Б. Григор’єв (СРСР)

Найважливіша характеристика змінної напруги (струму) -його среднеквадратическое * значення (СКЗ). Знати справжній СКЗ необхідно при визначенні потужності або енергетичних співвідношень в ланцюгах змінного струму, вимірі шумових характеристик пристроїв і коефіцієнтів гармонійних або інтермодуляционних спотворень, налагодженні тиристорних регуляторів потужності. Поєднання «справжнє СКЗ» було вжито тут не випадково. Справа в тому, що виміряти СКЗ складно, тому вольтметрами (самостійними або включеними до складу мультиметров) зазвичай вимірюють або середню випрямлена, або пікове значення змінного напруги. Для напруги синусоїдальної форми, а воно частіше за інших зустрічається в практиці вимірювань, є однозначна зв’язок між цими трьома значеннями СКЗ: пікове в 1,41 рази більше, ніж СКЗ, а середнє випрямлена в 1,11 рази менше його. Тому вольтметри широкого застосування практично завжди відкалібровані в СКЗ незалежно від того, що насправді реєструє даний прилад. Отже, при вимірюванні СКЗ змінних напруг, форма яких помітно відрізняється від синусоїдальної, користуватися цими вольтметрами в загальному випадку не можна, однак для періодичних сигналів нескладної форми (меандр, трикутник і т. п.) можна обчислити поправочні коефіцієнти. Але цей спосіб неприйнятний для найбільш важливих в практиці вимірювань (зокрема, і тих, що згадувалися вище). Тут на допомогу може прийти тільки вольтметр, реєструючий справжні СКЗ змінної напруги.

Тривалий час для вимірювання СКЗ використовувалися методи, засновані на перетворенні змінної напруги в постійне за допомогою термоелектронних приладів. У модернізованої формі ці методи застосовуються і зараз. Однак все більш широке поширення набуває вимірювальна апаратура, що представляє собою спеціалізовані аналогові обчислювальні пристрої. З тієї чи іншої математичної моделі вони обробляють вихідний сигнал так, щоб продуктом обробки було його СКЗ. Цей шлях, навіть з урахуванням успіхів мікроелектроніки, неминуче веде до ускладнення апаратури [1], що неприйнятно для радіоаматорського практики, оскільки вимірювальний прилад стає складніше пристроїв, для налагодження яких він необхідний.

Якщо не висувати вимогу, щоб вольтметр СКЗ був прямопоказиваю- щим (а це важливо, в першу чергу, для масових вимірів), то можливе створення дуже простого у виготовленні та налагодженні приладу. Метод вимірювання СКЗ заснований в ньому на посиленні напруги до рівня, при якому починає світитися звичайна лампочка розжарювання. Яскравість світіння (її реєструють фоторезистором) лампочки однозначно пов’язана з СКЗ доданого до неї змінної напруги. Щоб виключити нелінійність перетворювача змінну напругу – опір резистора, доцільно використовувати фоторезистор лише для реєстрації певної яскравості світіння лампочки, установлюваної при калібруванні приладу. Тоді вимірювання СКЗ зводяться до регулювання коефіцієнта передачі попереднього підсилювача так, щоб лампочка світилася із заданою яскравістю. Середнє квадратичне значення вимірюваної напруги зчитують за шкалою змінного резистора.

Принципова схема середньоквадратичного вольтметра змінного струму наведена на рис. 1. Він складається з підсилювача та вимірювального моста. Підсилювач виконаний на операційному підсилювачі (ОУ) DA1 і транзисторах VT1 і VT2 (двотактний емітерний повторювач). Коефіцієнт передачі підсилювача визначається відношенням опорів резисторів (R5 + R4) / (R2 + R3) в ланцюзі негативного зворотного зв’язку і регулюється змінним резистором R3, на движку якого закріплена шкала для відліку СКЗ вимірюваної напруги. Резистор R2 – обмежувальний. Підрядковий резистор R5 служить для установки вихідного коефіцієнта передачі підсилювача.

Початкове зміщення транзисторів вихідного емітерного повторювача задає резисторного ланцюг R7-R10. Резистори R1I і RI2 обмежують при перевантаженнях струм через транзистори VT1 ​​і VT2, а також лампочку оптрона VL1, який є навантаженням для підсилювача. Для правильного вимірювання СКЗ важливо, щоб на виході підсилювача при відсутності сигналу постійна напруга була дорівнює нулю. Домагаються цього зміною режиму роботи ОУ DA1 по постійному струму змінним резистором R6.

Фоторезистор оптрона VL1 включений в бруківку схему, баланс якої реєструє мікроамперметр РА1 з нулем посередині шкали. Резистор R14 в со

четании з діодами VD1 і VD2 забезпечують захист микроамперметра при значному розбалансі моста. Цей же мікроамперметр за допомогою перемикача SA1 можна підключити до виходу підсилювача для його балансування по постійному струму.

Вимірюється напруга надходить на неінвертуючий вхід ОП DA1. Слід зауважити, що якщо виключити розділовий конденсатор СI, то на вхід приладу можна буде подавати змінну напругу з постійною складової. І в цьому випадку показання приладу будуть відповідати істинному СКЗ сумарного (постійне + змінне) напруги.

Тепер про деякі особливості розглянутого вольтметра і про вибір елементів для нього. Головним елементом приладу є оптрон VL1. Зрозуміло, дуже зручно використовувати готовий стандартний прилад, але аналог оптрона можна виготовити і самостійно. Для цього необхідні лампочка розжарювання і фоторезистор, які поміщають в корпус, що виключає попадання на фоторезистор зовнішнього світла. Крім того, бажано з ^ еспечіть мінімальну передачу тепла від лампочки до фоторезистору (його опір залежить і від температури). Найбільш жорсткі вимоги пред’являються до лампочки розжарювання. Яскравість її світіння при СКЗ напруги на ній близько 1,5 В повинна бути достатньою, щоб вивести фоторезистор в робочу точку, відповідну балансу моста. Таке обмеження обумовлене тим, що прилад повинен мати хороший пік-фактор (відношення максимально допустимого амплітудного значення вимірюваної напруги до середнього квадратическому). При невеликому пік-факторі прилад може не зареєструвати окремі викиди напруги і знизити тим самим його СКЗ. При значеннях елементів мосту, даних на схемі рис. 1, СКЗ напруги на оптроні ОЕП-2, що виводять його фоторезистор в робочу точку (опір близько 10 кОм), буде приблизно 1,4 В. Максимальна амплітуда вихідної напруги (до початку обмеження) в даному приладі не перевищує 11 В, тому його пік-фактор буде близько 18 дБ. Це значення цілком прийнятно для більшості вимірювань, але при необхідності його можна дещо збільшити, підвищивши напруга живлення підсилювача.

Ще одне обмеження на лампочку розжарювання – її струм в робочій точці не повинен перевищувати 10 мА. В іншому випадку необхідний більш потужний еміттер- ний повторювач, так як він повинен забезпечувати піковий струм. приблизно в 10 разів більший, ніж струм, споживаний лампочкою розжарювання в робочій точці.

До фоторезистору саморобного оптрона особливих вимог не висувають, але якщо у радіоаматора є можливість вибору, то бажано знайти екземпляр, який має необхідне опір в робочій точці при меншій освітленості. Це дозволить реалізувати більший пік-фактор приладу.

Вибір ОУ однозначно визначає комбінацію двох параметрів: чутливість і смугу пропускання. Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) операційного підсилювача К140УД8 наведена на рис. 2 (вона типова для багатьох ОУ з внутрішньої корекцією). Як видно з АЧХ, для того щоб забезпечити вимірювання СКЗ напруги в смузі частот до 20 кГц, максимальний (при верхньому по схемі рис. 1 положенні движка змінного резистора R3) коефіцієнт підсилення не повинен в даному випадку перевищувати декількох десятків. Це підтверджує і нормована АЧХ приладу, що наведена на рис. 3.

Криві 1-3 відповідають трьом положенням движка змінного резистора R3: верхнього, середнього і нижнього.

При цих вимірах максимальний коефіцієнт передачі підсилювача (відповідає кривою 1) був близько 150, що відповідає межам вимірювання СКЗ від 10 до 100 мВ. Видно, що спад АЧХ на частотах вище 10 кГц в даному випадку стає вже досить істотним. Для зменшення спаду АЧХ можливі два способи. По-перше, можна зменшити (підбором резисторів R4 і R5) максимальний коефіцієнт передачі підсилювача до 15 … 20. Це на порядок знизить чутливість приладу (що можна легко компенсувати попередніми підсилювачами), але тоді і в гіршому випадку його АЧХ не йтиме нижче кривої 3 на рис. 3. По-друге, можна замінити операційний підсилювач на інший, більш широкосмуговий (наприклад, на К574УД1, К553УД2), що дозволить реалізувати при смузі пропускання підсилювача 20 кГц високу чутливість приладу. Так, для К574УД1 максимальний коефіцієнт передачі підсилювача при такій смузі пропускання може бути вже близько декількох сотень.

До решти елементам приладу особливих вимог не висувають. Відзначимо лише, що максимально допустима робоча напруга для транзисторів VT1 і VT2, а також для фоторезистора повинно бути не менше 30 В. Втім, для фоторезистора воно може бути і менше, але тоді на міст слід подати знижена напруга і підібрати (при необхідності) резистори R14 і R15.

Перед першим включенням вольтметра движок резистора R6 встановлюють в середнє положення, резистора R3 в нижнє, а резистора R5 в крайнє праве по схемі положення. Перемикач SA1 переводять у ліве-по схемою положення, а за допомогою змінного резистора R6 встановлюють стрілку мікроамперметра РА1 на нульову позначку. Потім движки резисторів R3 і R5 переводять відповідно в верхнє і крайнє ліве положення і уточнюють балансування підсилювача. Повернувши SA1 у вихідне положення (контроль балансу моста), приступають до калібрування приладу.

На вхід вольтметра подають напругу синусоїдальної форми від звукового генератора. Його середнє квадратичне значення контролюють будь-яким вольтметром змінного струму, які мають необхідні межі вимірювань і частотний діапазон. Відношення максимального вимірюваної напруги до мінімального для даного вольтметра трохи більше 10, тому межі вимірів доцільно вибрати від 0,1 до 1 В (для широкосмугового варіанту з ОУ КІОУД8) або від 10 до 100 мВ (для варіанту з номіналами по рис. 1). Встановивши вхідна напруга трохи менше нижньої межі вимірювань, наприклад 9 … 9,5 мВ, за допомогою підлаштування резистора R5 домагаються балансу моста (движок R3 – у верхньому по схемі положенні). Потім движок резистора R3 переводять у нижнє положення, а вхідна напруга збільшують до тих пір. поки не відновиться баланс моста. Якщо ця напруга буде більше 100 мВ (для розглянутого нами варіанти), то можна переходити до калібрування приладу і градуюванні його шкали. У випадку, коли напруга, при якому балансується міст, менше 100 мВ або помітно більше цього значення, слід уточнити опір резистора R2 (відповідно зменшити або збільшити його). При цьому, природно, процедуру встановлення меж вимірювання повторюють знову. Операція калібрування приладу очевидна: подаючи на його вхід напругу в межах 10 … 100 мВ, обертанням движка резистора R3 домагаються нульових показань мікроамперметра і наносять на шкалу відповідні значення.

Виміру відносини сигнал-шум магнітофонів, підсилювачів та іншої звуковідтворювальної апаратури зазвичай виробляють зі зважують фільтрами, які враховують реальну чутливість людського вуха до сигналів різних частот. Ось чому середньоквадратичний вольтметр доцільно доповнити таким фільтром, принципова схема якого наведена на рис. 4. Формування необхідної АЧХ виробляється трьома RC-ланцюгами – R2C2, R4C3C4 і R6C5. Амплітудно-частотна характеристика цього фільтра наведена на

рис. 5 (крива 2). Тут же для порівняння показана (крива 1) відповідна стандартна АЧХ (стандарт РЕВ 1359-78). В області частот нижче 250 Гц і вище 16 кГц АЧХ фільтра дещо відрізняється від стандартної (Приблизно на 1 дБ), але виникає при цьому похибкою можна знехтувати, оскільки шумові складові з такими частотами у відношенні сигнал-шум звуковідтворювальної апаратури невеликі. Виграш за ці невеликі відхилення від стандартної АЧХ – простота фільтру і можливість за допомогою одного перемикача на два напрями (SA1) відключити фільтр і отримати лінійний попередній підсилювач з коефіцієнтом передачі 10. У фільтра коефіцієнт передачі на частоті 1 кГц також дорівнює 10.

Відзначимо, що резистор R5 не задіяний формуванні АЧХ фільтра. Він виключає можливість його самозбудження на високих частотах через фазових зрушень в колі зворотного зв’язку, обумовлених конденсаторами СЗ і С4. Опір цього резистора некритично. При настройці приладу його збільшують до тих пір, поки не припиниться самозбудження фільтра (контролюють широкосмуговим осцилографом або високочастотним милливольтметром).

Після підбору резистора R5 переходять до підстройці АЧХ фільтра в області високих частот. Послідовно знімаючи АЧХ фільтра при різних положеннях ротора підлаштування конденсатора С4, знаходять таке його положення, при якому на частотах вище 1 кГц відхилення АЧХ від стандартної будуть мінімальними. В області низьких частот (300 Гц і нижче) хід АЧХ при необхідності уточнюють підбором конденсатора С5. Конденсатор С2 (що складається з двох конденсаторів ємністю 0,01 мкФ і 2400 пФ, включених паралельно) впливає в першу чергу на хід АЧХ на частотах 500 … 800 Гц. Останній етап в налаштуванні фільтру – підбір резистора R2. Його опір має бути таким, щоб коефіцієнт передачі фільтра на частоті 1 кГц дорівнював 10. Потім перевіряють наскрізну АЧХ фільтру і при необхідності уточнюють ємність конденсатора С2. Коли фільтр відключений, підбором резистора R3 встановлюють коефіцієнт передачі попереднього підсилювача рівним 10.

Якщо цей фільтр вбудовується в середньоквадратичний вольтметр, то конденсатор С1 і резистор R1 (див. Рис. 1) можна виключити. Їх функції будуть виконувати конденсатори С5 і С6, а також резистор R6 (див. Рис. 4). У цьому випадку сигнал з резистора R6 подають безпосередньо на неінвертуючий вхід операційного підсилювача вольтметра.

Оскільки пік-фактор вимірюваного змінної напруги в загальному випадку заздалегідь не відомий, то, як вже зазначалося, можлива похибка у вимірах

СКЗ, обумовлена ​​обмеженням амплітуди сигналу на виході підсилювача. Щоб бути впевненим у відсутності такого обмеження, в прилад доцільно ввести пікові індикатори максимально допустимої амплітуди сигналу: один для сигналів позитивної полярності, а інший для сигналів негативної полярності. За основу можна взяти пристрій, який було описано в [2].

Список літератури

1. Сухов Н. Середньоквадратичні мілівольтметр // Радіо.- 1981.- № 1.- С. 53-55 та № 12.-С. 43-45.

2. Владимиров Ф. Індикатор максимального рівня // Радіо.- 1983.-№ 5.-

С. 35, 36.

Джерело: Конструкції радянських і чехословацьких радіоаматорів: Зб. статей / Склад .: А. В. Гороховський, В. В. Фролов- Кн. 4.- М .: Радио и связь, 1991.- 208 с .: іл.- (Масова радиобиблиотека. Вип. 1169).