Мультиметр на БІС

Основний вузол будь-якого цифрового вимірювального пристрою – аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Існує кілька способів перетворення вимірюваної величини з аналогової форми в цифрову, і кожен з них має свої переваги і недоліки. У описуваному приладі застосований АЦП, який працює за принципом так званого подвійного інтегрування, найбільш часто використовуваного в цифрових вольтметра.

Суть цього способу перетворення сигналу пояснюють функціональна схема і часова діаграма, зображені на рис. 1 і 2. На першій стадії під дією пристрою управління електронний ключ А1 замкнутий, а А2 – розімкнений. При цьому протягом всього заданого інтервалу часу t з інтегруючий конденсатор З інт заряджається струмом, пропорційним вимірюваному напрузі U вх через інтегратор DA1 і резистор R інт .


Рис. 1. Функціональна схема АЦП.


Рис. 2. Тимчасова діаграма роботи АЦП.

На другій стадії, навпаки, ключ А1 розімкнений, а А2 – замкнений. Інтегруючий конденсатор розряджається через компаратор DA2 постійним струмом, пропорційним зразковому напрузі. Тривалість цій стадії (t pl і t p2 ) Пропорційна вимірюваному напрузі (U вxl і U вx2 відповідно). Саме в цьому інтервалі часу лічильник підраховує імпульси зі стабільною частотою повторення, що формуються тактовим генератором. Дешифратор перетворює інформацію лічильника в сигнали, необхідні для управління індикатором.

Гідність способу подвійного інтегрування в тому, що тактова частота і постійна часу інтегрування (R інт C інт ) Не впливають на результат вимірювання (важливо лише, щоб перша була постійною в інтервалі часу t 3 +t p ). Дрейф рівня порівняння компаратора також позначається незначно, так як він (рівень) і при прямому, і при зворотному інтегруванні один і той же. Однак для отримання прийнятної точності перетворення необхідна висока стабільність розрядного струму і "нуля" інтегратора. Постійність першого легко забезпечується стабілізатором, зміщення другого усувається пристроєм автоматичної корекції. З цією метою в цикл вимірювання вводиться третя стадія – корекція нуля, для чого пристрій доповнюється електронними ключами A3, А4 і конденсатором З до (Показані штриховими лініями) при відключеному загальному проводі від неінвертуючий вхід інтегратора DA1.

На третій стадії ключі A3 і А4 замкнені, а А1 і А2 – розімкнуті. У цьому випадку інтегратор і компаратор утворюють повторювач, вихідна напруга якого дорівнює напрузі зсуву, що заряджає конденсатор З до . При вимірі вхідної напруги електронні ключі A3 і А4 розмикаються, а ключі А1 і А2 по черзі замикаються. Так як протягом часу t 3 +t p напруга на конденсаторі С до змінюється незначно, то цим забезпечується сталість нуля інтегратора. Можливі й інші варіанти коригування нуля, один з яких буде описано нижче.

Слід зауважити, що результат вимірювання являє собою не миттєве значення вхідний величини, а усереднене в інтервалі t 3 . Тому паразитне змінну напругу, наведене на вході, послаблюється пропорційно його частоті. Коливання, період яких кратний інтервалу t 3 , Придушуються повністю. Метод подвійного інтегрування дозволяє порівняно легко отримати точність вимірювання порядку 0,01%. Вказані переваги і зумовили його широке використання в цифрових вольтметра.

АЦП можна виконати на аналогових і цифрових мікросхемах невеликому ступені інтеграції. Однак пристрій в цьому випадку вийде громіздким, складним у виготовленні І налагодженні. Всіх зазначених труднощів можна уникнути, скориставшись інтегральними АЦП серії К572ПВ2 (у керамічному корпусі) або КР572ПВ2 (в пластмасовому). Це – мікросхеми великий ступеня інтеграції (ВІС) структури КМОП, що працюють за принципом подвійного інтегрування, на 3,5 десяткових розряду з виходом для управління семісегментнимі світлодіодними індикаторами. Вони детально описані в брошурі Б. Г. Федоркова, В. А. Телець, В. П. Дегтяренко "Мікроелектроіние цифро-аналогові і аналого-цифрові перетворювачі" (М.: Радіо і зв'язок, 1984, Масова бібліотека інженера, "Електроніка", випуск 41).


Рис. 3. Функціональна схема АЦП серії К572ПВ2 (КР572ПВ2).

Функціональна схема АЦП названих серій наведена на рис. 3, а тимчасова діаграма роботи – на рис. 4. Цикл вимірювання також складається з трьох стадій: інтегрування сигналу (ІНТ), розрядки інтегруючого конденсатора (РІ) і автоматичної корекції нуля (АК). Кожній стадії відповідає певна з'єднання елементів мікросхеми, яке виконується логічним пристроєм за допомогою ключів на транзисторах структури МОП. Тривалості стадій (рис. 4) пропорційні періоду тактових імпульсів і точно задані лічильником БІС.


Рис. 4. Тривалості стадій циклу вимірювання.

Мікросхема має диференціальні входи для вимірюваного і зразкового напруг. Це дозволяє вимірювати "плаваючі" напруження і пригнічувати синфазним перешкоди, що виникають в ланцюгах вхідного сигналу і зразкового джерела. Вхідний опір АЦП для диференціального й синфазного сигналів практично визначається тільки струмами витоку через елементи монтажу і корпус і становить близько 20 МОм.

На стадії ІНТ електронні ключі А1, А2, А5, А10 замкнуті, решта – розімкнуті. Вхідний сигнал через буферний каскад на ОУ DA1 надходить на вхід інтегратора DA2, і інтегруючий конденсатор З інт починає заряджатися. Напруга на виході ОУ DA2 змінюється з постійною швидкістю пропорційно амплітуді і відповідно до полярністю вхідного сигналу. Так як вхідний струм інтегратора малий, напруга на конденсаторі С АК практично не змінюється, і він не впливає на процес інтегрування. Зразковий конденсатор З о6р заряджається до напруги U обр . Наприкінці стадії компаратор DA3 визначає полярність вхідного сигналу за напругою на виході інтегратора. Чутливість компаратора така, що забезпечує цю операцію, навіть якщо вхідний сигнал не перевищує часткою одиниці відліку.

При роботі БІС в наступній стадії електронні ключі А8, А7 або А6, А9 (в залежності від полярності сигналу) і А4 замкнуті. Конденсатор С о6р підключений до входу інтегратора таким чином, що конденсатор З інт розрядиться. У момент, коли напруга на ньому зменшується до нуля, спрацьовує компаратор і логічне пристрій припиняє стадію РІ. Час розрядки конденсатора З ннт , Виражене числом періодів тактових імпульсів, і є результат вимірювання, записаний у лічильнику. Його стан переписується в пристрій проміжної пам'яті, а потім перетвориться в сигнали семи-сегментного коду, які надходять на індикатор.

Стадія АК починається з припиненням роботи лічильника, коли логічне пристрій включає електронні ключі A3, А4 і А11. , Що утворилася при цьому стежить система забезпечує зарядку конденсаторів З АК і С інт до напруги, компенсуючого зміщення нуля аналогових пристроїв. Воно залишається незмінним протягом наступних стадій ІНТ і РІ. В результаті приведена до входу похибка ізмеречія через зсув нуля і його температурного дрейфу у БІС зазначених серій не перевищує 10 мкВ.

На ОП DA4 виконаний внутрішнє джерело напруги. Його вихід підключений до висновку 32 – загального проводу БІС, який використовується для під'єднання до загального проводу контрольованого пристрою. При харчуванні АЦП від незаземленого джерела (наприклад, батареї) і в тих випадках, коли не пред'являється жорстких вимог до точності вимірювань, внутрішнє джерело напруги БІС можна використовувати замість зразкового.

До складу БІС входить також тактовий генератор. Частота проходження його імпульсів визначається зовнішніми елементами R ТГ і С ТГ . Для максимального придушення мережевих перешкод (з частотами, кратними 50 Гц) частота повторення тактових імпульсів f т також повинна бути кратна 50 Гц і обрана з типового ряду значень 40, 50, 100, 200 кГц. Номінали частотозадающіх елементів тактового генератора розраховують за формулою C ТГ =0,45/f т R ТГ . Для підвищення стабільності частоти між висновками 39 і 40 може бути включений кварцовий резонатор (при цьому елементи R ТГ і С ТГ не підключає). При роботі БІС від зовнішнього генератора тактові імпульси подають на виведення 40 (висновки 38 і 39 залишають вільними).

Діапазон вхідних напруг залежить від зовнішнього зразкового і визначається співвідношенням U вx.max = ±1,999 U o6p . Поточні показання світлового табло виражаються числом, рівним 1000 U вx /U o6p . При використанні БІС необхідно, щоб амплітуда вихідної напруги буферного підсилювача і інтегратора не перевищувала граничного напруги лінійної дільниці DU інт max , Рівного 2 В при незаземленій або 3 … 4 В при заземленому джерелі живлення. Оскільки приріст напруги на виході інтегратора описується формулою D U інт =U вх t ніт /R інт З інт , А U вх max » 2U обр , Параметри елементів інтегрування знаходять із співвідношення: R інт З інт ³ t інт 2U обр / D U інт max . У процесі виробництва параметри БІС контролюють при зразковому напрузі U o6p , Що дорівнює 1 і 0,1 В. Ємність конденсатора З обр для цих випадків повинна бути дорівнює 0,1 і 1 мкФ відповідно.

При розрахунку частотозадающей ланцюга тактового генератора задаються частотою f т і опором резистора R ТГ .

Наприклад, при f т = 50 кГц і R ТГ = 470 кОм отримуємо ємність конденсатора З ТГ = 100 пФ. Рекомендовані технічними умовами номінали елементів вхідного фільтру – R ф = 1 МОм, З ф = 0,01 мкФ; З інт = 0,1 мкФ, R інт = 470 кОм при U обр = 1 В (у цьому випадку З АК = 0,047 мкФ) і R інт = 47 кОм при U o6p = 0, l У (С АК = 0,47 мкФ). Допустиме відхилення від номіналів всіх елементів – не більш ± 5%, за винятком елементів фільтру R ф і С ф , Для яких допускається відхилення ± 20%. В якості конденсаторів З о6р , З АК , З інт необхідно використовувати конденсатори з малим коефіцієнтом абсорбції (К71-5, К72-9, К73-16 і т. п.).

Максимальний струм, споживаний БІС серії КР572ПВ2 від обох джерел живлення, – не більше 1,8 мА, вихідний струм старшого розряду – не менше 10 мА, інших – не менше 5 мА. Коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу АЦП досягає 100 дБ, похибка перетворення не перевищує 1, 3 та 5 одиниць рахунку відповідно для КР572ПВ2А, КР572ПВ2Б і КР572ПВ2В. Зазначені параметри гарантуються при температурі 25 ± 10 С і живлять напружених +5 (U пит 1) і -5 В (U пит 2) з нестабільністю ± 1%. Нестабільність зразкового напруги має бути не гірше ± 2,5 * 10 -3 при U о6р = 1 В і ± 0,25 * 10 -3 при U o6p = 0, l В. Напруга живлення U пит 1 може бути в межах від +4,5 до +5,5 В, U пит 2 – від -8 до -4,5 В. Вхідний і зразкове напруги не повинні перевищувати напруг джерел живлення.

Щоб уникнути виходу БІС з ладу при експериментах її спочатку з'єднують із загальним проводом (висновки 21 і 32), потім подають на неї напруги живлення (висновки 1 і 26), зразкове (висновки 35 і 36) і, нарешті, вхідний (висновки 30 і 31) напруги. Знімають напруги в зворотному порядку. При перетворенні вхідного сигналу, що вимірюється відносно загального проводу, висновки 30, 32 і 35 мікросхеми з'єднують із загальним дротом.

Принципова схема 3,5-декадної цифрового мультиметра, що складається з аналогового перетворювача (АП), вимірювального пристрою (ВП), виконаного на основі БІС розглянутої серії, і блоку живлення (БП), зображена на рис. 5-7 відповідно. Прилад забезпечує вимірювання постійного і змінного напруги (у вольтах) та струму (в міліампер), в також опору (в кілоомах) в п'яти діапазонах з верхніми межами 0,2; 2, 20, 200 і 2000 (фактичні значення – 0,1999; 1,999; 19,99; 199,9 і 1999; слід пам'ятати, що на межах 0,2 і 2 цифра 0 у старшому розряді НЕ індиціюється). Щоб уникнути виходу приладу з ладу максимальне вимірюється напруга на межі "2000" не повинно перевищувати 500 В; перемикати межі вимірювання при такій напрузі неприпустимо. Частота вимірюваного змінної напруги і струму – від 30 Гц до 100 кГц. Вхідний опір приладу – 10 МОм. Максимальне падіння напруги на вході при вимірюванні струму і опору – 0,2 В. Харчується мультиметр від вбудованої акумуляторної батареї або зовнішнього джерела напругою 4,5 В.


Рис. 5. Аналоговий перетворювач (АП).

АП мультиметра (мал. 5) містить вхідний частотно-компенсований дільник напруги Rl-R5C1-С4, універсальний шунт з резисторів R6-R10, стабілізатор струму на транзисторі VT1 з набором резисторів в ланцюга витоку Rll-R15, пристрій захисту на елементах R17-R19, VD1-VD4 і детектор на ОУ DA1.

Вимірюваний сигнал подають на гнізда XS1 і XS2. Перемикачем режиму SB2 підключають гніздо XS1 до дільнику напруги, універсальному шунт або джерела струму, а їх виходи через пристрій захисту і перемикач роду струму і напруги SB1 – до входу ІУ або детектора. Якщо жодна з кнопок SB2.1 – SB2. 3 не натиснута, гніздо XSI ні з чим не поєднано, а вхід пристрої захисту з'єднаний із загальним проводом. Межі вимірювання і "коми" індикаторів перемикають кнопками SB3-SB7.

Власне пристрій захисту приладу від перевантажень утворено резистором R17 і діодами VD1, VD3. Резистори R18, R19 з діодами VD2, VD4 забезпечують його пороговими напругами.

Детектор середнього значення (DA1) виконаний за схемою двухполуперіодного випрямляча. Резистор R22 забезпечує 100%-ву негативну зворотний зв'язок по постійному струму (вона стабілізує "нуль" на виході), конденсатор С7 – по змінному. Резистором R21 балансують ОП, резистором R23 регулюють чутливість детектора. При вимірі постійного струму неінвертуючий вхід ОП DA1 (через контакти кнопки SB1), а також негативний вхід ВIС у ІУ (через резистори R23, R25, R26) з'єднані із загальним проводом.

Вихідний сигнал детектора знімається з резисторів R29, R25 і надходить на диференціальні входи ІУ (рис. 6). Присутня в сигналі паразитна синфазних складова послаблюється в БІС DD1, а пульсації – Фільтром R2C3 на її вході.


Рис. 6. Вимірювальне пристрій (ВП).

ІУ мультиметра, крім АЦП DD1 (в дужках вказані номери висновків БІС К572ПВ2А-К572ПВ2В), включає в себе цифрові індикатори HG1-HG4 і джерело зразкового напруги на транзисторі VTI. ІУ представляє собою цифровий вольтметр з максимальним вхідною напругою 200 мВ. Зразкове напруга 100 мВ встановлюють подстроеч-ним резистором R4. Резистор R6 підібраний таким чином, що транзистор VT1 працює в термостабільної точці. Оскільки індикатори HG1 – HG4 і БІС живляться від різних джерел, в ІУ передбачено вузол захисту на елементах R7, С6, VD1, який затримує подачу напруги на індикатори, поки не з'явиться напруга пі-"робування БІС. В якості" коми "перед цифрою" 1 "на межі вимірювання" 0,2 "використано елемент d (висновок 7) індикатора HG4 (він зафарбований так, щоб вийшла точка).

У БЖ приладу (мал. 7) елементи С1, R2, VD1-VD4 утворюють випрямляч для зарядки акумуляторної батареї GB1, двоколірний світлодіод VD6 служить індикатором її стану. У показаному положенні перемикача SB8 і включеною в мережу вилці ХР1 зарядний струм протікає через батарею і зелений світлодіод (виводи 3 і 1). Стабілітрон VD5 закрито, так як напруга на батареї недостатньо для його пробою. Як тільки воно стає більше 5,6 В, стабілітрон пробивається, струм зарядки падає, зелений світлодіод починає світитися помітно слабкіше, а червоний (висновки 2 і 1) загоряється. Гніздо XS2 дозволяє підключити зовнішній джерело, а гніздо XS1 – контролювати напругу живлення.


Рис. 7. Схема блоку живлення.

Двуполярность джерело виконаний за схемою однотактного перетворювача з двома параметричними стабілізаторами напруги. На транзисторі VT1 зібраний вхідний стабілізатор, на VT2 перетворювач. Коли транзистор VT2 відкритий, енергія накопичується в магнітоли-топроводе трансформатора, а коли закрито через діоди VD7 і VD8 надходить в навантаження. Порції енергії, що надходять на вихід за один період коливань, мало залежать від живлячої напруги і визначаються в основному розмірами магнітопровода. Частота перетворення залежить від струму бази транзистора VT2, тобто струму через транзистор VT1 (чим він більший, тим вище частота і тим більше вихідна напруга). При зниженні напруги живлення струм через транзистор VT1 збільшується через зменшення падіння напруги на резисторі R2 дільника R2R3. За зазначених на схемі номіналах елементів зменшення напруги харчування з 4,5 до 3 У практично не позначається на вихідному. Перетворювач має велике вихідний опір, тому для ослаблення залежності вихідної напруги від навантаження включено стабілітрон VD9, який його додатково стабілізує. Частота перетворювача – близько 15 кГц. Дросель L1 і конденсатори Cl, C2 утворюють фільтр в ланцюзі його живлення.

У мультиметри використані підлаштування резистори СП5-2. Резистор R10 в АП (див. рис. 5) – відрізок манганінового дроту діаметром 0,5 мм, всі інші – С2-29, МЛТ або МТ. Конденсатори С7 (див. рис. 5), С1 і С2 (див. рис. 6) – К73-16В, С2, С4-С6 (див. рис. 7) – К53-1 (можна використовувати і К50-6, К50-16), С1 і С6 (див. рис. 6) – відповідно МБГП-1 і К50-6, решта – КМ. Кнопкові перемикачі – П2К. Дросель L1 (див. рис. 7) – ДМ-0, 1.

Трансформатор Т1 намотаний в броньовий магнітопроводі Б-14. Обмотки I, III і IV містять по 51 витка, а II – 10 витків дроту ПЕШО 0,12.

Для живлення приладу використані три срібно-цинкових дискових акумулятора угорського виробництва на струм навантаження до 300 мА. Їх можна замінити чотирма вітчизняними Д-0, 25, однак при цьому замість стабілітрон КС156Г (VD5 на рис. 7) необхідно встановити стабілітрон з напругою стабілізації близько 6,8 В.

Зовнішній вигляд і конструкція мультиметра показані на рис. 8 і рис. 9 відповідно.


Рис. 8. Зовнішній вигляд приладу.


Рис. 9. Конструкція мультиметр.

Розміри передньої панелі – 140X45 мм. Майже всі деталі приладу розміщені на платі, що зображена на рис. 10.


Рис. 10. Монтажна плата.

Штрих-пуіктірной лінією на ній обведені елементи, що входять у вузли АП, ІУ та БП (див. рис. 5-7). На допоміжної плати (її креслення не наводиться), прикріпленої за допомогою куточків до основної, розміщені цифрові індикатори HG1-HG4 і світлодіод VD6. Резистори Rl-R16, конденсатори Cl – C4 і транзистор VT1 вузла АП припаяні безпосередньо до висновків кнопкових перемикачів

SB3 – SB7, резистори R17-R19, діоди VD1-VD4 і конденсатор С5 – до висновків перемикача SB1. Плати виготовлені з фольгйрованного склотекстоліти товщиною 1,5 мм. У місцях розташування деталей фольга вилучена. Деталі з'єднані тонким одножильний дротом.

До монтажній платі також за допомогою куточків прикріплені передня і задня панелі (мал. 11), гнізда XS1 і XS2 АП, роз'єм XI та гнізда XS1, XS2 БЖ.


Рис. 11. Спосіб кріплення передньої і задньої панелей до монтажної плати.

Корпус приладу складається з однакових верхньої і нижньої кришок. На останній закріплені переносна ручка-підставка і ніжки. При монтажі необхідно стежити, щоб корпус приладу не виявився з'єднаним із загальним проводом через куточки.

Налагодження мультиметра починають з БП (див. мал. 7). Спочатку відключають стабілітрон VD9 і навантаження (АП та ВП) і, підключивши замість них еквівалент-резистор опором 1,8 кОм, подають харчування між гніздом XS1 і загальним проводом. Для цього краще всього використовувати регульований зовнішнє джерело з максимальним струмом близько 200 мА. При напрузі живлення 4,5 В напруга на еквіваленті навантаження повинно бути не менше 10 В. Якщо це не так, зменшують опір резистора R2. Потім знижують напругу живлення до 3 В. Якщо при цьому вихідна напруга знизиться більш ніж на 0,5 В, зменшують опір резисторів R3 і R2 одночасно. Після цього видаляють еквівалент навантаження і знову підключають стабілітрон VD9 й вузли мультиметр.

Для перевірки зарядного пристрою підключають прилад до мережі, але кнопку SB8 не натискати. При приєднаної батареї GB1 світлодіод VD6 повинен світитися зеленим кольором, а при відключенні її – червоним (напруга на стабілітрон VD5 в останньому випадку має бути в межах 5 … 6,2 В).

Далі включають харчування кнопкою SB8 (всі інші повинні залишитися в положеннях, показаних на схемах) і переконуються в тому. що з'явилося на табло число "000" або "-000" змінюється показанням "-1888" при подачі напруги +5 В на висновок 37 БІС DD1 (див. рис. 6). Перемиканням кнопок SB3-SB7 перевіряють правильність висвічування "ком".

Для установки чутливості прилад переводять в режим вимірювання постійної напруги на межі "0,2" (натискають кнопки SB2.1 і SB3). Подавши на вхід калібрований постійне напруга 100 мВ, підлаштована резистором R4 (див. рис. 6) встановлюють на табло показання "1000". Чутливість на змінному струмі (натиснута кнопка SB1) регулюють, попередньо добившись нульової напруги на виводі 6 ОУ DA1 (див. рис. 5) підлаштування резистором R21. Втім, потрібний результат можна отримати і за допомогою одного постійного резистора, що підключається до висновків 1 і 7 або 5 і 7 (номінал і ланцюг, в яку його необхідно включити, встановлюють експериментально), як зроблено в даному мультиметри. Збалансувавши ОУ, на вхід подають напругу 100 мВ частотою близько 1 кГц і підлаштування резистором R23 встановлюють на табло те ж число ("1000").

Резистори R11-R15 підбирають при підключених до входу зразкових резистора опором 100 Ом, 10, 100 кОм і 1 МОм.

На закінчення слід зазначити, що похибка приладу в основному визначається точністю калібрування постійного і змінного напруги 100 мВ і точністю підбору резисторів вхідного дільника і універсального шунта. Для частотної корекції універсального дільника на межах "2", "20" і "200" підбирають конденсатори С2-С4, домагаючись однакових свідчень на частотах 100 Гц і 100 кГц.

Л. Ануфрієв

м. Москва

РАДІО № 4, 1986 р., с. 35-39