Середньоквадратичний мілівольтметр

М. СУХОВА

Частина I.

Принципова схема

Визначення багатьох параметрів радіоелектронної апаратури, і зокрема звуковідтворювальною, в кінцевому підсумку зводиться до вимірювання змінних напруг різної форми. На практиці радіоаматорові доводиться стикатися з усіма чотирма значеннями змінної напруги: середнім значенням – U0, средневипрямленним – Uср.в, середньоквадратичним – U і піковим – Um. Середнє значення напруги одно його постійної складовою; средневипрямленное значення – середнього значення абсолютної величини змінної напруги; середньоквадратичне – кореню квадратному з середньоарифметичного значення квадратів миттєвих значень напружень за даний відрізок часу, а пікове – найбільшому миттєвому значенню напруги за час вимірювання Т. Зв'язок між цими значеннями визначають коефіцієнти форми Кф і амплітуди Кі.

Значення коефіцієнтів для напружень деяких форм наведено в табл. 1.

Природно, що і вольтметри змінного напруги також підрозділяються на лінійні, свідчення яких пропорційні Uср.в, квадратичні, свідчення яких пропорційні V, п імпульсні, свідчення яких пропорційні Uт.

Але найбільший інтерес для радіоаматорів представляє середньоквадратичне значення напруги, так як саме йому пропорційна потужність сигналу або гучність звуку. Тому шкали вольтметрів всіх типів (За винятком спеціальних імпульсних) градуіруют в середньоквадратичних значеннях частини зустрічається на практиці напруги синусоїдальної форми. Для лінійних вольтметрів така градуювання зводиться до зміни масштабу шкали в П2V2 = 1.11 рази. Однак при цьому не можна забувати, що свідчення такого вольтметра будуть вірні тільки при вимірюванні напруги синусоїдальної форми.

Типовими випадками некоректного застосування лінійних вольтметрів є вимірювання рівня перешкод і шумів, пульсацій постійних живлячих напруг, напруги гармонік і т. п. У цих та більшості інших випадках результати вимірювань виявляються суттєво заниженими, що призводить до штучного завищення параметрів якості (тобто зменшення рівня перешкод, шумів, напруги пульсацій, коефіцієнта гармонік і т. д.) досліджуваних пристроїв.

Вольтметри істинних середньоквадратичних значень, свідчення яких вірні для напружень будь-якої форми, значно складніше лінійних. Це обумовлено необхідністю застосування для випрямлення квадратичних детекторів. Зазвичай квадратичну характеристику одержують за допомогою діодів або термоперетворювачів [1]. Не зупиняючись докладно на цих схемних рішеннях, відзначимо, що вольтметри з квадратичним детектором на діодах мають нелінійну шкалу і низьку температурну стабільність (через низьку температурної стабільності вольтамперної характеристики діодів). Термоперетворювачі мають дуже маленьку термо-ЕРС (Що змушує застосовувати для її посилення складні УПТ з модуляцією), споживають порівняно велику потужність і не допускають навіть короткочасних перевантажень.

Використовуючи ОУ, включені за схемою логаріфмірующіх і антілогаріфмірующіх підсилювачів [2], можна побудувати перетворювач середньоквадратичних значень, вільний від перерахованих недоліків, але навіть спрощена схема такого перетворювача містила б не менше семи ОУ.

Можна, однак, побудувати перетворювач всього на двох ОУ за схемою, наведеною на рис. 1.

Якщо припустити, що ОУ A1 і А2 – ідеальні (а більшість сучасних ОУ можна вважати такими), зворотні струми діодів V1-V4-малими та постійну часу ланцюга C1R2 багато більше часу вимірювання, то вихідна постійна напруга буде точно дорівнює середньоквадратичному значенню вхідної напруги в масштабі, обумовленому відношенням опорів резисторів R2/R1. Гідністю такого перетворювача, крім простоти, є ще й те, що як індикатор може бути використаний стрілочний вимірювальний прилад з лінійною шкалою. Функціональна схема мілівольтметри істинних середньоквадратичних значень, в основі якого лежить описаний вище перетворювач, наведена на рис. 2.

Вимірюється напруга поступає на вхідний дільник U1 і далі на лінійний підсилювач A1. Перемикачем S1 в ланцюг обробки сигналу можна включити псофометріческій зважують фільтр ZI, після якого випливає ще один дільник U2 і лінійний підсилювач A2. Далі сигнал потрапляє в блок U3, що виділяє абсолютну величину вхідної напруги, і з його виходу – на перетворювач середньоквадратичних значень U4. Результати вимірювань відображаються стрілочним вимірювальним приладом PU1.


Основні технічні характеристики мілівольтметри

Межі вимірюваних напруг, мВ. . . . . . 1 … 500 • 10 3

Похибка вимірювань,%, ие більше. . . . . . . 1,5

Нерівномірність АЧХ в діапазоні частот
2 Гц … … 2,2 МГц, дБ, не більше. . . . . . . . . ± 1

5 Гц … 2 МГц, дБ, не більше. . . . . . . . . . . . ± 0,2

Вхідний опір на всіх межах
при частоті 1000 Гц, МОм, не менше. . . . . . . . . 1,8

Вхідна ємність на всіх межах при частоті 1000 Гц, пФ, не більше ….. 10

Час встановлення показів, с, не більше. . . . 1


Амплітудно-частотна характеристика мілівольтметри наведена на рис. 3,

а графік зміни показань, викликаних зміною коефіцієнта амплітуди (аж до Kа = 15) за умови, що частоти основних гармонік вимірюваного напруги не перевищують 2,2 МГц, показано на рис. 4.

Вбудовані фільтри мають характеристики взвешіванія.по кривим А, В і С згідно з публікацією № 179-73 Міжнародної електротехнічної комісії.

Принципова схема мілівольтметри наведена на рис. 5а, 5б, 5г. Вхідний дільник (рис. 5а) містить п'ять ступенів і виконаний на резистора R1-R10. Для отримання частотнонезавісімого коефіцієнта ділення в нього введені коригуючі конденсатори С2-С11.


Рис. 5а.

Вхідний підсилювач зібраний на транзисторах V3-V6 і матриці польових транзисторів A1 і являє собою операційний підсилювач з великим вхідним опором, високою частотою одиничного посилення (90 МГц) і малої вхідний ємністю (2,1 пФ). Елементи ООС R19C12R14 забезпечують коефіцієнт посилення ЗЧ у смузі частот до 5 МГц. Для захисту підсилювача від перевантажень по входу використано зустрічно-паралельне включення діодів V1 і V2.

З виходу підсилювача сигнал надходить на перемикач S3, яким може бути обрана необхідна частотна характеристика мілівольтметри: лінійна в смузі від 5 Гц до 2 МГц або одна з характеристик частотного зважування для вимірювання рівня шумів. Власне зважувальні фільтри виконані на ОУ А2 і A5. Частотні характеристики формуються ланцюгами R44C18, C20R48, C20R48R49, R50C21, R51C24 і відповідають вимогам публікації МЕК [4]. наведеним у табл. 2.

Таблиця 2
Відносні частотні характеристики зважують фільтрів
Частота, Гц КріваяA, дБ Крива B, дБ Крива C, дБ Допустимі відхилення, дБ
+
10 -70,4 -38,2 -14,3 3
12,5 -63,4 -33,2 -11,2 3
16 -56,7 -28,5 -8,5 3
20 -50,5 24,2 -6,2 3 -3
25 -44,7 -20,4 -4,4 2 -2
31,5 -39,4 -17,1 3,0 1,5 -1,5
40 -34,6 -14,2 -2,0 1,5 -1,5
50 -30,2 -11,6 -1,3 1,5 -1,5
63 -26,2 -9,3 -0,8 1,5 -1,5
80 -22,5 -7,4 -0,5 1,5 -1,5
100 -19,1 -5,6 -0,3 1 -1
125 -16,1 -4,2 -0,2 1 -1
160 -13,4 -3,0 -0,1 1 -1
200 -10,9 -2,0 0 1 -1
250 -8,6 -1,3 0 1 -1
315 -6,6 -0,8 0 1 -1
400 -4,8 -0,5 0 1 -1
500 -3,2 -0,3 0 1 -1
630 -1,9 -0,1 0 1 -1
800 -0,8 0 0 1 -1
1000 0 0 0 1 -1
1250 0,6 0 0 1 -1
1600 1,0 0 -0,1 1 -1
2000 1,2 0,1 -0,2 1 -1
2500 1,3 -0,2 -0,3 1 -1
3150 1,2 -0,4 -0,5 1 -1
4000 1,0 -0,7 -0,8 1 -1
5000 0,5 -1,2 -1,3 1,5 -1,5
6300 -0,1 -1,9 -2,0 1,5 -2
8000 -1,1 -2,9 -3,0 1,5 -3
10000 -2,5 -4,3 -4,4 2 -4
12500 -4,3 -6,1 -6,2 3 -6
16000 -6,6 -8,4 -8,5 3
20000 -9,3 -11,1 -11,2 3

Коефіцієнт передачі фільтрів на частоті 1 кГц вибрано рівним +40 дБ, що підвищує зручність користування мілівольтметри при вимірюванні відносного рівня шумів. Далі сигнал поступає на другий дільник напруги, виконаний на резистора R26-R28 і що має коефіцієнт ділення 2 і 5, що дозволяє використовувати шкалу стрілочного вимірювального приладу, що має зазвичай 100 поділок.

На транзисторах V9-V16 (рис. 5б) зібраний широкосмуговий підсилювач, схема якого в основному відповідає схемі надшвидкісного гібридного ОУ LН0024 | 5]. Елементи ООС задають коефіцієнт посилення близько ЗЧ (з урахуванням вхідного підсилювача -1000), що забезпечує посилення вхідного сигналу до необхідного рівня (1 В). При цьому розмах вихідної напруги складає ± 14,5 В, а швидкість зміни вихідного напруги – більше 350 В / мкс. Такі характеристики виключають похибка при вимірюванні напруг, що мають великий коефіцієнт амплітуди, забезпечуючи тим самим точне вимірювання середньоквадратичне значення імпульсних сигналів з шпаруватістю більше 200 при тривалості імпульсів 3 мкс. З виходу широкосмугового підсилювача сигнал через розв'язують емнттерний повторювач надходить на гніздо Х2, з якого сигнал може бути поданий на осцилограф або аналізатор спектру для візуального аналізу, і через конденсатор С34 – на вхід вузла виділення абсолютної величини напруги, виконаного на ОУ А6 за схемою прецизійного двухполуперіодного випрямляча. Для підсумовування прямого і інвертованого сигналів використовується інвертується вхід ОП A5 (прямий сигнал подається через резистор R60, а інвертований для негативної напівхвилі – через R68, R69).

Середньоквадратичний перетворювач виконаний за схемою, ряссмотренной вище на ОУ A8 і A9. Як діодів використані узгоджені транзистори мікросхеми К198НТ1Б (A7) у діодним включенні. Це дозволило отримати малий температурний дрейф свідчень мілівольтметри і виключити необхідність підлаштований регулятора установки нуля. Для підвищення точності обробки коротких імпульсів і високочастотних сигналів в ОУ A6 і А8 введена корекція на випередження по високочастотним складовим (R65C35 і R71C38), що збільшує максимальну швидкість зміни вихідної напруги цих ОУ до 120 В / мкс.

З виходу перетворювача постійного струму (відповідне середньоквадратичному значенням вхідного) через резистор R80 надходить на стрілочний вимірювальний прилад, через резистор R83 – на гніздо Х3 (це дозволяє використовувати мілівольтметр як середньоквадратичний перетворювач в різних системах) і через резистор R81 – на компаратор, виконаний на ОП A10. Поки напруга на виході ОП А9 менше nopoгового, що визначається резистором R82 (тобто показання приладу P1 менше 100%), на базу транзистора V24 з виходу ОУ А10 через струмообмежувальним резистор R86 надходить замикаючий напруга. Якщо ж на вхід мілівольтметри подано напругу, більше максимального для встановленої межі виміру, то напруга на виході компаратора А10 стає позитивним, переводячи транзистор V14 в насичення. При цьому загоряється індикаторний світлодіод V25, а контакти реле K1 замикають накоротко клеми вимірювального приладу, виключаючи зашкалювання останнього. Для введення невеликого "гістерезису" компаратор охоплений позитивним зворотним зв'язком через резистор R84.

Блок живлення мілівольтметри виконаний на інтегральних стабілізаторах А4 і А5 за стандартною схемою ріс.5с.

Для оберігання від виходу з ладу при монтажі і налаштуванні приладу в блоці живлення передбачена зашита від коротких замикань (резистори R52, R53). Для поліпшення розв'язки блоків мілівольтметри (це необхідно для запобігання самозбудження ОУ та отримання лінійної АЧХ підсилювачів) в ланцюгах живлення мікросхем передбачені блокувальні конденсатори (С23, С36, С40, С42, С43), а вхідний підсилювач живиться від власного стабілізатора (R24V7 і R25V8).

Про конструкції мілівольтметри буде розказано в наступному номері.

ЛІТЕРАТУРА

1. Довідник з радіоелектронним пристроям. Том. 2. Під редакцією Д. П. Лінде .- М.. Енергія. 1978.

2. G. В. Clayton. Using transistors for logarithmic conversion. "Wireless World", 1973, January pp. 32-35.

3. І. П. СТЕПАНЕНКО. Основи теорії транзисторів і транзисторних схем .- М., Енергія, 1977.

4. IEC Publication 179 (1973). Precision sound level meters.

5. Linear Integrated Circuits. Каталог фірми National Semiconductor.

Радіо № 11, 1981р., С. 53-55.

Ефективне значення мілівольтметри

М. СУХОВА

Частина II.

Закінчення. . Початок див в "Радіо", 1981. № 11, с. 53.

КОНСТРУКЦІЯ та налагодження

Мілівольтметр зібраний в корпусі розмірами 325x215x130 мм з алюмінієвих сплавів (рис. 6).

Деталі розміщені на чотирьох друкованих платах. Малюнок плат і розташування деталей на них наведено на рис. 7-10.

Слід відзначити, що мікросхеми, що мають планарні висновки (А4, A5, А7), розміщені на стороні друкованих провідників. Плати вхідного і широкосмугового підсилювачів закріплені на передній панелі за допомогою планок перемикачів S1 і S2, причому вхідна плата поміщена в екран з латуні товщиною 0,5 мм. Елементи вхідного дільника розміщені на стійках перемикача S1. На металевому підставі розміщені мережевий трансформатор T1 та плати блоку живлення і перетворювача з фільтрами.

У блоці живлення використаний трансформатор типу ТПП 253-127/220-50. Його можна замінити будь-яким трансформатором, дві вторинні обмотки якого розраховані на напругу по 16 В при струмі до 50 мА. Випрямні мости КЦ405Е можна замінювати окремими діодами Д226, Д237 з будь-якими буквеними індексами.

У мілівольтметри використані конденсатори типів КД-1 (С2, С12, С15, С19, С22), КТ4-21 (СЗ, С5, С7, С9, С11), К50-12 (С39), К40У-9 (С1, С25) . Решта конденсатори – КМ-4, КМ-6, електролітичні – К50-6. Резистори R52, R53 типу МОН-0, 5, решта – МЛТ-0, 25, змінні – СП4-1 або СПО-0, 5.

Допустимі відхилення від номіналів, зазначених на схемі для резисторів обох дільників і резисторів R60, R61, R67, R68 і R69 не повинні перевищувати ± 0,5%, причому істинне значення опорів некритично, важливо зберегти незмінним лише відношення їх опорів. Елементи ланцюгів, які формують АЧХ зважують фільтрів, повинні мати параметри, що відрізняються від зображених на схемі не більше ніж на ± 5%, решта елементи схеми – на ± 20%, електролітичні конденсатори – на (+ 80 -20)%.

Матрицю К504НТ2Б можна замінити Даум польовими транзисторами типу КП103 з будь-якими буквеними індексами, необхідно тільки, аби напруги відсічки та початкові струми стоку цих транзисторів відрізнялися не більше ніж на 20%. Транзистор V14 може бути будь-яким із серії КП303 або КП307 з будь-якими буквеними індексами, однак при цьому буде потрібно підібрати опір резистора R38 таким, щоб струм стоку транзистора становив 0,8 … 1 мА.

Операційні підсилювачі А2 і A3 можна замінити на К140УД7, К140УД6 (у цьому випадку конденсатори С19 і С22 зі схеми слід виключити), а також – з відповідними ланцюгами корекції – будь-які ОУ загального застосування. Замість ОУ А10 можна використовувати будь-який ОУ загального застосування, причому ланцюга корекції в цьому випадку не потрібні, оскільки підсилювач працює а як компаратора. ОУ А6 і А8, що використовуються в перетворювачі, повинні мати досить високу частоту одиничного посилення, а ОУ А6, крім того, й досить високу швидкість зміни вихідної напруги. Крім зазначених на схемі, тут можливе застосування ОУ типів К140УД10, К140УД9, К544УД2, К574УД1. Використання замість А6 і A8 ОУ загального застосування знижує верхню межу частотного діапазону (для К140УД1Б, К140УД7, К153УД1, К553УД1 до 120 … 150 кГц, для К140УД6, К153УД2, К544УД1, К140УД8 до 250 … 300 кГц), яка, проте, все ж таки достатня для більшості вимірювань. Операційний підсилювач А9 може бути будь-яким, оскільки він працює а УПТ, бажано лише, щоб він мав вхідні струми, близькі з ОП A8.

Замість транзисторної матриці К198НТ1Б можна використовувати KI98HT2, К198НТЗ, K125HT1 з будь-якими буквеними індексами, а також збирання серій K217 – K217HT1, K2ITHT2 або К217НТ3.

Діоди V18 н V19 повинні мати малий час відновлення зворотного опору. Замість зазначених на схемі підійдуть діоди серій КД512А, КД513А, Д18, Д104, Д105, Д106. Реле – будь-яке, що має напругу спрацьовування не більше 19 В, світлодіод АЛ102Б можна замінити будь-яким іншим або мініатюрної лампою розжарювання. У цьому випадку буде потрібно підібрати опору резисторів R87 і R88.

У мілівольтметри використані перемикачі типу П2К (S1, S2, S3), стрілочний прилад Р1 типу М93 зі струмом повного відхилення 100 мкА. Замість нього можна використовувати M1690, М24 або будь-який інший зі струмом повного відхилення 50 … 200 мкА і лінійної шкалою.

Операції з налагодження та калібрування мілівольтметри доцільно проводити в наступній послідовності:

– Встановити резисторами R54 і R56 номінальні напрузі (± 15 В) на виходах блоку живлення;

– Резистором R63 встановити нульове щодо спільного проведення напруга на катоді діода V19;

– Резистором R73 встановити на виході ОП A8 напругу близько 1 У негативній полярності;

– Резистором R77 стрілку приладу P1 встановити на нульову позначку шкали;

– Резистором R17 на емітер транзистора V6 встановити нульовий потенціал щодо загального проводу;

– Подати на верхній за схемою висновок резистора R44 синусоїдальний. Сигнал напругою 50 мВ і частотою 1000 Гц і підлаштування резистором R46 встановити на виході ОП A3 напруга рівним 5 В;

– Включити межа вимірювання "1 мВ" (S1.1 в натиснутому стані) і, подавши на вхід мілівольтметри калібрований сигнал напругою 1 мВ, перевірити проходження сигналу на вихід Х2 і встановити резистором R80 стрілку приладу P1 на кінцеву позначку шкали;

– Збільшити вхідний сигнал до 1,05 мВ і резистором R82 домогтися запалювання індикатора перевантаження V25;

– Збільшуючи амплітуду каліброваного сигналу, перевірити точність дільників і при необхідності підкоригувати опір їх резисторів;

– Подаючи на вхід поперемінно синусоїдальні напруги рівний амплітуди, частотою 1 кГц і 1,5 МГц, Конденсатори підлаштування СЗ, С5, С7. С9, С11 добитися рівності свідчень в обох випадках для всіх положень перемикача S1.

На цьому налагодження мілівольтметри можна вважати закінченим.

м. Київ