Низкочастотный милливольтметр. Вольтметр на операционном усилителе Схему милливольтметра

На рисунке показана схема простого милливольтметра переменного тока, милливольтметр имеет четыре диапазона 1 мВ, 10 мВ, 100 мВ и 1 В. Входной сигнал может иметь частоту от нескольких герц до 50 кГц. Нелинейность схемы выпрямителя устраняется путем применения обратной связи в ОУ. Схема рассчитана на измерение полного выпрямленного среднего значения входного сигнала.

• Похожие статьи

Войти с помощью:

Случайные статьи

• 22.09.2014

  Принципиальная схема ус-ва показана на рис.1, ус-во предназначено для управления коллекторным электродвигателем — дрель, вентилятор и так далее. На однопереходном транзисторе VT1 собран генератор коротких положительным импульсов для управления вспомогательным тринистором VS1. Питается генератор трапецеидальным напряжением, получаемым благодаря ограничению стабилитроном VD1 положительной полуволн синусоидального напряжения(100Гц). С появлением каждой полуволны такого …

• 02.10.2014

  Этот источник питания предназначен для питания различных уст-в от напряжения 25-30В при токе 70мА от бортовой сети автомобиля. Мультивибратор на транзисторах с мощным выходом вырабатывает импульсы с частотой около 10кГц. Далее импульсы проходя через С3 С4 далее выпрямляются, при этом происходит обрезка импульсов с помощью VD1 VD2 для стабилизации выходного …

• На рис. 86 приведена принципиальная схема простого транзисторного вольтметра постоянного тока с входным сопротивлением около 100 кОмВ и диапазоном измерений от 0 до 1000 В в семи поддиапазонах: 0—1; 0—5, 0—10; 0—50; 0—100; 0—500 и 0— 1000 В. Такой прибор может оказаться полезным при измерении режимов работы транзисторных и ламповых усилительных каскадов.

  
  
  

  Прибор питается от одного гальванического элемента напряжением 1,5 В. Он описан в журнале бразильских радиолюбителей.

  
  

  

  Налаживание прибора несложно. Сначала при разомкнутом входе при помощи переменного резистора R8 устанавливают стрелку миллиамперметра прибора на нуль. Затем калибруют шкалы. Для этого вход вольтметра подключают к источнику эталонного напряжения, например к полюсам внешней гальванической батареи, вставляют щупы прибора во входные гнезда «О» и соответствующего предела измерения и, подстраивая переменный резистор R9, добиваются показания вольтметра, соответствующего напряжению эталонной батареи.

  
  

  

  
  

  Для того чтобы можно было калибровать прибор только лишь на одной шкале, сопротивления резисторов R1—R7 должны быть подобраны очень точно (с допуском не выше 1-2%).

  
  

  Для изготовления вольтметра можно использовать транзисторы типа ГТ108 или МП41, МП42 с любыми буквенными индексами, но обязательно с одинаковыми значениями Вст = 50-80, миллиамперметр на ток 0—1 мА. Источником питания может быть один элемент 316 или 343, 373.

  
  

  В процессе эксплуатации следует помнить, что большое входное сопротивление данного вольтметра достигнуто ввиду применения усилителя постоянного тока на транзисторах, параметры которых сильно зависят от окружающей температуры. Поэтому перед проведением измерений необходимо тщательно устанавливать стрелку прибора на нуль, а при повышенной окружающей температуре дополнительно калибровать его шкалы. Это является недостатком описанного вольтметра по сравнению с обычными авометрами.

  
  

  Значительно большей стабильностью обладают вольтметры, в которых усилитель постоянного тока выполнен на полевых транзисторах. На рис. 87 приведена принципиальная схема вольтметра постоянного тока для измерения напряжений от 0 до 1 В, собранного на двух полевых транзисторах. Входное сопротивление прибора около 4 МОм. Такой прибор может оказаться очень полезным при измерении постоянного напряжения в базовых цепях транзисторных каскадов приемников и усилителей, как это рекомендовано в его описании.

  
  

  В этом вольтметре могут быть применены полевые транзисторы типа КП102Е и КП103К. В качестве источника питания можно использовать три последовательно соединенные батареи 3336 Л. В случае необходимости напряжение питания можно понизить до 9 В. Для измерения больших напряжений, например, в пределах 0— 10 В или 0—100 В следует устанавливать внешние высокоомные делители напряжения с коэффициентом деления 10:1 или 100:1. Милливольтметр с высокоомным входом. Обычно радиолюбители измеряют напряжение переменного тока авометром, входное сопротивление которого невысоко. Лучшие результаты можно получить с помощью стандартных милливольтметров, позволяющих измерять очень малые напряжения НЧ, исчисляемые милливольтами. Авометр в лучшем случае может измерить 0,1 В.

  
  

  

  
  

  На рис. 88 представлена принципиальная схема простого низкочастотного милливольтметра с входным сопротивлением около 2 МОм. Полное отклонение стрелки измерительного прибора соответствует входному напряжению от 15 до 100 мВ. Питание вольтметра осуществляется от батареи напряжением 4,5 В. Такие хорошие результаты могли быть получены лишь только потому, что на входе усилителя НЧ этого прибора включен полевой транзистор.

  
  

  Согласно схеме (рис. 88), опубликованной в одном из американских радиожурналов, милливольтметр содержит истоковый повторитель на полевом транзисторе Т1, усилитель напряжения на транзисторе Т2, включенном по схеме с общим эмиттером, и двух-полупериодный выпрямитель напряжения сигнала, нагруженный измерителем тока — микроамперметром. Усиление сигнала до выпрямителя, а следовательно, чувствительность прибора регулируется переменным резистором R5. При этом если движок переменного резистора находится в нижнем по схеме положении, то чувствительность милливольтметра составляет 100 мВ. Диапазон измерений этого прибора может быть значительно расширен при включении на его входе дополнительного делителя напряжения измеряемого сигнала. В этом случае можно получить многопредельный измерительный прибор с входным сопротивлением более 10 МОм.

  
  

  Милливольтметр можно изготовить, применяя транзисторы КП103Ж или КП103Л (Т1,) и МП41А (Т2), а также диоды Д9В-Д9Е (Д1, Д2). Источником питания может служить батарея 3336Л. Во избежание внешних наводок желательно разместить детали милливольтметра в металлическом корпусе.

  
  

  Милливольтметр с линейной шкалой. Недостатком большинства авометров и милливольтметров переменного тока (в том числе и описанного выше) является неравномерность шкалы вблизи нуля, что обусловлено нелинейностью коэффициента передачи диодного выпрямителя при малом сигнале. Известны различные способы линеаризации шкалы таких приборов, но они в большинстве своем сложны для радиолюбительских конструкций. В этом отношении отличается простотой и надежностью работы вольтметр переменного тока, описанный на страницах английского радиолюбительского журнала, принципиальная схема которого приведена на рис. 89. Этот вольтметр состоит из мостового выпрямителя на диодах Д1—Д4 одна диагональ которого нагружена миллиамперметром со шкалой 0—500 мкА и внутренним сопротивлением 500 Ом, а другая включена между коллектором и базой усилительного каскада, собранного на транзисторе Т1, включенном по схеме с общим эмиттером. В других аналогичных вольтметрах вторая диагональ включается между коллектором и эмиттером. Не допущена ли здесь ошибка? Нет. В этом приборе через последовательно соединенные мостовой выпрямитель и конденсатор C2 возникает нелинейная отрицательная обратная связь по току с коллектора на базу транзистора Т1.

  
  

  

  
  

  Так как при малом напряжении сигнала ток через диоды также мал, то действие отрицательной обратной связи будет незначительным, а усиление, даваемое каскадом, велико (60—100). По мере увеличения напряжения сигнала проводимость диодов возрастает, и вместе с ней возрастает ток отрицательной обратной связи, а это уменьшает усиление каскада. И чем больше сигнал на входе, тем меньше усиливается сигнал до выпрямителя. В результате начальный участок шкалы вольтметра выравнивается (линеаризуется), и показания вольтметра могут полностью совпадать с делениями шкалы микроамперметра. Максимальное значение измеряемого этим прибором переменного напряжения численно равно отношению максимального показания микроамперметра, деленному на сопротивление резистора R3 в килоомах. Например, при указанном на схеме рис. 89 сопротивлении резистора R3 вольтметр может измерять переменное напряжение в пределах 0—5 В.

  
  

  При изготовлении данного вольтметра рекомендуется применять транзистор типа КТ315Г с Вст = 80-120. Величину постоянного тока, протекающего в коллекторной цепи транзистора, регулируют, подбирая сопротивление резистора R1. Диоды могут быть типа Д18 или Д20, Д9Д, Д9И. При указанных на рис. 89 емкостях конденсаторов вольтметр может измерять напряжение в полосе частот от 20 Гц до 600 кГц. Для питания прибора используют батарею «Крона-ВЦ» или две последовательно соединенные батареи 3336Л.

  Васильев В. А. Зарубежные радиолюбительские конструкции. М., «энергия», 1977.

  Милливольтметры с линейной шкалой, описанные в литературе, традиционно выполняют по схеме с диодным выпрямителем, включенным в цепь отрицательной обратной связи усилителя переменного тока. Такие устройства довольно сложны, требуют применения дефицитных деталей, кроме того, к ним предъявляются достаточно жесткие конструктивные требования.

  В то же время существуют весьма простые милливольтметры с нелинейной шкалой, где выпрямитель собран в выносном щупе, а в основной части используется простой усилитель постоянного тока (УПТ). По такому принципу построен прибор, описание которого предлагалось в журнале «Радио», 1984, № 8, с. 57. Эти приборы широкополосны, обладают высоким входным сопротивлением и малой входной емкостью, конструктивно просты. Но показания прибора условны, а истинное значение напряжения находят либо по градуировочным таблицам, либо по графикам. При использовании узла, предлагаемого автором, шкала такого милливольтметра становится линейной.

  

  Рис.1

  На рис. 1 изображена упрощенная схема прибора. Измеряемое высокочастотное напряжение выпрямляется диодом VD1 в выносном щупе и через резистор R1 поступает на вход УПТ А1. Из-за наличия в цепи отрицательной обратной связи диода VD2 усиление УПТ при малых напряжениях на входе увеличивается. Благодаря этому уменьшение выпрямленного диодом VD1 напряжения компенсируется и шкала прибора линеаризируется.

  

  Рис.2

  Милливольтметр, изготовленный автором, позволяет измерять напряжение в интервале 2,5 мВ... 25 В на 11 поддиапазонах. Полоса рабочих частот 100 Гц...75 МГц. Погрешность измерения не превышает 5 %.
  Принципиальная схема прибора приведена на рис.2. Линеаризирующий каскад, выполненный на операционном усилителе DA1, работает на поддиапазонах «О...12,5 мВ», «0...25 мВ», «0...50 мВ» «0...125 мВ», «0...250 мВ», «О...500 мВ», «0...1,25 В». На остальных поддиапазонах амплитудная характеристика диода VD1 близка к линейной, поэтому вход оконечного каскада (на микросхеме DA2) подключен к выходу щупа через резистивный делитель напряжения (R7--R11). Кондснсаторы С4—С6 предотвращают самовозбуждение операционного усилителя DA2 и уменьшают возможные наводки на его вход.
  В приборе использован миллиамперметр с током полного отклонения 1 мА. Подстроенные резисторы R14, R16—R23 — СП5-2. Резистор R7 составлен из двух сопротивлением 300 кОм, соединенных последовательно, R10 и R11 — из двух сопротивлением по 20 кОм. Диоды VD1, VD2 — германиевые высокочастотные.
  О перациоиные усилители КР544УД1А можно заменить на любые другие с большим входным сопротивлением.
  Особых требований к конструкции прибора не предъявляется. Конденсаторы Cl, С2, диод VDI и резистор RI монтируют в выносной головке, которую соединяют с прибором экранированным проводом. Ось переменного резистора R12 выведена на лицевую панель.
  Налаживание начинают с установки стрелки измерительного прибора на нулевую отметку. Для этого переключатель SA1 переводят в положение «25 В», вход прибора соединяют с корпусом, а необходимую корректировку производят резистором R14. После этого переходят на диапазон «250 мВ», регулировкой резистора R12 устанавливают стрелку измерительного прибора на нулевую отметку и подбором резистора R2 добиваются наилучшей линейности шкалы. Затем проверяют линейность шкалы на остальных диапазонах. Если достичь линейности не удается, следует заменить один из диодов на другой экземпляр. Затем подстроечными резисторами R16—R23 калибруют прибор на всех диапазонах.

  Примечание. Обращаем внимание читателей, что согласно справочным данным максимальные постоянные и импульсное обратные напряжения для примененного автором статьи в выносном щупе (диод ГД507А) равны 20 В. Поэтому далеко не каждый экземпляр этого типа диодов сможет обеспечить работу прибора на двух последних поддиапазонах.

  А. Пугач г. Ташкент
  

  Радио, №7, 1992г.
  

  Схема самодельного милливольтметра переменного тока, выполнена на пяти транзисторах.

  Основные параметры:

  • Диапазон измеряемых напряжений, мВ - 3...5*І0^3;
  • Диапазон рабочих частот, Гц - 30.. .30* 10^3;
  • Неравномерность АЧХ, дБ - ±1;
  • Входное сопротивление, мОм: на"пределах 10, 20, 50 мВ - 0,1; на пределах 100"мВ..5В - 1,0;
  • Погрешность измерений, % - 10.

  Схема прибора

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

  Измеряемое переменное напряжение с разъема X1 подается на входной эмиттерный повторитель через делитель напряжения (резисторы R1, R2* и R22), с помощью которого это напряжение может быть уменьшено в 10 или 100 раз.

  Уменьшение в 10 раз происходит при установке переключателя S1 в положение X 10 мВ (делитель образуется резистором R1 и включенными параллельно резистором R22 и входным сопротивлением эмиттерного повторителя).

  Резистор R22 служит для точной установки входного сопротивления прибора (100 кОм). При установке переключателя S1 в положение X 0,1 В на вход эмиттерного повторителя поступает 1/100 часть измеряемого напряжения.

  Рис. 1. Схема милливольтметра переменного тока на пяти транзисторах.

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

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

  Следующий каскад милливольтметра — усилитель напряжения ЗЧ на транзисторе V3 (коэффициент усиления примерно 30) — обеспечивает возможность измерения малых напряжений.

  С выхода этого каскада усиленное напряжение 34 поступает на вход измерителя напряжения переменного тока с линейной шкалой, представляющей собой двухкаскадный усилитель (V4, V5), охваченный отрицательной обратной связью через выпрямительный мост (V7—V10). В диагональ этого моста включен микроамперметр P1.

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

  Детали

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

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

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

  Налаживание

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

  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.