Среднеквадратичный милливольтметр.

Я радиолюбитель

Среднеквадратичный милливольтметр

Н.СУХОВ

Часть I.

Принципиальная схема

Определение многих параметров радиоэлектронной аппаратуры, и в частности звуковоспроизводящей, в конечном итоге сводится к измерению переменных напряжений различной формы. На практике радиолюбителю приходится сталкиваться со всеми четырьмя значениями переменного напряжения: средним значением — U0, средневыпрямленным — Uср.в , среднеквадратичным — U и пиковым -- Um. Среднее значение напряжения равно его постоянной составляющей; средневыпрямленное значение — среднему значению абсолютной величины переменного напряжения; среднеквадратичное — корню квадратному из среднеарифметического значения квадратов мгновенных значений напряжений за данный отрезок времени, а пиковое — наибольшему мгновенному значению напряжения за время измерения Т. Связь между этими значениями определяют коэффициенты формы Кф и амплитуды Ки.

Значения коэффициентов для напряжений некоторых форм приведены в табл. 1.

Естественно, что и вольтметры переменного напряжения также подразделяются на линейные, показания которых пропорциональны Uср.в, квадратичные, показания которых пропорциональны V, п импульсные, показания которых пропорциональны Uт.

Но наибольший интерес для радиолюбителей представляет среднеквадратичное значение напряжения, так как именно ему пропорциональна мощность сигнала или громкость звука. Поэтому шкалы вольтметров всех типов (за исключением специальных импульсных) градуируют в среднеквадратичных значениях части встречающегося на практике напряжения синусоидальной формы. Для линейных вольтметров такая градуировка сводится к изменению масштаба шкалы в П2V2=1.11 раза. Однако при этом нельзя забывать, что показания такого вольтметра будут верны только при измерении напряжения синусоидальной формы.

Типичными случаями некорректного применения линейных вольтметров являются измерение уровня помех и шумов, пульсаций постоянных питающих напряжений, напряжения гармоник и т. п. В этих и большинстве других случаях результаты измерений оказываются существенно заниженными, что приводит к искусственному завышению параметров качества (т. е. уменьшению уровня помех, шумов, напряжения пульсаций, коэффициента гармоник и т. д.) исследуемых устройств.

Вольтметры истинных среднеквадратичных значений, показания которых верны для напряжений любой формы, значительно сложнее линейных. Это обусловлено необходимостью применения для выпрямления квадратичных детекторов. Обычно квадратичную характеристику получают с помощью диодов или термопреобразователей [1]. Не останавливаясь подробно на этих схемных решениях, отметим, что вольтметры с квадратичным детектором на диодах имеют нелинейную шкалу и низкую температурную стабильность (из-за низкой температурной стабильности вольтамперной характеристики диодов). Термопреобразователи имеют очень маленькую термо-ЭДС (что вынуждает применять для ее усиления сложные УПТ с модуляцией), потребляют сравнительно большую мощность и не допускают даже кратковременных перегрузок.

Используя ОУ, включенные по схеме логарифмирующих и антилогарифмирующих усилителей [2], можно построить преобразователь среднеквадратичных значений, свободный от перечисленных недостатков, но даже упрощенная схема такого преобразователя содержала бы не менее семи ОУ.

Можно, однако, построить преобразователь всего на двух ОУ по схеме, приведенной на рис. 1.

Если предположить, что ОУ A1 и А2 — идеальные (а большинство современных ОУ можно считать таковыми), обратные токи диодов V1— V4— малыми и постоянную времени цепи C1R2 много больше времени измерения, то выходное постоянное напряжение будет в точности равно среднеквадратичному значению входного напряжения в масштабе, определяемом отношением сопротивлений резисторов R2/R1. Достоинством такого преобразователя, кроме простоты, является еще и то, что в качестве индикатора может быть использован стрелочный измерительный прибор с линейной шкалой. Функциональная схема милливольтметра истинных среднеквадратичных значений, в основе которого лежит описанный выше преобразователь, приведена на рис. 2.

Измеряемое напряжение поступает на входной делитель U1 и далее на линейный усилитель A1. Переключателем S1 в цепь обработки сигнала можно включить псофометрический взвешивающий фильтр ZI, после которого следует еще один делитель U2 и линейный усилитель A2. Далее сигнал попадает в блок U3, выделяющий абсолютную величину входного напряжения, и с его выхода — на преобразователь среднеквадратичных значений U4. Результаты измерений отображаются стрелочным измерительным прибором PU1.

Основные технические характеристики милливольтметра

Пределы измеряемых напряжений, мВ . . . . . . 1...500 • 103

Погрешность измерений, %, ие более . . . . . . . 1,5

Неравномерность АЧХ в диапазоне частот
2 Гц... ...2,2 МГц, дБ, не более . . . . . . . . . ±1

5 Гц...2 МГц, дБ, не более . . . . . . . . . . . . ±0,2

Входное сопротивление на всех пределах
при частоте 1000 Гц, МОм, не менее . . . . . . . . . 1,8

Входная емкость на всех пределах при частоте 1000 Гц, пФ, не более ..... 10

Время установления показаний, с, не более . . . . 1

Амплитудно-частотная характеристика милливольтметра приведена на рис. 3,

а график изменения показаний, вызванных изменением коэффициента амплитуды (вплоть до Kа=15) при условии, что частоты основных гармоник измеряемого напряжения не превышают 2,2 МГц, показан на рис. 4.

Встроенные фильтры имеют характеристики взвешивания.по кривым А, В и С в соответствии с публикацией № 179-73 Международной электротехнической комиссии.

Принципиальная схема милливольтметра приведена на рис. 5а, 5б, 5г. Входной делитель (рис. 5а) содержит пять ступеней и выполнен на резисторах R1—R10. Для получения частотнонезависимого коэффициента деления в него введены корректирующие конденсаторы С2—С11.


Рис. 5а.

Входной усилитель собран на транзисторах V3—V6 и матрице полевых транзисторов A1 и представляет собой операционный усилитель с большим входным сопротивлением, высокой частотой единичного усиления (90 МГц) и малой входной емкостью (2,1 пФ). Элементы ООС R19C12R14 обеспечивают коэффициент усиления ЗЧ в полосе частот до 5 МГц. Для зашиты усилителя от перегрузок по входу использовано встречно-параллельное включение диодов V1 и V2.

С выхода усилителя сигнал поступает на переключатель S3, которым может быть выбрана необходимая частотная характеристика милливольтметра: линейная в полосе от 5 Гц до 2 МГц или одна из характеристик частотного взвешивания для измерения уровня шумов. Собственно взвешивающие фильтры выполнены на ОУ А2 и A5. Частотные характеристики формируются цепями R44C18, C20R48, C20R48R49, R50C21, R51C24 и соответствуют требованиям публикации МЭК [4] .приведенным в табл. 2.

Таблица 2 Относительные частотные характеристики взвешивающих фильтров Частота, ГцКриваяA, дБКривая B, дБКривая C, дБДопускаемые отклонения, дБ +— 10-70,4-38,2-14,33— 12,5-63,4-33,2-11,23— 16-56,7-28,5-8,53— 20-50,524,2-6,23-3 25-44,7-20,4-4,42-2 31,5-39,4-17,13,01,5-1,5 40-34,6-14,2-2,01,5-1,5 50-30,2-11,6-1,31,5-1,5 63-26,2-9,3-0,81,5-1,5 80-22,5-7,4-0,51,5-1,5 100-19,1-5,6-0,31-1 125-16,1-4,2-0,21-1 160-13,4-3,0-0,11-1 200-10,9-2,001-1 250-8,6-1,301-1 315-6,6-0,801-1 400-4,8-0,501-1 500-3,2-0,301-1 630-1,9-0,101-1 800-0,8001-1 10000001-1 12500,6001-1 16001,00-0,11-1 20001,20,1-0,21-1 25001,3-0,2-0,31-1 31501,2-0,4-0,51-1 40001,0-0,7-0,81-1 50000,5-1,2-1,31,5-1,5 6300-0,1-1,9-2,01,5-2 8000-1,1-2,9-3,01,5-3 10000-2,5-4,3-4,42-4 12500-4,3-6,1-6,23-6 16000-6,6-8,4-8,53— 20000-9,3-11,1-11,23—

Коэффициент передачи фильтров на частоте 1 кГц выбран равным +40 дБ, что повышает удобство пользования милливольтметром при измерении относительного уровня шумов. Далее сигнал поступает на второй делитель напряжения, выполненный на резисторах R26—R28 и имеющий коэффициент деления 2 и 5, что позволяет использовать шкалу стрелочного измерительного прибора, имеющую обычно 100 делений.

На транзисторах V9—V16 (рис. 5б) собран широкополосный усилитель, схема которого в основном соответствует схеме сверхскоростного гибридного ОУ LН0024 |5]. Элементы ООС задают коэффициент усиления около ЗЧ (с учетом входного усилителя —1000), что обеспечивает усиление входного сигнала до необходимого уровня (1 В). При этом размах выходного напряжения составляет ±14,5 В, а скорость изменения выходного напряжения — более 350 В/мкс. Такие характеристики исключают погрешность при измерении напряжений, имеющих большой коэффициент амплитуды, обеспечивая тем самым точное измерение среднеквадратичного значения импульсных сигналов со скважностью более 200 при длительности импульсов 3 мкс. С выхода широкополосного усилителя сигнал через развязывающий эмнттерный повторитель поступает на гнездо Х2, с которого сигнал может быть подан на осциллограф или анализатор спектра для визуального анализа, и через конденсатор С34 — на вход узла выделения абсолютной величины напряжения, выполненного на ОУ А6 по схеме прецизионного двухполупериодного выпрямителя. Для суммирования прямого и инвертированного сигналов используется инвертирующий вход ОУ A5 (прямой сигнал подается через резистор R60, а инвертированный для отрицательной полуволны — через R68, R69).

Среднеквадратичный преобразователь выполнен по схеме, ряссмотренной выше на ОУ A8 и A9. В качестве диодов использованы согласованные транзисторы микросхемы К198НТ1Б (A7) в диодном включении. Это позволило получить малый температурный дрейф показаний милливольтметра и исключить необходимость подстроенного регулятора установки нуля. Для повышения точности обработки коротких импульсов и высокочастотных сигналов в ОУ A6 и А8 введена коррекция на опережение по высокочастотным составляющим (R65C35 и R71C38), увеличивающая максимальную скорость изменения выходного напряжения этих ОУ до 120 В/мкс.

С выхода преобразователя постоянное напряжение (соответствующее среднеквадратичному значению входного) через резистор R80 поступает на стрелочный измерительный прибор, через резистор R83 — на гнездо Х3 (это позволяет использовать милливольтметр как среднеквадратический преобразователь в различных системах) и через резистор R81 — на компаратор, выполненный на ОУ A10. Пока напряжение на выходе ОУ А9 меньше nopoгового, определяемого резистором R82 (т. е. показания прибора P1 меньше 100%), на базу транзистора V24 с выхода ОУ А10 через токоограничивающий резистор R86 поступает запирающее напряжение. Если же на вход милливольтметра подано напряжение, большее максимального для установленного предела измерения, то напряжение на выходе компаратора А10 становится положительным, переводя транзистор V14 в насыщение. При этом загорается индикаторный светодиод V25, а контакты реле K1 замыкают накоротко клеммы измерительного прибора, исключая зашкаливание последнего. Для введения небольшого “гистерезиса” компаратор охвачен положительной обратной связью через резистор R84.

Блок питания милливольтметра выполнен на интегральных стабилизаторах А4 и А5 по стандартной схеме рис.5с.

Для предохранения от выхода из строя при монтаже и настройке прибора в блоке питания предусмотрена зашита от коротких замыканий (резисторы R52, R53). Для улучшения развязки блоков милливольтметра (это необходимо для предотвращения самовозбуждения ОУ и получения линейной АЧХ усилителей) в цепях питания микросхем предусмотрены блокировочные конденсаторы (С23, С36, С40, С42, С43), а входной усилитель питается от собственного стабилизатора (R24V7 и R25V8).

О конструкции милливольтметра будет рассказано в следующем номере.

ЛИТЕРАТУРА

1. Справочник по радиоэлектронным устройствам. Том. 2. Под редакцией Д. П. Линде.— М.. Энергия. 1978.

2. G. В. Clayton. Using transistors for logarithmic conversion. "Wireless World", 1973, January pp. 32—35.

3. И. П. СТЕПАНЕНКО. Основы теории транзисторов и транзисторных схем.— М., Энергия, 1977.

4. IEC Publication 179 (1973). Precision sound level meters.

5. Linear Integrated Circuits. Каталог фирмы National Semiconductor.


Радио №11, 1981г., с. 53-55.

СРЕДНЕКВАДРАТИЧНЫЙ МИЛЛИВОЛЬТМЕТР

Н. СУХОВ

Часть II.

Окончание. .Начало см. в “Радио”, 1981. № 11, с. 53.

КОНСТРУКЦИЯ И НАЛАЖИВАНИЕ

Милливольтметр собран в корпусе размерами 325x215x130 мм из алюминиевых сплавов (рис. 6).

Детали размещены на четырех печатных платах. Рисунок плат и расположение деталей на них приведены на рис. 7—10.

Следует отметить, что микросхемы, имеющие планарные выводы (А4, A5, А7), размещены на стороне печатных проводников. Платы входного и широкополосного усилителей закреплены на передней панели с помощью планок переключателей S1 и S2, причем входная плата помещена в экран из латуни толщиной 0,5 мм. Элементы входного делителя размещены на стойках переключателя S1. На металлическом основании размещены сетевой трансформатор T1 и платы блока питания и преобразователя с фильтрами.

В блоке питания использован трансформатор типа ТПП 253-127/220-50. Его можно заменить любым трансформатором, две вторичные обмотки которого рассчитаны на напряжение по 16 В при токе до 50 мА. Выпрямительные мосты КЦ405Е можно заменять отдельными диодами Д226, Д237 с любыми буквенными индексами.

В милливольтметре использованы конденсаторы типов КД-1 (С2, С12, С15, С19, С22), КТ4-21 (СЗ, С5, С7, С9, С11), К50-12 (С39), К40У-9 (С1, С25). Остальные конденсаторы — КМ-4, КМ-6, электролитические — К50-6. Резисторы R52, R53 типа МОН-0,5, остальные — МЛТ-0,25, переменные — СП4-1 или СПО-0,5.

Допускаемые отклонения от номиналов, указанных на схеме для резисторов обоих делителей и резисторов R60, R61, R67, R68 и R69 не должны превышать ±0,5%, причем истинное значение сопротивлений некритично, важно сохранить неизменным лишь отношение их сопротивлений. Элементы цепей, формирующих АЧХ взвешивающих фильтров, должны иметь параметры, отличающиеся от указанных на схеме не более чем на ±5%, остальные элементы схемы — на ±20%, электролитические конденсаторы - на (+ 80 -20)%.

Матрицу К504НТ2Б можно заменить даумя полевыми транзисторами типа КП103 с любыми буквенными индексами, необходимо только, чтобы напряжения отсечки и начальные токи стока этих транзисторов отличались не более чем на 20%. Транзистор V14 может быть любым из серии КП303 или КП307 с любыми буквенными индексами, однако при этом потребуется подобрать сопротивление резистора R38 таким, чтобы ток стока транзистора составлял 0,8...1 мА.

Операционные усилители А2 и A3 можно заменить на К140УД7, К140УД6 (в этом случае конденсаторы С19 и С22 из схемы следует исключить), а также — с соответствующими цепями коррекции — любые ОУ общего применения. Вместо ОУ А10 можно использовать любой ОУ общего применения, причем цепи коррекции в этом случае не нужны, поскольку усилитель работает а качестве компаратора. ОУ А6 и А8, используемые в преобразователе, должны иметь достаточно высокую частоту единичного усиления, а ОУ А6, кроме того, и достаточно высокую скорость изменения выходного напряжения. Кроме указанных на схеме, здесь возможно применение ОУ типов К140УД10, К140УД9, К544УД2, К574УД1. Использование вместо А6 и A8 ОУ общего применения снижает верхнюю границу частотного диапазона (для К140УД1Б, К140УД7, К153УД1, К553УД1 до 120...150 кГц, для К140УД6, К153УД2, К544УД1, К140УД8 до 250...300 кГц), которая, однако, все же достаточна для большинства измерений. Операционный усилитель А9 может быть любым, поскольку он работает а УПТ, желательно лишь, чтобы он имел входные токи, близкие с ОУ A8.

Вместо транзисторной матрицы К198НТ1Б можно использовать KI98HT2, К198НТЗ, K125HT1 с любыми буквенными индексами, а также сборки серий K217 - K217HT1, K2ITHT2 или К217НТ3.

Диоды V18 н V19 должны иметь малое время восстановления обратного сопротивления. Вместо указанных на схеме подойдут диоды серий КД512А, КД513А, Д18, Д104, Д105, Д106. Реле — любое, имеющее напряжение срабатывания не более 19 В, светодиод АЛ102Б можно заменить любым другим либо миниатюрной лампой накаливания. В этом случае потребуется подобрать сопротивления резисторов R87 и R88.

В милливольтметре использованы переключатели типа П2К (S1, S2, S3), стрелочный прибор Р1 типа М93 с током полного отклонения 100 мкА. Вместо него можно использовать M1690, М24 или любой другой с током полного отклонения 50...200 мкА и линейной шкалой.

Операции по налаживанию и калибровке милливольтметра целесообразно производить в следующей последовательности:

— установить резисторами R54 и R56 номинальные напряжении (±15 В) на выходах блока питания;

— резистором R63 установить нулевое относительно общего провода напряжение на катоде диода V19;

— резистором R73 установить на выходе ОУ A8 напряжение около 1 В отрицательной полярности;

— резистором R77 стрелку прибора P1 установить на нулевую отметку шкалы;

— резистором R17 на эмиттере транзистора V6 установить нулевой потенциал относительно общего провода;

— подать на верхний по схеме вывод резистора R44 синусоидальный .сигнал напряжением 50 мВ и частотой 1000 Гц и подстроечным резистором R46 установить на выходе ОУ A3 напряжение равным 5 В;

— включить предел измерения “1 мВ” (S1.1 в нажатом состоянии) и, подав на вход милливольтметра калиброванный сигнал напряжением 1 мВ, проверить прохождение сигнала на выход Х2 и установить резистором R80 стрелку прибора P1 на конечную отметку шкалы;

— увеличить входной сигнал до 1,05 мВ и резистором R82 добиться зажигания индикатора перегрузки V25;

— увеличивая амплитуду калиброванного сигнала, проверить точность делителей и при необходимости подкорректировать сопротивление их резисторов;

— подавая на вход попеременно синусоидальные напряжения равной амплитуды, частотой 1 кГц и 1,5 МГц, подстроечными конденсаторами СЗ, С5, С7. С9, С11 добиться равенства показаний в обоих случаях для всех положений переключателя S1.

На этом налаживание милливольтметра можно считать законченным.

г. Киев






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.