимкнено, підбором резистора R3 встановлюють коефіцієнт передачі попереднього підсилювача рівним 10.
Якщо цей фільтр вбудовується в середньоквадратичний, то С1 та R1 (див. рис. 1) можна виключити. Їх функції виконуватимуть С5 та С6, а також R6 (див. рис. 4). У цьому випадку сигнал з резистора R6 подають безпосередньо на вхід, що не інвертує, операційного підсилювача вольтметра.
Оскільки пік-фактор вимірюваної змінної напруги в загальному випадку заздалегідь не відомий, то, як зазначалося, можлива похибка у вимірах
СКЗ, обумовлена обмеженням амплітуди сигналу на виході підсилювача. Щоб бути впевненим у відсутності такого обмеження, до приладу доцільно ввести пікові індикатори максимально допустимої амплітуди сигналу: один для сигналів позитивної полярності, а інший для негативної негативної полярності. За основу можна взяти пристрій, описаний в .
Список літератури
1. Сухов Н. Середньоквадратичний // Радіо.- 1981.- № 1.- С. 53-55 та № 12.-С. 43-45.
2. Володимиров Ф. Індикатор максимального рівня// Радіо.- 1983.-№ 5.-
Висока точність вимірів величини ВЧ-напруг (до третього-четвертого знака) у радіоаматорській практиці, власне, і не потрібна. Більш важлива якісна складова (наявність сигналу досить високого рівня – чим більше, тим краще). Зазвичай, при вимірі ВЧ-сигналу на виході гетеродина (генератора), така величина не перевищує 1,5 - 2 вольт, а сам контур резонанс налаштовують за максимальною величиною ВЧ напруги. При налаштуваннях у трактах ПЧ сигнал покаскадно підвищується від одиниць до сотні мілівольт.
Для таких вимірювань досі часто пропонуються лампові вольтметри (типу ВК 7-9, 7-15 та ін) з діапазонами вимірювань 1 -3в. Високий вхідний опір і мала вхідна ємність в таких приладах є визначальним фактором, а похибка становить до 5-10% і визначається точністю стрілочної вимірювальної головки, що застосовується. Вимірювання таких параметрів можна проводити за допомогою саморобних стрілочних приладів, схеми яких виконані на польових транзисторах. Наприклад, у ВЧ мілівольтметрі Б.Степанова (2) вхідна ємність становить всього 3 пФ, опір на різних піддіапазонах (від 3 мВ до 1000 мВ) навіть у гіршому випадку не перевищує 100 кОм при похибці +/- 10% (визначається голкою, що застосовується і похибкою КВП для градуювання). При цьому вимірювана ВЧ напруга з верхньою межею частотного діапазону 30 мГц без явної частотної похибки, що цілком прийнятно в практиці радіоаматорської.
Т.к. сучасні цифрові прилади для більшості радіоаматорів все ще дорогі, торік у журналі «Радіо» Б.Степанов (3) запропонував застосовувати ВЧ-пробник для дешевого цифрового мультиметра типу М-832 з докладним описом його схеми та методики застосування. Тим часом, не витрачаючи взагалі засобів, з успіхом можна застосовувати стрілочні ВЧ-мілівольтметри, при цьому звільняючи основний цифровий мультиметр для вимірювань струму, що проводяться паралельно, або опору в схемі, що розробляється.
За схемотехнікою пропонований прилад дуже простий, а мінімум комплектуючих, що застосовуються, знайдуться «в ящику» практично кожного радіоаматора. Власне, у схемі нічого нового немає. Застосування ОУ з цією метою докладно описано в радіоаматорській літературі 80-90 років (1, 4). Використана широкорозповсюджена мікросхема К544УД2А (або УД2Б, УД1А, Б) з польовими транзисторами на вході (а отже, з високим вхідним опором). Можна застосовувати будь-які операційні підсилювачі інших серій з польовиками на вході та в типовому включенні, наприклад, К140УД8А. Технічні характеристики мілівольтметра-вольтметра відповідають наведеним вище, оскільки основою приладу стала схема Степанова (2).
У режимі вольтметра коефіцієнт посилення ОУ дорівнює 1 (100% ООС) та напруга вимірюється мікроамперметром до 100 мкА з додатковими опорами (R12 – R17). Вони, власне, визначають піддіапазони приладу в режимі вольтметра. При зменшенні ООС (перемикачем S2 включаються резистори R6 – R8) Кус. зростає відповідно підвищується чутливість операційного підсилювача, що дозволяє його використовувати в режимі мілівольтметра.
Особливістюзапропонованої розробки є можливість роботи приладу у двох режимах – вольтметра постійного струму з межами від 0,1 до 1000, і мілівольтметра з верхніми межами піддіапазонів 12,5, 25, 50 мВ. При цьому в двох режимах використовується той самий дільник (Х1, Х100), так що, наприклад, на піддіапазоні 25 мВ (0,025 в) із застосуванням множника Х100 можна вимірювати напругу 2,5 в. Для перемикання піддіапазонів приладу застосовано один багатопозиційний двоплатний перемикач.
Із застосуванням виносного ВЧ-пробника на германієвому діоді ГД507А можна вимірювати ВЧ-напругу в тих піддіапазонах з частотою до 30 мГц.
Діоди VD1, VD2 захищають стрілочний вимірювальний прилад від перевантаження при роботі. Ще однією особливістюзахисту мікроамперметра при перехідних процесах, що виникають при включенні-вимкненні приладу, коли стрілка приладу зашкалює і може навіть погнути, є застосування релейного відключення мікроамперметра і замикання виходу ОУ на резистор навантаження (реле Р1, С7 і R11). При цьому (при включенні приладу) на зарядку С7 потрібні частки секунди, тому реле спрацьовує із затримкою і підключається мікроамперметр до виходу ОУ на частки секунди пізніше. При вимиканні приладу С7 розряджається через лампу-індикатор дуже швидко, реле знеструмлюється та розриває ланцюг підключення мікроамперметра раніше, ніж повністю знеструмляться ланцюги живлення ОУ. Захист власне ОУ здійснюється включенням входу R9 і С1. Конденсатори С2, С3 є блокувальними та запобігають збудженню ОУ. Балансування приладу («установка 0») здійснюється змінним резистором R10 на піддіапазоні 0,1 (можна і на більш чутливих піддіапазонах, але при включеному виносному пробнику зростає вплив рук). Конденсатори бажані типу К73-хх, але за їх відсутності можна взяти і керамічні 47-68н. У виносному щупі-пробнику застосований конденсатор КСВ на робочу напругу не менше 1000в.
Налаштуваннямілівольтметра-вольтметра проводиться у такій послідовності. Спочатку налаштовують дільник напруги. Режим роботи – вольтметр. Підстроювальний резистор R16 (піддіапазон 10в) встановлюють на максимальний опір. На опорі R9, контролюючи зразковим цифровим вольтметром, встановлюють напругу від стабілізованого джерела живлення 10 (положенні S1 - Х1, S3 - 10в). Потім у положенні S1 - Х100 підстроювальними резисторами R1 і R4 за зразковим вольтметром встановлюють 0,1в. При цьому в положенні S3 - 0,1 стрілка мікроамперметра повинна встановитися на останню позначку шкали приладу. Співвідношення 100/1 (напруга на резисторі R9 - Х1 - 10в до Х100 - 0,1в, коли положення стрілки приладу, що настроюється на останньому розподілі шкали на піддіапазоні S3 - 0,1в) перевіряють і коригують кілька разів. При цьому обов'язкова умова: при перемиканні S1 зразкову напругу 10в не можна змінювати.
Далі. У режимі вимірювання постійної напруги в положенні перемикача дільника S1 - Х1 і перемикача піддіапазонів S3 - 10в змінним резистором R16 встановлюють стрілку мікроамперметра на останній поділ. Результатом (при 10 на вході) повинні бути однакові показання приладу на піддіапазоні 0,1в - Х100 і піддіапазоні 10в - Х1.
Методика налаштування вольтметра на піддіапазонах 0,3в, 1в, 3в та 10в колишня. При цьому положення двигунів резисторів R1, R4 у дільнику міняти не можна.
Режим роботи – мілівольтметр. На вході 5 ст. У положенні S3 - 50 мВ дільник S1 - Х100 резистором R8 встановлюють стрілку на останній поділ шкали. Перевіряємо показання вольтметра: на піддіапазоні 10 Х1 або 0,1 Х100 стрілка повинна бути на середині шкали - 5в.
Методика налаштування на піддіапазонах 12,5мВ і 25мВ така ж, як і для піддіапазону 50мВ. На вхід подається відповідно 1,25 і 2,5 при Х 100. Перевірка показань проводиться в режимі вольтметра Х100 - 0,1в, Х1 - 3в, Х1 - 10в. Слід врахувати, що коли стрілка мікроамперметра знаходиться у лівому секторі шкали приладу, похибка при вимірах збільшується.
Особливістьтакої методики калібрування приладу: не потрібна наявність зразкового джерела живлення 12 – 100 мВ та вольтметра з нижньою межею вимірювання менше 0,1 ст.
При калібруванні приладу в режимі вимірювання ВЧ напруг виносним пробником на піддіапазони 12,5, 25, 50 мВ (за потреби) можна побудувати коригувальні графіки або таблиці.
Прилад зібраний навісним монтажем у металевому корпусі. Його розміри залежать від розмірів вимірювальної головки і трансформатора блоку живлення. У мене, наприклад, працює двополярний БП, зібраний на трансформаторі від імпортного магнітофона (первинна обмотка на 110в), Стабілізатор найкраще зібрати на МС 7812 та 7912 (або LM317), але можна й простіше – параметричний на двох стабілітронах. Конструкція виносного ВЧ пробника та особливості роботи з ним докладно описана (2, 3).
Використовувана література:
- Б.Степанов. Вимірювання малих ВЧ напруг. Ж. «Радіо», № 7, 12 - 1980, с.55, с.28.
- Б.Степанов. Високочастотний мілівольтметр. Ж. "Радіо", № 8 - 1984, с.57.
- Б.Степанов. ВЧ-головка до цифрового вольтметра. Ж. «Радіо», № 8, 2006, с.58.
- М.Дорофєєв. Вольтомметр на ОУ. Ж. «Радіо», № 12, 1983, с.30.
Василь Кононенко (RA0CCN)
