Вольтметр стрелочный своими руками

Цифровой милливольтметр сделан в форме модуля, который может быть использован как панельный вольтметр, измеритель напряжения или тока в регулируемом источнике тока, а также после создания входных контуров, может быть использован для конструирования цифрового мультиметра своими руками. Измеритель построен с использованием трехразрядного преобразователя типа С520D. Измеритель позволяет проводить измерения постоянных напряжений от –99 до +999 мВ с погрешностью не более 0,1% измеряемой величины.

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная

Преобразователь автоматически определяет знак измеряемого напряжения. В случае применения интегральной схемы 40511 как декодера, при измерении положительного напряжения, на семисегментном индикаторе его значение высвечивается без знака, а перед отрицательной величиной высвечивается буква А. О превышении пределов диапазона измерений сигнализирует индикация символов В-В для положительных напряжений и А-А – для отрицательных. В устройстве необходимо выполнить две регулировки: с помощью потенциометра Р2 регулируется величина напряжения нестабильности входной системы преобразователя, по окончании Hi соединяется с «массой», потенциометр P1 служит для калибровки преобразователя. На вход измерителя необходимо подать напряжение 900 мВ и с помощью потенциометра Р1 установить на индикаторе 900.
Прибор необходимо питать стабилизированным напряжением 5 В.


Рис. 2. Монтажная плата
Из-за использования доступных и дешевых индикаторов VQE23 одна часть индикатора не используется. Печатная плата милливольтметра разработана так, чтобы максимально упростить монтаж. Плату с индикаторами необходимо припаять перпендикулярно к главной плате. При не подключенном входе Hi измеритель показывает состояние превышения диапазона.

Рис. 3. Расположение плат.

11. ЭЛЕКТРОННЫЕ ВОЛЬТМЕТРЫ

В электронных вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измери­мый механизм со шкалой, градуированной в единицах напря­жения Электронные вольтметры обладают высокой чувствитель­ностью и широким диапазоном измеряемых напряжении (от десятков нановольт на постоянном токе до десятков киловольт) большим входным сопротивлением (более 1 МОм) могут работать в широком частотном диапазоне (от постоянного тока до частот порядка сотен мегагерц). Эти достоинства обусловили широкое распространение электронных вольтметров.

Наиболее часто в электронных вольтметрах применяют схемы с прямым преобразованием сигналов (см. § 4-5). В этом случае аналоговые электронные узлы могут вносить значительные погрешности. Особенно это сказывается при измерении малых напряжений или напряжений высоких частот. Поэтому электронные вольтметры обычно имеют относительно невысокие классы точности (1-6). Вольтметры с уравновешивающим преобразованием как правило, имеют более высокие классы точности (0,2 – 2,5), но они более сложны и менее удобны в эксплуатации.

В настоящее время выпускается множество различных типов вольтметров. По своему назначению и принципу действия наилее распространенные вольтметры могут быть подразделены на вольтметры постоянного тока, переменного тока, универсальные, импульсные и селективные.

Вольтметры постоянного тока. Упрощенная структурная схема таких вольтметров показана на рис. 6-1, где ВД – входной

Рис 6-1- Структурная схема электронного вольтметра постоянного тока

делитель напряжения; УПТ - усилитель постоянного тока; ИМ - магнитоэлектрический измерительный механизм. Угол отклонения указателя измерительного механизма, гдеk вд , k упт - коэффициенты преобразования (усиле­ния) соответственно ВД и УПТ, S U - чувствительность по на­пряжению измерительного механизма; k v - коэффициент пре­образования электронного вольтметра; U х - измеряемое напряжение.

Последовательное соединение делителя напряжения и усилителя является характерной особенностью построения всех электронных вольтметров. Такая структура позволяет делать вольт­метры высокочувствительными и многопредельными за счет из­менения в широких пределах их общего коэффициента преобразования. Однако повышение чувствительности вольтметров постоянного тока путем увеличения коэффициента усиле­ния УПТ наталкивается на технические трудности из-за неста­бильности работы УПТ, характеризующейся изменением k УПТ и дрейфом «нуля» (самопроизвольным изменением выходного сигнала) усилителя. Поэтому в таких вольтметрах, как правило, k УПТ ? 1, а основное назначение УПТ - обеспечить большое входное сопротивление вольтметра. В связи с этим верхний пре­дел измерений таких вольтметров не бывает ниже десятков или единиц милливольт.

Для уменьшения влияния нестабильности УПТ в вольтметрах предусматривают возможность регулировки перед измерением «нуля» и коэффициента преобразования усилителя.

Рассмотренная структурная схема вольтметра постоянного тока используется в составе универсальных вольтметров (см. да­лее), поскольку при незначительном усложнении - добавлении преобразователя переменного напряжения в постоянное, появляется возможность измерения и переменного напряжения.

Для создания высокочувствительных вольтметров постоянно­го тока (микровольтметров) применяют усилители постоянного тока, построенные по схеме М - ДМ (модулятор - демодуля­тор), показанной на рис. 6-2, а , где М - модулятор; ДМ - демодулятор; Г- генератор; У ~ - усилитель переменного тока. Усилители переменного тока не пропускают постоянную составляющую сигнала, и потому у них отсутствует дрейф «нуля», характерный для УПТ. На рис. 6-2, б показана упрощенная временная диаграмма напряжений на выходе отдельных блоков. Генератор управляет работой модулятора и демодулятора, представляющих собой в простейшем случае аналоговые ключи синхронно замыкая и размыкая их с некоторой частотой. Навыходе модулятора возникает однополярный импульсный сигнал, амплитуда которого пропорциональна измеряемому напряжению. Переменная составляющая этого сигнала усиливается усилителем У ~ , а затем выпрямляется демодулятором. Применение управляемого демодулятора делает вольтметр чувствительным к полярности входного сигнала.

Среднее значение напряжения выходного сигнала пропорционально входному напряжению U СР = kU Х . Поскольку такая схема усилителя позволяет практически убрать дрейф «нуля» и имеет стабильный коэффициент усиления, коэффициент k может достигать больших значений, например k = 3,33·10 5 для микровольтметра В2-25. Вследствие этого у микровольтметров верхний предел измерений при наивысшей чувствительности может со­ставлять единицы микровольт. Так, микровольтметр постоянного тока В2-25 имеет верхние пределы измерений 3, 10-300, 1000 мкВ при основной приведенной погрешности ± (0,5-6).%.

Вольтметры переменного тока. Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителями магнитоэлектрического измерительного механизма. Воз­можны две обобщенные структурные схемы вольтметров пере­менного тока (рис. 6-3), различающиеся своими характеристика­ми В вольтметрах по схеме рис. 6-3, а измеряемое напряжение и х сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на УПТ и ИМ, являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь Пр представляет собой мало­инерционное нелинейное звено (см. далее), поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапа-

Рис. 6-2. Структурная схема (а) и вре­менная диаграмма сигналов (б) элек­тронного вольтметра постоянного тока с усилителем М - ДМ

Рис. 6-3. Структурные схемы вольтметров переменного тока

зоне (от десятков герц до 10» МГц). Для уменьшения влияния распределенных емкостей и индуктивностей входного кабеля и входной цепи прибора преобразователи обычно выполняют в виде выносных узлов-пробников. В то же время указанные недостатки УПТ и особенности работы нелинейных элементов при малых напряжениях не позволяют делать такие вольтметры вы­сокочувствительными. Обычно их верхний предел измерений при максимальной чувствительности составляет десятки - единицы милливольт.

В вольтметрах, выполненных по схеме 6-3, б, благодаря пред­варительному усилению удается повысить чувствительность. Од­нако создание усилителей переменного тока с большим коэффи­циентом усиления, работающих в широком диапазоне частот,- достаточно трудная техническая задача. Поэтому такие вольт­метры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 - 10 МГц); верхний предел измерений при максимальной чувствительности составляет десятки или сотни микровольт.

В зависимости от вида преобразователя переменного напря­жения в постоянное отклонения указателя измерительного меха­низма вольтметров могут быть пропорциональны амплитудному (пиковому), среднему (средневыпрямленному) или действующе­му значениям измеряемого напряжения. В связи с этим вольт­метры называют соответственно вольтметрами амплитудного, среднего или действующего значения. Однако независимо от вида преобразователя шкалу вольтметров переменного тока, как правило, градуируют в действующих значениях напряжения синусоидальной формы.

Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рис. 6-4, а) или закрытым (рис. 6-5, а) входами, где u ВХ и u ВЫХ - входное и выходное напряжения преобразователя. Если вольт-


Рис. 6-4. Схема (а ) и временные диаграммы сигналов и в) преобразо­вателя амплитудных значений (пикового детектора) с открытым входом


Рис. 6-5. Схема (а) и временные диаграммы сигналов (б) преобразовате­ля амплитудных значений с закрытым входом

метр имеет структуру рис. 6-3, а, то для преобразователя u вх = u x . В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального и х max положитель­ного (при данном включении диода) значения входного напряже­ния (см. рис. 6-4, б). Пульсации напряжения u ВЫХ на конденсаторе объясняются его подзарядом при открытом диоде, когда u ВХ > u ВЫХ, и его разрядом через резистор R при закрытом диоде, когда u ВХ < u ВЫХ. Как видно из рисунка, отпирание диода и подзаряд конденсатора происходит лишь в короткие промежутки вре­мени ?, определяемые постоянными времени заряда т 3 и разряда т р. Для того чтобы пульсации напряжения на выходе преобразо­вателя были незначительными, необходимо обеспечить т 3 < l/f В, т р > l/f H , где f B , f H - верхняя и нижняя границы частотного диа­пазона вольтметра. При этом среднее значение выходного напря­жения u cp ? u xmax и, следовательно, угол отклонения указателя измерительного механизма

, гдеk v -коэффициент преобразования вольтметра.

Особенностью амплитудных преобразователей с открытым входом является то, что они пропускают постоянную составляющую входного сигнала (положительную для данного включения Диода). Так, при u ВХ = U 0 + U m sin ?t с U 0 > U m (см. рис. 6-4, в), среднее значение выходного напряжения u cp ? Uo + U m . Следова­тельно, ?= k v (U 0 + U m ). Очевидно, при u ВХ

В преобразователях с закрытым входом (рис. 6-5, а, б) в установившемся режиме на резисторе R независимо от наличия постоянной составляющей входного сигнала имеется пульсирующее

напряжение u R изменяющееся от 0 до - 2U m , где U m - амплитуда переменной составляющей входного напряжения. Среднее значения этого напряжения практически равно U m . Для уменьшения пульсаций выходного напряжения в таких преобразователях устанавливается фильтр нижних частот R Ф C Ф . Таким образом, показания вольтметра в этом случае определяются только амплитудным значением переменной составляющей входного напряжения u Х т. е. a = k V U m .

Особенности амплитудных преобразователей с открытым и закрытым входами следует учитывать при измерении электронными вольтметрами.

Поскольку шкала вольтметров градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения, то при измерении напряжений другой формы необходимо делать соответствующий пересчет, если известен коэффициент амплитуды измеряемого напряжения. Амплитудное значение измеряемого напряжения несинусоидальной формы U m = k a . c U ПР = 1,41 U ПР , где k a . c = 1,41-коэффициент амплитуды синусоиды; U ПР - значение напряжения, отсчитанное по шкале прибора. Действующее зна­чение измеряемого напряжения, где k a - коэффициент амплитуды измеряемого напряжения.

Вольтметры среднего значения имеют преобразователи переменного напряжения в постоянное, аналогичные преобразова­телям, используемым в выпрямительных приборах (см. § 5-4). Такие вольтметры обычно имеют структуру, показанную на рис. 6-3, б. В этом случае на выпрямительный преобразователь подается предварительно усиленное напряжение и х что повышает чувствительность вольтметров и уменьшает влияние нелиней­ности диодов. Угол отклонения подвижной части измерительного механизма у таких вольтметров пропорционален средневыпрямленному значению измеряемого напряжения, т. е.


.

Шкала таких вольтметров также градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения. При измерении напряжения несинусоидальной формы среднее значение этого напряжения , а действующее -, гдеU ПР - показание вольтметра; k Ф.С = 1,11 - коэффициент формы синусоиды; к ф коэффициент формы измеряемого напряжения. .

Вольтметры действующего значения имеют преобразователь переменного напряжения с квадратичной статической характеристикой преобразования

. В качестве такого преобразователя используют термопреобразователи, квадратирующие устройства с кусочно-линейной аппроксимацией параболы, электронные лампы и другие. При этом если вольтметр действующе­го значения выполнен по структурным схемам, изображенным на


Рис. 6-6 Схема электронного вольтметра действующего значения (с рав­номерной шкалой)

рис. 6-3, то независимо от формы кривой измеряемого напряжения отклонение указателя измерительного механизма пропорци­онально квадрату действующего значения измеряемого напря­жения:


.

Как видно, такой вольтметр имеет квадратичную шкалу. Вольтметр действующего значения с равномерной шкалой показан на рис 6-6, где используются два квадратических пре­образователя, один из которых включен в цепь отрицательной обратной связи. В качестве таких преобразователей используют термопреобразователи, для которых термо-ЭДС равны соответ­ственно:

, где I 1 , I 2 - токи, протекающие через нагреватели термопар; k 1 , k 2 - коэффициенты, зависящие от свойств термопреобразователей. Выходной ток широкополосного усилителя переменного тока У пропорционален измеряемому напряжению: I 1 = k У U Х , поэтому

.При большом коэффициенте усиления УПТ его входной сигнал

. Следовательно,

и отклонение указателя измерительного механизма

Таким образом, отклонение указателя измерительного механизма пропорционально действующему значению измеряемого напряжения.

В качестве примера можно привести выпускаемые промышленностью милливольтметр переменного тока ВЗ-43 с амплитуд­ным преобразователем, имеющий верхние пределы измерений 10, 30 мВ - 3 В и основную погрешность ± (4-25) % в диапазоне частот 10Гц-1 ГГц; милливольтметр переменного тока ВЗ-41 с выпрямительным преобразователем, имеющий верхние пре-

Рис. 6-7. Схема (а) и временная диаграмма сигналов (б) диодно-компенсационного вольтметра

делы 3, 10 мВ - 300 В и основную погрешность ± (2,5-10) % в диапазоне частот 20 Гц - 10 МГц; микровольтметр переменно­го тока ВЗ-40 с термопреобразователями в цепях прямого и обратного преобразования, имеющий верхние пределы 30, 100 мкВ - 300 В и основную погрешность ± (2,5-10) % в диапазоне частот 5 Гц - 5 МГц.

Кроме рассмотренных вольтметров переменного тока, в настоящее время выпускаются диодно-компенсационные вольт­ метры.

Принцип действия таких вольтметров поясняется схемой рис. 6-7, а, основными элементами которой являются: диод Д; высокочувствительный магнитоэлектрический гальванометр - нуль-индикатор НИ; образцовый делитель напряжения ОДН. Основываясь на идеализированном представлении вольтамперной характеристики диода (рис. 6-7, б) в виде ломаной линии, можно считать, что в отсутствие подаваемого на вход вольтметра напря­жения и х ток через диод не протекает. При подключении напря­жения u Х = U m sin ? t при U к < U m через диод начинает протекать некоторый ток, вызывая отклонение указателя нуль-индикатора. Увеличивая (по модулю) компенсационное напряжение U К,доби­ваются отсутствия тока через НИ. В момент, когда ток в НИ исче­зает, U m = U K . Отсчет снимают по положению рукоятки ОДН. Высокая чувствительность НИ и высокая точность установки U K позволяют получать малые погрешности измерений (до 0,2 %). Эти вольтметры являются наиболее точными из существу­ющих электронных вольтметров, обладают высоким входным со­противлением, широким частотным диапазоном (до 10 3 МГц). Недостаток прибора - сложность эксплуатации.

Диодно-компенсационные вольтметры могут использоваться для точного измерения напряжения синусоидальной формы, а также для поверки и градуировки электронных вольтметров. Среди различных типов имеются вольтметры, предназначенные дляизмерения как периодических, так и импульсных напряжений. Такимприбором является компенсационный вольтметр В3-49, имеющий верхние пределы измерений 300 мВ, 1 - 1000 В и основную погрешность ± (0,15-2,7) % на постоянном токе и ± (0,2-12) % на переменном токе в диапазоне частот 20 Гц - 1ГГц.

Наряду с вольтметрами приборостроительная промышленность выпускает измерительные преобразователи напряжения (переменного и постоянного) и тока (переменного и постоянного) в унифицированный сигнал постоянного тока. Принципы построения таких преобразователей во многом схожи с рассмотренными принципами построения электронных вольтметров. Отличительной особенностью преобразователей является отсутствие на вы­ходе измерительного механизма.

Универсальные вольтметры. Такие вольтметры предназначе­ны для измерения напряжений постоянного и переменного токов. Обобщенная структурная схема показана на рис. 6-8, где В - переключатель. В зависимости от положения переключателя В вольтметр работает по схеме вольтметра переменного тока с преобразователем П (положение 1) или вольтметра постоянно­го тока (положение 2).

В универсальных вольтметрах, называемых также комбинированными, часто предусматривается возможность измерения сопротивлений R x . В таких вольтметрах имеется преобразователь П R , выходное напряжение которого зависит от неизвестного сопротивления: U вых = f (R x ) (см. §6-5). На основании этой зави­симости шкала прибора градуируется в единицах сопротивления. При измерении резистор с неизвестным сопротивлением подклю­чается к входным зажимам преобразователя, а переключатель ставится в положение 3.

В качестве примера укажем универсальный вольтметр В7-26, имеющий верхние пределы измерений на постоянном токе 0,3, 1-300 В, на переменном токе 1, 3-300 В, основную погреш­ность ±2,5 % на постоянном токе и ± (4-6) % на переменном токе в диапазоне частот 20 Гц- 10 3 МГц. Кроме того, этот прибор предназначен для измерения сопротивления постоянному току в диапазоне 10 Ом - 1000 МОм с основной погрешностью, не превышающей ±2,5%.

Импульсные вольтметры. Для измерения амплитуды импульс­ах сигналов различной формы

применяют импульсные вольтметры. Особенности работы им-


Рис. 6-8. Структурная схема универсального вольтметра.


Рис. 6-9. Компенсационная схема амплитудного преобразователя

пульсных вольтметров определяются малой длительностью ? измеряемых импульсов (от 10-100 нс) и значительной скважностью ? = T/? (до 10 9), где Т - период следования импульсов.

Импульсные вольтметры градуируют в амплитудных значениях измеряемых импульсов.

Импульсные вольтметры могут быть выполнены по структур­ной схеме рис. 6-3, а, при этом используют преобразователи амплитудных значений с открытым входом, выходное напряжение которых должно быть равно амплитуде U m измеряемых импульсов. Большая скважность импульсов и малая их длительность предъявляют жесткие требования к преобразователям амплитуд­ных значения. Поэтому в современных импульсных вольтметрах применяют компенсационные схемы амплитудных преобразова­телей (рис. 6-9). Входные импульсы u ВХ заряжают конденсатор С 1 . Переменная составляющая напряжения на этом конденсато­ре, вызванная поднарядом его измеряемыми импульсами и разря­дом между импульсами (аналогично рис. 6-4, в), усиливается усилителем У переменного тока и выпрямляется с помощью диода Д 2 . Постоянная времени цепи RC 2 выбирается достаточно боль­шой, поэтому напряжение на конденсаторе С 2 в промежутке между импульсами изменяется незначительно. С выхода пре­образователя при помощи резистора R 0 . c обратной связи на кон­денсатор C 1 подается компенсирующее напряжение. При боль­шом коэффициенте усиления усилителя это приводит к значи­тельному уменьшению переменной составляющей напряжения на конденсаторе С 1 вследствие чего в установившемся режиме на­пряжение на этом конденсаторе практически равно амплитуде измеряемых импульсов, а выходное напряжение пропорциональ­но этой амплитуде: .

В нормативно-технической документации для импульсных вольтметров указывается диапазон допустимых значений длительности импульсов (или их частота) и скважность, при которых погрешности вольтметров находятся в пределах нормированных значений. Так, импульсный вольтметр В4-9А имеет верхние пре­делы измерений 2,5, 10, 20 В и основную погрешность ± (2,5-


Рис. 6-10. Спектр U m (?) некоторого сигнала и амплитудно-частотная характеристика идеального голосового фильтра.

4,0) % при частоте следования импульсов 1 Гц – 300 МГц и скважности от 2 до 3·10 8 .

Селективные вольтметры. Такие вольтметры предназначены для изменения действующего значения напряжения в некоторой полосе частот или действующего значения отдельных гармонических составляющих измеряемого сигнала.

Принцип действия селективного вольтметра заключается в выделении отдельных гармонических составляющих сигнала или сигнала узкой полосы частот с помощью перестраиваемого полосового фильтра и измерении действующего значения выделенных сигналов. На рис. 6-10 сплошными вертикальными линия­ми показан спектр некоторого измеряемого сигнала, а штриховой линией - идеализированная амплитудно-частотная характери­стика полосового фильтра, имеющего коэффициент передачи K(?) = k = const - для

,K(?) - для ос­тальных частот, где ? П.Ф - средняя частота настройки полосово­го фильтра, а ?? - полоса пропускания фильтра. Частоту ? П.Ф можно изменять в пределах, определяемых устройством селек­тивного вольтметра. Для измеряемого сигнала со спектром, изо­браженным на рис. 6-10, на выходе полосового фильтра появится синусоидальный сигнал с частотой ? 2 и амплитудой kU m (? 2). Следовательно, измеряя действующее значение выходного сигна­ла полосового фильтра, можно определить действующее значение гармонической составляющей измеряемого сигнала на частоте ? 2 . Изменяя частоту ? П.Ф, можно измерять действующие значения различных гармонических составляющих.

Физически реализуемый полосовой фильтр не обладает стро­го прямоугольной амплитудно-частотной характеристикой. Это может привести к тому, что через такой фильтр пройдут соседние гармонические составляющие с некоторым коэффициентом

. Кроме того, спектр измеряемого сигнала может быть таким, что через полосовой фильтр в пределах полосы пропускания ?? пройдут сразу несколько гармонических составляющих этого сигнала. В этих случаях селективный вольтметр измеряет действующее значение суммы гармонических составляющих, прошедших через фильтр, с учетом реальных коэффициентов пе­редачи для каждой составляющей.

Упрощенная структурная схема селективного вольтметра показана на рис. 6-11. Измеряемый сигнал u X через избирательный


Рис. 6-11. Структурная схема селективного вольтметра

входной усилитель ВУ подается на смеситель См, предназначенный для преобразования частотного спектра измеряемого сигна­ла. На выходе смесителя появляется сигнал, пропорциональный измеряемому сигналу, но с частотами спектра

,где f Xi - частота гармонических составляющих входного сигнала; f Г - частота сигнала синусоидального генератора Г, называемо­го также гетеродином. Усилитель промежуточной частоты УПЧ настроен на некоторую фиксированную среднюю частоту f УПЧ . Поэтому на выход УПЧ пройдет только та составляющая выход­ного сигнала смесителя, частота которой

. Этот сигнал соответствует гармонической составляющей измеряемого сигна­ла с частотой

. Действующее значение этой гармони­ческой составляющей измеряется вольтметром действующего значения ВДЗ. Изменяя частоту генератора f Г , можно измерять действующее значение различных гармонических составляющих сигнала и х .

Функцию полосового фильтра в этой схеме выполняет УПЧ. Благодаря фиксированному (неперестраиваемому) значению частоты настройки УПЧ этот усилитель имеет большой коэффициент усиления и узкую полосу пропускания, что обеспечивает высокую чувствительность и избирательность селективного вольт­метра.

Я радиолюбитель

Милливольтметр постоянного и переменного токов и омметр с линейной шкалой

Принципиальная схема милливольтметра постоянного и переменного токов и омметра с линейной шкалой приведена на рис. 49. Основным элементом милливольтметра является усилитель переменного тока. Он состоит из истокового повторителя на полевом транзисторе Т17, эмиттерного повторителя на транзисторе Т18 и трехкаскадного усилителя, собранного по схеме с общим эмиттером, на транзисторах Т18-Т20. На выходе усилителя включен выпрямитель и стрелочный индикатор.

Для предохранения стрелочного индикатора от возможных перегрузок, возникающих при неправильном выборе предела измерения, параллельно ему включен кремниевый диод Д25. Для обеспечения стабильности коэффициента усиления усилитель охвачен глубокой отрицательной обратной связью. Эта же обратная связь позволяет и существенно улучшить линейность шкалы стрелочного индикатора, особенно в ее начале.

Измеряемое напряжение, поданное на вход милливольтметра, поступает через контакты реле Р1 - преобразователь постоянного напряжения в переменное и резистор R93, определяющий входное сопротивление милливольтметра, на кнопочный переключатель пределов измерения и далее на вход истокового повторителя. Установка верхних пределов измеряемых напряжений производится с помощью подстроечных резисторов R86, R88, R90, R92 и R95. Первоначальный коэффициент усиления усилителя переменного тока для измерения переменных напряжений устанавливается с помощью подстроечного резистора R104, включенного в цепь отрицательной обратной связи.

При измерении переменного напряжения кнопка переключателя В4 с фиксацией должна находиться в ненажатом положении. Для измерения постоянных напряжений или сопротивлений резисторов кнопку нажимают. В этом случае на обмотку реле-преобразователя через диод Д20 подается переменное напряжение 27 В с обмотки силового трансформатора. Одновременно в цепь отрицательной обратной связи включается другой подстроечный резистор R106, с помощью которого увеличивается коэффициент усиления усилителя переменного тока. Происходит это благодаря тому, что эффективное значение пульсирующего напряжения на выходе преобразователя отличается от эффективного значения синусоидального напряжения.

Принцип измерения сопротивлений основан на измерении падения напряжения постоянного тока на соответствующем резисторе. Для этой цели в состав прибора введен стабилизатор тока на транзисторе Т21. В зависимости от предела измерения с помощью кнопочного переключателя В2 (см. рис. 47) устанавливается рабочий ток 1; 0,1 мА или 10 мкА. При этом на пределах измерения 0-30, 0-300 и 0-3000 Ом используется рабочий ток 1 мА, на пределе 0-30 кОм - 0,1 мА, а на пределе 0-300 кОм - 10 мкА. Соответственно на первом пределе максимальное падение напряжения составляет 30 мВ, втором - 0,3 В и на остальных - 3 В. Для измерения сопротивлений необходимо установить требуемый предел измерения, нажать кнопку переключателя В4 с фиксацией, подключить к входным клеммам измеряемый резистор и нажать кнопку В5, тогда вход милливольтметра Гн5 подключится к измеряемому резистору.

Падение напряжения на измеряемом резисторе преобразуется в пульсирующее с помощью преобразователя постоянного напряжения в переменное и измеряется милливольтметром переменного тока. В связи с тем что через измеряемый резистор протекает постоянный ток строго фиксированной величины, падение напряжения на нем оказывается прямо пропорциональным его сопротивлению. Поэтому шкала омметра получается линейной и можно использовать шкалу стрелочного микроамперметра.

В состав блока питания (рис. 48) входит однополупериодный выпрямитель собранный на диоде Д17. Напряжение стабилизируется параметрическим стабилизатором на диодах Д18, Д19. На транзисторе Т16 выполнен буферный повторитель, позволяющий исключить влияние схемы на параметры стабилизатора.

В конструкции вместо рекомендованных транзисторов типа МП416 можно использовать транзисторы широкого применения, такие как МП402-МП403, МП422- МП423, ГТ308-ГТ309 и т. д. Вместо транзистора КТЗ15 - транзисторы типов КТ301, КТ312, с коэффициентами передачи тока В не менее 50. Вместо полевого транзистора КП103 можно применить транзисторы типа КП102 с любой буквой, изменив полярность питающего напряжения. Все транзисторы, за исключением транзистора типа КТ315, на котором собран стабилизатор тока, могут иметь коэффициенты передачи тока В не менее 20.

В качестве кнопочных переключателей наиболее удобно применить переключатель типа П2-К с шагом 10 мм или в крайнем случае с шагом 15 мм. Все переменные резисторы - типа СП-0,5, а подстроечные резисторы - типа СПЗ-46. Электролитические конденсаторы- типа К50-6 на напряжение 15 и 25 В. Остальные конденсаторы - типа К10-7В и МБМ. Все постоянные резисторы - типа МЛТ.

Силовой трансформатор собран на железе Ш-26, набор сердечника 50 мм. Первичная обмотка, рассчитанная на напряжение 220 В, содержит 1000 витков провода ПЭВ-1 диаметром 0,27 мм, вторичная 26 витков провода ПЭВ-1 диаметром 0,64 мм.

В качестве стрелочного микроамперметра применен прибор типа М4206 с током полного отклонения 300 мкА и сопротивлением рамки 240 Ом, шкала прибора имеет 30 делений. Вместо него можно применить микроамперметры любого типа с током полного отклонения 50- 500 мкА и сопротивлением рамки не более 2000 Ом.

При использовании микроамперметра со шкалой, имеющей другое число делений, можно либо заново изготовить шкалу с 30 делениями, либо изменить пределы измерения напряжений и сопротивлений резисторов, изменив величины резисторов во входном делителе. Например, применив микроамперметр с 50 делениями шкалы, целесообразно сделать следующие пределы измерений: 0-0,05; 0-0,5; 0-5; 0-50 и 0-500 В, а омметра 0-50; 0-500 Ом, 0-5, 0-50 и 0-500 кОм.

Для налаживания милливольтметра отключают левый по схеме конденсатор С57 (см. рис. 49) от входного аттенюатора и со звукового генератора подают на него напряжение 7,5 мВ частотой 1-5 кГц. Подстроечным резистором R106 добиваются отклонения стрелки прибора на последнее деление шкалы. Восстановив цепь, подают на вход милливольтметра со звукового генератора напряжение 30 мВ, включают предел измерения 0- 30 мВ и с помощью подстроечного резистора R95 устанавливают стрелку на последнее деление шкалы. Затем увеличивают выходное напряжение звукового генератора и, переключая поддиапазоны входного аттенюатора, с помощью подстроенных резисторов R92, R90, R88 и R86 устанавливают верхние пределы поддиапазонов измерения напряжения переменного тока.

Для калибровки прибора в режиме измерения постоянного напряжения на его вход подают напряжение, соответствующее верхнему пределу того или иного поддиапазона, и с помощью подстроечного резистора R104 устанавливают стрелку прибора на последнее деление шкалы.

Налаживание омметра сводится к подбору необходимых значений тока стабилизатора. Для этого параллельно входным гнездам (Гн5, Гн6) прибора подключают эталонный миллиамперметр постоянного тока с пределами измерения 1; 0,1; 0,01 мА, устанавливают режим измерения сопротивлений или напряжений постоянного тока и нажимают кнопку Кн1 (“измерение”). С помощью одного из подстроечных резисторов R115, R117, R118 в соответствии с выбранным поддиапазоном устанавливают токи стабилизатора 1; 0,1 и 0,01 мА.

Если отсутствует эталонный миллиамперметр постоянного тока, калибровку омметра можно произвести следующим образом. Берут резисторы с сопротивлениями, равными верхним пределам омметра (3, 30 и 300 кОм) с допуском не хуже 0,5-1%, и, последовательно подключая их ко входу прибора, устанавливают соответствующие пределы измерений. Затем нажимают кнопку Кн1 и с помощью указанных ранее подстроечных резисторов добиваются отклонения стрелки прибора на последнее деление шкалы.

Милливольтметр можно изготовить в виде отдельного самостоятельного прибора или ввести в состав звукового генератора. Для этого необходимо изготовить отдельный источник питания с напряжением около 15-24 В. Если применить более чувствительный микроамперметр, например, с током полного отклонения 50 - 150 мкА и вместо указанного стабилитрона Д21 - типа КС133 или КС139, то напряжение источника питания можно снизить до 9 В.

Милливольтметр переменного тока позволяет совместно с генератором звуковой частоты проверить и наладить усили­тель 34, низкочастотный фильтр и другие устройства.

Прибор измеряет переменное напряжение от 3…5 мВ до 5 В частотой от 20 Гц до 200 кГц. Завал амплитудно-частотной характеристики на границах этого диапазона не превышает 1 дБ. Милливольтметр имеет девять пределов измерения, ко­торые обеспечиваются двумя переключателями и составляют 10, 20, 50, 100, 200, 500 мВ; 1, 2 и 5 В. Выбор пределов изме­рений, кратных числам 1, 2 и 5, позволяет обойтись одной шкалой прибора со 100 делениями и упрош;ает пересчет значе­ния напряжения при переходе с одного диапазона измерения на другой.

Входное сопротивление милливольтметра постоянно на всех пределах измерения и составляет около 1 МОм. Погреш­ность измерений милливольтметром зависит от точности ка­либровки. При использовании в качестве эталонного прибора поверенного вольтметра переменного тока точность измерений может составлять 3…10%.

Принципиальная схема милливольтметра приведена на рис. 9.10. Он состоит из входного каскада на ОУ DA1.1, вольт­метра переменного тока на второй половине сдвоенного ОУ DA1.2, диодах VD1-VD4 и микроамперметре РА1.

Измеряемое переменное напряжение с разъема XS1 подает­ся через делитель напряжения, состояш,ий из переключателя SA1 и резисторов R1, R2 и R3, на входной каскад на ОУ, DA1.1. О помощью этого делителя напряжение может быть уменьшено в 10 или 100 раз. В положении переключателя «х10 мВ» делитель образован резисторами R1, R2, а в положе­нии «хЮО мВ» - резисторами R1, R3. Каскад на ОУ DA1.1 выполнен по схеме неинвертирующего усилителя. Резисторы R4, R5 образуют искусственную среднюю точку, которая по переменному току шунтируется конденсатором 02. Резистор R6 определяет входное сопротивление каскада.

В цепь обратной связи ОУ DA1.1 включен еще один делитель напряжения R8-R11, 03, коммутируемый переключателем SA2. Этот делитель позволяет получить три коэффициента передачи

неинвертирующего усилителя:(по­ложение переключателя «10»),и

Таким образом, оба делителя совместно обеспечивают указанные в начале описания пределы измерения милливольтметра. Резистор R7 предотвращает измене­ние режимов по постоянному току при переключениях SA2.

С выхода каскада на DA1.1 усиленное переменное напря­жение поступает на вход вольтметра переменного тока с ли­нейной шкалой на ОУ DA1.2. Вольтметр представляет собой неинвертирующий усилитель, охваченный отрицательной об­ратной связью через диодный мост (VD1-VD4). Микроампер­метр РА1 включен в диагональ этого моста.

Глубина отрицательной обратной связи и, Kajc следствие, коэффициент усиления усилителя зависит от прямого сопро­тивления диодов моста. При больших переменных напряжени­ях это сопротивление мало. В этом случае глубина ООС также оказывается большой, а коэффициент передачи - малым. При уменьшении напряжения прямое сопротивление диодов увели­чивается. Это приводит к уменьшению глубины обратной свя­зи, охватывающей усилитель. В результате его коэффициент усиления увеличивается и на диодный мост поступает большее напряжение. Указанные процессы приводят к линеаризации шкалы прибора.

Дополнительно улз^чшить линейность позволяет резистор ‘ R13, шунтирующий микроамперметр РА1. Этот резистор уве­личивает ток через диоды выпрямительного моста, выводя их рабочие точки подальше от начального з^частка, отличающе­гося наибольшей нелинейностью характеристик. Тем не ме­нее следует помнить, что примерно на одной трети шкалы прибор имеет большую нелинейность, чем в оставшемся рабо­чем з^частке.

Резистором R12 регулируют чувствительность милливольт­метра при калибровке. Конденсатор С5 шунтирует цепи пита­ния милливольтметра. Питание прибора осуществляется от стабилизированного напряжения величиной 12…15 В.

Милливольтметр собран в корпусе размером 150 X 110 X 65 мм. Если корпус пластмассовый, его внутрен­нюю часть экранируют алюминиевой или медной фольгой и надежно соединяют экран с общим проводом.

В приборе использованы резисторы МЛТ, С1-4, С2-10, С2-33, подстроечный резистор R12 типа СПЗ-19а. Оксидные конденсаторы К50-35, конденсатор 01 К10-17, КМ. Диоды VD1-VD4 - любые из серии Д9. Переключатели SA1, SA2 - малогабаритные галетные, SA1 - на три положения и два на­правления, SA2 - на три положения и одно направление. Разъем XS1 - любой экранированный, например СР-50. Мик­роамперметр РА1 типа М42100.

Детали прибора, кроме разъема XS1, резисторов делителя R1-R3, переключателей SA1, SA2 и микроамперметра РА1, смонтированы на плате, изготовленной из фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм (рис. 9.11).

Налаживание милливольтметра начинают с подбора рези­сторов R8-R11. Для этого переключатель SA1 устанавливают в положение «х1 мВ», SA2 - в положение «10», а резистор R12 - в верхнее (по принципиальной схеме) положение.

С генератора звуковой частоты подают на вход милли­вольтметра синусоидальное напряжение частотой 1 кГц и ам­плитудой 10 мВ (контролируют образцовым милливольтмет­ром). Резистором R12 выставляют стрелку микроамперметра точно на конечную отметку шкалы. После этого переключа­тель переводят в положение «20» и, подбирая резистор R9, ус­танавливают стрелку прибора на середину шкалы. Добившись этого, вновь переводят переключатель в положение «10» и ре­зистором R12 устанавливают стрелку прибора на конечную от­метку. Далее переводят переключатель в положение «50» и подбором резистора R10 устанавливают стрелку на отметку, соответствующую 20% шкалы. Операции по подбору резисто­ров приходится повторять несколько раз, добиваясь точного соотношения коэффициентов передачи (10:5:2) неинвертирую­щего усилителя.

Далее подбирают резистор R2 входного делителя. Для это­го переключатель SA1 переводят в положение «х10 мВ». Пе­реключатель SA2 во время этой операции находится в поло­жении «10». Подают на вход милливольтметра с генератора

Рис. 9.11. Печатная плата милливольтметра и размещение деталей на ней

звуковой частоты синусоидальное напряжение той же часто­ты амплитудой 100 мВ. Подбором резистора R2 добиваются, того, чтобы стрелка измерительного прибора РА1 установи­лась на отметку «100». После этого переключатель переводят в положение «хЮО мВ», а входное напряжение увеличивают до 1 В. Подбором сопротивления резистора КЗ вновь устанав­ливают стрелку прибора на конечную отметку шкалы микро­амперметра.

Для повышения доверия к прибору полезно снять характе­ристики прибора во всем диапазоне рабочих частот, сняв ам­плитудно-частотные характеристики. Эти характеристики в дальнейшем можно использовать как поправочные при прове­дении измерений.


Источник: https://sibay-rb.ru/electrical-measurements/turnstile-station-wagon-how-to-make-a-simple-voltmeter-with-your-own-hands-schemes-and-recommendations.html

Предыдущая статья: люстры хрустальные своими руками

Следущая статья: ключ карта своими руками

Лучшие статьи: