ЦИФРОВОЙ МУЛЬТИМЕТР

May 17, 2010 by admin Комментировать »

М. Васильев, В. Попов

Прибор предназначен для измерения постоянных и пе­ременных напряжений и токов, сопротивления, емкости и частоты. Результаты измерений отображаются на четы­рехразрядном цифровом табло. Прибор достаточно прост в налаживании и удобен в работе. Определение поляр­ности измеряемого напряжения или тока производится авто­матически. Коммутация измеряемых величин и пределов измерений осуществляется вручную с помощью кнопочных переключателей. При переполнении счетчиков зажигается индикатор «Перегрузка».

Техническая характеристика

Верхние пределы измерений на поддиапазонах:

постоянного и переменного напряжений, В , 0,1; 1; 10; 100; 1000

постоянного и переменного тока, мА ….. 0,1; 1; 10; 100; 1000

сопротивления, кОм………… 0,1; 1; 10; 100; 1000

емкости, мФ ……………. 0,01; 0,1; 1; 10

частоты, кГц……………. 100; 1000; 104

Падение напряжения на входе при измерении то­ка, мВ ………………. 100

Полоса частот при измерении переменных токов и напряжений, Гц………….. 30 … 15000

Входное сопротивление, МОм, не менее ….. 10

Основная погрешность измерений, %, не более, при измерении;

токов и напряжений…….. . . . . 0,5

сопротивлений на пределах 0,1; 1; 10 , …. 0,5

сопротивлений на пределе 100 …….. 1

сопротивлений на пределе 1000 ……. 2

емкости на пределе 0,01 .…………… 1

емкости на пределах 0,1; 1; 10 ……. 0,5

частоты……………… 0,02

Время установления показаний постоянных напря­жений, токов и прочих величин, с, не более ….1

Потребляемая мощность, Вт, не более …….15

Габариты, мм …………….. 200x165x70

Macca .……………….. Около 1,2 кг

В основу работы прибора положен метод время-имьпульсного кодирования. Прибор состоит из аналогового преобразователя и блока индикации (рис. 1).

Аналоговый преобразователь содержит входные делители напряжения и тока RlR10, стабилиза­тор тока V18 с делителями R11R15 для измерения со­противлений, линейный детектор А2, входной усилитель А1, компараторы « + » (A3) и « — » (А4), индикаторы по­лярности (V9V12), генераторы линейно-возрастающих

напряжений положительной (V40 — V44) и отрицательной полярности (V25 — V29), электронные ключи (V21, V22, У37), преобразователь уровня (V7, V8), усилитель (V31, V32) с триггером Шмитта (V35, У36) для измерения частоты.

Блок индикации состоит из генератора эталонной частоты 1 МГц (Zl, D1), делителей частоты (D3 — D8), триггера «индикация — измерение» D9.1, счетчиков с де-шифратерами (D10 — D17) цифровых индикаторов (HI — Н4), устройства установки нуля V14, триггера переполне­ния счетчика D9.2, индикатора перегрузки (D2.2, У13).

Измеряемое напряжение через разъем XI и переклю­чатель входов поступает на частотно-компенсированный высокоомный входной делитель R2 — R5, С1 — С4, служащий для расширения пределов измерений. С делителя напря­жение поступает на входной усилитель аналогового пре­образователя, выполненный на операционном усилителе А1. Усилитель имеет высокое входное сопротивление и малый дрейф нуля. Наличие глубокой обратной связи улуч­шает стабильность коэффициента передачи. Балансировку нуля усилителя осуществляют подстроечным резистором R27. Степень обратной связи регулируют резистором R237 Наличие конденсатора С6 в цепи обратной связи улучшает помехозащищенность. Коэффициент усиления усилителя равен 10.

На входе усилителя включены защитные диоды VI и V2. Они должны иметь малый ток утечки.

При измерении токов используют низкоомный делитель R6R10, падение напряжения на котором составляет 100 мВ.

При измерении сопротивлений от стабилизатора тока V18 с делителем R11 — R15 по измеряемому резистору про­ходит ток, создающий падение напряжения, которое по­ступает на входной усилитель, собранный на ОУ А1.

Чтобы измерять переменные напряжения и токи пере­ключателем S2, к входному усилителю подключают линей­ный детектор на операционном усилителе А2. Линейный детектор имеет высокое входное сопротивление и охвачен 100%-ной отрицательной обратной связью с выхода на неинвертирующий вход. Балансировку нуля производят подстроечным резистором R44. Конденсатор С9 играет роль фильтра. Резистором R48 устанавливают выходное напряжение, равное 0,7 U. В свою очередь U == 1,41 Uвх. Следовательно, при измерении переменных напряжений на отсчетном устройстве получают действующие значения для синусоидальной формы кривой. Диоды V15 и V16 явля­ются защитными.

Выходной сигнал с усилителя на ОУ А1 поступает на входы компараторов « + » и « — ». Компараторы выполне­ны на операционных усилителях A3 и А4. Отрицательная обратная связь на резисторах, соответственно R28 и R31, R29 и R32, подобрана так, что коэффициент усиления ком­параторов равен 10 000. Поэтому, используя их совместно с усилителем А1, оказалось возможным получить разре­шающую способность прибора около 100 мкВ при малом дрейфе нуля и обеспечить указанный выше класс точности.

Одновременно на другие входы компараторов посту­пает линейно-возрастающее опорное напряжение, выраба­тываемое генераторами на транзисторах V40 и V43, V44 и V25, V26 и V29. Разрешение на запуск генераторов с триггера D9.1 «индикация — измерение» поступает через ключевое устройство V21, V22, V37. Напряжение положи­тельной полярности формируется генератором V40, У41, V44, а отрицательное — генератором V25, V26, V29. Мак­симальная амплитуда напряжения составляет 1 В. Ско­рость нарастания напряжения, т. е. скорость зарядки кон­денсаторов С12 и С16, подбирают подстроечными рези­сторами R51 и R69 так, чтобы за 0,01 с напряжение на конденсаторе достигло максимума (1 В). Таким образом, ток зарядки составляет около 300 мкА. Стабилизация то­ка осуществляется транзисторами V26 и V43. Качество стабилизации улучшено за счет использования эмиттерных переходов транзисторов V29 и V44 как температурных ком­пенсаторов. Диоды V27, V28 и V41, V42 служат для защи­ты входов соответствующих компараторов. Последователь­но включенные диоды V23, V24 и V38, V39 создают опорное напряжение на коллекторах электронных ключей V22 и V37.

В тот момент, когда измеряемое напряжение и линей­но-возрастающее напряжение сравняются, оба компара­тора из нулевого состояния перейдут в рабочее, и на их выходах появятся напряжения противоположных знаков. В зависимости от этого триггер VU, V12 индикатора по­лярности меняет свое состояние и загорается соответствен­но один из светодиодов V9 или V10. Последние имеют раз­ный цвет свечения. Так автоматически определяется по­лярность измеряемого постоянного напряжения или тока. Мигание обоих светодиодов означает, что отсутствует по­стоянная составляющая в измеряемом напряжении или токе и, следовательно, необходимо нажать на кнопку S2.

clip_image002

Рис. 1. Принципиальная схема устройства

clip_image004

Рис. 1. Принципиальная схема устройства (окончание)

Длительность разрешающего импульса, формирующего линейно-возрастающее напряжение, составляет 0,01 с, по истечение этого времени открываются транзисторы V25 и V40. Происходит ,разрядка конденсаторов С12 и С16.

Сигналы с выходов компараторов через диоды V3 и V5 поступают на преобразователь уровня на транзисторах V7 и V8. Преобразователь уровня необходим для согласо­вания элементов аналогового преобразователя с логиче­скими элементами серии К155 блока индикации.

Источником напряжения образцовой частоты является генератор на микросхеме D1. Генератор выполнен по схе­ме мультивибратора, в цепь обратной связи которого включен кварцевый резонатор Z1. Устойчивость генера­ции определяется величиной емкости конденсатора CI9. Импульсы частотой 1 МГц с выхода генератора посту­пают на делители частоты D3D8 и на вход 14 счетчика D10 через элемент D2.1. Разрешение на счет поступает с элемента D9.1. Общий коэффициент пересчета делителей частоты составляет 106. С выхода элемента D6 снимаются импульсы 0,01 с, а с выхода элемента D8 — 1 с. Двоично-десятичные четырехразрядные счетчики выполнены на элементах D10D13. При переполнении счетчиков, т. е. при 104 импульсов, через триггер переполнения D9.2 и эле­мент D2.2 происходит индикация перегрузки — зажигается светодиод V13.

Установка нуля счетчиков производится секундными импульсами, поступающими с выхода D8 через конденса­тор С20 на базу транзистора V14. Сигнал, снимаемый с коллектора V14, ставит в состояние логического нуля пе­ресчетные декады и счетчики. Для управления цифровыми индикаторами HIН4 используют дешифраторы D14 — D17. Коммутацию запятой на индикаторах HIН4 в за­висимости от выбранного предела измерений производят переключателем S1.

Рассмотрим работу прибора с нулевого момента, когда произошел сброс счетчиков. Когда на входы компараторов A3 и А4 с входного усилителя А1 поступило измеряемое напряжение, элемент D2.1 разрешает счет, а с элемента D9.1 поступает импульс на ключевые устройства V21, V22 и V37, разрешающие зарядку конденсаторов С12 и С16. Происходит линейное нарастание напряжения на конден­саторах и в тот момент, когда это напряжение сравняется с измеряемым, на выходах компараторов появятся на­пряжения противоположных знаков. Через преобразова­тель уровня V7, V8 элемент D2.1 запрещает счет, и на счетчиках формируется число импульсов, равное цифровому значению измеряемой величины. Одновременно пре­кращается зарядка конденсаторов С12 и С16, а триггер Vll, У12 индикатора полярности устанавливается в соот­ветствующее состояние. Загорается один из светодиодов — V9 или V10.

Сброс показаний произойдет через 1 с, когда триггер D9.1 перейдет в состояние «измерение» и процесс повто­рится. Если измеряемое напряжение по величине больше, чем сформированное на конденсаторах, то через 0,01 с счетчик будет переполнен. Триггер D9.2 включит индикатор перегрузки на светодиоде V13.

clip_image006

Рис. 2. Принципиальная схема блока питания

Нажатием на кнопку «С» переключателя входов S3 прибор перевбдится в режим измерения емкости. При этом на вход усилителя А1 с делителя R21R22 подается напряжение +0,1 В. Вместо конденсатора С16 в генерато­ре линейно-возрастающего напряжения положительной полярности подключается измеряемая емкость. Вместо ре­зисторов R69 и R70, определяющих силу тока зарядки,, под­ключается набор резисторов R13R19. Это дает возмож­ность расширить пределы измерений. Скорость нарастания заряда измеряемого конденсатора, т. е. крутизна линейно-возрастающего напряжения, обратно пропорциональна измеряемой емкости. Чем больше емкость, тем дольше длится счет импульсов до полного заряда конденсатора напряжением 1 В. Счет импульсов прекращается, когда напряжения на входах компараторов A3 и А4 будут равны.

При нажатии кнопки «f» переключателя S3 аналоговый преобразователь полностью отключается, а входной разъем XI соединяется с усилителем V31, V32. Усилитель содер­жит полевой транзистор V31, включенный по схеме исто-кового повторителя, и имеет высокое входное сопротивле­ние. Диоды V33 и V34 выполняют функцию защиты по входу. На транзисторах V35 и V36 выполнен триггер Шмит-та, преобразующий переменное напряжение измеряемой частоты в импульсы. Генератор на 1 МГц (D1) отключа­ется от элемента D2.1 (вход 4), а вместо него подключа­ется триггер Шмитта, т. е. поступают импульсы измеряе­мой частоты. В зависимости от выбора диапазона изме­рений происходит подсчет числа импульсов за интервалы времени 0,001, 0,01, 0,1 с. Величина интервала времени задается на делителях частоты D3D8 переключателем S1.

Блок питания (рис. 2) мультиметра содержит три источника напряжения: жестко стабилизированный выпря­митель для питания операционных усилителей, обеспечи­вающий напряжение ±15 В, выпрямитель с простейшим последовательным стабилизатором для питания цифровых микросхем напряжением +5 В и выпрямитель на +200 В для питания анодов индикаторных ламп. В источнике на­пряжения ±15 В транзистор У14 служит для стабилиза­ции тока через стабилитрон V15, сопротивление резистора R2 должно быть таким, чтобы ток через стабилитрон был равен 10 мА. На транзисторах V16 и V17 собран диффе­ренциальный каскад, сравнивающий опорное напряжение и напряжение в средней точке делителя R6R8. Регули­рующим является транзистор V18. На микросхеме А1 и транзисторах V19V21 собран делитель напряжения, обеспечивающий получение двуполярного напряжения ±15 В.

Трансформатор питания Т1 следует тщательно экрани­ровать. Экран лучше изготовить из мягкой стали толщи­ной не менее 1 мм. При намотке трансформатора необхо­димо сделать из медной фольги два экрана, один из них наложить поверх обмоток I и II, другой — после обмот­ки III.

В трансформаторе использован сердечник ШЛ16Х32, обмотка I имеет 1270 витков провода ПЭВ-1 0,2, II — 930 витков ПЭВ-1 0,12; III — 300 витков ПЭВ-1 0,3; IV — 80 витков ПЭВ-1 0,8; V — 1450 витков ПЭВ-1 0,1.

От качества изготовления трансформатора во многом зависит точность показаний прибора.

Транзисторы V18 и У 23 через слюдяные прокладки уста­новлены на корпусе прибора.

Налаживание блока питания проводят без нагрузки в следующем порядке: подбирая резистор R2, добиваются тока через стабилитрон V15, равного 10 мА. Резистором R8 устанавливают суммарное напряжение на выходе ста­билизатора, равное 30 В. Коллекторный ток транзистора V20 резистором R10 подбирают равным 10 — 15 мА. Рези­стором R9 добиваются одинакового значения разнополяр-ных напряжений. Источники напряжения +5 В и +200 В особенностей з наладке не имеют.

Конструкция и детали. Мультиметр собран в металлическом корпусе. На передней панели находятся кнопочные переключатели S1S3, выключатель сети, инди­каторные лампы, светодиоды определения полярности, и перегрузки и разъем XI. Общий провод источников пита­ния с корпусом не соединяется. При работе прибор зазем­ляется. Монтаж выполнен на семи печатных платах. В мультиметре в качестве переключателей S1 и S3 исполь­зованы кнопочные переключатели П2К с зависимой фик­сацией и S2 — с невзаимной фиксацией. Резисторы входных делителей и шунтов должны быть подобраны с по­грешностью, не превышающей 0,5%. Резисторы RllR19, R73 и R74 типов БЛП или ПТМН. Подстроечные резисто­ры СПО-0,4 и СП5-2. Все остальные резисторы МЛТ. Кон­денсаторы С12 и С16 — К73-3 или К76-1. Электролитиче­ские конденсаторы К53-1. Транзисторы V26 и V29, V43 и V44 в генераторах линейно-возрастающих напряжений подбираются попарно и должны иметь возможно малые начальные токи. Вместо транзисторов КТ326 можно при­менить КТ3107, вместо КТ342 — КТ306, КТ3102.

Налаживание начинают с цифровой части устрой­ства. Для этого вход 4 элемента D2.1 отсоединяют от ге­нератора D1 (нажатием кнопки «f» на переключателе S3) и подают сюда сигнал частотой 100 кГц с выхода пере­счетной декады D3. На индикаторе должно появиться по­казание «1000» и каждую секунду мигать. Если отжать кнопку «f», то на табло появляется «0000» и зажигается индикатор переполнения.

Затем приступают к налаживанию аналогового пре­образователя. Вначале балансируют все операционные усилители с помощью нуль-индикатора. Ключи при этом замыкают накоротко. Первым балансируется детектор А2, затем усилитель А1 и компараторы A3 и А4. Подстроечным резистором R23 устанавливают коэффициент усиления, равный 10, у входного усилителя, а резистором R22 — напряжение 0,1 В. Перемычки с ключей убирают и на вход прибора в режиме измерения напряжения подают определенное значение напряжения от образцового источ­ника. Меняя полярность источника, подстроечными рези­сторами R51 и R69 добиваются правильных и одинаковых показаний.. На переключение полярности должны реаги­ровать светодиоды V9 и V10.

Для получения правильных показаний в режимах изме­рения сопротивления и емкости возможно потребуется подбор резисторов R11R15 и R16R19. В режиме изме­рения переменных напряжений и токов действующие зна­чения измеряемых величин устанавливаются резистором R48.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты