Измерительный преобразователь переменного напряжения

Платон Константинович Денисов, г. Симферополь

[email protected]

Преобразователь представляет собой электронный модуль, на вход которого подается переменное напряжение для преобразования действующего значения в значение постоянного напряжения с высокой точностью. Модуль может быть применен при построении электронного вольтметра, включен в состав системы, обрабатывающей сигналы от датчиков, преобразующих измеряемую величину в переменное напряжение. Модуль найдет применение в звуковоспроизводящей аппаратуре при разработке индикаторов уровня сигнала. Наиболее полезной областью применения является сбор данных о технологических процессах и при проведении научных экспериментов. Выходы датчиков, с помощью которых физические величины, такие, например, как линейное или угловое перемещение, скорость вращения или ускорение преобразуются в переменное напряжение, соединяются с входом модуля, сигнал с выхода модуля обрабатывается в электронных схемах, микроконтроллерах или преобразуется в цифровую форму с помощью АЦП.

Применение специализированной микросхемы упрощает схему, делает схему дешевой и надежной. Для питания достаточно однополярного источника напряжения от 4.5 до 9 В, что позволяет использовать стационарный источник нестабилизированного напряжения или батарею. Схема модуля является более простой и дешевой по сравнению с активными выпрямителями, разработанными на операционных усилителях, обеспечивающими аналогичные параметры.

Измерительный преобразователь обладает высоким быстродействием, что особенно важно при использовании в составе систем сбора данных о быстро протекающих процессах, контроля параметров движения различных объектов, работе в устройствах с малой инерционностью.

Точность измерения	0.2%
Частота измеряемого напряжения	47…50000 Гц
Температура эксплуатации	–40 …+85 °С
Напряжение питания	4.5…9 В
Ток потребления	5 мА
Входное измеряемое напряжение	Определяется делителем
Входное сопротивление	Определяется делителем
Выходное постоянное напряжение	0…1 В
Выходное сопротивление	10 МОм

Описание схемы

Входной измеряемый сигнал поступает на делитель, состоящий из резисторов R1 и R2. Делитель уменьшает напряжение входного сигнала в 10 раз. Переменное напряжение, преобразуемое микросхемой DA1, находится в диапазоне от 0 до 1 В. Благодаря использованию делителя, диапазон измерения переменного напряжения расширяется до 10 В. Конденсатор С1 уменьшает влияние высокочастотных помех. Элементы С2, С5, С6, R3 и R5 обеспечивают режим работы микросхемы DA1. Микросхема DA1 является точным широкополосным преобразователем действующего значения переменного напряжения в постоянное напряжение. На выходе DA1 установлен конденсатор C3, участвующий в работе внутренних цепей микросхемы DA1. Цепь R4, С4 очищает выходной сигнал от помех, исказивших входной сигнал. Питание модуля осуществляется от собственного источника питания DA2. Конденсаторы С7 и С8 фильтруют помехи в линиях питания микросхемы DA1.

Элементы схемы

Позиционное обозначение	Наименование
	Конденсаторы
С1	270 пФ 50 В ±20% X7R ф. Hitano
С2	1 мкФ 50 В ±20% X7R ф. Hitano
С3	6.8 мкФ 63 В ±5% К73-16
С4, С5	1 мкФ 50 В ±20% X7R ф. Hitano
С6, С7	22 мкФ 16 В ±20% EMR ф.Hitano
С8	1 мкФ 50 В ±20% X7R ф. Hitano
	Микросхемы
DA1	LTC1968IMS8 ф. Linear Technology Corporation
DA2	RSO-0505S ф. Recom
	Резисторы
R1	C2-29B-0.125-909 кОм ±0.05%
R2	C2-29B-0.125-101 кОм ±0.05%
R3	SMD0805 10 кОм ±1%
R4	SMD0805 200 Ом ±1%
R5	SMD0805 10 кОм ±1%

Микросхема DA1 представляет собой прибор с повышенной линейностью, точностью и термостабильностью, работающий в широкой полосе частот. Элемент DA2 – импульсный источник питания, преобразующий постоянное нестабилизированное напряжение в диапазоне от 4.5 до 9 В в постоянное стабилизированное 5 В. Источник имеет КПД = 72%. При отсутствии этого элемента схему можно питать от любого источника напряжения 5 В с уровнем пульсаций не более 50 мВ. К резисторам R1 и R2 предъявляются высокие требования, эти резисторы должны иметь максимально возможную точность и наименьшую температурную зависимость. Значение R1 и R2 определяет входное сопротивление модуля. Планарное исполнение резисторов R3 … R5 наиболее подходит для данной схемы, т. к. позволяют разработать печатную плату с проводниками минимальной длины, что сокращает влияние внешних электромагнитных помех. Конденсатор С3 запрещается применять с диэлектриком керамического, электролитического или бумажного типа. Диэлектрик конденсатора С3 должен быть лавсановый. Тип конденсатора К73-16 соответствует требованиям, предъявляемым к С3. Точность изготовления С3 может быть не только 5%, но и 10% и 20%. В этом случае емкость С3 может снизиться, и нижняя граница частотного диапазона немного повысится.

Конструкция

Схема размещена на односторонней печатной плате. Элементы DA2, С3, С6, С7 устанавливаются на стороне, противоположной стороне проводников. По углам имеются отверстия для крепления винтами 3 мм.

Расположение компонентов

Печатная плата

Чертеж проводников платы для изготовления с помощью лазерного принтера

Настройка и проверка

После подключения питания проверить напряжение +5 B на выводах питания микросхемы DA1. Подключить генератор и вольтметр переменного напряжения к входу модуля. К выходу модуля подключить вольтметр постоянного напряжения, имеющий предел измерения 1 В. Изменяя на входе модуля значение переменного напряжения, проверить значение выходного постоянного напряжения в соответствии с коэффициентом деления резистивного делителя, состоящего из резисторов R1 и R2.

Применение

Выход преобразователя можно подключить к входу АЦП микроконтроллера. При этом появляется возможность программно корректировать погрешность, имеющуюся у измерительного преобразователя. Постоянное напряжение, поступающее с выхода модуля, соответствующее входному переменному напряжению, АЦП микроконтроллера преобразует в число, которое программно можно умножить на коэффициент, корректирующий погрешность входного резистивного делителя.

Повышение входного сопротивления

При измерении напряжений порядка милливольт от источников сигналов малой мощности необходимо увеличить входное сопротивление измерительного преобразователя. Входное сопротивление микросхемы LTC1968IMS8, из практики, около 40 МОм, для его повышения на входе схемы устанавливается операционный усилитель. При повышении входного сопротивления модуля возрастет влияние помех на измеряемый сигнал, что необходимо учитывать при выборе схемного решения.

Операционный усилитель DA1 имеет низкий уровень шумов и малое напряжение смещения. Коэффициент усиления DA1, заданный точными резисторами равен 1

Элементы, входящие в схему с повышенным входным сопротивлением

Позиционное обозначение	Наименование
	Конденсаторы
С1	22 мкФ 16 В ±20% EMR ф.Hitano
С2	1 мкФ 50 В ±20% X7R ф. Hitano
С3	22 мкФ 16 В ±20% EMR ф.Hitano
С4	1 мкФ 50 В ±20% ф. X7R Hitano
С5	6.8 мкФ 63 В ±5% К73-16
	Микросхемы
DA1	OP213F ф. Analog Devices
DA2	LTC1968IMS8 ф. Linear Technology Corporation
	Резисторы
R1	C2-29B-0.125-909 кОм ±0.05%
R2	C2-29B-0.125-101 кОм ±0.05%
R3, R4	C2-29B-0.125-20 кОм ±0.05%
R5, R6	SMD0805 10 кОм ±1%

Изменение предела измерения

Для расширения области применения измерительного преобразователя можно ввести в схему цепи, позволяющие изменять предел измерения переменного напряжения. Выбор нового предела осуществляется замыканием контактов SA1 или SA2. В качестве контактов можно использовать ручной механический переключатель или управляемые внешней схемой электромагнитные реле, а также оптореле.

Используя приведенную схему можно создать вольтметр переменного напряжения с ручным или автоматическим выбором предела измерения. Схема отличается от предыдущей резисторным делителем и переключателями SA1, SA2.

Один из возможных вариантов значений резисторов делителей в таблице:

Элементы схемы с выбором предела измерения

Загрузки

Принципиальные схемы и топология печатной платы в формате PCAD 4.5

Использованные материалы

1. http://cds.linear.com/docs/Datasheet/1968f.pdf
2. http://www.datasheetarchive.com/OP213F-datasheet.html