Милливольтметр переменного напряжения своими руками

Милливольтметр переменного напряжения своими руками

Милливольтметр-вольтметр начинающего радиолюбителя

Высокая точность измерений величины ВЧ-напряжений (до третьего-четвертого знака) в радиолюбительской практике, собственно, и не нужна. Больше важна качественная составляющая (наличие сигнала достаточно высокого уровня — чем больше, тем лучше). Обычно, при измерении ВЧ-сигнала на выходе гетеродина (генератора), такая величина не превышает 1,5 – 2 вольт, а сам контур в резонанс настраивают по максимальной величине ВЧ напряжения. При настройках в трактах ПЧ сигнал покаскадно повышающаяся от единиц до сотни милливольт.

Для таких измерений до сих пор часто предлагаются ламповые вольтметры (типа ВК 7-9, В 7-15 и др.) с диапазонами измерений 1 -3в. Высокое входное сопротивление и малая входная емкость в таких приборах является определяющим фактором, а погрешность составляет до 5-10% и определяется точностью применяемой стрелочной измерительной головки. Измерения таких же параметров можно проводить с помощью самодельных стрелочных приборов, схемы которых выполнены на полевых транзисторах. Например, в ВЧ милливольтметре Б.Степанова (2) входная емкость составляет всего 3 пФ, сопротивление на различных поддиапазонах (от 3 мВ до 1000 мВ) даже в худшем случае не превышает 100 кОм при погрешности +/- 10% (определяется применяемой головкой и погрешностью КИП для градуировки). При этом измеряемое ВЧ напряжение с верхней границей частотного диапазона 30 мГц без явной частотной погрешности, что вполне приемлемо в радиолюбительской практике.

Т.к. современные цифровые приборы для большинства радиолюбителей все еще дороги, в прошлом году в журнале «Радио» Б.Степанов (3) предложил применять ВЧ-пробник для дешевого цифрового мультиметра типа М-832 с подробным описанием его схемы и методики применения. Между тем, не затрачивая вообще средств, с успехом можно применять стрелочные ВЧ-милливольтметры, при этом освобождая основной цифровой мультиметр для параллельно проводимых измерений тока или сопротивления в разрабатываемой схеме…

По схемотехнике предлагаемый прибор очень прост, а минимум применяемых комплектующих найдутся «в ящике» практически каждого радиолюбителя. Собственно, в схеме ничего нового нет. Применение ОУ для таких целей подробно описано в радиолюбительской литературе 80-90 годов (1, 4). Использована широкораспространенная микросхема К544УД2А (или УД2Б, УД1А, Б) с полевыми транзисторами на входе (а значит и с высоким входным сопротивлением). Можно применять любые операционные усилители других серий с полевиками на входе и в типичном включении, например, К140УД8А. Технические характеристики милливольтметра-вольтметра соответствуют приведенным выше, поскольку основой прибора стала схема Б.Степанова (2).

В режиме вольтметра коэффициент усиления ОУ равен 1 (100% ООС) и напряжение измеряется микроамперметром до 100 мкА с добавочными сопротивлениями (R12 – R17). Они, собственно, и определяют поддиапазоны прибора в режиме вольтметра. При уменьшении ООС (переключателем S2 включаются резисторы R6 – R8) Кус. возрастает, соответственно повышается чувствительность операционного усилителя, что позволяет его использовать в режиме милливольтметра.

Особенностью предлагаемой разработки является возможность работы прибора в двух режимах – вольтметра постоянного тока с границами от 0,1 до 1000 в, и милливольтметра с верхними границами поддиапазонов 12,5, 25, 50 мВ. При этом в двух режимах используется один и тот же делитель (Х1, Х100), так что, к примеру, на поддиапазоне 25 мВ (0,025 в) с применением множителя Х100 можно измерять напряжение 2,5 в. Для переключения поддиапазонов прибора применен один многопозиционный двухплатный переключатель.

С применением выносного ВЧ-пробника на германиевом диоде ГД507А можно измерять ВЧ-напряжение в тех же поддиапазонах с частотой до 30 мГц.

Диоды VD1, VD2 защищают стрелочный измерительный прибор от перегрузкок при работе. Еще одной особенностью защиты микроамперметра при переходных процессах, возникающих при включении-выключении прибора, когда стрелка прибора зашкаливает и может даже погнуться, является применение релейного отключения микроамперметра и замыкание выхода ОУ на нагрузочный резистор (реле Р1, С7 и R11). При этом (при включении прибора) на зарядку С7 требуются доли секунды, поэтому реле срабатывает с задержкой и микроамперметр подключается к выходу ОУ на доли секунды позже. При выключении прибора С7 разряжается через лампу-индикатор очень быстро, реле обесточивается и разрывает цепь подключения микроамперметра раньше, чем полностью обесточатся цепи питания ОУ. Защита собственно ОУ осуществляется включением по входу R9 и С1. Конденсаторы С2, С3 являются блокировочными и предотвращают возбуждение ОУ. Балансировка прибора («установка 0») осуществляется переменным резистором R10 на поддиапазоне 0,1 в (можно и на более чувствительных поддиапазонах, но при включенном выносном пробнике возрастает влияние рук). Конденсаторы желательны типа К73-хх, но при их отсутствии можно взять и керамические 47 — 68н. В выносном щупе-пробнике применен конденсатор КСО на рабочее напряжение не менее 1000в.

Настройка милливольтметра-вольтметра проводится в такой последовательности. Сначала настраивают делитель напряжения. Режим работы – вольтметр. Подстроечный резистор R16 (поддиапазон 10в) устанавливают на максимальное сопротивление. На сопротивлении R9, контролируя образцовым цифровым вольтметром, устанавливают напряжение от стабилизированного источника питания 10 в (положении S1 — Х1, S3 – 10в ). Затем в положении S1 — Х100 подстроечными резисторами R1 и R4 по образцовому вольтметру устанавливают 0,1в. При этом в положении S3 — 0,1в стрелка микроамперметра должна установиться на последнюю отметку шкалы прибора. Соотношение 100/1 (напряжение на резисторе R9 – Х1 — 10в к Х100 — 0,1в, когда положение стрелки настраиваемого прибора на последнем делении шкалы на поддиапазоне S3 – 0,1в) проверяют и корректируют несколько раз. При этом обязательное условие: при переключении S1 образцовое напряжение 10в менять нельзя.

Далее. В режиме измерения постоянного напряжения в положении переключателя делителя S1 — Х1 и переключателя поддиапазонов S3 — 10в переменным резистором R16 устанавливают стрелку микроамперметра на последнее деление. Результатом (при 10 в на входе) должны быть одинаковые показания прибора на поддиапазоне 0,1в — Х100 и поддиапазоне 10в — Х1.

Методика настройки вольтметра на поддиапазонах 0,3в, 1в, 3в и 10в прежняя. При этом положения движков резисторов R1, R4 в делителе менять нельзя.

Режим работы – милливольтметр. На входе 5 в. В положении S3 — 50 мВ делитель S1 — Х100 резистором R8 устанавливают стрелку на последнее деление шкалы. Проверяем показания вольтметра: на поддиапазоне 10в Х1 или 0,1в Х100 стрелкка должна быть на середине шкалы – 5в.

Методика настройки на поддиапазонах 12,5мВ, и 25мВ такая же, как и для поддиапазона 50мВ. На вход подается соответственно 1,25в и 2,5в при Х 100. Проверка показаний проводится в режиме вольтметра Х100 — 0,1в, Х1 — 3в, Х1 — 10в. Следует учесть, что когда стрелка микроамперметра находится в левом секторе шкалы прибора, погрешность при измерениях увеличивается.

Особенность такой методики калибровки прибора: не требуется наличие образцового источника питания 12 – 100 мВ и вольтметра с нижним пределом измерения меньше 0,1 в.

При калибровке прибора в режиме измерения ВЧ напряжений выносным пробником на поддиапазоны 12,5, 25, 50 мВ (при необходимости) можно построить корректирующие графики или таблицы.

Прибор собран навесным монтажом в металлическом корпусе. Его размеры зависят от размеров применяемой измерительной головки и трансформатора блока питания. У меня, например, работает двухполярный БП, собранный на трансформаторе от импортного магнитофона (первичная обмотка на 110в), Стабилизатор лучше всего собрать на МС 7812 и 7912 (или LM317), но можно и проще – параметрический, на двух стабилитронах. Конструкция выносного ВЧ пробника и особенности работы с ним подробно описана в (2, 3).

1. Б.Степанов. Измерение малых ВЧ напряжений. Ж. «Радио», № 7, 12 – 1980, с.55, с.28.
2. Б.Степанов. Высокочастотный милливольтметр. Ж. «Радио», № 8 – 1984, с.57.
3. Б.Степанов. ВЧ головка к цифровому вольтметру. Ж. «Радио», № 8, 2006,с.58.
4. М.Дорофеев. Вольтомметр на ОУ. Ж. «Радио», № 12, 1983, с.30.

Источник

Милливольтметр

Милливольтметр переменного тока позволяет совместно с генератором звуковой частоты проверить и наладить усилитель 34, низкочастотный фильтр и другие устройства.

Прибор измеряет переменное напряжение от 3…5 мВ до 5 В частотой от 20 Гц до 200 кГц. Завал амплитудно-частотной характеристики на границах этого диапазона не превышает 1 дБ. Милливольтметр имеет девять пределов измерения, которые обеспечиваются двумя переключателями и составляют 10, 20, 50, 100, 200, 500 мВ; 1, 2 и 5 В. Выбор пределов измерений, кратных числам 1, 2 и 5, позволяет обойтись одной шкалой прибора со 100 делениями и упрощает пересчет значения напряжения при переходе с одного диапазона измерения на другой.

Входное сопротивление милливольтметра постоянно на всех пределах измерения и составляет около 1 МОм. Погрешность измерений милливольтметром зависит от точности калибровки. При использовании в качестве эталонного прибора поверенного вольтметра переменного тока точность измерений может составлять 3…10%.

Принципиальная схема милливольтметра приведена на рис. 9.10.

Он состоит из входного каскада на ОУ DA1.1, вольтметра переменного тока на второй половине сдвоенного ОУ DA1.2, диодах VD1—VD4 и микроамперметре РА1.

Измеряемое переменное напряжение с разъема XS1 подается через делитель напряжения, состоящий из переключателя SA1 и резисторов Rl, R2 и R3, на входной каскад на ОУ , DA1.1. С помощью этого делителя напряжение может быть уменьшено в 10 или 100 раз. В положении переключателя «х10 мВ» делитель образован резисторами Rl, R2, а в положении «хЮО мВ» — резисторами Rl, R3. Каскад на ОУ DA1.1 выполнен по схеме неинвертирующего усилителя. Резисторы R4, R5 образуют искусственную среднюю точку, которая по переменному току шунтируется конденсатором С2. Резистор R6 определяет входное сопротивление каскада.

В цепь обратной связи ОУ DA1.1 включен еще один делитель напряжения R8—R11, СЗ, коммутируемый переключателем SA2. Этот делитель позволяет получить три коэффициента передачи неинвертирующего усилителя:

(положение переключателя «10»),

Таким образом, оба делителя совместно обеспечивают указанные в начале описания пределы измерения милливольтметра. Резистор R7 предотвращает изменение режимов по постоянному току при переключениях SA2.

С выхода каскада на DA1.1 усиленное переменное напряжение поступает на вход вольтметра переменного тока с линейной шкалой на ОУ DA1.2. Вольтметр представляет собой неинвертирующий усилитель, охваченный отрицательной обратной связью через диодный мост (VD1—VD4). Микроамперметр РА1 включен в диагональ этого моста.

Глубина отрицательной обратной связи и, как следствие, коэффициент усиления усилителя зависит от прямого сопротивления диодов моста. При больших переменных напряжениях это сопротивление мало. В этом случае глубина ООС также оказывается большой, а коэффициент передачи — малым. При уменьшении напряжения прямое сопротивление диодов увеличивается. Это приводит к уменьшению глубины обратной связи, охватывающей усилитель. В результате его коэффициент усиления увеличивается и на диодный мост поступает большее напряжение. Указанные процессы приводят к линеаризации шкалы прибора.

Дополнительно улучшить линейность позволяет резистор R13, шунтирующий микроамперметр РА1. Этот резистор увеличивает ток через диоды выпрямительного моста, выводя их рабочие точки подальше от начального участка, отличающегося наибольшей нелинейностью характеристик. Тем не менее следует помнить, что примерно на одной трети шкалы прибор имеет большую нелинейность, чем в оставшемся рабочем участке.

Резистором R12 регулируют чувствительность милливольтметра при калибровке. Конденсатор С5 шунтирует цепи питания милливольтметра. Питание прибора осуществляется от стабилизированного напряжения величиной 12…15 В.

Милливольтметр собран в корпусе размером 150 х 110 х 65 мм. Если корпус пластмассовый, его внутреннюю часть экранируют алюминиевой или медной фольгой и надежно соединяют экран с общим проводом.

В приборе использованы резисторы MJIT, Cl-4, С2-10, С2-33, подстроечный резистор R12 типа СПЗ-19а. Оксидные конденсаторы К50-35, конденсатор CI К10-17, КМ. Диоды VD1—VD4 — любые из серии Д9. Переключатели SA1, SA2 — малогабаритные галетные, SA1 — на три положения и два направления, SA2 — на три положения и одно направление. Разъем XS1 — любой экранированный, например СР-50. Микроамперметр РА1 типа М42100.

Детали прибора, кроме разъема XS1, резисторов делителя Rl—R3, переключателей SA1, SA2 и микроамперметра РА1, смонтированы на плате, изготовленной из фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм (рис. 9.11).

Налаживание милливольтметра начинают с подбора резисторов R8—R11. Для этого переключатель SA1 устанавливают в положение «х1 мВ», SA2 — в положение «10», а резистор R12 — в верхнее (по принципиальной схеме) положение.

С генератора звуковой частоты подают на вход милливольтметра синусоидальное напряжение частотой 1 кГц и амплитудой 10 мВ (контролируют образцовым милливольтметром). Резистором R12 выставляют стрелку микроамперметра точно на конечную отметку шкалы. После этого переключатель переводят в положение «20» и, подбирая резистор R9, устанавливают стрелку прибора на середину шкалы. Добившись этого, вновь переводят переключатель в положение «10» и резистором R12 устанавливают стрелку прибора на конечную отметку. Далее переводят переключатель в положение «50» и подбором резистора R10 устанавливают стрелку на отметку, соответствующую 20% шкалы. Операции по подбору резисторов приходится повторять несколько раз, добиваясь точного соотношения коэффициентов передачи (10:5:2) неинвертирующего усилителя.

Далее подбирают резистор R2 входного делителя. Для этого переключатель SA1 переводят в положение «х10 мВ». Переключатель SA2 во время этой операции находится в положении «10». Подают на вход милливольтметра с генератора звуковой частоты синусоидальное напряжение той же частоты амплитудой 100 мВ. Подбором резистора R2 добиваются , того, чтобы стрелка измерительного прибора РА1 установилась на отметку «100». После этого переключатель переводят в положение «хЮО мВ», а входное напряжение увеличивают до 1 В. Подбором сопротивления резистора R3 вновь устанавливают стрелку прибора на конечную отметку шкалы микроамперметра.

Рис. 9.11. Печатная плата милливольтметра и размещение деталей

Для повышения доверия к прибору полезно снять характеристики прибора во всем диапазоне рабочих частот, сняв амплитудно-частотные характеристики. Эти характеристики в дальнейшем можно использовать как поправочные при проведении измерений.

Источник