Высокоскоростные АЦП и ЦАП компании Corebai Microelectronics

Разработка широкополосного аналогового измерителя тока и напряжения. Часть 1

Texas Instruments LM4562

Сделайте своими руками широкополосный аналоговый мультиметр для измерения переменного напряжения и тока в диапазоне от 20 Гц до 1 МГц с выбираемой чувствительностью от 1 мВ до 100 В и от 10 мА до 10 А.

Вебинар «Мощные модульные системы питания MEAN WELL 3+N. Новинки и хиты» (22.06.2023)

Предложение сделать чисто аналоговый измерительный прибор, когда повсеместно используются цифровые устройства, может показаться странным. Однако, возможно, не все знают, что аналого-цифровым преобразователям (АЦП) цифровых измерительных приборов предшествуют аналоговые схемы. Широкополосные аналоговые вольтметры с частотами от менее 20 Гц до 200 кГц широко использовались в прошлом и очень полезны до сих пор.

Основные характеристики широкополосного аналогового измерительного прибора

Благодаря современным операционным усилителям (ОУ) конструкция нашего аналогового измерительного прибора может быть значительно упрощена. Эта конструкция обеспечивает плоскую частотную характеристику в полосе от 20 Гц до 1 МГц (–1 дБ на частоте 10 Гц) при использовании недорогих компонентов.

Нетрудно добавить возможность измерения токов в схемах, в которых включение сопротивления 0.1 Ом со стороны земли не приводит к значительному снижению тока. Если прибор работает от батареи или имеет конструкцию класса безопасности 2, соединение с землей не обязательно должно быть реальным заземлением.

Прибор измеряет напряжения в шести диапазонах 1, 10, 100 мВ и 1, 10,100 В, а токи – в четырех диапазонах 10, 100 мА и 1, 10 А. Схема содержит широкополосный пиковый детектор, чувствительность которого можно переключать для измерения пиковых или среднеквадратичных значений синусоидального сигнала.

Предусмотрена возможность установки внешних фильтров для реализации специальных частотных характеристик. Эта функция также позволяет использовать измеритель как два отдельных усилителя с переключаемым регулируемым коэффициентом усиления.

Прибор будет работать от двух 9-вольтовых батарей или от сетевого блока питания 9-0-9 В. Ток, потребляемый от каждой батареи, составляет менее 25 мА (без каких-либо светодиодных индикаторов), поэтому можно прогнозировать длительный срок их службы.

Проект аналогового измерительного прибора – общее описание

Блок-схема прибора показана на Рисунке 1.

лок схема широкополосного аналогового измерительного прибора.
Рисунок 1. Блок схема широкополосного аналогового измерительного прибора.

Входной аттенюатор и переключатель ток/напряжение необходимы потому, что мы хотим измерять напряжения до 100 В, которые не могут быть поданы непосредственно на усилитель. Режим измерения тока выбирается таким образом, чтобы последовательно с токоизмерительным резистором не было переключающего контакта, что устраняет потенциальный источник ошибки. Небольшая цена, которую приходится за это платить – необходимость в отдельном разъеме для измерения тока.

Использование двух ОУ для получения усиления

Чтобы обеспечить полную шкалу измерений при входном напряжении 1 мВ, усилитель должен иметь коэффициент усиления около 1000 (60 дБ). Это достигается использованием двух операционных усилителей микросхемы LM4562, каждый из которых имеет усиление 31.62. Усилитель LM4562, изначально предназначенный для Hi-Fi предусилителей, имеет низкий уровень шумов и искажений, а также широкую полосу пропускания. Он не очень хорош с точки зрения напряжения смещения, но в данном случае это преодолимо.

Благодаря наличию двух усилительных каскадов, в схему легко добавить разъемы и коммутаторы, чтобы иметь возможность вставить между двумя усилителями другие схемы, которые могли бы использоваться в качестве независимых усилителей, если на выходе второго усилителя будет добавлен дополнительный разъем.

Выбор детектора: полуволновой, «истинно среднеквадратичный» и двухполупериодный пиковый

Необходимо принять важное решение относительно типа детектора, преобразующего усиленный сигнал в постоянное напряжение, который мог бы работать как с цифровым дисплеем, так и со стрелочным прибором. Простейший тип – полуволновой детектор среднего значения – мало что скажет о сигнале и может скрывать значительные изменения напряжения в скрытых полупериодах.

На другом конце шкалы сложности детектор «истинного среднеквадратичного значения», обозначаемый как «истинный», чтобы отличить его от детектора среднего значения, усиление которого подобрано так, чтобы показывать среднеквадратичное значение прямоугольных импульсов, но не всех остальных сигналов. Это хорошо, если нужно узнать среднеквадратичное значение сигнала, но единственным доступным по цене устройством является микросхема AD736, полоса которой ограничена частотой 200 кГц, тогда как усилитель работает до 1 МГц и выше.

Третий тип детектора – это двухполупериодный пиковый детектор, который можно построить при разумных затратах. Очень часто необходимо измерять пиковые значения, так как они могут указывать на то, что где-то в цепи есть перегрузка и ограничение пиков сигнала. Также легко найти среднеквадратичное значение синусоидального сигнала (даже с искажениями до 10%), разделив пиковое значение на 1.4 или умножив на 0.7, если сигнал не сильно ограничен. Это легко организовать, включив аттенюатор 3 дБ.

Другой простой аттенюатор предназначен для интерполяции между шагами 20 дБ (10 раз) переключателя диапазона, что позволяет всем измеряемым значениям выше 0.5 мВ находиться в верхней половине шкалы стрелочного прибора. Могут применяться оба аттенюатора.

Поиск опубликованных описаний двухполупериодных пиковых детекторов, работающих на частотах до 1 МГц, оказался безрезультатным, но путем объединения методов, используемых в двух неподходящих детекторах, было найдено решение, основанное на еще одной микросхеме LM4562 и двух высокочастотных биполярных транзисторах BF140. Конечно, можно использовать и другие транзисторы с аналогичными или лучшими характеристиками, но транзисторы общего назначения, такие как BC547/847, для схемы не подходят.

Аспекты схемотехники проекта

Для этого эксперимента блоки описываются по отдельности с их индивидуальными схемами, за исключением усилителей,  в каждом из которых используется сдвоенный ОУ и двухполюсный переключатель, отчего их разделение может привести к путанице. Вся схема слишком велика, чтобы быть разборчивой, если ее показать на одной странице. Подключения источника питания к операционным усилителям, включая саму схему источника питания, показаны просто как V+ и V–, чтобы не загромождать схему слишком большим количеством длинных проводников.

Входной аттенюатор и переключатель ток/напряжение

Принципиальная схема входного аттенюатора и переключателя ток/напряжение показана на Рисунке 2.

лок схема широкополосного аналогового измерительного прибора.
Рисунок 2. Входной аттенюатор и переключатель ток/напряжение.

Переключатель показан в положении максимальной чувствительности. При движении по часовой стрелке, начиная с нижнего положения, переключатель последовательно устанавливает режим измерения тока (10 мА), а затем диапазоны измерения напряжений 100 В, 10 В и 1 В.

Токоизмерительный резистор (и все резисторы, используемые в проекте, если не указано иное) должен иметь допуск ±1%, так что этот компонент не дешевый, но доступный. Альтернативой является использование резистора 0.15 Ом с подключенным параллельно резистором другого номинала, подобранным таким образом, чтобы получить значение, близкое к 0.1 Ом. Резистор не должен быть проволочным, если только он не имеет металлического корпуса, поскольку в противном случае индуктивность может внести погрешность на высоких частотах: 100 нГн – это 628 мОм на частоте 1 МГц.

Обратите внимание, что токоизмерительный резистор подключается как можно ближе к входному разъему, чтобы не создавать дополнительного сопротивления. По  той же причине отсутствует последовательный конденсатор блокировки по постоянному току. Если используется резистор с номинальной мощностью 1 Вт или более, любая постоянная составляющая тока менее 10 А не должна вызывать проблем.

C2 должен быть полиэфирным пленочным конденсатором на 250 В или больше, если используются более высокие напряжения.

Подстроечный конденсатор предназначен для коррекции затухания на высоких частотах. Схема с показанными номиналами конденсаторов работала у меня, но емкости очень зависят от конструкции, поэтому вам могут понадобиться другие значения или конфигурации включения.

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments LM4562
  2. Datasheet Diodes BAT54
  3. Datasheet New Jersey Semiconductor BF240

Содержание цикла «Разработка широкополосного аналогового измерителя тока и напряжения»

  1. Часть 1
  2. Часть 2
51 предложений от 25 поставщиков
Душевая стойка LEMARK Unit LM4562C используется в ванных комнатах. Модель оснащена квадратным верхним душем и прямоугольной лейкой. Керамический картридж обеспечивает плавный...
ЭИК
Россия
LM4562MA
1.21 ₽
ЗУМ-СМД
Россия
LM4562NA/NOPB
Texas Instruments
71 ₽
LM4562MAX/NOPB
Texas Instruments
80 ₽
Элрус
Россия
LM4562MA/NOPB
Texas Instruments
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя