Мікровольтметр

На мікросхемі К548УН1

(Низькочастотний вимірювальний комплекс)

Вирішивши оснастити свою домашню лабораторію вимірювальною технікою, радіоаматори в останні роки все частіше зупиняють свій вибір на вимірювальних комплексах – комплектах приладів, з яких один – основний (базовий), а всі інші – приставки до нього. Описи таких комплексів, розроблених в редакційній радіолабораторії, публікувалися в журналі в 1971-1972 і 1976-1977 роках. У "том номері ми починаємо розповідь про комплекс приладів, розробленому призером ювілейного конкурсу "Радіо" -60 "москвичем І. Боровиком. За основу він взяв заводської авометр Ц4313 (можна використовувати і будь-який інший з джерелом живлення напругою 4, S В), а прилади-приставки до нього (мікровольтметр змінного струму, випробувач напівпровідникових приладів, функціональний генератор і фазомер-частотомер) виготовив у вигляді мініатюрних конструкцій, легко уміщається в руці. Зменшення їх габаритів стало можливим завдяки застосуванню сучасної елементної бази, зокрема інтегральних мікросхем К548УН1.

Сьогодні ми пропонуємо увазі читачів опис, мабуть, самого потрібного після авометра приладу – мікровольтметр змінного струму.

Цей прилад комплексу призначений для вимірювання змінних напруг частотою від 30 Гц до 30 … 100 кГц (залежно від межі вимірювань: див АЧХ на рис. 1 квітня-й с. Обкладинки). Його інші технічні характеристики наступні:

Межі вимірювання 0,1; 0,3; 1; 3, 10, 100, 300 мВ; 1; 3; 10, 30 В
Основна похибка,% від межі вимірювання (з урахуванням АЧХ) ±2,5
Вхідний опір. МОм (вхідна ємність, пФ), на межі:  
100,300 мкВ; 1; 3 В 0,06 (12)
інших 2(7)
Напруга живлення, В 4…5
Споживаний струм при напрузі 4,5 В, мА, не більше 4
Габарити, мм 105Х40Х30
Маса, г

110

Принципова схема мікровольтметр зображена на рис. 1.

Він містить два каскади, зібраних на підсилювачах мікросхеми DAI. Перший з них (DA1.1) – попередній підсилювач, другий (UA1.2) – двухполуперіодний детектор середнього значення [I]. Попередній підсилювач – неінвертуючий. Сигнал негативного зворотного зв'язку (ООС) знімається з дільника напруги, утвореного резистором R8, одним з резисторів R5-R7 (залежно від положення перемикача меж SA1) і конденсатором С2, і подається не на інвертується вхід, який в даному випадку з'єднаний із загальним проводом, а в ланцюг емітера транзистора вхідного диференціального каскаду (висновок 3). Таке рішення застосовується при малих підсилюються сигналах для зниження рівня шумів [2].

Межі вимірювання вибирають перемикачем SA1. Його секція SA1.1 комутує дільник напруги R1-R3 (коефіцієнти ділення 1:100 і 1:10000), а секція SA1.2 – дільник в ланцюзі ООС, що визначає коефіцієнт посилення попереднього підсилювача. У деяких положеннях перемикача ("3 мВ", "300 мВ" і "30 В") підсилювач перетворюється на повторювач, проте коефіцієнт його передачі дещо перевищує 1. Пояснюється це тим, що вхідний опір підсилювача для сигналу ООС відносно невелика і шунтується його.

Оскільки із збільшенням коефіцієнта посилення смуга пропускання звужується, нижня межа вимірювання (0,1 мВ) обмежений у даному випадку не шумами першого каскаду (вони не перевищують 2 … 3 мкВ), а неприпустимим спадом підсилення на вищих частотах.

Ланцюг R4VD1VD2 захищає вхід підсилювача DA1.1 від перевантаження. При амплітудах що надходить на цю ланцюг сигналу, менших 0,6 В, діоди VD1, VD2 закриті і не впливають на його проходження. Коли ж амплітуда сигналу збільшується понад цю межу, діоди відкриваються і зростання напруги на вході підсилювача припиняється.

Сигнал з виходу попереднього підсилювача надходить на інвертується вхід детектора (DA1.2) через ланцюг C4R9, визначальну коефіцієнт передачі цього каскаду. Інвертується включення вибрано для підвищення стійкості приладу. Справа в тому, що ІМС К548УШ не призначена для "каскадного" використання. Через неідеальної розв'язки по ланцюгу харчування її підсилювачі, з'єднані послідовно і синфазно, утворюють мультівібратор і виникає самозбудження. Єдиний вихід у цьому випадку – змінити фазу вихідного сигналу на 180 ° по відношенню до вхідного, як це зроблено в описуваному приладі. У результаті паразитна зворотній зв'язок з позитивної перетворюється в негативну й надає пристрою додаткову стійкість.

Стрілочний вимірювач авометра (мікроамперметр) включений в діагональ випрямні мосту (VD3-VD6) в ланцюзі ООС, що охоплює підсилювач DA1.2. Струм I через мікроамперметр (його під'єднують до гнізд 3 та 5 розетки XS2), а отже, і показання приладу прямо пропорційні абсолютним значенням вхідного (для DA1.2) напруги U, n і не залежать від падіння напруги на діодах:

I = IUвх1/R9, де

R9 – опір резистора R9. Це дозволяє вимірювати малі (значно менші, ніж падіння напруги на діодах мосту) Змінні напруги по лінійної шкалою постійного струму.

При напругах на виведенні 8, менших падіння напруги на двох з'єднаних послідовно діодах, ланцюг ООС розмикається. Для звуження цієї області нестійкою роботи детектора слід застосовувати діоди з можливо меншим прямим напругою.

Вихідний сигнал попереднього підсилювача (гніздо XS3) зручно використовувати для спостереження на екрані осцилографа (його коефіцієнт вертикального відхилення повинен бути не більше 10 мВ на поділ). Для синхронізації розгортки можна скористатися сигналом з виходу детектора (висновок 8 підсилювача DA1.2).

Конструкція і деталі. Невелике число деталей дозволило зібрати прилад в корпусі розмірами лише 105Х40Х30 мм.

В одному з торців корпусу (деталі 1, 4) встановлена розетка 2 (XS1 за схемою на рис. 1), в іншому – розетка 6 (XS2). Обидві розетки – ОНЦ-ВГ-4-5/16-р (СГ-5). Інші деталі змонтовані на друкованій платі 3 з фольгованого склотекстоліти товщиною 1,5 Мм, розрахованої на установку резисторів МЛТ-0, 125 (0,25) і конденсаторів KM (C1, C5) і К50-6 (С2-С4). Вирізи в платі розмірами 35, Х2 мм призначені для установки екрану. Замість зазначених на схемі в пристрої захисту (VD1, VD2) можна використовувати будь-які кремнієві високочастотні діоди, в детекторі – будь-які германієвого діоди з невеликим прямим напругою.

Перемикач меж вимірювання 8 (ПГ2-12П2Н) закріплений на платі за допомогою відрізка дюралюмінієва куточка 7. Кришка 4 з'єднана з корпусом 1 чотирма гвинтами 5 (М2, 5х10).

Для під'єднання до контрольованих ланцюгів передбачені два лудіння латунних штиря (01,5 Х20 мм) з заокругленими кінцями і "заземлюючий" гнучкий провідник довжиною 50 … 100 мм із дроту МГШВ перетином близько 2 мм 2 із затиском "крокодил" на одному кінці і облуженним на довжину 7 … 8 мм іншим кінцем. Вставивши штирі в гнізда 2 і 1 або 2 і 4, прилад можна під'єднати до аналогічних роз'ємів магнітофона, електрофони (Гнізд 1 і 4 мікровольтметр в цьому випадку відповідають їхні гнізда 3 і 5). П () і вимірюваннях всередині пристроїв штир в гнізді 2 замінюють "заземлюючим" провідником, підключивши його до найближчого контакту, з'єднаному із загальним проводом, а залишився штир використовують як щуп. Відсутність традиційних екранованих сполучних проводів зводить до мінімуму наведення на вхід мікровольтметр, а також зменшує вхідні ємність.

Корпус мікровольтметр (як, втім, і всіх інших приладів-приставок) виготовлено методом литва з пластмаси на основі епоксидної смоли. Він спеціально сконструйований таким чином, щоб обійтися однією єдиною литтєвий формою. Змінюючи кількість заливається маси, з її допомогою можна виготовити корпус під одну, дві або три друковані плати, поміщені одна над іншою, а також кришку. Форма складається з пуансона і матриці, креслення яких показані на рис. 2 в тексті. Для їх виготовлення рекомендується використовувати матеріал, що погано змочується епоксидної смолою (фторопласт, органічне скло).

Склад пластмаси підібраний дослідним шляхом. Його отримують перемішуванням в поліетиленовому склянці 15 об'ємних частин епоксидної смоли, 2 частин затверджувача, стількох же частин алюмінієвого порошку і 1 частини ацетону. Для отримання заготівки підстави корпусу необхідно 40 мл маси. Кришка відрізняється від підстави відсутністю бічних стінок, тому вимагає приблизно 20 мл. Змастивши форму тонким шаром технічного вазеліну, суміш виливають у матрицю б і придавлюють пуансоном а до упору.

Після витримки протягом доби при кімнатній температурі деталі форми обережно рознімає і у заготівлі видаляють облой. У припливах корпусу свердлять отвори діаметром 2,2 мм і нарізають в них різьблення М2, 5, а в кришці – отвори діаметром 2,8 мм, які потім баньки під потайні головки гвинтів. Внутрішню поверхню корпусу обклеюють мідної фольгою. При остаточному монтажі її з'єднують із загальним проводом приладу.

Доопрацювання авометра зводиться до встановлення в його корпусі двох розеток ОНЦ-ВГ-4-5/16-Р (СГ-5) та з'єднанню їх контактів з гніздами "U, I" і "*" відповідно до рис. 3, а в тексті. Наявність двох розеток дозволяє за необхідності одночасно підключити до авометру два прилади-приставки (наприклад, мікровольтметр і генератор сигналів).

Для з'єднання з авометром застосований чотирьох провідних екранований кабель з виделками ОНЦ-ВГ-4-5/16-В (СШ-5) на обох кінцях. Зрозуміло, цілком придатний і відповідний сполучний кабель, яким комплектуються стереофонічні магнітофони.

Налагодження мікровольтметр полягає в його калібрування. В якості зразкового слід використовувати прилад з основною похибкою не більше ± 1%.

Зразковий прилад разом з налагоджувальні підключають до виходу генератора синусоїдальних сигналів, налаштованого на частоту 1000 Гц, вихід мікровольтметр з'єднують з авометром, переведеним в режим вимірювання найменших постійних струмів.

Спочатку домагаються необхідної чутливості детекторного каскаду. Для цього перемикач SA1 переводять у положення "З мВ", замість резистора R9 тимчасово включають змінний, опором 100 Ом. Встановивши на виході генератора напруга 2,5 мВ, змінним резистором добиваються відхилення стрілки за шкалою авометра точно до позначки 25. Після цього резистор відпоюють і, вимірявши опір введеної частини, замінюють його постійним такого ж опору.

Далі підбирають резистори R2, R3 вхідного дільника. Перевівши перемикач SA1 в положення "ЗОО мВ", замість них включають два змінних резистора, як показано на рис. 3, б в тексті, збільшують напругу генератора до 250 мВ і, обертаючи движок резистора R ", знову встановлюють стрілку на відмітку 25. Потім переключають мікровольтметр на межу "30 В", доводять вхідний сигнал до 25 В і встановлюють стрілку на ту ж відмітку змінним резистором Rg. Необхідні опору резисторів R2 і R3 вимірюють між точками А-Б та Б-В.

В останню чергу підбирають резистори R5, R6 і R7. Для цього перемикач SA1 послідовно встановлюють у положення "10 мВ", "30 мВ" та "100 мВ" і, подаючи на вхід напруги 8,3; 25 і 83 мВ, домагаються кожен раз відхилення стрілки до позначки 25.

Кілька слів про шкалою мікровольтметр. У приладу Ц4313 крайня відмітка шкали – 30, тому напруги на межах вимірювань, кратних 3, відраховують з лінійної шкалою. З іншими межами можна вступити двояко: або, нічого не переробляючи, вважати крайню позначку цієї шкали кратною 10, а свідчення ділити на 3 (при цьому, проте, порушується наскрізна – для всіх меж – шкала децибел), або нанести дві нові шкали: зазначених меж і децибел (наявна в деяких авометрах, зокрема, в Ц4313, Ц4317, шкала децибел відповідає нелінійної шкалою змінних напруг і не придатна для описуваного приладу). Автор вирішив зупинитися на першому варіанті, а напруги в децибелах визначати за формулою:

UдБ = 201g (Uв / 0,775), де

Uв – виміряне напругу в вольтах.

Мікровольтметр придатний для орієнтовної оцінки розмаху телевізійного відеосигналу. Слід тільки врахувати, що коефіцієнт, на який треба помножити показання приладу, коливається від 3 (сигнал білого поля) до 5 (сигнал чорного поля), для більшості ж зображень він в середньому близько 4.

Для приблизної оцінки радіочастотних амплітудно-модульованих коливань необхідно виготовити детекторні голівку, принципова схема якої наведена на рис. 3, б. Щоб детектувати малі напруги, його діоди VD1, VD2 працюють з невеликим початковим струмом, що задається резистором R1. Інтервал вимірюваних з головкою напруг – 1 … 10 4 мВ, діапазон частот – 0,08 … 200 МГц, вхідна ємність головки – близько 5 пФ.

Деталі головки монтують в корпусі кабельної вилки ОНЦ-ВГ-4-5/16-В (СШ-5), яку при роботі вставляють у вхідні розетку мікровольтметр. Сталевий корпус вилки захищає детектор від наведень. Слюдяні конденсатор С1 (КСВ-2) закріплюють в кабелі-тримачі, попередньо припаявши до нього сталеву голку-щуп. Конденсатор С2 – КМ.

Показання приладу при 60%-ної глибині модуляції синусоїдальним сигналом відповідають напрузі несучої, при 30%-ний – його половині.

м. Москва

І. БОРОВИК

ЛІТЕРАТУРА

1. Боровик І. Низьковольтне харчування ІС К548УН1 .- Радіо, 1984, № 3, с. 30.

2. Богдан А. Інтегральний здвоєний попередній підсилювач К548УН1 .- Радіо, 1980, № 9, с. 59.

РАДІО № 6, 1985 р. с. 50.