Милливольтметр постоянного и переменного токов и омметр с линейной шкалой. Высокочастотный милливольтметр с линейной шкалой Милливольтметр переменного напряжения

Красота

Высокая точность измерений величины ВЧ-напряжений (до третьего-четвертого знака) в радиолюбительской практике, собственно, и не нужна. Больше важна качественная составляющая (наличие сигнала достаточно высокого уровня - чем больше, тем лучше). Обычно, при измерении ВЧ-сигнала на выходе гетеродина (генератора), такая величина не превышает 1,5 – 2 вольт, а сам контур в резонанс настраивают по максимальной величине ВЧ напряжения. При настройках в трактах ПЧ сигнал покаскадно повышающаяся от единиц до сотни милливольт.

Для таких измерений до сих пор часто предлагаются ламповые вольтметры (типа ВК 7-9, В 7-15 и др.) с диапазонами измерений 1 -3в. Высокое входное сопротивление и малая входная емкость в таких приборах является определяющим фактором, а погрешность составляет до 5-10% и определяется точностью применяемой стрелочной измерительной головки. Измерения таких же параметров можно проводить с помощью самодельных стрелочных приборов, схемы которых выполнены на полевых транзисторах. Например, в ВЧ милливольтметре Б.Степанова (2) входная емкость составляет всего 3 пФ, сопротивление на различных поддиапазонах (от 3 мВ до 1000 мВ) даже в худшем случае не превышает 100 кОм при погрешности +/- 10% (определяется применяемой головкой и погрешностью КИП для градуировки). При этом измеряемое ВЧ напряжение с верхней границей частотного диапазона 30 мГц без явной частотной погрешности, что вполне приемлемо в радиолюбительской практике.

Т.к. современные цифровые приборы для большинства радиолюбителей все еще дороги, в прошлом году в журнале «Радио» Б.Степанов (3) предложил применять ВЧ-пробник для дешевого цифрового мультиметра типа М-832 с подробным описанием его схемы и методики применения. Между тем, не затрачивая вообще средств, с успехом можно применять стрелочные ВЧ-милливольтметры, при этом освобождая основной цифровой мультиметр для параллельно проводимых измерений тока или сопротивления в разрабатываемой схеме…

По схемотехнике предлагаемый прибор очень прост, а минимум применяемых комплектующих найдутся «в ящике» практически каждого радиолюбителя. Собственно, в схеме ничего нового нет. Применение ОУ для таких целей подробно описано в радиолюбительской литературе 80-90 годов (1, 4). Использована широкораспространенная микросхема К544УД2А (или УД2Б, УД1А, Б) с полевыми транзисторами на входе (а значит и с высоким входным сопротивлением). Можно применять любые операционные усилители других серий с полевиками на входе и в типичном включении, например, К140УД8А. Технические характеристики милливольтметра-вольтметра соответствуют приведенным выше, поскольку основой прибора стала схема Б.Степанова (2).

В режиме вольтметра коэффициент усиления ОУ равен 1 (100% ООС) и напряжение измеряется микроамперметром до 100 мкА с добавочными сопротивлениями (R12 – R17). Они, собственно, и определяют поддиапазоны прибора в режиме вольтметра. При уменьшении ООС (переключателем S2 включаются резисторы R6 – R8) Кус. возрастает, соответственно повышается чувствительность операционного усилителя, что позволяет его использовать в режиме милливольтметра.

Особенностью предлагаемой разработки является возможность работы прибора в двух режимах – вольтметра постоянного тока с границами от 0,1 до 1000 в, и милливольтметра с верхними границами поддиапазонов 12,5, 25, 50 мВ. При этом в двух режимах используется один и тот же делитель (Х1, Х100), так что, к примеру, на поддиапазоне 25 мВ (0,025 в) с применением множителя Х100 можно измерять напряжение 2,5 в. Для переключения поддиапазонов прибора применен один многопозиционный двухплатный переключатель.

С применением выносного ВЧ-пробника на германиевом диоде ГД507А можно измерять ВЧ-напряжение в тех же поддиапазонах с частотой до 30 мГц.

Диоды VD1, VD2 защищают стрелочный измерительный прибор от перегрузкок при работе. Еще одной особенностью защиты микроамперметра при переходных процессах, возникающих при включении-выключении прибора, когда стрелка прибора зашкаливает и может даже погнуться, является применение релейного отключения микроамперметра и замыкание выхода ОУ на нагрузочный резистор (реле Р1, С7 и R11). При этом (при включении прибора) на зарядку С7 требуются доли секунды, поэтому реле срабатывает с задержкой и микроамперметр подключается к выходу ОУ на доли секунды позже. При выключении прибора С7 разряжается через лампу-индикатор очень быстро, реле обесточивается и разрывает цепь подключения микроамперметра раньше, чем полностью обесточатся цепи питания ОУ. Защита собственно ОУ осуществляется включением по входу R9 и С1. Конденсаторы С2, С3 являются блокировочными и предотвращают возбуждение ОУ. Балансировка прибора («установка 0») осуществляется переменным резистором R10 на поддиапазоне 0,1 в (можно и на более чувствительных поддиапазонах, но при включенном выносном пробнике возрастает влияние рук). Конденсаторы желательны типа К73-хх, но при их отсутствии можно взять и керамические 47 - 68н. В выносном щупе-пробнике применен конденсатор КСО на рабочее напряжение не менее 1000в.

Настройка милливольтметра-вольтметра проводится в такой последовательности. Сначала настраивают делитель напряжения. Режим работы – вольтметр. Подстроечный резистор R16 (поддиапазон 10в) устанавливают на максимальное сопротивление. На сопротивлении R9, контролируя образцовым цифровым вольтметром, устанавливают напряжение от стабилизированного источника питания 10 в (положении S1 - Х1, S3 – 10в). Затем в положении S1 - Х100 подстроечными резисторами R1 и R4 по образцовому вольтметру устанавливают 0,1в. При этом в положении S3 - 0,1в стрелка микроамперметра должна установиться на последнюю отметку шкалы прибора. Соотношение 100/1 (напряжение на резисторе R9 – Х1 - 10в к Х100 - 0,1в, когда положение стрелки настраиваемого прибора на последнем делении шкалы на поддиапазоне S3 – 0,1в) проверяют и корректируют несколько раз. При этом обязательное условие: при переключении S1 образцовое напряжение 10в менять нельзя.

Далее. В режиме измерения постоянного напряжения в положении переключателя делителя S1 - Х1 и переключателя поддиапазонов S3 - 10в переменным резистором R16 устанавливают стрелку микроамперметра на последнее деление. Результатом (при 10 в на входе) должны быть одинаковые показания прибора на поддиапазоне 0,1в - Х100 и поддиапазоне 10в - Х1.

Методика настройки вольтметра на поддиапазонах 0,3в, 1в, 3в и 10в прежняя. При этом положения движков резисторов R1, R4 в делителе менять нельзя.

Режим работы – милливольтметр. На входе 5 в. В положении S3 - 50 мВ делитель S1 - Х100 резистором R8 устанавливают стрелку на последнее деление шкалы. Проверяем показания вольтметра: на поддиапазоне 10в Х1 или 0,1в Х100 стрелкка должна быть на середине шкалы – 5в.

Методика настройки на поддиапазонах 12,5мВ, и 25мВ такая же, как и для поддиапазона 50мВ. На вход подается соответственно 1,25в и 2,5в при Х 100. Проверка показаний проводится в режиме вольтметра Х100 - 0,1в, Х1 - 3в, Х1 - 10в. Следует учесть, что когда стрелка микроамперметра находится в левом секторе шкалы прибора, погрешность при измерениях увеличивается.

Особенность такой методики калибровки прибора: не требуется наличие образцового источника питания 12 – 100 мВ и вольтметра с нижним пределом измерения меньше 0,1 в.

При калибровке прибора в режиме измерения ВЧ напряжений выносным пробником на поддиапазоны 12,5, 25, 50 мВ (при необходимости) можно построить корректирующие графики или таблицы.

Прибор собран навесным монтажом в металлическом корпусе. Его размеры зависят от размеров применяемой измерительной головки и трансформатора блока питания. У меня, например, работает двухполярный БП, собранный на трансформаторе от импортного магнитофона (первичная обмотка на 110в), Стабилизатор лучше всего собрать на МС 7812 и 7912 (или LM317), но можно и проще – параметрический, на двух стабилитронах. Конструкция выносного ВЧ пробника и особенности работы с ним подробно описана в (2, 3).

Используемая литература:

Б.Степанов. Измерение малых ВЧ напряжений. Ж. «Радио», № 7, 12 – 1980, с.55, с.28.
Б.Степанов. Высокочастотный милливольтметр. Ж. «Радио», № 8 – 1984, с.57.
Б.Степанов. ВЧ головка к цифровому вольтметру. Ж. «Радио», № 8, 2006,с.58.
М.Дорофеев. Вольтомметр на ОУ. Ж. «Радио», № 12, 1983, с.30.

Василий Кононенко (RA0CCN).

Эти приборы используются главным образом для измерения малых напряжений. Их наибольший предел измерения 1÷10 мВ, внутреннее сопротивление порядка 1÷10 мОм.

Входное напряжение поступает на трехзвенный Г-образный ЧС-фильтр, назначение которого уменьшить наводки промышленной частоты - 50 Гц во входном сигнале.

Затем напряжение модулируется, усиливается усилителем Y 1 , состоящим из Y" (1 и 2-ой каскада) и Y" (3 - 5-ой каскады), затем демодулируется, подается на согласующий усилитель Y 2 , который выполнен по схеме катодного повторителя и служит для согласования сопротивления μА с сопротивлением Y 2 . Напряжение измеряется μА (100 μА), шкала которого градируется в единицах напряжения.

В качестве модулятора использован вибропреобразователь. ДМ - диодный кольцевой демодулятор.

Цепь обратной связи служит для стабилизации коэффициента усиления и его изменения при переключении пределов измерения.

В переключатель пределов измерения, кроме звена ОС входит делитель напряжения ДН, расположенный между вторым и третьим каскадом Y 1 .

ГНЧ - генератор несущей частоты обеспечивает подачу напряжения на М и ДМ.

По такой схеме построен вольтметр постоянного тока типа В2-11 с пределами измерения
В, внутреннее сопротивление 10÷300 мОм и погрешность 6÷1 %.

Универсальные вольтметры

Универсальные вольтметры строятся по схеме, которая называется схемой "выпрямитель-усилитель". Важной частью схемы яв-ляется выпрямитель "В". Как правило, в универсальных вольтметрах используются В амплитудного значения, построенные по схеме однополупериодного выпрямления (так как в случае двухполупериодного выпрямления невозможно создать заземленную шину) с открытым или закрытым входом, но, как правило, используется схема с закрытым входом, что объясняется независимостью напряжения на ее выходе от постоянной составляющей на входе.

Универсальные вольтметры имеют широкий частотный диапазон, но сравнительно низкую чувствительность и точность.

Получили распространение универсальные вольтметры В7-17, В7-26, ВК7-9 и другие. Их основная погрешность достигает ±4%. Частотный диапазон до 10 3 мГц. Пределы измерения от 100÷300 мВ до 10 3 В.

Вольтметры переменного тока

ППИ – переключатель пределов измерения.

Электронные вольтметры переменного тока предназначаются в основном для измерения малых напряжений. Это объясняется их структурой "усилитель-выпрямитель", то есть предварительным усилением напряжения. Эти приборы обладают высоким входным сопротивлением за счет введения схем с глубокими местными обратными связями, в том числе катодных и эмиттерных повторителей: в качестве ВП используются выпрямители среднего, амплитудного и действующего значения. Шкала, как правило, градуируется в единицах действующего значения с учетом соотношений
и
для синусоидальных напряжений. Если шкала градуируется вU ср или U т , то на ней имеются соответствующие обозначения.

В общем приборы по схеме "усилитель-выпрямитель" имеют большую чувствительность и точность, но частотный диапазон их сужен, он ограничивается усилителем У.

Если используется В среднего или амплитудного значения, то приборы критичны к форме кривой входного напряжения при градуировке шкалы в ед. U д .

При использовании В среднего значения, он, как правило, выполняется по двухполупериодной схеме выпрямления. При использовании амплитудного детектора - по схеме с открытым или закрытым входами.

Особенностью электронных вольтметров действующего значения является квадратичность шкалы за счет наличия квадратирующего устройства в В. Существуют специальные методы устранения этого недостатка.

Получили распространение милливольтметры переменного тока типа В3-14, В3-88, В3-2 и т.п.

Среди электронных вольтметров наибольшую точность имеет диодный компенсационный вольтметр (ДКВ). Его погрешность не превышает сотых долей процента. Принцип действия поясняет следующей схемой.

НИ - нуль-индикатор

При подаче
и компенсационного напряжения смещенияпоследнее можно отрегулировать так, что НИ покажет 0. Тогда можно считать, что
.

Импульсные вольтметры

Импульсные V предназначены для измерения амплитуд периодических импульсов сигналов с большой скважностью и амплитуд одиночных импульсов.

Трудность измерения состоит в многообразии форм импульсов и широком диапазоне изменения временных характеристик.

Все это не всегда известно оператору.

Измерение одиноч-ных импульсов создает дополнительные трудности, так как не удается накопить информацию об измеряемой величине многократным воздействием сигнала.

Импульсные V строятся по приведенной схеме. Здесь ПАИ - преобразователь амплитуды и импульса в напряжение. Это самый важный блок. Он в ряде случаев обеспечивает не только указанное преобразование и запоминание преобразованного значения в течение времени отсчета.

Наиболее часто в ПАИ используются диодно-конденсаторные пиковые детекторы. Особенность этих детекторов в том, что длительность импульсов τ U может быть мала, а скважность - велика. В результате за τ U "С" полностью не зарядится, а за "Т" - значительно разрядится.

Самодельные измерительные приборы

Основные параметры:

Диапазон измеряемых напряжений, мВ 3...5*І0^3;

Диапазон рабочих частот, Гц 30.. .30* 10^3;

Неравномерность АЧХ, дБ ±1;

Входное сопротивление, мОм:

на"пределах 10, 20, 50 мВ 0,1;

на пределах 100"мВ.. .5 В 1,0;

Погрешность измерений, % 10.

Схема прибора

Прибор состоит из входного эмиттерного повторителя (транзисторы V1, V2), усилительного каскада - (транзистор V3) и вольтметра переменного тока (транзисторы V4, V5, диоды V6-V9 и микроамперметр Р1).

Измеряемое переменное напряжение с разъема X1 подается на входной эмиттерный повторитель через делитель напряжения (резисторы R1, R2* и R22), с помощью которого это напряжение может быть уменьшено в 10 или 100 раз. Уменьшение в 10 раз происходит при установке переключателя S1 в положение X 10 мВ (делитель образуется резистором R1 и включенными параллельно резистором R22 и входным сопротивлением эмиттерного повторителя). Резистор R22 служит для точной установки входного сопротивления прибора (100 кОм). При установке переключателя S1 в положение X 0,1 В на вход эмиттерного повторителя поступает 1/100 часть измеряемого напряжения.

Нижнее плечо делителя в этом случае состоит из входного сопротивления повторителя и резисторов R22 и R2*.

На выходе эмиттерного повторителя включен еще один делитель напряжения (переключатель S2 и резисторы R6-R8), позволяющий ослабить сигнал, поступающий далее на усилитель.

Следующий каскад милливольтметра - усилитель напряжения ЗЧ на транзисторе V3 (коэффициент усиления примерно 30) - обеспечивает возможность измерения малых напряжений/ С выхода этого каскада усиленное напряжение 34 поступает на вход измерителя напряжения переменного тока с линейной шкалой, представляющей собой двухкаскадный усилитель (V4, V5), охваченный отрицательной обратной связью через выпрямительный мост (V7-V10). В диагональ этого моста включен микроамперметр P1.

Нелинейность шкалы описываемого вольтметра в интервале отметок 30... 100 не превышает 3 %, а в рабочем участке (50... 100) -2 %. При калибровке чувствительность милливольтметра регулируют резистором R13.

В приборе можно использовать любые низкочастотные маломощные транзисторы со статическим коэффициентом передачи тока h21э = 30...60 (при токе эмиттера 1 мА). Транзисторы с большим коэффициентом h21э следует установить на место V1 и V4. Диоды V7-V10 - любые германиевые из серий Д2 или Д9.

Стабилитрон КС168А можно заменить двумя стабилитронами КС133А, включив их последовательно. В приборе применены конденсаторы МБМ (С1), К50-6 (все остальные), постоянные резисторы МЛТ-0,125, подстроечный резистор СПО-0,5.

Переключатели S1 и S2 (движковые, от транзисторного радиоприемника «Сокол») доработаны так, чтобы каждый из них стал двухполюсным на три положения: в каждом ряду удалены краиние неподвижные контакты (по два подвижных контакта), а оставшиеся подвижные контакты переставлены в соответствии со схемой коммутации.

Налаживание прибора сводится к подбору режимов, указанных на схеме резисторами, отмеченными звездочкой, и градуировке шкалы по образцовому Прибору.

Понадобился точный милливольтметр переменного тока, отвлекаться на поиски подходящей схемы и подбирать детали уж очень не хотелось, и тогда взял и купил готовый набор «Милливольтметр переменного тока». Когда вник в инструкцию выяснилось, что у меня на руках только половина того что нужно. Оставил эту затею и купил на базаре древний, но в почти отличном состоянии осциллограф ЛО-70 и прекрасно всё сделал. А так как за последующее время изрядно надоело перекладывать этот пакетик с конструктором с места на место, решил всё же его собрать. Также присутствует любопытство по поводу того насколько хорош он будет.

В набор входит микросхема К544УД1Б которая представляет собой операционный дифференциальный усилитель с высоким входным сопротивлением и низким уровнем входных токов, с внутренней частотной коррекцией. Плюс печатная плата с двумя конденсаторами, с двумя парами резисторов и диодов. Также имеется инструкция по сборке. Всё скромно, но обид нет, стоит набор меньше чем одна микросхема из него в розничной продаже.

Милливольтметр, собранный по данной схеме позволяет измерять напряжение с пределами:

1 - до 100 мВ
2 - до 1 В
3 - до 5 В

В диапазоне 20 Гц - 100 кГц, входное сопротивление около 1 МОм, напряжение питания
от + 6 до 15 В.

Печатная плата милливольтметра переменного тока изображена со стороны печатных дорожек, для «отрисовки» в Sprint-Layout («зеркалить» не нужно), если понадобиться.

Сборка началась с изменений в компонентном составе: под микросхему поставил панельку (сохранней будет), керамический конденсатор поменял на плёночный, номинал естественно прежний. Один из диодов Д9Б при монтаже пришёл в негодность - запаял все Д9И, благо в инструкции последняя буква диода вообще не прописана. Номиналы всех устанавливаемых на плату компонентов были измерены, они соответствуют указанным в схеме (у электролита ).

В набор были включены три резистора номиналом R2 - 910 Ом, R3 - 9,1 кОм и R4 - 47 кОм однако при этом в руководстве по сборке есть оговорка что их номиналы необходимо подбирать в процессе настройки, так что сразу поставил подстроечные резисторы на 3,3 кОм, 22 кОм и 100 кОм. Их было нужно смонтировать на любой подходящий переключатель, взял имевшийся в наличии марки ПД17-1. Показался весьма удобным, миниатюрен, есть за что крепить на плате, имеет три фиксированных положения переключения.

В итоге все узлы из электронных компонентов поместил на монтажную плату , соединил их между собой и подсоединил к маломощному источнику переменного тока - трансформатору ТП-8-3, который подаст на схему напряжение 8,5 вольт.

А теперь заключительная операция - калибровка. В качестве генератора звуковой частоты использован виртуальный. Звуковая карта компьютера (даже самая посредственная) вполне прилично справляется с работой на частотах до 5 кГц. На вход милливольтметра подан от генератора звуковой частоты сигнал частотой 1000 Гц, действующее значение которого соответствует предельному напряжению выбранного поддиапазона.

Звук берётся с разъёма «наушники» (зелёного цвета). Если после подсоединения к схеме и включения виртуального звукового генератора звук «не пойдёт» и даже подключив наушники его, не будет слышно, то в меню «пуск» наведите курсор на «настройки» и выберите «панель управления», где выберите «диспетчер звуковых эффектов» и в нём нажмите на «Выход S/PDIF», где будет указано несколько вариантов. Наш тот, где есть слова «аналоговый выход». И звук «пойдёт».

Был выбран поддиапазон «до 100 мВ» и при помощи подстроечного резистора достигнуто отклонение стрелки на конечное деление шкалы микроамперметра (внимание на символ частоты, на шкале, обращать не нужно). То же самое было успешно проделано с другими поддиапазонами. Инструкция производителя в архиве. Несмотря на свою простоту, радиоконструктор оказался вполне работоспособным, и что особенно понравилось - адекватным в настройке. Одним словом набор хорош. Поместить всё в подходящий корпус (если нужно), установить разъёмы и прочее будет делом техники.

Обсудить статью МИЛЛИВОЛЬТМЕТР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Эта статья посвящена двум вольтметрам, реализованных на микроконтроллере PIC16F676. Один вольтметр имеет диапазон измеряемых напряжений от 0,001 до 1,023 вольта, другой, с соответствующим резистивным делителем 1:10, может измерять напряжения от 0,01 до 10,02 вольта. Ток потребления всего устройства при выходном напряжении стабилизатора +5 вольт составляет примерно 13,7 мА. Схема вольтметра изображена на рисунке 1.

Два вольтметра схема

Цифровой вольтметр, работа схемы

Для реализации двух вольтметров использованы два вывода микроконтроллера, сконфигурированных на вход для модуля цифрового преобразования. Вход RA2 используется для измерения малых напряжений, в районе вольта, а к входу RA0 подключен делитель напряжения 1:10, состоящий из резисторов R1 и R2, позволяющий измерять напряжение до 10 вольт. В данном микроконтроллере используется десятиразрядный модуль АЦП и чтобы реализовать измерение напряжения с точностью до 0,001 вольта для диапазона 1 В, пришлось применить внешнее опорное напряжение от ИОН микросхемы DA1 К157ХП2. Так как мощность ИОН микросхемы очень маленькая, и чтобы исключить влияние внешних цепей на этот ИОН, в схему введен буферный ОУ на микросхеме DA2.1 LM358N . Это неинвертирующий повторитель напряжения, имеющий стопроцентную отрицательную обратную связь — ООС. Выход этого ОУ нагружен на нагрузку, состоящую из резисторов R4 и R5. С движка подстроечного резистора R4, опорное напряжение величиной 1,024 В подается на вывод 12 микроконтроллера DD1, сконфигурированного, как вход опорного напряжения для работы модуля АЦП . При таком напряжении каждый разряд оцифрованного сигнала будет равен 0,001 В. Чтобы уменьшить влияние шумов, при измерении малых величин напряжения применен еще один повторитель напряжения, реализованный на втором ОУ микросхемы DA2. ООС этого усилителя резко уменьшает шумовую составляющую измеряемой величины напряжения. Так же уменьшается напряжение импульсных помех измеряемого напряжения.

Для вывода информации об измеряемых величинах применен двухстрочный ЖКИ, хотя для этой конструкции хватило бы и одной строки. Но иметь в запасе возможность вывода еще какой ни будь информации, тоже не плохо. Яркость подсветки индикатора регулируется резистором R6, контрастность выводимых символов зависит от величины резисторов делителя напряжения R7 и R8. Питается устройство от стабилизатора напряжения собранного на микросхеме DA1. Выходное напряжение +5 В устанавливается резистором R3. Для уменьшения общего тока потребления, напряжение питания самого контроллера можно уменьшить до величины, при которой сохранялась бы работоспособность контроллера индикатора. При проверке данной схемы индикатор устойчиво работал при напряжении питания микроконтроллера 3,3 вольта.

Настройка вольтметра

Для настрой данного вольтметра необходим, как минимум цифровой мультиметр, способный измерять напряжение 1,023 вольта, для настройки опорного напряжения ИОН. И так, с помощью контрольного вольтметра выставляем на выводе 12 микросхемы DD1 напряжение величиной 1,024 вольта. Затем на вход ОУ DA2.2, вывод 5 подаем напряжение известной величины, например 1,000 вольт. Если показания контрольного и настраиваемого вольтметров не совпадают, то подстроечным резистором R4, изменяя величину опорного напряжения, добиваются равнозначных показаний. Затем на вход U2 подают контрольное напряжение известной величины, например 10,00 вольт и подборкой величины сопротивления резистора R1, можно и R2, а можно и тем и другим добиваются равнозначных показаний обоих вольтметров. На этом регулировка заканчивается.