Низкочастотный милливольтметр. Вч вольтметр с линейной шкалой Цифровой вольтметр, работа схемы

Милливольтметры с линейной шкалой, описанные в литературе, традиционно выполняют по схеме с диодным выпрямителем, включенным в цепь отрицательной обратной связи усилителя переменного тока. Такие устройства довольно сложны, требуют применения дефицитных деталей, кроме того, к ним предъявляются достаточно жесткие конструктивные требования.

В то же время существуют весьма простые милливольтметры с нелинейной шкалой, где выпрямитель собран в выносном щупе, а в основной части используется простой усилитель постоянного тока (УПТ). По такому принципу построен прибор, описание которого предлагалось в журнале «Радио», 1984, № 8, с. 57. Эти приборы широкополосны, обладают высоким входным сопротивлением и малой входной емкостью, конструктивно просты. Но показания прибора условны, а истинное значение напряжения находят либо по градуировочным таблицам, либо по графикам. При использовании узла, предлагаемого автором, шкала такого милливольтметра становится линейной.

Рис.1

На рис. 1 изображена упрощенная схема прибора. Измеряемое высокочастотное напряжение выпрямляется диодом VD1 в выносном щупе и через резистор R1 поступает на вход УПТ А1. Из-за наличия в цепи отрицательной обратной связи диода VD2 усиление УПТ при малых напряжениях на входе увеличивается. Благодаря этому уменьшение выпрямленного диодом VD1 напряжения компенсируется и шкала прибора линеаризируется.

Рис.2

Милливольтметр, изготовленный автором, позволяет измерять напряжение в интервале 2,5 мВ... 25 В на 11 поддиапазонах. Полоса рабочих частот 100 Гц...75 МГц. Погрешность измерения не превышает 5 %.
Принципиальная схема прибора приведена на рис.2. Линеаризирующий каскад, выполненный на операционном усилителе DA1, работает на поддиапазонах «О...12,5 мВ», «0...25 мВ», «0...50 мВ» «0...125 мВ», «0...250 мВ», «О...500 мВ», «0...1,25 В». На остальных поддиапазонах амплитудная характеристика диода VD1 близка к линейной, поэтому вход оконечного каскада (на микросхеме DA2) подключен к выходу щупа через резистивный делитель напряжения (R7--R11). Кондснсаторы С4—С6 предотвращают самовозбуждение операционного усилителя DA2 и уменьшают возможные наводки на его вход.
В приборе использован миллиамперметр с током полного отклонения 1 мА. Подстроенные резисторы R14, R16—R23 — СП5-2. Резистор R7 составлен из двух сопротивлением 300 кОм, соединенных последовательно, R10 и R11 — из двух сопротивлением по 20 кОм. Диоды VD1, VD2 — германиевые высокочастотные.
О перациоиные усилители КР544УД1А можно заменить на любые другие с большим входным сопротивлением.
Особых требований к конструкции прибора не предъявляется. Конденсаторы Cl, С2, диод VDI и резистор RI монтируют в выносной головке, которую соединяют с прибором экранированным проводом. Ось переменного резистора R12 выведена на лицевую панель.
Налаживание начинают с установки стрелки измерительного прибора на нулевую отметку. Для этого переключатель SA1 переводят в положение «25 В», вход прибора соединяют с корпусом, а необходимую корректировку производят резистором R14. После этого переходят на диапазон «250 мВ», регулировкой резистора R12 устанавливают стрелку измерительного прибора на нулевую отметку и подбором резистора R2 добиваются наилучшей линейности шкалы. Затем проверяют линейность шкалы на остальных диапазонах. Если достичь линейности не удается, следует заменить один из диодов на другой экземпляр. Затем подстроечными резисторами R16—R23 калибруют прибор на всех диапазонах.

Примечание. Обращаем внимание читателей, что согласно справочным данным максимальные постоянные и импульсное обратные напряжения для примененного автором статьи в выносном щупе (диод ГД507А) равны 20 В. Поэтому далеко не каждый экземпляр этого типа диодов сможет обеспечить работу прибора на двух последних поддиапазонах.

А. Пугач г. Ташкент

Радио, №7, 1992г.

Милливольтметр переменного тока в зависимости от устройств измеряют амплитудное, среднее и действующее значения переменного напряжения. Шкала милливольтметра градуируется, как правело, в действующих значениях для синусоидального напряжения, или, что тоже самое, в 1,11U ср – для приборов, показания которых пропорциональны среднему значению напряжения, и в 0,7U m – для приборов, показания которых пропорциональных амплитудному значению. Если шкала прибора градуируется в амплитудных или средних значениях, то на ней имеется соответствующее обозначение. Милливольтметры переменного тока строятся по схеме усилитель–выпрямитель. Структурная типовая схема такого прибора показана на рисунке.

При разработке этого класса приборов основное внимание уделяется обеспечению высокого входного импеданса в широком диапазоне частот. Структура прибора, в которой усиления предшествует выпрямлению, позволяет, сравнительно просто повысит входное сопротивление и уменьшить входную емкость за счет введения схем с глубокими местными обратными связями.

Рис. 2.4 Функциональная схема милливольтметра переменного тока:

ПИ – преобразователь импеданса, ППИ – переключатель приделов измерения,

У – широкополосный усилитель, ВУ – выпрямительное устройство (ПАЗ, ПСЗ, ПДЗ): ИП – источник питания в этом числе катодных и эмиттерных повторителей.

Применяются также и другие методы повышения импеданса и выравнивания частотных характеристик, такие, как размещение входного устройства в пробнике. Применения элементов с малой собственной емкостью, коррекции усилителей с помощью частотно-зависимых цепей.

В приведенных примерах реализации схема милливольтметров переменного тока приемы и методы улучшения метрологических характеристик рассматриваются более конкретно.

На рис. 2.5 приведена схема милливольтметра переменного тока.

Рис. 2.5. Схема милливольтметра переменного тока.

Диапазон измеряемых напряжений прибора от 100 мкВ до 300 В перекрывается приделами 1, 3, 10, 30, 100, 300 мВ; 1, 3, 10, 30, 100, 300 В. Рабочий диапазон частот 20Гц – 5МГц. Основная погрешность 2,5% на пределах 1 – 300 мВ и 4% на пределах 1 – 300В в диапазоне частот 45 Гц – 1 МГц; в остальной части рабочего диапазона частот погрешность 4 –6%. Входное сопротивление на частоте 55 Гц не менее 5 МОм на пределах до 300 мВ и не менее 4 МОм на остальных пределах, входная емкость 30 и 15 пФ. Прибор подключается к объекту измерения придаваемыми к нему кабелями, емкость которых не более 80 пФ. Отсутствие пробника существенно ухудшает входной импеданс его в области ВЧ.

Самодельные измерительные приборы

Основные параметры:

Диапазон измеряемых напряжений, мВ 3...5*І0^3;

Диапазон рабочих частот, Гц 30.. .30* 10^3;

Неравномерность АЧХ, дБ ±1;

Входное сопротивление, мОм:

на"пределах 10, 20, 50 мВ 0,1;

на пределах 100"мВ.. .5 В 1,0;

Погрешность измерений, % 10.

Схема прибора

Прибор состоит из входного эмиттерного повторителя (транзисторы V1, V2), усилительного каскада - (транзистор V3) и вольтметра переменного тока (транзисторы V4, V5, диоды V6-V9 и микроамперметр Р1).

Измеряемое переменное напряжение с разъема X1 подается на входной эмиттерный повторитель через делитель напряжения (резисторы R1, R2* и R22), с помощью которого это напряжение может быть уменьшено в 10 или 100 раз. Уменьшение в 10 раз происходит при установке переключателя S1 в положение X 10 мВ (делитель образуется резистором R1 и включенными параллельно резистором R22 и входным сопротивлением эмиттерного повторителя). Резистор R22 служит для точной установки входного сопротивления прибора (100 кОм). При установке переключателя S1 в положение X 0,1 В на вход эмиттерного повторителя поступает 1/100 часть измеряемого напряжения.

Нижнее плечо делителя в этом случае состоит из входного сопротивления повторителя и резисторов R22 и R2*.

На выходе эмиттерного повторителя включен еще один делитель напряжения (переключатель S2 и резисторы R6-R8), позволяющий ослабить сигнал, поступающий далее на усилитель.

Следующий каскад милливольтметра - усилитель напряжения ЗЧ на транзисторе V3 (коэффициент усиления примерно 30) - обеспечивает возможность измерения малых напряжений/ С выхода этого каскада усиленное напряжение 34 поступает на вход измерителя напряжения переменного тока с линейной шкалой, представляющей собой двухкаскадный усилитель (V4, V5), охваченный отрицательной обратной связью через выпрямительный мост (V7-V10). В диагональ этого моста включен микроамперметр P1.

Нелинейность шкалы описываемого вольтметра в интервале отметок 30... 100 не превышает 3 %, а в рабочем участке (50... 100) -2 %. При калибровке чувствительность милливольтметра регулируют резистором R13.

В приборе можно использовать любые низкочастотные маломощные транзисторы со статическим коэффициентом передачи тока h21э = 30...60 (при токе эмиттера 1 мА). Транзисторы с большим коэффициентом h21э следует установить на место V1 и V4. Диоды V7-V10 - любые германиевые из серий Д2 или Д9.

Стабилитрон КС168А можно заменить двумя стабилитронами КС133А, включив их последовательно. В приборе применены конденсаторы МБМ (С1), К50-6 (все остальные), постоянные резисторы МЛТ-0,125, подстроечный резистор СПО-0,5.

Переключатели S1 и S2 (движковые, от транзисторного радиоприемника «Сокол») доработаны так, чтобы каждый из них стал двухполюсным на три положения: в каждом ряду удалены краиние неподвижные контакты (по два подвижных контакта), а оставшиеся подвижные контакты переставлены в соответствии со схемой коммутации.

Налаживание прибора сводится к подбору режимов, указанных на схеме резисторами, отмеченными звездочкой, и градуировке шкалы по образцовому Прибору.

Эти приборы используются главным образом для измерения малых напряжений. Их наибольший предел измерения 1÷10 мВ, внутреннее сопротивление порядка 1÷10 мОм.

Входное напряжение поступает на трехзвенный Г-образный ЧС-фильтр, назначение которого уменьшить наводки промышленной частоты - 50 Гц во входном сигнале.

Затем напряжение модулируется, усиливается усилителем Y 1 , состоящим из Y" (1 и 2-ой каскада) и Y" (3 - 5-ой каскады), затем демодулируется, подается на согласующий усилитель Y 2 , который выполнен по схеме катодного повторителя и служит для согласования сопротивления μА с сопротивлением Y 2 . Напряжение измеряется μА (100 μА), шкала которого градируется в единицах напряжения.

В качестве модулятора использован вибропреобразователь. ДМ - диодный кольцевой демодулятор.

Цепь обратной связи служит для стабилизации коэффициента усиления и его изменения при переключении пределов измерения.

В переключатель пределов измерения, кроме звена ОС входит делитель напряжения ДН, расположенный между вторым и третьим каскадом Y 1 .

ГНЧ - генератор несущей частоты обеспечивает подачу напряжения на М и ДМ.

По такой схеме построен вольтметр постоянного тока типа В2-11 с пределами измерения
В, внутреннее сопротивление 10÷300 мОм и погрешность 6÷1 %.

Универсальные вольтметры

Универсальные вольтметры строятся по схеме, которая называется схемой "выпрямитель-усилитель". Важной частью схемы яв-ляется выпрямитель "В". Как правило, в универсальных вольтметрах используются В амплитудного значения, построенные по схеме однополупериодного выпрямления (так как в случае двухполупериодного выпрямления невозможно создать заземленную шину) с открытым или закрытым входом, но, как правило, используется схема с закрытым входом, что объясняется независимостью напряжения на ее выходе от постоянной составляющей на входе.

Универсальные вольтметры имеют широкий частотный диапазон, но сравнительно низкую чувствительность и точность.

Получили распространение универсальные вольтметры В7-17, В7-26, ВК7-9 и другие. Их основная погрешность достигает ±4%. Частотный диапазон до 10 3 мГц. Пределы измерения от 100÷300 мВ до 10 3 В.

Вольтметры переменного тока

ППИ – переключатель пределов измерения.

Электронные вольтметры переменного тока предназначаются в основном для измерения малых напряжений. Это объясняется их структурой "усилитель-выпрямитель", то есть предварительным усилением напряжения. Эти приборы обладают высоким входным сопротивлением за счет введения схем с глубокими местными обратными связями, в том числе катодных и эмиттерных повторителей: в качестве ВП используются выпрямители среднего, амплитудного и действующего значения. Шкала, как правило, градуируется в единицах действующего значения с учетом соотношений
и
для синусоидальных напряжений. Если шкала градуируется вU ср или U т , то на ней имеются соответствующие обозначения.

В общем приборы по схеме "усилитель-выпрямитель" имеют большую чувствительность и точность, но частотный диапазон их сужен, он ограничивается усилителем У.

Если используется В среднего или амплитудного значения, то приборы критичны к форме кривой входного напряжения при градуировке шкалы в ед. U д .

При использовании В среднего значения, он, как правило, выполняется по двухполупериодной схеме выпрямления. При использовании амплитудного детектора - по схеме с открытым или закрытым входами.

Особенностью электронных вольтметров действующего значения является квадратичность шкалы за счет наличия квадратирующего устройства в В. Существуют специальные методы устранения этого недостатка.

Получили распространение милливольтметры переменного тока типа В3-14, В3-88, В3-2 и т.п.

Среди электронных вольтметров наибольшую точность имеет диодный компенсационный вольтметр (ДКВ). Его погрешность не превышает сотых долей процента. Принцип действия поясняет следующей схемой.

НИ - нуль-индикатор

При подаче
и компенсационного напряжения смещенияпоследнее можно отрегулировать так, что НИ покажет 0. Тогда можно считать, что
.

Импульсные вольтметры

Импульсные V предназначены для измерения амплитуд периодических импульсов сигналов с большой скважностью и амплитуд одиночных импульсов.

Трудность измерения состоит в многообразии форм импульсов и широком диапазоне изменения временных характеристик.

Все это не всегда известно оператору.

Измерение одиноч-ных импульсов создает дополнительные трудности, так как не удается накопить информацию об измеряемой величине многократным воздействием сигнала.

Импульсные V строятся по приведенной схеме. Здесь ПАИ - преобразователь амплитуды и импульса в напряжение. Это самый важный блок. Он в ряде случаев обеспечивает не только указанное преобразование и запоминание преобразованного значения в течение времени отсчета.

Наиболее часто в ПАИ используются диодно-конденсаторные пиковые детекторы. Особенность этих детекторов в том, что длительность импульсов τ U может быть мала, а скважность - велика. В результате за τ U "С" полностью не зарядится, а за "Т" - значительно разрядится.