Первоначальный тест включает подключение усилителя измерителя к аттенюатору и подачи питания. Перед этим необходимо тщательно проверить всю проводку. Батареи на 9 В могут обеспечить ток, достаточный для повреждения транзисторов, но батареи более дорогие, чем транзисторы.Ошибка в подключении может привести к сильному разряду аккумуляторов, что приведет к их досрочному разряду. Как правило, батарей должно хватить на продолжительное время, так как ток потребления составляет всего около 4,5 мА.

Счетчик снабжен защитой D5, 1N914 (или 1N4148), которая будет проводить, если приложено слишком большое напряжение (или ток) — счетчик будет жестко противостоять остановкам и все равно может быть поврежден, если условие допустимо. настаивать. При подаче питания измеритель должен переключиться на полную шкалу, а затем быстро вернуться к почти 0 вольт.Если он остается на полном уровне, вы совершили ошибку, поэтому немедленно отключите питание, найдите и исправьте ошибку.

включает в себя сначала установку потенциометра Set 0V Offset в среднее положение, а затем осторожную регулировку до тех пор, пока показания измерителя не будут как можно ближе к отметке нулевого напряжения. Любое остающееся смещение должно быть устранено с помощью механической регулировки нуля измерителя — это немного грубо, но у этого типа схемы нет большого выбора. Вы обнаружите, что показания измерителя упадут до некоторого минимального значения, а затем снова начнут расти — это из-за двухполупериодного выпрямителя в измерителе и цепи обратной связи.

Затем для калибровки измерителя используется точное значение напряжения в диапазоне от 100 до 2000 Гц. Выберите подходящий диапазон на аттенюаторе, затем отрегулируйте регулятор чувствительности до тех пор, пока измеритель не покажет показание, идентичное приложенному напряжению. По возможности, это следует делать с милливольтметром на полной шкале в диапазоне 1 В. Помните, что шкалы различаются для диапазонов 1 В и 3 В. У потенциометра чувствительности будет более чем достаточный диапазон для калибровки устройства при условии, что не было сделано никаких ошибок при подключении.

Если по какой-то причине ваша версия решит, что она хочет колебаться на частоте или трех МГц, вам нужно будет добавить небольшую емкость между коллектором и базой Q4 — я не ожидал, что потребуется больше 10 пФ, и даже это уменьшит слегка высокочастотный отклик. У меня верхний предел частоты -1 дБ составляет около 250 кГц, частота более чем достаточна для использования звука (почти на порядок), но это без конденсатора ограничения частоты (миллера или доминирующего полюса).

Важно добиться наилучшего движения счетчика, которое вы можете найти, иначе показания прибора будут трудночитаемыми и, возможно, неточными. Вам нужно будет создать новую шкалу для измерителя, показывающую два диапазона и шкалу дБ. Одно из возможных воспроизведений показано ниже, а также есть ссылки на несколько других, одна из которых должна соответствовать любым проходам для довольно стандартного механизма 50 мкА — они должны быть доступны, где бы вы ни находились, но вам, возможно, придется немного осмотреться.

Рисунок 5 — Лицевая сторона счетчика

Альтернативные грани измерителя — это измерительная грань 1 и измерительная грань 3 — размер одной из них должен иметь возможность изменять размер в соответствии с используемым вами движением, но необходимы некоторые эксперименты. Вы заметите, что №3 в некоторых областях кажется нарисованным от руки — это потому, что это было так. Это сканирование моего собственного милливольтметра, и когда он был построен, все эти новомодные сканеры и компьютерные штуковины были немного реже, чем сегодня (из этого вы можете понять, что я использую этот измеритель довольно давно) .

Чтобы узнать, что вы пытаетесь найти, перейдите по этой ссылке на австралийскую компанию Jaycar Electronics. Это ссылка на веб-сайт компании, и вам придется искать движение (раньше у меня была ссылка на изображение самого счетчика, но Jaycar изменил свой веб-сайт, и ссылка не будет работать). Это не очень хорошие измерители, но они похожи на те, которые я использую, и работают довольно хорошо.

Типичный механизм на 50 мкА будет иметь сопротивление от 2 кОм до 3 кОм, и в среднем стоит ожидать около 20 австралийских долларов (или около 15 долларов США) за достаточно хороший механизм.

После завершения измеритель может быть откалиброван с помощью известного точного цифрового мультиметра с использованием частоты около 100 Гц (большинство цифровых измерителей дают точные показания на этой частоте).

Если вы хотите иметь возможность измерять напряжение батареи, не разбирая прибор (это полезное дополнение), можно добавить переключение, показанное на Рисунке 6. Обратите внимание, что обе клеммы измерителя должны быть переключены, и среднее значение двух 9-вольтовых батарей можно прочитать на шкале 1В (так что 0.9V будет означать 9V для каждой батареи.

Рисунок 6 — Дополнительная схема проверки батареи

Использование подстроечного резистора — предпочтительно многооборотного — позволяет откалибровать вольтметр по точному мультиметру, а показанное напряжение показано при включенной электронике измерителя, поэтому он будет считывать реальное нагруженное напряжение. Обе батареи измеряются последовательно, поэтому номинальное напряжение, считываемое измерителем, составляет 20 В по полной шкале (R = 20/50 мкА = 400 кОм), поэтому подстроечный резистор 220 кОм (или 200 кОм) должен находиться где-то около середины своего хода).Этот вариант требует, чтобы переключатель питания был трехпозиционным 4-полюсным поворотным, поэтому он будет стоить немного дороже, чем простой мини-переключатель DPST. Не пропускайте R9 и перед калибровкой вольтметра убедитесь, что подстроечный резистор установлен примерно на 1/2 хода.

Свежие батареи 9 В легко могут измерять напряжение чуть более 10 В, поэтому, если возможно, откалибруйте прибор с использованными (но не разряженными) батареями. В качестве альтернативы можно использовать настольный источник питания, который можно установить ровно на 9 В, и использовать его для калибровки.

Используемый корпус должен быть полностью металлическим, поскольку аттенюатор и измерительный усилитель нуждаются в очень хорошем экранировании от шума и наводок. Он может быть изготовлен из листового алюминия или другого металла (стали, латуни и т. Д.), Если у вас есть инструменты для работы с ним, в противном случае подходящий футляр можно получить у обычного поставщика запчастей.

Другой альтернативой является использование печатной платы с медным покрытием без травления. Отрежьте панели по размеру и спаяйте их изнутри, отпилив внешние стороны, чтобы все панели были заподлицо, и, наконец, закончите блок подходящим слоем или двумя красками.Аэрозольные баллончики имеют много разных покрытий, так что выбирайте сами.

, изготовленные таким образом, могут выглядеть на удивление хорошо, если вы не пожалеете времени, чтобы хорошо их закончить.

Убедитесь, что линия 0 В (соединение батарей, нижняя часть гирлянды аттенюатора и клемма заземления подключены к общей точке на передней панели, а остальная часть корпуса находится в хорошем электрическом контакте. корпус не заземлен должным образом, это хуже, чем использование неэкранированного корпуса!

Также может потребоваться добавить экранирование между каскадом полевого транзистора и основным измерителем и небольшой конденсатор (10 нФ следует подключить к выходу измерителя как можно ближе к диодам.Все провода должны быть короткими, а выходные провода должны быть удалены от входа.

Измерительный усилитель широкополосный и имеет чувствительность по полной шкале 3 мВ. Он будет колебаться , если есть любая обратная связь от O / P к I / P или между ступенями.

Сначала просверлите все отверстия для двух поворотных переключателей, измерителя и его крепежных болтов, а также для входных разъемов. Все мое тестовое оборудование использует разъемы BNC, но для работы со звуком вы можете предпочесть разъем RCA.Можно также использовать «банановые» розетки, поэтому вы можете использовать обычные провода мультиметра, но, будучи неэкранированными, они будут улавливать шум, особенно в нижних диапазонах напряжения.

Убедитесь, что все компоненты панели установлены правильно, и удалите заусенцы с обеих сторон панели.

Тщательно отметьте положения переключателя для каждой настройки, поскольку маркировка, которая не совпадает с указателем на ручках переключателя, выглядит липкой и может сбивать с толку при использовании инструмента.

После того, как вы отметите точные положения переключателей, переднюю панель можно будет маркировать так, как вы сочтете нужным.Один из эффективных способов — использовать пакет для рисования графики для создания этикетки и распечатать ее на обычной бумаге. Осторожно приклейте прозрачную «контактную» пленку (используемую для закрывания школьных учебников и т. Д.) С обеих сторон, следя за тем, чтобы под пленкой не оставались пузырьки воздуха. Обрезать по точному размеру передней панели.

Нанесите аэрозольный клей на панель и этикетку, оставьте на несколько минут, затем очень осторожно нанесите этикетку. Вы должны сделать это правильно с первого раза — если вы застрянете, вы повредите этикетку, пытаясь ее сдвинуть! Затем следует очень осторожно удалить вырезанные отверстия с помощью ножа, скальпеля или другого подходящего (острого) инструмента.

Вот и все — теперь вы являетесь счастливым обладателем очень полезного испытательного оборудования.

Журнал изменений: опубликован 1999 г. / 15 июля 01 — исправлена ​​ошибка в аттенюаторах. / Обновлено 3 октября 01 — добавлены некоторые дополнительные подсказки по конструкции и альтернативные детали FET. / 21 февраля 2006 г. — переформатированы чертежи, уточнен текст./

Схема милливольтметра

Эта простая и доступная по цене схема милливольтметра имеет три диапазона измерения: 10 мВ, 100 мВ и 1 В. Среднеквадратичная полная чувствительность.

Частотная характеристика включает точки 1 дБ на частотах около 20 Гц и 75 кГц. Инструмент подходит для создания звукового шума, измерения частотной характеристики и усиления и может быть полезен любому новичку, который думает об области звука.

Устройство работает со стандартной схемой, имеющей схему неинвертирующего операционного усилителя, питающую счетчик через мостовой выпрямитель.

Контур отрицательной обратной связи подается на инвертирующий вход через схему выпрямителя и милливольтметра, а не напрямую с выхода IC1.

При низком напряжении на выпрямителях возникает высокое прямое сопротивление, но это приводит к слабой обратной связи и высокому коэффициенту усиления усилителя.

Следовательно, небольшие амплитуды входного сигнала, которые могут или не создавать отклонения измерителя из-за высокого сопротивления выпрямителя, увеличиваются до тех пор, пока они не будут обеспечивать правильные показания измерителя.

В результате, хотя выпрямитель по своей природе нелинейный, он генерирует противоположную нелинейную обратную связь, которая компенсирует это и обеспечивает единичное линейное масштабирование.

RV1 используется для изменения схемы с правильной чувствительностью, а D5 защищает счетчик от экстремальных перегрузок. Q1 требуется как малошумящий промежуточный буферный усилитель, который обеспечивает схему более высоким входным импедансом, примерно равным 1 мегабайту.

Это гарантирует, что часть оборудования будет оказывать незначительную нагрузку на тестируемые устройства.

На выходе буферного каскада встроен аттенюатор, который можно использовать для снижения стандартной чувствительности 10 мВ до 100 мВ или 1 В полной шкалы.

Аттенюатор не имеет какой-либо частотной компенсации, поскольку находится в секции с низким импедансом.

Для настройки прибора его поворачивают на диапазон 1 В, RV1 помещают на оптимальное сопротивление, вместе с источником звука 1 В RMS, подключенным к входу, RV1 изменяют для отклонения полной шкалы измерителя.

Источник звука 1 В может быть запитан от генератора сигналов AF, установленного на надлежащем уровне выходного сигнала с помощью мультиметра, установленного на низкий диапазон напряжения переменного тока.

Схема милливольтметра с расширенным диапазоном

Мультиметр, судя по названию, является удобным инструментом тестирования, но у него есть свои границы.

Например, его диапазон для измерения переменного тока в звуковом диапазоне обычно недостаточен, а чувствительность, внутреннее сопротивление и частотный отклик более дешевого многоцелевого прибора с подвижной катушкой обычно приводят к большему предпочтению.

Широкодиапазонный милливольтметр, описанный в этой статье, закрывает зазор очень простым и легким способом.

Прибор позволяет рассчитывать переменный ток частот от 100 Гц до 500 кГц.

При использовании операционных усилителей на входе MOS-FET входной импеданс во всех диапазонах измерения непременно составит 10 МОм.

При самом низком измерительном напряжении 15 мВ уровень чувствительности определенно дает полное отклонение на 100 пА измерителе.

Описание схем

Операционный усилитель используется как измерительный усилитель и как активный выпрямитель.

Величина усиления зависит от коммутируемых резисторов с R1 по R6.

Вместе с прибором, настроенным на определенный диапазон чувствительности, важность резистора можно определить, просто разделив входное напряжение для полного отклонения на 100 п А. Когда, например, в диапазоне измерения 150 мВ, Вероятно, потребуется диапазон 200 мВ, резистор R4 следует преобразовать в значение 2 кОм.

Поскольку диоды мостового выпрямителя D1 – D4 находятся в цепи обратной связи усилителя, обычно существует компенсация предельного напряжения диодов, для чего шкала мВ реагирует линейно.

Счетчик обнуляется с помощью P1, а также происходит короткое замыкание входа, даже если диапазон измерения определен с помощью P2.

Для второго варианта требуется калибровочное напряжение, которое может быть получено из небольшого сетевого трансформатора, имеющего вторичное напряжение несколько меньше 5 В. На этом уровне напряжение можно довольно точно измерить с помощью мультиметра.

Калибровочное напряжение затем должно быть подключено к милливольтметру расширенного диапазона, установленному на 5 В, и затем показание прибора 100 M A корректируется с помощью P2 до значения калибровочного напряжения.

Затем обычно устанавливаются другие диапазоны измерения, эквивалентные допуску резисторов R1 — R6.

Если схема используется для расширения или дополнения существующего мультиметра, то секцию мультиметра с подвижной катушкой следует использовать в диапазоне 100 M A.

Наилучший источник питания, который можно включить в этой ситуации, составляет около 9 В, извлекаемый из двух небольших сухих элементов по 9 В, которые прослужат довольно долгое время, поскольку потребляемая мощность очень низкая.

Создание 8-разрядного микровольтметра

Этот проект начинался как проект с 6-значным милливольтметром, но с добавленными возможностями программного обеспечения, этот измеритель теперь является настоящим и точным 8-значным микровольтметром с возможностью регистрации.

Исходное программное обеспечение содержит большое количество обновлений, прокрутите вниз, чтобы увидеть их.

Одно обычное предостережение! Ссылки, которые я предоставляю, могут иногда больше не работать, поэтому приношу свои извинения заранее, если вы попадете в страну 404 без возврата.

Вот ссылки на видео, теперь их всего 4.

Часть 1 6,5-разрядного вольтметра
Часть 2
Часть 3
Часть 4
Mk2

Конструкция довольно проста, и ее можно будет построить, если у вас немного выше среднего уровня навыков.
Хорошая новость заключается в том, что последователь этого дизайна, Грег Барбури, предоставил печатную плату через OSH Park, которая значительно улучшает входную секцию DVM, которая является ахиллесовой пятой такого инструмента.

Вот веб-сайт, на котором подробно описана реализация с использованием этой печатной платы:
Barbouri Millivolt-Meter Project

Я буду использовать эту печатную плату, но у меня есть несколько изменений в отношении версии, которую я собираюсь создать, и я пройдусь через нее. эти элементы здесь.

Вот схема, которую Грег сделал для счетчика:

Передняя часть дизайна является наиболее важной. Я реализую это, следуя дизайну печатной платы. Что касается процессорной части, я изначально хотел использовать ту же самую Arduino Nano, которую использует Луи Скалли, но, поскольку компоновка печатной платы предназначена для Arduino Pro Mini, я буду использовать ее. Однако мне не нужно управлять многоцветным ЖК-дисплеем с задней подсветкой, и я также не предвижу каких-либо других улучшений, которые съедят порты Arduino, поэтому я не вижу необходимости использовать печатную плату Display42 от Грега с I2C MCP23017- E / SP чип.

ЖК-дисплей, который я в конечном итоге буду использовать, будет этот:
16 x 2 Белый на синем ЖК-дисплее

Вот схема, которую я использовал, чтобы реализовать дебаунс кнопки, используемый для выбора двух режимов и секции питания.

Вы заметите, что я отклонился от дизайна, который использовал Луи. для двух кнопок. У меня есть некоторый опыт взаимодействия с кнопки, если вы подписались на мои сообщения о Raspberry Pi. Процессор Pi работает на частоте 900 МГц или более (да, без опечатки) и взаимодействует с чем-то как Медленно, как кнопка, есть свои проблемы. Специально для недорогих пуговиц.Вы будете удивлены, насколько они могут быть шумными.

В любом случае, фильтрация, которую я использую, чтобы избавиться от большинства шумов отскока переключателя, используя фильтр R / C на обоих краях (закрытие и открытие). Я всегда предпочитаю использовать активные высокие кнопки или переключатели, потому что они избегают всякого рода проблемы с включением питания. Когда переключатель / кнопка разомкнуты, конденсатор находится на Нижний этаж. Замыкание контакта зарядит конденсатор через Резистор серии 10K, создающий красивый и чистый нарастающий фронт (R / C) в направлении вход Arduino.При отпускании переключателя конденсатор для разряда через резистор серии 10K плюс 1K на землю, снова создавая хороший наклон R / C, который отфильтрует высокоскоростной дребезг шум. В программном обеспечении мы можем использовать небольшую задержку, чтобы избавиться от более медленных bounce переходов, и вместе это создаст чистые сигналы для Программа Arduino без необходимости прибегать к триггерам Шмидта или Шлепки.

Одно предупреждение. Не делайте конденсатор дребезга намного больше 10 нФ.если ты нет 10 нФ, можно снизить до 1 нФ. Причина в том, что чем медленнее крутизна R / C, тем больше времени сигнал остается в неопределенная область между цифровыми «высокими» и «низкими» значениями, что может снова вызвать сбои в работе процессора. Если бы я поднял твою кнопку Интересно, посмотрите здесь: Отключение кнопок Кнопки — это гораздо больше, чем вы думаете.

Силовая часть

Чтобы следить за уровнем заряда ячейки, я добавил несколько частей, позволяющих Arduino измерять уровень напряжения.Вы не хотите попадать в ситуацию, когда напряжение слишком низкое, потому что вы можете внести ошибки в измерения. Кроме того, вы не хотите, чтобы вас застали с разряженной батареей, когда вы что-то делаете. R2 и R4 образуют делитель напряжения 3: 1 с легкодоступными резисторами. Вы можете создать 20K с 2 x 10K последовательно. (не используйте менее 10 КБ для R4, иначе это отрицательно повлияет на преобразование АЦП) C4 — это небольшой фильтр для избавления от шума, и выходной сигнал поступает на один из входов АЦП Arduino.Остальное делается программно, и я также разработал несколько символов уровня заряда батареи, чтобы они выглядели красиво.

Полный мультиметр потребляет менее 60 мА. Около 26 мА из этого потребляется ЖК-дисплеем. При токе менее 100 мА можно безопасно использовать деталь 78L12 для регулятора 12 В и даже 78L05 для регулятора 5 В на печатной плате.

Если вы уже являетесь пользователем Arduino, у вас может быть Mini Pro, а также необходимый кабель для программирования. Если нет, то вот источник, который предоставляет оба в комплекте:
Arduino Pro Mini с интерфейсом

Дисплей и интерфейс к Arduino

Эта библиотека предназначена для конкретной интерфейсной платы, модуля FaBo # 212 LCD I2C, но единственная разница это адрес i2c с имеющейся у меня платой.

Прежде всего, вам нужно знать адрес i2c вашей платы.
Я использовал для этого небольшой набросок:
сканер адресов i2c

Мой адрес оказался 0x27, в то время как блок FaBo использует 0x20.
После того, как вы установили новую библиотеку i2c-LCD в вашей системе, вам необходимо отредактировать файл FaBoLCD_PCF8574.h, который находится в разделе источника библиотеки, и изменить эту строку:

#define PCF8574_SLAVE_ADDRESS 0x27 ///

Готовые метизы

Я поиграл с двумя модулями, чтобы увидеть, какова точность и что я могу изменить в пользовательском интерфейсе.

Должен сказать, что очень впечатлен точностью! Я два откалиброваны опорное напряжение единиц, а также новый / свеж заводской калибровки 4.5-значный настольный мультиметр. Точность и точность этой конструкции поразительны для такого простого и недорогого инструмента.

Тонкая настройка оборудования

Когда я прикрепил прицел, я не был удивлен обнаруженным шумом, поэтому я начал с отключения питания 5 В на входе в дисплейный модуль.Я использовал тантал 3,3 мкФ вместе с 100 нФ, потому что i2c и ЖК-дисплей не имеют развязки.
Вот как это выглядит:

Пока у меня это было, я также более подробно посмотрел на время, чтобы увидеть, есть ли какие-либо потенциальные конфликты.

Прежде всего, это изображение окна выборки АЦП:

Я выбрал 8 образцов для усреднения в моем коде, а затем подготовил результат для вывода на ЖК-дисплей. Как я упоминал ранее, эти ЖК-дисплеи очень шумные. В нашем случае это не имеет реального влияния, потому что LTC2400 переводится в спящий режим после того, как мы прочитали данные и снова установили высокий уровень на выводе CS, как вы можете видеть выше.

Вот снимок экрана, который показывает конец данных (канал 5), проходящих через шину I2C на ЖК-дисплей, и начало другого цикла сбора данных:

Вот изображение полного цикла:

После игры с метром, я все больше и больше недоволен шлепая вокруг последних 3-х цифр, даже если у меня есть ссылка стабильного напряжения, подключенная к нему.

Усреднение, сглаживание и фильтрация

Сначала я поигрался с усреднением, но на самом деле это не решение для системы с 24-битным разрешением.Причина в том, что уровень шума падает до микровольт. Ниже приведен образец моего эталонного напряжения 2,5 В с использованием моего тогда не откалиброванного вольтметра (эталонный сигнал откалиброван как имеющий 2,49993 В)

Усреднение (с использованием 8 значений) не оказывает такого большого влияния, как вы думаете. По-прежнему остается довольно много шума.

Так что все еще недостаточно хорошо. Затем я посмотрел на сглаживание, см. Ниже, но и этого было недостаточно, поэтому я обратился к фильтрации.

Я попробовал несколько подходов, а затем действительно исследовал дизайн фильтра с бесконечной входной характеристикой (БИХ).И это было многообещающим:

А здесь с коэффициентом 48.

Этот фильтр основан на «взвешивании» новых выборок на основе деления. Делитель фиксирован, и выше я использовал коэффициент 48. Это означает, что новый образец вносит вклад только в 1/48 от значения усредненной суммы.

Ничего не зная об этом, я поискал и нашел на YouTube очень хороший учебник, который очень хорошо объясняет фильтр Калмана, даже для таких манекенов, как я.(ищите Мишеля ван Бизена — Специальные темы — Фильтр Калмана) Я написал упрощенную версию фильтра, основанную на его объяснении, но не был удовлетворен результатом. Я также работал с другим примером, который я нашел, но с той же проблемой.

Ни один из них не работал с относительно быстро меняющимися входными изменениями, поскольку пример при переключении с 2,5 В на 10,0 В. Они оба взяли несколько секунд, чтобы отобразить новое значение. Не годится для цифрового мультиметра, облом!

Таким образом, Кальман отлично выглядел на бумаге и при моделировании (с использованием Excel), но на самом деле, используя мой вольтметр, он был намного хуже, чем БИХ-фильтр, который я уже использовал.

Однако я позаимствовал концепцию фильтра Калмана, а именно расчет усиления. Это динамически вычисляемый весовой коэффициент, поэтому я написал некоторый код для своего БИХ-фильтра, который выполнил то, что я хотел. Подробности в коде. Результат, я считаю, фантастический.

Когда я тестировал возможность устанавливать напряжение вручную с помощью источника питания (один из тех, что я построил в других сообщениях на форуме), я был поражен тем, насколько хороша реакция на мою настройку и точность, но я также увидел, насколько шумным был мой БП более старой версии оказались. (к счастью, не тот, который я разработал сам). Это то, что вы получаете, когда используете 24-битный АЦП с микровольтным разрешением. Ой!

Дополнительные уровни калибровки

Благодаря новой функции калибровки точность, которую вы можете получить, теперь также намного выше.

После того, как все это было сделано, мне больше не нужен был исходный код для уменьшения количества десятичных цифр, так что этот фрагмент кода попал в битовое ведро. В процессе проектирования фильтров я также увидел способ добиться более стабильной и точной задержки сбора данных для LTC2400.Теперь задержка рассчитывается динамически.

Потому что необходимо для сохранения коэффициента калибровки для опорного напряжения, мне нужно хранить число с плавающей точкой в ​​EEPROM. Оказывается, в библиотеке, которую мы уже использовали, есть эта функция, поэтому я мог очистить больше кода и отправить еще две функции из исходного кода в битовое ведро.

При нажатии двух кнопок теперь выполняется калибровка нуля при коротком нажатии, а при длительном нажатии выполняется эталонная калибровка.

Со всеми этими изменениями и настройкой цикла, время основного цикла теперь составляет около 165 мс, поэтому дисплей очень отзывчивый.

Обновление V3.11:
Я обнаружил ошибку в вычислении фильтра, основанную на ошибке округления. Это вызвано длительным погружением с поплавком, и результат снова становится длинным. Решением было использовать в качестве результата поплавок. Суммарная ошибка округления привела к тому, что результат фильтрации оказался немного ниже необработанного усредненного входного уровня.

Разница между результатом фильтрации после 1000 выборок и вычисленным медианным значением в Excel теперь очень и очень мала.

Я также добавил на дисплей множитель экспоненты веса фильтра.

Обновление V3.12:
Поскольку линейность измерителя была не такой хорошей, как я надеялся, я создал способ измерения выходного значения микросхемы ADR4540B и обновил этот коэффициент в коде. Чтобы измерить это напряжение с помощью моего еще не откалиброванного измерителя, я сначала откалибровал его с помощью эталона 5V0, чтобы максимально приблизиться к напряжению на выходе ADR4540. Для этого я создал специальную функцию калибровки для всех моих эталонных напряжений. Теперь вы можете выбрать любой из них, просто обновите калибровочные коэффициенты в коде.

Процедура калибровки [обновлено в июле 2020 г.]

Для полной калибровки измерителя необходимо выполнить три, при желании четыре части. Перед тем, как начать с этим разделом, вам необходимо обновить прошивку с фактическими данными калибровки вашего опорного напряжения. В прошивке есть константы (cal_XXv_ref) для их добавления. Эти значения будут использоваться для повышения точности. Кроме того, необходимо начать с опорным напряжением (v-реф) набором в типичных 4.09600V.

Примечание: В функции настройки встроенного программного обеспечения предусмотрено принудительное сохранение начальных значений в EEPROM.

1. Калибровка нуля

При калибровке нуля настраивается нулевой уровень вольтметра. Это устранит любую разницу напряжений между положительным входом АЦП и землей. Чтобы подготовить измеритель к нулевой калибровке, закоротите две входные клеммы вместе с помощью короткого кабеля. Перед выполнением этой калибровки дайте глюкометру прогреться в течение примерно 15-30 минут.Затем вы можете вызвать нулевую калибровку коротким нажатием кнопки калибровки.

На дисплее в первой строке отобразится «Zero Calibrate», а во второй — «Short the input». Через 3 секунды начнется настройка. Измеритель возьмет 75 образцов (постоянный cal_adj_samples), и это число отображается на дисплее. Образцы усредняются, и результат сохраняется в EEPROM. Результат отображается на дисплее, после чего счетчик снова начинает нормальную работу. С этого момента полученное значение нулевой калибровки будет вычитаться из всех измеренных значений.

2. Калибровка точности напряжения

Калибровка точности напряжения используется для калибровки измерителя по эталону напряжения. Эта калибровка предполагает, что вы уже выполнили нулевую калибровку. Калибровка точности напряжения состоит из нескольких частей.

Эталонная калибровка ADR4540B

Это дополнительный шаг, который можно выполнить для получения максимальной точности. Опорный сигнал ADR4540B выдает типичное напряжение 4.096V. Однако у этого есть некоторый допуск, как вы можете видеть в таблице данных. Чтобы учесть допуски, мы можем записать истинное выходное значение и использовать его в наших расчетах напряжения, чтобы получить более высокую точность.

Этот шаг нужно делать только один раз после того, как вы построили счетчик, а затем, возможно, каждый год, чтобы приспособиться к старению. Сначала необходимо измерить выходное напряжение эталона ADR4540B и добавить это значение к константе (v_ref) в прошивке. Если у вас высокоточный и точный цифровой мультиметр из 6+ цифр, вы можете использовать его для измерения выходного сигнала эталона и сохранения результата в виде константы (v_ref) во встроенном ПО.Я припаян контрольная точка на печатную плату, чтобы позволить мне подключить щупы для измерения этого типичного опорного напряжения 4.096V.

Если у вас нет доступа к такому прецизионному измерителю, вы также можете использовать сам микровольтметр. Это немного сложнее, но это можно сделать. Чтобы измерить истинное значение эталонного сигнала, сначала необходимо откалибровать измеритель по эталонному напряжению 5 В. Ссылка 5V очень близко к типичному 4,096 опорному напряжению, так что точность является оптимальной.В прошивке предусмотрены все основные уровни напряжения, которые есть у наиболее распространенных эталонов. Я включил в прошивку отдельные процедуры для калибровки измерителя по 4 эталонным напряжениям: 2,5, 5,0, 7,5 и 10,0 В.

Для измерения ADR4550B необходимо активировать функцию задания 5 В в прошивке, активировав функцию Ref_Cal_Adjust5 () в функции Button_press. Вам также необходимо добавить калибровочные значения калибратора напряжения в качестве констант (cal_XXv_ref) в прошивку.

Вам также необходимо установить уровень напряжения задания на постоянное значение (v_ref). Начните со значения 4,09600 В.

Перед тем, как начать эту специальную калибровку, закройте крышку и подключите прибор к опорному напряжению, которое установлено на выходе 5V. Дайте измерителю и эталонному напряжению прогреться от 30 минут до часа. Начните калибровку точности, нажав и удерживая кнопку калибровки. кнопка. В первой строке дисплея будет указано калибровочное напряжение »5.0V-Ref Cal »и во второй строке« Connect V-Ref. Через 3 секунды измеритель начнет измерять напряжение 75 раз (Constant cal_adj_samples) и отобразит это число на дисплее. Затем вычисляется усредненный результат с использованием значения задания, которое все еще имеет 4,09600 Вольт, а разница между результатом измерения и значением, введенным в cal_XXv_ref, сохраняется в EEPROM. Это значение теперь используется при вычислении напряжения, как вы можете видеть в прошивке.

С метром откалиброван к ссылке 5V, теперь вы можете измерить напряжение опорного ADR4540B.Я предполагаю, что счетчик еще как следует прогрелся. Чтобы выполнить это измерение, откройте крышку, подключите провода измерителя к эталону ADR4540B и закройте крышку как можно сильнее. Дайте показаниям измерителя стабилизироваться в течение нескольких минут и запишите измеренное значение. Теперь это значение можно ввести как новый v_ref в прошивке. У меня в прошивке два значения, потому что у меня два счетчика, meterA и meterB.

3. Калибровка точности напряжения

После того, как вы ввели результат истинного эталонного значения в прошивку, снова запустите калибровку 5V.Результирующее значение теперь будет вычислено с фактическим значением v-ref и сохранено в EEPROM. Если вы хотите быть очень точными, вы можете снова измерить ADR4550B, обновить номер v-ref и запустить еще одну калибровку 5 В для получения оптимальной калибровки. Теперь глюкометр готов к использованию.

Примечание!

К настоящему времени должно быть ясно, что вам не следует постоянно калибровать измеритель. Если вы случайно вошли в этап калибровки точности, нажав кнопку слишком долго, выключите измеритель до того, как результат будет введен в EEPROM, в противном случае вам придется снова выполнить всю процедуру с эталоном напряжения.Повторять эталонный номер ADR4540B нет необходимости, поэтому этот шаг можно пропустить.

После того, как я откалибровал свои два измерителя, я попытался откалибровать их со всеми 4 доступными калибровочными напряжениями: 2,5 В, 5,0 В, 7,5 В и 10,0 В. Я обнаружил, что у меня лучший результат линейности при использовании 10V0 эталонная калибровка.

опорного напряжения Измеряется Delta Voltage%
2.49993 В 2,49953 В -400 мкВ -0,016%
5,00181 В 5,001515 В -295 мкВ + 0,059%
7,50547 В 7,50534 В -130 мкВ + 0,0017%
10,00673 В 10,00672 В -10 мкВ + 0,00001%

Этого достаточно для меня. Если мне действительно нужно измерить очень точный в субвольтовом диапазоне, я все еще могу выполнить калибровку 2,5 В, чтобы улучшить линейность при этих более низких напряжениях.

Использование трюка для измерения со смещением

Микросхема LTC может реально измерить входной диапазон +/- 12,5% от опорного напряжения, так что вы можете сделать с этой особенностью является обнулить счетчик не с коротким, но с напряжением вы хотите контролировать, скажем, 2.5 ссылка V на входе. В этом случае показания измерителя начинаются с 2,5 В и показывают разницу на дисплее, основанную на 2,5 В. С помощью этой уловки вы можете затем измерять напряжения, такие как дрейф, с разрешением в микровольтах с течением времени.(это, конечно, включает и дрейф самого измерителя, но все же)

Последняя прошивка

Я уверен, что вам понравится этот инструмент так же, как и мне!

Удачи!

[Обновление: июнь 2020 г.]

Для другого проекта, над которым я работаю, мне нужен был метод, позволяющий регистрировать измеренные значения измерителя, а затем отображать их на графике.Я добавил новую версию прошивки (V3.13) на сайт Github, в которой уже есть некоторые изменения в прошивке, чтобы начать это делать. В новой версии измеренные значения выводятся в микровольтах каждую секунду на выводах последовательного вывода Arduino, и их можно увидеть и зарегистрировать при использовании Arduino IDE и последовательного монитора. Чтобы добавить метки времени к измерениям, вы можете вызвать функцию «Показать метку времени» в Arduino IDE Serial Monitor. Простое копирование и вставка этих данных в файл Excel позволяет анализировать данные и создавать на их основе график.

Вот график измерения напряжения элемента батареи AA 1,5 В. С 6 десятичными знаками измеритель показывает напряжение с точностью до 1 мкВ. На этом уровне чувствительности малейшие изменения температуры или даже движение воздуха будут иметь заметный эффект. Держите крышку на глюкометре и не размахивайте руками от волнения!

Этот график является выходным сигналом для моего источника питания Siglent SPD3303, установленного на 5.000 В. Это показывает дрейф около 150 мкВ за 1 час.

Это график одной из моих справок по настройке 5V.Еще раз обратите внимание на чувствительность к микровольтам. Количество десятичных цифр может быть установлено в прошивке или отброшено из собранных значений по формуле Excel.

Мы с ним работали вместе, чтобы сделать его немного лучше. Обратите внимание, что калибровка счетчика через 4 года немного не выполняется.

Для меня это ясно показывает дополнительную ценность, которую добавляют дополнительные цифры милливольтметра, и почему я вообще хотел построить милливольтметр.

Эти графики показывают, насколько хорош этот самодельный счетчик. Это свидетельство используемых частей, конструкции и компоновки платы этого измерителя. Вам будет сложно добиться такого уровня чувствительности и точности в коммерческих продуктах, если вы не готовы платить сотни евро.

Это дополнение к программному обеспечению для регистрации — самый минимум, потому что для того, чтобы сделать его действительно удобным и безопасным, мне нужно добавить оптическое разделение измерителя и ПК или любого другого устройства, которое вы используете для сбора данных. Причина в том, что, подключив последовательный кабель к USB-кабелю от измерителя (Arduino) к другому устройству, вы можете подключить тестируемое устройство к заземлению, и это нарушит функцию счетчика, работающего от батареи. Он также больше не позволяет выполнять плавающие измерения, когда измеритель работает от батареи.Отсутствие оптического разделения тоже может быть небезопасным! Знайте, что вы делаете, и будьте в курсе …

Я пробовал эту схему со скоростью 9600 бод, и она очень хорошо работает с этими компонентами. Если вы решите использовать другие оптические изоляторы, вам, возможно, придется изменить номиналы резисторов эмиттера. Держите их как можно ниже, чтобы контролировать время нарастания.

Если это все еще создает проблемы со скоростью, есть хорошее дополнение схемы, которое разработал покойный Боб Пиз (Lineair Technology) (см. Его книгу «Поиск и устранение неисправностей аналоговых схем»), в котором используется один дополнительный транзистор для увеличения времени нарастания.Я попробовал это, просто для удовольствия, и даже без резистора положительной обратной связи R8, который еще больше улучшил бы время спада. Схема работает очень хорошо, но на скорости 9600 бод это перебор для этого приложения.

Ниже приведена схема развязки, которую я добавил в цифровой мультиметр.

Я распаял разъем USB от платы последовательного интерфейса к плате USB и добавил контакты заголовка к 4 разъемам. От этих 4 контактов заголовка я перехожу к USB-кабелю, который заканчивается изолированной частью микро-шасси USB, установленной на задней панели.
Кабель можно заказать здесь: монтаж на панели. Существуют версии с зачищенными проводами и с разъемами, которые я заказал.Имеется экран кабеля для заземления.

Я реализовал полностью двунаправленный оптический интерфейс с намерением также запрограммировать Arduino с этой установкой. К сожалению, я не могу заставить его работать. Это означает, что вы можете исключить цепь приемника вокруг VO1 и позволить только Arduino отправлять данные.
У меня нет подключения DTR в моих настройках, поэтому автоматический перезапуск Arduino при запуске загрузки не происходит. Мне всегда приходится нажимать кнопку сброса, как только скрипт начинает загружаться.Но это не может быть проблемой.

Я попытался разобраться, почему не работает, тоже просмотрел все Интернет, но мне это не удалось. Если кто-нибудь из вас знает, что делать, чтобы он работает, пожалуйста перезвон в.

Final тестовый прогон

Чтобы проверить функцию протоколирования, я использовал одну из моих ссылок напряжения снова. Эталон был установлен на 2,5 В, потому что это также предполагаемый уровень напряжения на устройстве, которое мне нужно протестировать, — GPSDO. Калибровка 2,5 В была написана на эталоне как 2.49993V в то время, теперь несколько лет назад. Я не дал агрегатам прогреться, после включения сразу же начал регистрацию. Вот результаты:

Регистрация напряжения проводилась каждую секунду и началась в 8:43 утра. На 2,125 секунды (около 9:18) произошел довольно «большой» сбой в несколько 100 микровольт, который длился около 200 секунд. Справа — более подробный график. К сожалению, я не знаю, чем это было вызвано. Это был эталон или цифровой мультиметр? Я не работал от батарей, так что это могло быть сетевое напряжение.Кто знает …

В любом случае, вы можете видеть, как напряжение очень медленно увеличивается примерно до 20 000 секунд, когда произошло колебание в несколько микровольт, а затем оно стабилизировалось. Я начал с напряжения 2,499515 и остановился через 8 часов с напряжением 2,499635. Температура в помещении повысилась, потому что не светило солнце. Это могло быть причиной медленного роста. Я не отслеживал температуру, когда записывал это. С такой чувствительностью вам действительно нужно.

Заключение

Настройка вольтметра и эталона не показывает значительного дрейфа, измеренное напряжение увеличилось всего на 120 микровольт за период 8 часов и, следовательно, очень стабильно в течение очень длительного периода времени. .Этот тест доказал и показал именно то, что мне нужно было знать, прежде чем я начал применять его к своему предполагаемому приложению. Я просто надеюсь, что глюк больше никогда не повторится и испортит долгие измерения.

Наслаждайтесь!

OP-AMP — Часть 4

В первом эпизоде ​​этой серии «операционных усилителей», состоящей из четырех частей, описаны основные принципы работы обычных дифференциальных операционных усилителей напряжения (типичным примером является тип 741) и показаны некоторые базовые конфигурации схем, в которых они могут быть использованы.

В заключительном выпуске этого месяца рассматриваются практические способы использования таких операционных усилителей в различных приборах и испытательных устройствах, в том числе в прецизионных выпрямителях, преобразователях переменного / постоянного тока, электронных аналоговых драйверах счетчиков, а также в схемах источника переменного напряжения и постоянного тока. .

При чтении этого эпизода обратите внимание, что большинство практических схем показаны на основе стандартных операционных усилителей типа 741, 3140 или LF351 и работают от двух источников питания 9 В, но эти схемы обычно работают (без модификаций) с большинством напряжений — дифференциальные операционные усилители и от любого источника постоянного тока в пределах рабочего диапазона этого операционного усилителя.Также обратите внимание, что все схемы на базе 741 имеют очень ограниченную частотную характеристику, которую можно значительно улучшить, используя альтернативный тип «широкополосного» операционного усилителя.

ЦЕПИ ЭЛЕКТРОННОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Простые диоды являются плохими выпрямителями сигналов переменного тока низкого уровня и не начинают проводить до тех пор, пока приложенное напряжение не превысит определенное значение «изгиба»; Кремниевые диоды имеют значение излома около 600 мВ и, таким образом, дают незначительное выпрямление напряжения сигнала ниже этого значения. Эту слабость можно преодолеть, подключив диод к цепи обратной связи операционного усилителя таким образом, чтобы эффективное изгибное напряжение уменьшалось в раз, равном коэффициенту усиления напряжения разомкнутой цепи операционного усилителя; комбинация затем действует как почти идеальный выпрямитель, который может реагировать на входные сигналы с малыми долями милливольта.На рисунке 1 показан простой однополупериодный выпрямитель этого типа.

Схема Рис. 1 соединена как неинвертирующий усилитель с обратной связью, подаваемой через кремниевый диод D1, и с выходным сигналом схемы, взятым через резистор нагрузки R1. Когда на схему подаются положительные входные сигналы, выход операционного усилителя также становится положительным; входного сигнала всего в несколько микровольт достаточно, чтобы довести выход операционного усилителя до «излома» 600 мВ напряжения D1, после чего D1 становится смещенным в прямом направлении.Отрицательная обратная связь через D1 затем заставляет инвертирующий вход (и, следовательно, выход схемы) точно следовать всем положительным входным сигналам, превышающим несколько микровольт. Таким образом, схема действует как повторитель напряжения для положительных входных сигналов.

Когда входной сигнал отрицательный, на выходе операционного усилителя происходит отрицательное и обратное смещение D1. В этом случае сопротивление обратной утечки D1 ​​(обычно сотни МОм) действует как делитель потенциала с R1 и определяет отрицательное усиление напряжения схемы; как правило, с указанными значениями компонентов отрицательное усиление составляет примерно -60 дБ.Таким образом, схема «следует» за положительными входными сигналами, но отклоняет отрицательные и, следовательно, действует как выпрямитель почти идеального сигнала.

На рис. 2 показано, как приведенную выше схему можно изменить для работы в качестве детектора пикового напряжения, подключив C1 параллельно с R1. Этот конденсатор быстро заряжается через D1 до пикового положительного значения входного сигнала, но медленно разряжается через R1, когда сигнал падает ниже пикового значения.IC2 используется в качестве буферного каскада, следующего за напряжением, чтобы гарантировать, что R1 не шунтируется из-за воздействия внешней нагрузки.

Обратите внимание, что каждая базовая схема Рис. 1 и 2 имеет очень высокий входной импеданс. В большинстве практических приложений входной сигнал должен быть связан по переменному току, а контакт 3 операционного усилителя должен быть подключен к общей шине через резистор 100 кОм.

ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ ЦЕПИ

Схема выпрямителя Рис. 1 имеет довольно ограниченную частотную характеристику и может давать небольшой отрицательный выходной сигнал, если D1 имеет плохие характеристики обратного сопротивления. На рис. 3 показан альтернативный тип схемы однополупериодного выпрямителя, который имеет значительно улучшенные характеристики выпрямителя за счет значительно уменьшенного входного импеданса.

В рис. 3 операционный усилитель подключен как инвертирующий усилитель с входным сопротивлением 10 кОм (= R1). Когда входной сигнал отрицательный, выходной сигнал операционного усилителя становится положительным, смещая D1 в прямом направлении и создавая выходной сигнал на R2.В этом случае коэффициент усиления по напряжению равен (R2 + R _D ) / R1, где R _D — активное сопротивление этого диода. Таким образом, когда D1 работает ниже своего порогового значения, его сопротивление велико, и схема дает высокий коэффициент усиления, но когда D1 работает выше своего порогового значения, его сопротивление очень низкое, а коэффициент усиления схемы равен R2 / R1. Таким образом, схема действует как прецизионный выпрямитель, инвертирующий отрицательные входные сигналы.

Когда входной сигнал становится положительным, выходной сигнал операционного усилителя изменяется в отрицательную сторону, но отрицательный размах ограничивается до -600 мВ через D2, а выход на переходе D1-R2 при этом условии незначительно смещается от нуля.Таким образом, эта схема выдает положительный полуволновой выпрямленный выходной сигнал. Базовую схему можно сделать так, чтобы она давала отрицательный полуволновой выпрямленный выход, просто поменяв полярность двух диодов на обратную.

На рис. 4 показано, как вариант вышеупомянутой схемы с отрицательным выходом может быть объединен с инвертирующим «сумматором» для создания прецизионного двухполупериодного выпрямителя.Здесь IC2 инвертирует и дает усиление x2 (через R3-R5) полуволновому выпрямленному сигналу IC1, а также инвертирует и дает единичное усиление (через R4-R5) исходному входному сигналу (E _в ). Таким образом, при подаче отрицательных входных сигналов выход IC1 равен нулю, поэтому выход IC2 равен + E _в . При подаче положительных входных сигналов IC1 дает отрицательный выход, поэтому IC2 генерирует выход + 2E _в через IC1 и -E _в через исходный входной сигнал, таким образом давая фактический выход + E _в .Таким образом, выход этой схемы является положительным и всегда имеет значение, равное абсолютному значению входного сигнала.

ЦЕПИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ AC / DC

Цепи Рисунок 3 и 4 можно заставить функционировать как прецизионные преобразователи переменного / постоянного тока, сначала предоставив им значения коэффициента усиления по напряжению, подходящие для коррекции форм-фактора, а затем интегрируя их выходы для получения переменного / постоянного тока. преобразование, как показано на рисунках 5 и 6 соответственно.Обратите внимание, что эти схемы предназначены для использования только с синусоидальными входными сигналами.

В полуволновом преобразователе переменного / постоянного тока в , рис. 5 , схема дает усиление по напряжению x2,22 через R2 / R1, чтобы обеспечить коррекцию форм-фактора, а интегрирование выполняется через C1-R2 . Обратите внимание, что эта схема имеет высокий выходной импеданс, и выход должен быть буферизован, если он будет подаваться на нагрузки с низким импедансом.

В двухполупериодном преобразователе переменного / постоянного тока в Рис. 6 схема имеет усиление по напряжению x1,11 для коррекции форм-фактора, а интеграция выполняется через C1-R5. Эта схема имеет выход с низким сопротивлением.

ЦЕПИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ DVM

доступны по умеренной цене и могут быть легко использованы в качестве основы для индивидуально создаваемых многодиапазонных и многофункциональных измерителей.Эти модули обычно питаются от батареи на 9 В и имеют базовую чувствительность при полномасштабных измерениях 200 мВ постоянного тока и почти бесконечное входное сопротивление. Их можно использовать в качестве многодиапазонных вольтметров постоянного тока, просто подавая испытательное напряжение на модуль через подходящий « умножитель » (резистивный аттенюатор), или как многодиапазонные измерители постоянного тока, подав испытательный ток на модуль через переключаемый токовый шунт.

Модуль DVM можно использовать для измерения напряжения переменного тока, подключив соответствующий преобразователь переменного тока в постоянный к его входным клеммам, как показано на Рисунок 7 . Этот конкретный преобразователь имеет почти бесконечное входное сопротивление. Операционный усилитель используется в неинвертирующем режиме с обратной связью по постоянному току через R2 и обратной связью по переменному току через C1-C2 и цепь диод-резистор.

Коэффициент усиления преобразователя изменяется в ограниченном диапазоне (для коррекции форм-фактора) через RV1, а выпрямленный выход схемы интегрируется через R6-C3 для преобразования постоянного тока.Клемма COMMON модуля DVM имеет внутреннее смещение примерно на 2,8 В ниже напряжения V _DD (положительная клемма питания), а операционный усилитель CA3140 использует клеммы V _DD , COMMON и V _SS модуля модуль в качестве точек подачи.

На рисунке 8 показана простая схема аттенюатора с частотной компенсацией, используемая в сочетании с вышеуказанным преобразователем переменного / постоянного тока для преобразования стандартного модуля DVM в пятидиапазонный вольтметр переменного тока, и

На рисунке 9 показано, как переключаемую шунтирующую сеть можно использовать для преобразования модуля в пятидиапазонный измеритель переменного тока.

На рисунке 10 показана схема, которую можно использовать для преобразования модуля DVM в пятидиапазонный омметр.Эта схема фактически функционирует как многодиапазонный генератор постоянного тока, в котором постоянный ток подается (от коллектора Q1) на R _X , и в результате происходит падение напряжения R _X (которое прямо пропорционально R _X ) считывается модулем DVM.

Здесь Q1 и операционный усилитель соединены как составной повторитель напряжения, в котором эмиттер Q1 точно следует напряжению, установленному на ползунке RV1. На практике это напряжение устанавливается ровно на 1V0 ниже V _DD , а токи эмиттера и коллектора (R _X ) Q1, таким образом, равны 1V0, деленному на значение резистора диапазона R3 — R7, т.е.g., 1 мА с R3 в цепи и т. д. Фактический модуль DVM считывает полную шкалу, когда напряжение R _X равно 200 мВ, и это показание получается, когда R _X имеет значение, составляющее одну пятую от значения резистора диапазона. , например, 200R в диапазоне 1 или 2M0 в диапазоне 5 и т. д.

ЦЕПИ АНАЛОГОВОГО СЧЕТЧИКА

Операционный усилитель можно легко использовать для преобразования стандартного измерителя с подвижной катушкой в ​​чувствительный аналоговый измеритель напряжения, тока или сопротивления, как показано в практических схемах , рисунки 11, –, 16, .Все шесть цепей работают от двух источников питания 9 В и спроектированы на основе операционного усилителя с полевым транзистором LF351, который имеет очень высокое входное сопротивление и хорошие характеристики дрейфа. Все схемы имеют функцию обнуления смещения, чтобы показания счетчика могли быть установлены точно на ноль при нулевом входе, и предназначены для работы с измерителем с подвижной катушкой с базовой чувствительностью 1 мА полной шкалы.

При желании эти схемы могут использоваться вместе с диапазоном 1 мА постоянного тока существующего мультиметра, и в этом случае эти схемы функционируют как «преобразователи диапазона».Обратите внимание, что каждая схема имеет резистор 2 кОм, включенный последовательно с выходом его операционного усилителя, чтобы ограничить доступный выходной ток до пары миллиампер и, таким образом, обеспечить измеритель автоматической защитой от перегрузки.

На рис. 11 показан простой способ преобразования измерителя 1 мА в милливольтметр постоянного тока постоянного диапазона с полной шкалой чувствительности 1 мВ, 10 мВ, 100 мВ или 1 В0.Схема имеет входную чувствительность 1 МОм / вольт, и в таблице показано соответствующее значение R1 для различных значений чувствительности полной шкалы. Чтобы настроить схему изначально, закоротите ее входные клеммы вместе и отрегулируйте RV1, чтобы получить нулевое отклонение на измерителе. После этого схема готова к использованию.

На рисунке 12 показана схема, которая может использоваться для преобразования измерителя 1 мА в вольтметр постоянного тока с фиксированным диапазоном и любой полной чувствительностью в диапазоне от 100 мВ до 1000 В или в измеритель постоянного тока с фиксированным диапазоном. с полной чувствительностью в диапазоне от 1 мкА до 1 А.В таблице показаны альтернативные значения R1 и R2 для разных диапазонов.

На рисунке 13 показано, как можно модифицировать приведенную выше схему для создания четырехдиапазонного милливольтметра постоянного тока с диапазонами полной шкалы 1 мВ, 10 мВ, 100 мВ и 1 В0 и . На рисунке 14 показано, как это можно изменить. сделать четырехдиапазонный микроамперметр постоянного тока с диапазонами полной шкалы 1 мкА, 10 мкА, 100 мкА и 1 мА.Резисторы диапазона, используемые в этих схемах, должны иметь точность 2% или лучше.

На рисунке 15 показана схема простого, но очень полезного четырехдиапазонного милливольтметра переменного тока. Входной импеданс схемы равен R1 и изменяется от 1k0 в режиме 1 мВ FSD до 1M0 в режиме 1V FSD. Схема обеспечивает полезные характеристики на частотах примерно до 100 кГц при использовании в режимах от 1 мВ до 100 мВ полной шкалы.В режиме 1V fsd частотная характеристика простирается до нескольких десятков кГц. Такой хороший частотный отклик обеспечивается операционным усилителем LF351, который имеет очень хорошие характеристики полосы пропускания.

Наконец, На рис. 16 показана схема пятидиапазонного омметра с линейной шкалой, чувствительность которого находится в диапазоне от 1k0 до 10M. Резисторы диапазона от R5 до R9 определяют точность измерения.Q1-ZD1 и связанные с ним компоненты просто прикладывают фиксированное значение 1V0 (номинальное) к « общей » стороне цепи резисторов диапазона, а коэффициент усиления схемы операционного усилителя определяется соотношениями выбранного резистора диапазона и R _X и равняется единице, когда эти компоненты имеют равные значения. В этом случае измеритель показывает полную шкалу, поскольку он откалиброван для индикации полной шкалы, когда на клеммах R _X появляется 1V0 (номинал).

Для первоначальной настройки цепи Рис. 16 установите SW1 в положение 10k и замкните клеммы R _X вместе. Затем отрегулируйте регулятор RV1 «установить ноль», чтобы обеспечить нулевое отклонение измерителя. Затем удалите короткое замыкание, подключите точный резистор 10 кОм в положение R _X и отрегулируйте RV2, чтобы обеспечить точное отклонение на полную шкалу на измерителе. После этого схема готова к использованию и не требует дополнительной настройки в течение нескольких месяцев.

ОПОРНЫЕ ЦЕПИ НАПРЯЖЕНИЯ

операционного усилитель может быть использован в качестве фиксированного или переменного опорного напряжения с помощью проводки его в качестве повторителя напряжения и применения подходящей ссылки на его вход. ОУ имеет очень высокий входной импеданс при использовании в режиме «повторителя» и, таким образом рисует почти нулевой ток от опорного сигнала, но имеет очень низкое выходное сопротивление и может поставлять несколько миллиампер тока на внешнюю нагрузку. Изменения выходной нагрузки вызывают небольшое изменение значения выходного напряжения.

Рисунок 17 показывает практический ссылки положительное напряжение с выходом полностью переменной от + 0.2В до + 12В через RV1. Стабилитрон ZD1 генерирует стабильное напряжение 12 В, которое подается на неинвертирующий вход операционного усилителя через RV1. Здесь используется операционный усилитель CA3140, потому что его вход и выход могут отслеживать сигналы с точностью до 200 мВ от отрицательного напряжения шины питания.Вся схема питается от нерегулируемого несимметричного источника питания 18 В.

Рисунок 18 показывает опорное напряжение отрицательное, что дает выход полностью переменной от -0.5V к -12V через RV1. В этой конструкции используется операционный усилитель LF351, поскольку его вход и выход могут отслеживать сигналы с точностью до 0,5 В от положительного значения шины питания.Обратите внимание, что операционные усилители, используемые в этих двух схемах регуляторов, являются широкополосными устройствами, а R2 используется для повышения стабильности их схем.

ЦЕПИ РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Базовые схемы на рис. 17, и 18, могут быть использованы в качестве силовых цепей с регулируемым напряжением (питанием), подключив их к выходам транзисторных цепей с повышенным током.

Рисунок 19 показывает, как можно модифицировать схему Рисунок 17 для работы в качестве источника переменного тока от 1 В до 12 В с допустимым выходным током (ограниченным номинальной мощностью Q1) около 100 мА. Обратите внимание, что переход база-эмиттер Q1 включен в контур отрицательной обратной связи, чтобы минимизировать эффекты смещения. Схема может быть сделана так, чтобы выдавать выходной сигнал, регулируемый вплоть до нуля вольт, путем подключения контакта 4 операционного усилителя к источнику питания с отрицательным напряжением не менее 2 В.

На рисунке 20 показан альтернативный тип схемы источника питания, в которой выходное напряжение изменяется от 3 В до 15 В при токах до 100 мА.

В этом случае, фиксированный опорный 3V применяются к неинвертирующему входному терминалу 741 ОУ через ZD1 и сеть R2-С1-R3, и операционный усилитель плюс Q1 соединен как неинвертирующий усилитель с переменным усилением через RV1.

Когда ползунок RV1 установлен в верхнее положение, схема дает единичное усиление и выдает выходной сигнал 3 В; когда ползунок RV1 установлен в нижнее положение, схема дает усиление x5 и, таким образом, дает выход 15 В. Усиление полностью варьируется между этими двумя значениями. RV2 позволяет установить максимальное выходное напряжение точно на 15 В.

На рисунке 21 показано, как приведенную выше схему можно изменить, чтобы она работала как стабилизированный источник питания (PSU) от 3 до 30 В, от 0 до 1 А.Здесь, доступный выходной ток повышается на Дарлингтон подключенного Q1-Q2 пару транзисторов, коэффициент усиление цепи полностью изменяется от единицы до x10 через RV1, и стабильность опорного 3V входе ОУ усиливается Сеть предварительного регулятора ZD1.

На рисунке 22 показано, как можно дополнительно модифицировать приведенную выше схему для включения автоматической защиты от перегрузки.Здесь R6 определяет величину выходного тока, и когда она превышает 1 А, результирующее падение напряжения начинает смещать Q3, тем самым шунтируя ток основного возбуждения Q1 и автоматически ограничивая выходной ток схемы.

Наконец, На рис. 23 показана схема простого блока питания с центральным отводом от 0 до 30 В, который может обеспечивать максимальные выходные токи около 50 мА.Блок питания имеет три выходных терминала и может обеспечивать от 0 до + 15 В между общим и + ve и от 0 до -15 В между общим и -ve терминалом или от 0 до 30 В между отрицательными и + ve терминалами. Схема работает следующим образом: ZD1 и R2-RV1 подают регулируемый потенциал от 0 до 5 В на вход IC1. IC1 и Q1 подключены как неинвертирующий усилитель x3 и, таким образом, генерируют полностью регулируемое напряжение от 0 до 15 В на клемме + ve блока питания.

Это напряжение также подается на вход схемы IC2-Q2, которая подключена как инвертирующий усилитель с единичным усилением и, таким образом, генерирует выходное напряжение идентичной величины, но противоположной полярности на клемме -ve блока питания.

Выходной ток каждой клеммы ограничен примерно 50 мА номинальными мощностями Q1 и Q2, но может быть легко увеличен путем замены этих компонентов силовыми транзисторами Дарлингтона (Super-Alpha) соответствующей полярности. NV