ЦИФРОВОЙ АВОМЕТР

May 2, 2015 by admin Комментировать »

С. Евгеньев

Прибор, разработанный московскими радиолюбителями В. Ефремовым и Н. Ларькиным, отличается малыми массой и габаритами, экономичностьк) питания, простой схемотехникой. В то же время по своим характеристикам прибор не уступает такому промышленному образцу, как мультиметр BP-11 [1], и превосходит любой стрелочный авометр серии «Ц».

Рис. I. Принципиальная схема цифрового авометра

Авометр (рис. 1) собран на 13 микросхемах, 6 транзисторах и жидко-кристаллическом индикаторе (ЖКИ). Кроме измеряемых значений индикатор показывает полярность подключения прибора при измерении постоянного напряжения и тока. Источником напряжения служит одна батарея «Крона ВЦ», которой хватает на 7 ч непрерывной работы. Основные технические параметры цифрового авометра

Функциональная схема и временные диаграммы, поясняющие работу цифрового авометра, приведены на рис. 3 и 2.

Прибор работает по принципу преобразования измеряемой величины из аналоговой формы в цифровую. Измеряемое напряжение поступает через переключатель рода работы S1 на входной делитель А5, коэффициент передачи которого изменяется в зависимости от выбранного диапазона. К выходу делителя подключен буферный усилитель А2 с коэффициентом усиления, равным двум. В следующем каскаде А7 измеряемое переменное напряжение (рис. 2.1) преобразуется в пульсирующее (рис. 2.2). Выход преобразователя А7 симметричный, его сигнал выпрямляется (рис. 2.3) в узле А8. С выхода этого узла постоянное напряжение положительной полярности поступ.ает на измерительный вход компаратора А6, а на другой его вход — пилообразное напряжение узла А1 (рис. 2.7). В результате взаимодействия этих напряжений на выходе компаратора возникают импульсы (рис. 2.9), длительность которых пропорциональна амплитуде входного напряжения. Эти импульсы, а также сигналы генераторов G1 и G3 поступают на вход логического элемента D1. Частота генератора G1 — 50 Гц, а генератора G3 — 200 Гц. Сигнал выхода логического элемента D1 содержит пачки импульсов (рис. 2.11), количество которых пропорционально величине измеряемого напряжения. Этот сигнал поступает на счетчик-дешифратор D4, который подсчитывает количество импульсов в каждой пачке и выдает сигнал соответствующего числа на индикатор HI.

Процессом преобразования напряжения в цифровой код управляет генератор С/, который формирует тактовые импульсы «счет» (рис. 2.5) и «индикация» (рис. 2.6). В начале режима «счет» передним фронтом этого сигнала с помощью цепочки R2C2 формируется импульс установки счетчика D4 (рис. 2.8), и в этот момент начинается образование периода пилообразного напряжения в узле А1. Длительности импульсов «счет», «индикация» и время нарастания одного периода пилообразного напряжения одинаковы и равны 10 мс. Шкала цифрового авометра содержит три разряда, следовательно, максимальное число импульсов, записанное в счетчике D4, не превышает 999. Частота импульсов, заполняющих каждую пачку, равна 200 кГц, поэтому максимальное время преобразования не превышает 5 мс. В каждый момент окончания периода сигнала пилообразного напряжения (спад высокого уровня) заканчивается заполнение счетчика и его содержимое отображается индикатором HI.

Рис. 2. Временные диаграммы, поясняющие работу цифрового авометра

Примененный принцип время-импульсного преобразования позволил значительно упростить схему аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а «индикация» с частотой 50 Гц позволила исключить буферные запоминающие регистры между счетчиком D4 и ЖКИ. Напряжение генератора G1 помимо формирования управляющих импульсов используют и для питания ЖКИ.

Узлы АЗ и D3 предназначены для обеспечения индикации полярности измеряемого напряжения. Так, если на входном гнезде XSI положительный потенциал или измеряется переменное напряжение, то на индикаторе обозначается знак «П», если отрицательный, то знак «—».

Питается цифровой авометр от одной батареи «Крона», а необходимое для нормальной работы операционных усилителей двуполярное питание вырабатывает узел G2. Выходное напряжение положительной полярности +5,8 В — стабилизированное, а стабильность напряжения —5 В зависит от нагрузки. В цифровом авометре нагрузка по цепи питания —5 В неизменная. Минимальное напряжение батареи «Крона», при котором узел питания работает нормально, —6 В.

Принципиальная схема авометра представлена на рис. 1. Измеряемый сигнал подают на гнезда XS1 и XS2. Переключателем режима SA1 подключают гнездо XS1 к делителю напряжения R6R8R10R11, универсальному шунту R1 — R4 или источнику тока, собранному на транзисторах VT1 — VT3, а их выводы через устройство защиты R12, VD1 — VD8 — к входу 3 микросхемы DA1. Переключателем SA2 выбирают род тока и напряжения. Пределы измерения переключают кнопками SB1 — SB4. В режиме измерения значений сопротивления через измеряемый элемент, подключенный к гнездам XS1 и XS2, проходит стабилизированный ток, значение которого устанавливают при выборе предела измерения («1»— 1 мА, «10»— 100 мкА, «100»— 10 мкА, «1000» — 1 мкА). При этом определяют падение напряжения на измерительном элементе. Стабилизатор тока собран на транзисторах VT1 — VT3 по схеме токового зеркала Уилсона [9], обеспечивающей постоянство выходного тока во всем диапазоне измеряемых сопротивлений. При измерении напряжения подключают делитель R6R8R10RI1. В режиме измерения тока определяют напряжение, образованное на шунтирующих резисторах R1 — R4, максимальное значение этого напряжения составляет 1 В.

Микросхема DA1, на вход которой поступают измерительные сигналы, работает как усилитель. Его коэффициент усиления определяется номиналами резисторов R13 и R15 и равен значению К\ =

В таком включении операционного усилителя (ОУ) входное сопротивление первого каскада намного превышает 1000 МОм и поэтому оно не оказывает никакого шунтирующего влияния на входной делитель (в том числе при измерении на самой высокой частоте). Второй каскад, собранный на микросхеме DA2, включен по схеме генератора стабильного тока [7], в цепи обратной связи которого стоят диоды VD10 и VDI1. При поступлении на вход микросхемы DA2 переменного напряжения на резисторе R27, который является нагрузкой в симметричной цепи, выделяется пульсирующее напряжение. Сглаживание пульсаций, а также переход к несимметричному выходу осуществляется в третьем усилительном каскаде, собранном на микросхеме DA4, в котором ОУ включен по схеме дифференциального усилителя. Коэффициент усиления этого каскада определяется номиналами резисторов R28—

R30, R32 и равенМаксимальное выходное напряжение микросхемы DA4 составляет 2 В, следовательно, общий коэффициент усиления трех каскадов DAI, DA2 и DA4 равен

Поскольку первый и третий каскады обеспечивают усиление К\з=К\· /Сз = 12,5, то из этого следует, что второй каскад имеет коэффициент передачи К,2 =

Чувствительность цифрового авометра 1 мВ, поэтому диапазон выходного напряжения усилительной части прибора 1 мВ … 2 В. Для того чтобы обеспечить необходимую точность установки нуля (±0,2 мВ) во всех трех операционных усилителях DAI, DA2 и DA4, балансировка нуля производится прецизионными резисторами RI4, R21, R33.

Такое построение усилительной части авометра и использование ОУ, на входе которых стоят полевые транзисторы, имеющие чрезвычайно малые входные токи (доли наноампер), позволило получить малый дрейф выходного напряжения и поднять верхнюю границу частоты измеряемых напряжений до 50 кГц. С выхода DA4 на измерительный вход компаратора DA5 напряжение поступает через фильтр частот R34C4, при этом амплитуда пульсаций не превышает 0,1…0,2 мВ. На инвертирующий вход микросхемы DA5 подается пилообразное напряжение от интегратора, собранного на ОУ DA6. Скорость нарастания пилообразного напряжения на выходе микросхемы DA6 определяется емкостью конденсатора С5 и сопротивлением резистора R38, а также уровнем опорного напряжения, снимаемого с делителя, образованного резисторами R37 и R35. Интегратор периодически сбрасывается в нулевое состояние транзистором VT4, который соединен со схемой управления аналого-цифрового преобразователя. В результате воздействия двух положительных напряжений на входы компаратора DA5 на его выходе появляются прямоугольные импульсы.

Рис. 4. Принципиальная схема узла питания

Для повышения быстродействия компаратора введена положительная обратная связь (R40, С6). Управление аналого-цифровым преобразованием осуществляет генератор с частотой 50 Гц, собранный на логических элементах DD2.2 и DD2.3. Другой генератор собран на логических элементах DD2.1 и DD2.4. Работа этих генераторов подробно описана в [8]. Импульсное напряжение двух генераторов (50 Гц и 200 кГц), а также напряжение с выхода компаратора D45 поступают на узел «ЗИ-НЕ», образованный логическим элементом DD1.4 и диодами VD13 и VDI4. В результате взаимодействия сигналов на входе узла на выходе DDI.4 появляются пачки импульсов, которые и поступают на вход счетчика, содержащего микросхемы DD4 — DD6, Разряды дешифраторов этих микросхем соединены с жидкокристаллическим индикатором. Перед каждым циклом записи производится установка счетчиков импульсом длительностью 1 мкс, который образуется цепочкой C10R49 и поступает через элементы DD3.J и DD3.2.

Компаратор, собранный на микросхеме DA3, предназначен для индикации полярности измеренного напряжения. Выходное напряжение компаратора управляет работой логического элемента DD1.1, выходной сигнал которого в свою очередь управляет соответствующими сегментами индикатора HI. На общий контакт ЖКИ поступает напряжение от генератора частотой 50 Гц.

Принципиальная схема узла питания показана на рис. 4. Напряжение +5,8 В поддерживается неизменным стабилизатором, собранным на транзисторах VTI — VT3. Работа такого стабилизатора подробно описана в [10]. Его основные достоинства — большой коэффициент стабилизации (не менее 500) и эффективная защита от короткого замыкания.

Отрицательное напряжение —5 В создается преобразователем полярности, который содержит генератор, выходной транзисторный каскад и емкостной умножитель напряжения. Выходное напряжение

Рис. 5. Общий вид прибора

Рис. 6. Общий вид на монтаж прибора

генератора, собранного на микросхеме DDI, представляет собой меандр с частотой около 10 кГц. Оно подается на базы комплементарной пары транзисторов VT4 и VT5 выходного каскада и поочередно открывает их. Когда открыт транзистор VT5, происходит заряд конденсатора С6. В следующий полупериод импульсного напряжения генератора открывается транзистор VT4 и конденсатор Сб, разряжаясь, передает энергию на конденсатор С7. На последнем устанавливается отрицательное напряжение, примерно равное напряжению питания преобразователя. Поскольку преобразователь полярности питается от стабилизатора, напряжение на его выходе (—5 В) зависит только от сопротивления нагрузки. Нагрузка в цифровом авометре по этой цепи постоянна, поэтому отрицательное питающее напряжение будет неизменным. Коэффициент полезного действия такого преобразователя выше описанных в литературе [11] и достигает 70%. Амплитуда пульсаций отрицательного напряжения под нагрузкой не превышает 10 мВ. Источник на-

пряжения подключается к прибору при включении одной из кнопок SB1 — SB4. Для контроля напряжения батареи включают кнопки SB2 и SB5.

Конструкция цифрового авометра показана на рис. 5 и 6. Все элементы схемы размещены на двух печатных платах, изготовленных из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Размер плат 115X70 мм. Наиболее насыщена плата преобразователя (рис. 7). На ней расположены все коммутационные элементы — переключатели SA1, SA2, SB1 — SB5. Переключатель рода работ S/4/ крепят к плате двумя винтами, а кнопочные переключатели SA2 и SB1 — SB5 впаивают в плату. Все потенциометры крепят к плате эпоксидным клеем таким образом, чтобы их регулировочные винты были расположены перпендикулярно к ней. Постоянные резисторы установлены на плате преобразования вертикально. Плата индикации (рис. 8) содержит меньшее число радиоэлементов. На ней располагается еще и узел питания. На стороне проводников этой печатной платы крепится ЖК.И, выводы которого электрически соединяются с печатными проводниками через две токопроводящие резинки. Толщина этих резинок 3 мм, Поэтому с другой стороны плат (под ЖКИ) установлены микросхемы DD4 — DD6. Платы цифрового авометра соединяют между собой гибкими проводниками. При установке в корпус прибора плату индикации крепят к передней панели прибора тремя винтами М3. Плата преобразования жестко соединена с задней стенкой. В собранном виде между платами укладывается батарея питания.

В цифровом авометре в основном применены резисторы МЛТ-0,125±5 %. Номиналы резисторов, влияющих на точность измерения, необходимо подобрать с помощью цифрового омметра. Не более чем на ±0,1 % должны отличаться номиналы следующих резисторов: RI—R4, R6, R8, RIO, R11, R28 — R30, R32. Такой отбор, проведенный до начала монтажа, значительно сократит объем работ при настройке прибора. Подбирая резисторы МЛТ, следует помнить, что в результате пайки их сопротивление меняется и эти изменения носят необратимый характер.

Рис. 7. Плата преобразователя:

ίΐ — рисунок печатной платы со стороны установки элементов; б — рисунок печатной платы с противоположной стороны

Мощность рассеивания резистора R4—1 Вт. В приборе применены элементы следующих марок: подстроечные резисторы — СП5-3, электролитические конденсаторы — К53-1, конденсаторы С1 — СЗ,

С6, С7, СЮ—КМ-6, конденсаторы С5, С8, С9, СП, С12 — К73-3. В качестве переключателей SB1 — SB4 использованы кнопочные переключатели П2К с зависимой фиксацией, переключатель SA1 — галетный ПГЗ.

Налаживание авометра начинают с проверки узла питания. Критерием его исправной работы является наличие выходных напряжений и ток холостого хода, не превышающий 2,5 мА. При необходимости выходное сопротивление регулируют, подбирая стабилитрон VD2. Затем настраивают плату индикации. Прежде всего проверяют работу генераторов (200 кГц и 50 Гц) и наличие пилообразного напряжения на выходе микросхемы DA6. Амплитуда пилы должна быть в пределах 2,2…2,4 В. На выходе микросхемы DD3.2 должны просматриваться импульсы установки положительной полярности длительностью не более 1 мкс. Проверку платы индикации лучше производить при отключенном входе С микросхемы DD4. В этом случае на ЖКИ должны отображаться три нуля.

Если осциллограммы напряжений соответствуют эпюрам, приведенным на рис. 3, то на этом проверку платы индикации заканчивают. Настройку платы преобразователя начинают с установки нулевого напряжения на выходах микросхем DAI, DA2 и DA4. Установку производят в режиме измерения напряжений при закороченных входных гнездах. Точность установки нуля ±0,1 мВ. Затем, соединив обе платы, подают на вход авометра переменное напряжение не более 1 В, контролируя его величину по образцовому вольтметру. Показания авометра устанавливают потенциометром R16. После этого необходимо проверить точность показаний авометра в девяти точках первого диапазона через каждые 100 мВ.

Рис. 8. Плата индикации:

а — рисунок печатной платы со стороны установки элементов; б — рисунок печатной платы с противоположной стороны

Метрологические особенности цифровых измерительных приборов подробно описаны в [5, 12], отметим лишь, что погрешность цифрового авометра на первом диапазоне определяется стабильностью генератора 200 кГц, линейностью пилообразного напряжения, точностью работы компаратора DA5 и дрейфом напряжения на его входе. Работу указанных узлов необходимо проверить особенно тщательно. Далее проверяют точность измерения постоянного напряжения и индикацию полярности. Если при замере одного и того же напряжения поменять полярность, то разница в показаниях прибора не должна превышать 0,5 % £/изм. При большой раз-

нице в показаниях производится балансировка дифференциального усилителя DA4 подбором резисторов R29 и R30. Если резисторы входного делителя подобраны с точностью 0,1 %, то настройку авометра на этом заканчивают. В режиме измерения сопротивлений выходной ток генератора стабильного тока подбирают по образцовым резисторам или с помощью микроамперметра.

Литература

1.     Григорьев В. Цифровой мультиметр ВР-11.— Радио, 1984, № 1, с. 63.

2.     Цифровые комбинированные электроизмерительные приборы Житомирского ПО «Электроизмеритель».— Приборы и системы управления, 1984, № 4, с. 48—49.

3.     Васильев М., Попов В. Цифровой мультиметр. В помощь радиолюбителю, № 81.— М.: ДОСААФ, 1983.

4.     Суетин. Цифровой измерительный прибор. В помощь радиолюбителю, № 72.— М.: ДОСААФ, 1981.

5.     Справочник по радиоэлектронным устройствам / Под ред. Д. П. Линде.— М.: Энергия, т. 2, 1978, с. 61—63, 66—68.

6.     X о р о в и ц П., Хилл У. Искусство схемотехники.— М.: Мир, 1983, т. 2, с. 62—63.

7.     Ш и л о В. Л. Линейные интегральные микросхемы в радиоэлектронной аппаратуре.— М.: Советское радио, 1979, с. 156— 162, 169—171.

8.     Волков С. Генераторы прямоугольных импульсов на МОП-элементах.— М.: Энергоиздат, 1981, с. 140—153.

9.     X о р о в и ц П., Хилл У. Искусство схемотехники.— М.: Мир, т. I, 1983, с. 124—127.

10.   Ефремов В., Шпанцев Ю. Модульные блоки питания.— Радио, 1981, № 2, с. 46—48.

11.   Ходаковский Е. Преобразователь полярности напряжения.— Радио, 1984, № 7, с. 48—49.

12.   Хризман С. Цифровые измерительные приборы и системы. Справочник.— Киев: Наукова думка, 1970, с. 51—57.

Лучшие конструкции 31-й и 32-й выставок творчества радиолюбителей /Сост. В. М. Бондаренко.— М.: ДОСААФ, 1989,— 112 с., ил.

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