С. Евгеньев

Прилад, розроблений московськими радіоаматорами В. Єфремовим і М. Ларькіним, відрізняється малими масою і габаритами, економічностьк) харчування, простий схемотехнікою. У той же час за своїми характеристиками прилад не поступається такому промисловому зразку, як мультиметр BP-11 [1], і перевершує будь стрілочний авометр серії «Ц».

Рис. I. Принципова схема цифрового авометра

Авометр (рис. 1) зібраний на 13 мікросхемах, 6 транзисторах і рідко-кристалічному індикаторі (РКІ). Крім вимірюваних значень індикатор показує полярність підключення приладу при вимірюванні постійного напруги та струму. Джерелом напруги служить одна батарея «Крона ВЦ», якої вистачає на 7 год безперервної роботи. Основні технічні параметри цифрового авометра

Функціональна схема та часові діаграми, що пояснюють роботу цифрового авометра, наведено на рис. 3 і 2.

Прилад працює за принципом перетворення вимірюваної величини з аналогової форми в цифрову. Вимірюється напруга надходить через перемикач роду роботи S1 на вхідний дільник А5, коефіцієнт передачі якого змінюється залежно від обраного діапазону. До виходу подільника підключений буферний підсилювач А2 з коефіцієнтом посилення, рівним двом. У наступному каскаді А7 вимірюється змінну напругу (Рис. 2.1) перетвориться в пульсуюче (рис. 2.2). Вихід перетворювача А7 симетричний, його сигнал випрямляється (рис. 2.3) у вузлі А8. З виходу цього вузла постійна напруга позитивної полярності поступ.ает на вимірювальний вхід компаратора А6, а на іншій його вхід – пилкоподібна напруга вузла А1 (рис. 2.7). У результаті взаємодії цих напруг на виході компаратора виникають імпульси (Рис. 2.9), тривалість яких пропорційна амплітуді вхідної напруги. Ці імпульси, а також сигнали генераторів G1 і G3 надходять на вхід логічного елемента D1. Частота генератора G1 – 50 Гц, а генератора G3 – 200 Гц. Сигнал виходу логічного елемента D1 містить пачки імпульсів (рис. 2.11), кількість яких пропорційно величині вимірюваного напруги. Цей сигнал надходить на лічильникдешифратор D4, який підраховує кількість імпульсів у кожній пачці та видає сигнал відповідного числа на індикатор HI.

Процесом перетворення напруги в цифровий код управляє генератор С /, який формує тактові імпульси «рахунок» (рис. 2.5) і «індикація» (рис. 2.6). На початку режиму «рахунок» переднім фронтом цього сигналу за допомогою ланцюжка R2C2 формується імпульс установки лічильника D4 (рис. 2.8), і в цей момент починається утворення періоду пилкоподібної напруги у вузлі А1. Тривалості імпульсів «рахунок», «індикація» і час наростання одного періоду пилкоподібної напруги однакові і рівні 10 мс. Шкала цифрового авометра містить три розряди, отже, максимальне число імпульсів, записане в лічильнику D4, не перевищує 999. Частота імпульсів, що заповнюють кожну пачку, дорівнює 200 кГц, тому максимальний час перетворення не перевищує 5 мс. У кожен момент закінчення періоду сигналу пилкоподібної напруги (Спад високого рівня) закінчується заповнення лічильника і його вміст відображається індикатором HI.

Рис. 2. Тимчасові діаграми, що пояснюють роботу цифрового авометра

Застосований принцип час-імпульсного перетворення дозволив значно спростити схему аналого-цифрового перетворювача (АЦП), а «індикація» з частотою 50 Гц дозволила виключити буферні запам’ятовувальні регістри між лічильником D4 і РКІ. Напруга генератора G1 крім формування керуючих імпульсів використовують і для харчування РКІ.

Вузли АЗ і D3 призначені для забезпечення індикації полярності вимірюваної напруги. Так, якщо на вхідному гнізді XSI позитивний потенціал або вимірюється змінну напругу, то на індикаторі позначається знак «П», якщо негативний, то знак «-».

Харчується цифровий авометр від однієї батареї «Крона», а необхідне для нормальної роботи операційних підсилювачів двуполярное харчування виробляє вузол G2. Вихідна напруга позитивної полярності +5,8 В – стабілізоване, а стабільність напруги -5 В залежить від навантаження. У цифровому авометра навантаження по ланцюгу харчування -5 В незмінна. Мінімальна напруга батареї «Крона», при якому вузол живлення працює нормально, –6 В.

Принципова схема авометра представлена ​​на рис. 1. Вимірюваний сигнал подають на гнізда XS1 і XS2. Перемикачем режиму SA1 підключають гніздо XS1 до дільнику напруги R6R8R10R11, універсальному шунту R1 – R4 або джерела струму, зібраному на транзисторах VT1 – VT3, а їх висновки через пристрій захисту R12, VD1 – VD8 – до входу 3 мікросхеми DA1. Перемикачем SA2 вибирають рід струму і напруги. Межі вимірювання перемикають кнопками SB1 – SB4. В режимі вимірювання значень опору через вимірюваний елемент, підключений до гнізд XS1 і XS2, проходить стабілізований струм, значення якого встановлюють при виборі межі вимірювання («1» – 1 мА, «10» – 100 мкА, «100» – 10 мкА, «1000» – 1 мкА). При цьому визначають падіння напруги на вимірювальному елементі. Стабілізатор струму зібраний на транзисторах VT1 – VT3 за схемою струмового дзеркала Вілсона [9], що забезпечує стабільність вихідного струму у всьому діапазоні вимірюваних опорів. При вимірюванні напруги підключають дільник R6R8R10RI1. В режимі вимірювання струму визначають напругу, утворене на шунтуючих резисторах R1 – R4, максимальне значення цієї напруги становить 1 В.

Мікросхема DA1, на вхід якої надходять вимірювальні сигнали, працює як підсилювач. Його коефіцієнт посилення визначається номіналами резисторів R13 і R15 і дорівнює значенню К \ =

У такому включенні операційного підсилювача (ОУ) вхідний опір першого каскаду набагато перевищує 1000 МОм і тому воно не робить ніякого шунтуючого впливу на вхідний дільник (у тому числі при вимірюванні на найвищій частоті). Другий каскад, зібраний на мікросхемі DA2, включений за схемою генератора стабільного струму [7], в колі зворотного зв’язку якого стоять діоди VD10 і VDI1. При надходженні на вхід мікросхеми DA2 змінної напруги на резистори R27, який є навантаженням в симетричній ланцюга, виділяється пульсує напруга. Згладжування пульсацій, а також перехід до несиметричного виходу здійснюється в третьому усилительном каскаді, зібраному на мікросхемі DA4, в якому ОУ включений за схемою диференціального підсилювача. Коефіцієнт посилення цього каскаду визначається номіналами резисторів R28-

R30, R32 і дорівнюєМаксимальна вихідна напруга мікросхеми DA4 становить 2 В, отже, загальний коефіцієнт посилення трьох каскадів DAI, DA2 і DA4 дорівнює

Оскільки перший і третій каскади забезпечують посилення До \ з = К \ · / Сз = 12,5, то з цього випливає, що другий каскад має коефіцієнт передачі К, 2 =

Чутливість цифрового авометра 1 мВ, тому діапазон вихідної напруги підсилювальної частини приладу 1 мВ … 2 В. Для того щоб забезпечити необхідну точність установки нуля (± 0,2 мВ) у всіх трьох операційних підсилювачах DAI, DA2 і DA4, балансування нуля проводиться прецизійними резисторами RI4, R21, R33.

Така побудова підсилювальної частини авометра і використання ОУ, на вході яких стоять польові транзистори, які мають надзвичайно малі вхідні струми (частки наноампер), дозволило отримати малий дрейф вихідного напруги і підняти верхню межу частоти вимірюваних напруг до 50 кГц. З виходу DA4 на вимірювальний вхід компаратора DA5 напруга надходить через фільтр частот R34C4, при цьому амплітуда пульсацій не перевищує 0,1 … 0,2 мВ. На інвертується вхід мікросхеми DA5 подається Пікоподібне напруга від інтегратора, зібраного на ОУ DA6. Швидкість наростання пилкоподібної напруги на виході мікросхеми DA6 визначається ємністю конденсатора С5 і опором резистора R38, а також рівнем опорного напруги, що знімається з дільника, утвореного резисторами R37 і R35. Інтегратор періодично скидається в нульовий стан транзистором VT4, який з’єднаний зі схемою управління аналого-цифрового перетворювача. У результаті впливу двох позитивних напруг на входи компаратора DA5 на його виході з’являються прямокутні імпульси.

Рис. 4. Принципова схема вузла живлення

Для підвищення швидкодії компаратора введена позитивний зворотний зв’язок (R40, С6). Управління аналого-цифровим перетворенням здійснює генератор з частотою 50 Гц, зібраний на логічних елементах DD2.2 і DD2.3. Інший генератор зібраний на логічних елементах DD2.1 і DD2.4. Робота цих генераторів докладно описана в [8]. Імпульсна напруга двох генераторів (50 Гц і 200 кГц), а також напруга з виходу компаратора D45 надходять на вузол «ЗІ-НЕ», утворений логічним елементом DD1.4 і діодами VD13 і VDI4. У результаті взаємодії сигналів на вході вузла на виході DDI.4 з’являються пачки імпульсів, які і надходять на вхід лічильника, що містить мікросхеми DD4 – DD6, Розряди дешифраторів цих мікросхем з’єднані з рідкокристалічним індикатором. Перед кожним циклом запису проводиться установка лічильників імпульсом тривалістю 1 мкс, який утворюється ланцюжком C10R49 і надходить через елементи DD3.J і DD3.2.

Компаратор, зібраний на мікросхемі DA3, призначений для індикації полярності виміряного напруги. Вихідна напруга компаратора управляє роботою логічного елемента DD1.1, вихідний сигнал якого в свою чергу управляє відповідними сегментами індикатора HI. На загальний контакт РКІ надходить напруга від генератора частотою 50 Гц.

Принципова схема вузла живлення показана на рис. 4. Напруга +5,8 В підтримується незмінним стабілізатором, зібраним на транзисторах VTI – VT3. Робота такого стабілізатора докладно описана в [10]. Його основні переваги – великий коефіцієнт стабілізації (не менше 500) та ефективний захист від короткого замикання.

Негативна напруга -5 В створюється перетворювачем полярності, який містить генератор, вихідний транзисторний каскад і ємнісний помножувач напруги. Вихідна напруга

Рис. 5. Загальний вигляд приладу

Рис. 6. Загальний вид на монтаж приладу

генератора, зібраного на мікросхемі DDI, являє собою меандр з частотою близько 10 кГц. Воно подається на бази комплементарної пари транзисторів VT4 і VT5 вихідного каскаду і по черзі відкриває їх. Коли відкритий транзистор VT5, відбувається заряд конденсатора С6. Наступного напівперіод імпульсної напруги генератора відкривається транзистор VT4 і конденсатор Сб, разряжаясь, передає енергію на конденсатор С7. На останньому встановлюється негативне напруга, приблизно рівне напрузі живлення перетворювача. Оскільки перетворювач полярності живиться від стабілізатора, напруга на його виході (-5 В) залежить тільки від опору навантаження. Навантаження в цифровому авометра по цьому ланцюгу постійна, тому негативне напругу живлення буде незмінним. Коефіцієнт корисної дії такого перетворювача вище описаних в літературі [11] і досягає 70%. Амплітуда пульсацій негативної напруги під навантаженням не перевищує 10 мВ. Джерело на-

пряжения підключається до приладу при включенні однієї з кнопок SB1 – SB4. Для контролю напруги батареї включають кнопки SB2 і SB5.

Конструкція цифрового авометра показана на рис. 5 і 6. Всі елементи схеми розміщені на двох друкованих платах, виготовлених з двостороннього фольгованого склотекстоліти товщиною 1 мм. Розмір плат 115X70 мм. Найбільш насичена плата перетворювача (рис. 7). На ній розташовані всі комутаційні елементи – перемикачі SA1, SA2, SB1 – SB5. Перемикач роду робіт S / 4 / кріплять до плати двома гвинтами, а кнопкові перемикачі SA2 і SB1 – SB5 впаивают в плату. Всі потенціометри кріплять до плати епоксидним клеєм таким чином, щоб їх регулювальні гвинти були розташовані перпендикулярно до неї. Постійні резистори встановлені на платі перетворення вертикально. Плата індикації (рис. 8) містить менше число радіоелементів. На ній розташовується ще й вузол живлення. На стороні провідників цієї друкованої плати кріпиться ЖК.І, висновки якого електрично з’єднуються з друкованими провідниками через дві струмопровідні гумки. Товщина цих гумок 3 мм, Тому з іншого боку плат (під РКІ) встановлені мікросхеми DD4 – DD6. Плати цифрового авометра з’єднують між собою гнучкими провідниками. При установці в корпус приладу плату індикації кріплять до передньої панелі приладу трьома гвинтами М3. Плата перетворення жорстко з’єднана із задньою стінкою. У зібраному вигляді між платами укладається батарея харчування.

У цифровому авометра в основному застосовані резистори МЛТ-0,125 ± 5%. Номінали резисторів, що впливають на точність вимірювання, необхідно підібрати за допомогою цифрового омметра. Не більше ніж на ± 0,1% повинні відрізнятися номінали наступних резисторів: RI-R4, R6, R8, RIO, R11, R28 – R30, R32. Такий відбір, проведений до початку монтажу, значно скоротить обсяг робіт при настройці приладу. Підбираючи резистори МЛТ, слід пам’ятати, що в результаті пайки їх опір змінюється і ці зміни мають незворотній характер.

Рис. 7. Плата перетворювача:

ίΐ – малюнок друкованої плати з боку установки елементів; б – малюнок друкованої плати з протилежного боку

Потужність розсіювання резистора R4-1 Вт У приладі застосовані елементи наступних марок: підлаштування резистори – СП5-3, електролітичні конденсатори – К53-1, конденсатори С1 – СЗ,

С6, С7, СЮ-КМ-6, конденсатори С5, С8, С9, СП, С12 – К73-3. В якості перемикачів SB1 – SB4 використані перемикачі П2К з залежною фіксацією, перемикач SA1 – галетний ПГЗ.

Налагодження авометра починають з перевірки вузла живлення. Критерієм його справної роботи є наявність вихідних напруг і струм холостого ходу, що не перевищує 2,5 мА. При необхідності вихідний опір регулюють, підбираючи стабілітрон VD2. Потім налаштовують плату індикації. Насамперед перевіряють роботу генераторів (200 кГц і 50 Гц) і наявність пилкоподібної напруги на виході мікросхеми DA6. Амплітуда пилки повинна бути в межах 2,2 … 2,4 В. На виході мікросхеми DD3.2 повинні проглядатися імпульси установки позитивної полярності тривалістю не більше 1 мкс. Перевірку плати індикації краще виробляти при відключеному вході З мікросхеми DD4. У цьому випадку на РКІ повинні відображатися три нуля.

Якщо осцилограми напруг відповідають епюрах, наведеним на рис. 3, то на цьому перевірку плати індикації закінчують. Настройку плати перетворювача починають з установки нульової напруги на виходах мікросхем DAI, DA2 і DA4. Установку виробляють в режимі вимірювання напруг при закорочених вхідних гніздах. Точність установки нуля ± 0,1 мВ. Потім, з’єднавши обидві плати, подають на вхід авометра змінне напруга не більше 1 В, контролюючи його величину по зразковому вольтметру. Показання авометра встановлюють потенціометром R16. Після цього необхідно перевірити точність показань авометра в дев’яти точках першого діапазону через кожні 100 мВ.

Рис. 8. Плата індикації:

а – малюнок друкованої плати з боку установки елементів; б – малюнок друкованої плати з протилежного боку

Метрологічні особливості цифрових вимірювальних приладів детально описані в [5, 12], відзначимо лише, що похибка цифрового авометра на першому діапазоні визначається стабільністю генератора 200 кГц, лінійністю пилкоподібної напруги, точністю роботи компаратора DA5 і дрейфом напруги на його вході. Роботу зазначених вузлів необхідно перевірити особливо ретельно. Далі перевіряють точність вимірювання постійної напруги і індикацію полярності. Якщо при вимірі одного і того ж напруги поміняти полярність, то різниця в показаннях приладу не повинна перевищувати 0,5% £ /вим. При великій раз-

ниці в показаннях проводиться балансування диференціального підсилювача DA4 підбором резисторів R29 і R30. Якщо резистори вхідного дільника підібрані з точністю 0,1%, то настройку авометра на цьому закінчують. У режимі вимірювання опорів вихідний струм генератора стабільного струму підбирають за зразковим резисторам або за допомогою мікроамперметра.

Література

1. Григор’єв В. Цифровий мультиметр ВР-11.- Радіо, 1984, № 1, с. 63.

2. Цифрові комбіновані електровимірювальні прилади Житомирського ВО «Електровимірювач» .- Прилади і системи управління, 1984, № 4, с. 48-49.

3. Васильєв М., Попов В. Цифровий мультиметр. На допомогу радіоаматори, № 81.- М .: ДОСААФ, 1983.

4. Суетин. Цифровий вимірювальний прилад. На допомогу радіоаматори, № 72.- М .: ДОСААФ, 1981.

5. Довідник з радіоелектронним пристроям / Под ред. Д. П. Лінде.- М .: Енергія, т. 2, 1978, с. 61-63, 66-68.

6. X о р о в і ц П., Хілл У. Мистецтво схемотехнікі.- М .: Мир, 1983, т. 2, с. 62-63.

7. Ш і л о В. Л. Лінійні інтегральні мікросхеми в радіоелектронної аппаратуре.- М .: Радянське радіо, 1979, с. 156- 162, 169-171.

8. Волков С. Генератори прямокутних імпульсів на МОП-елементах.- М .: Енергоіздат, 1981, с. 140-153.

9. X о р о в і ц П., Хілл У. Мистецтво схемотехнікі.- М .: Мир, т. I, 1983, с. 124-127.

10. Єфремов В., Шпанцев Ю. Модульні блоки харчування.- Радіо, 1981, № 2, с. 46-48.

11. Ходаківський Є. Перетворювач полярності напряженія.- Радіо, 1984, № 7, с. 48-49.

12. Хрізман С. Цифрові вимірювальні прилади та системи. Довідник.- Київ: Наукова думка, 1970, с. 51-57.

Кращі конструкції 31-й і 32-й виставок творчості радіоаматорів / Упоряд. В. М. Бондаренко М .: ДОСААФ, 1989, – 112 с., Іл.