Первый и второй усилители и переключатель диапазонов
Схема показана на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Блок схема широкополосного аналогового измерительного прибора. |
Коммутация организована таким образом, что в сигнальной цепи нет неиспользуемых резисторов; они подключены к земле. Переключение аттенюаторов 3/10/13 дБ и «Внешний фильтр» рассмотрено в следующем разделе.
Переключатели показаны в положении «1 В». Каждое переключение аттенюатора изменяет усиление на 10 дБ на каждом полюсе переключателя, что дает шаг 20 дБ (10 раз).
Низкие сопротивления резисторов обратной связи R10 и R16 являются ключом к получению широкой полосы пропускания. Они должны быть как можно ближе к 2.2 кОм, что может потребовать выбора из нескольких компонентов.
Резисторы R6 и R12 можно заменить на 71.5 Ом из ряда E96, или же соединить параллельно резисторы 82 Ом и 560 Ом. R7 и R13 можно составить из включенных параллельно резисторов 180 Ом и 3.3 кОм. Аналогично, для R8 и R14 можно использовать 820 Ом и 10 кОм. Очевидно, что возможны и другие комбинации. Кроме того, R9 и R15 можно заменить на 220 кОм.
Необходимо максимально приблизиться к требуемым значениям сопротивлений, поскольку от этого зависит точность прибора. По возможности следует избегать подстроечных резисторов или использовать высококачественные компоненты; в противном случае пострадает стабильность калибровки.
Обратите внимание, что при использовании резисторов 2.2 кОм и 220 кОм для установки коэффициента усиления получается неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 1.01 (0.086 дБ), что достаточно близко к 1.
Дополнительные аттенюаторы и разъемы для подключения внешних фильтров
Аттенюаторы 3 дБ (пиковое/среднеквадратичное значение синусоидального сигнала) и 10 дБ (масштабный множитель), а также переключатели внешних фильтров показаны на Рисунке 4.
 |
|
| Рисунок 4. | Принципиальная схема аттенюаторов 3/10/13 дБ и разъемов внешнего фильтра. |
Как и в предыдущем случае, сопротивления резисторов необходимо измерить и выбрать те, которые наиболее близки к требуемым значениям. Благодаря этому за счет одного дополнительного резистора для цепи –13 дБ можно использовать предпочтительные значения сопротивлений из ряда E12.
Было полезно изучить, насколько хорошо резисторы из ряда E12 обеспечивают требуемое затухание. Результаты показаны в Таблице 1.
| Таблица 1. | Зависимость ошибки от ослабления сигнала | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
При использовании резисторов с измеренными сопротивлениями погрешность можно минимизировать, добавив низкоомный резистор последовательно с тем, сопротивление которого слишком мало. Например, если измеренные сопротивления резисторов для аттенюатора 3 дБ составляли точно 3.3 кОм и 8.2 кОм, ошибку можно исправить, добавив 82 Ом последовательно с 3.3 кОм.
В этой цепи довольно удобно использовать тумблеры, но, конечно, можно использовать ползунковые или галетные переключатели.
Пиковый детектор и устройство индикации
Пиковый детектор изображен на Рисунке 5.
 |
|
| Рисунок 5. | Принципиальная схема пикового детектора. |
Широкая полоса пропускания обеспечивается тремя особенностями:
- Сопротивления резисторов намного ниже, чем обычно используемые в подобных схемах.
- В первом каскаде используются диоды Шоттки.
- Для минимизации нагрузки на выход второго каскада используются два эмиттерных повторителя.
Диоды BAT54 можно заменить на BAT85. Диод D3 защищает измерительный прибор от чрезмерного тока при неправильной установке переключателя диапазонов.
Транзисторы BF240, использованные в прототипе, могут быть заменены другими устройствами с очень похожими характеристиками. Несмотря на то, что это очень старый транзистор, он все еще доступен и используется в радиочастотных каскадах FM-радио. Помните, что приборы общего назначения, такие как BC547 и 2N3904, не подходят.
R32 можно собрать из параллельных резисторов 10 кОм и 56 кОм. Его сопротивление выбирается таким, чтобы при входном напряжении 1 В с.к.з. с частотой 1 кГц и включенном аттенюаторе 3 дБ после установки выходного напряжения измерителя 1 В движок подстроечного резистора находился примерно в среднем положении.
Вместо резисторов R32, RV1 и стрелочного прибора M можно подключить цифровой дисплей.
Источник питания
Схема источника питания показана на Рисунке 6.
 |
|
| Рисунок 6. | Принципиальная схема источника питания. |
Конденсаторы 100 нФ должны быть установлены как можно ближе к выводам микросхемы со стороны слоя питания. Если бы дорожка печатной платы шла сначала к выводу микросхемы, а затем к конденсатору, то последовательно с конденсатором возникала бы нежелательная индуктивность, а для резонанса с конденсатором емкостью 100 нФ большой индуктивности не требуется.
Характеристики широкополосного аналогового измерительного прибора
Если нет оговорок (например, «зависит от компоновки»), цифры основаны на значениях, измеренных в прототипе.
- Входное сопротивление (на всех диапазонах напряжений):
1 МОм ±1%. - Входная емкость:
20 пф (зависит от компоновки). - Частотная характеристика:
- Плоская в полосе от 20 Гц до 1 МГц;
- –1 дБ в полосе от 10 Гц до 1.2 МГц.
- Диапазоны измерения напряжений:
1–10–100 мВ–1–10–100 В. Точность зависит от того, насколько сопротивления резисторов переключателя диапазона и аттенюатора близки к правильным значениям. - Постоянное выходное напряжение:
При подаче на вход измерения напряжения сигнала 1 В с.к.з. частотой 1 кГц и установке переключателя диапазонов в положение 1 В с включенным аттенюатором 3 дБ выходное постоянное напряжение в точке соединения резисторов R29 и R30 должно находиться в диапазоне от 0.95 В до 1.05 В. Если это не так, немного измените сопротивление резистора R16 (чтобы не пришлось исправить БОЛЬШУЮ ошибку). - Диапазоны измерения токов:
10–100 мА–1 А. Точность зависит от точности переключателя диапазонов и от того, насколько сопротивление токоизмерительного резистора R1 близко к правильному значению. - Постоянное выходное напряжение:
При подаче на вход измерения тока сигнала 1 А с.к.з. частотой 1 кГц и установке переключателя диапазонов в положение 100 мВ с включенным аттенюатором 3 дБ выходное постоянное напряжение в точке соединения резисторов R29 и R30 должно находиться в диапазоне от 0.95 В до 1.05 В. Если это не так, немного измените сопротивление резистора R1 (чтобы не пришлось исправить БОЛЬШУЮ ошибку).
Получить переменный ток 1 А можно, используя аудиоусилитель с резистором 8 Ом ±1% (рассеивающим всего 0.125 Вт), включенным последовательно с выходом усилителя и входом измерения тока. Отрегулируйте уровень входного сигнала, чтобы получить 8 В с.к.з. на резисторе 8 Ом.
Частотные характеристики для каждого положения переключателя диапазонов показаны на Рисунках 7, 8, 9 и 10.
 |
|
| Рисунок 7. | Частотная характеристика при входном сигнале 1 В в диапазоне 1 В. |
 |
|
| Рисунок 8. | Частотная характеристика при входном сигнале 100 мВ в диапазоне 100 мВ. |
 |
|
| Рисунок 9. | Частотная характеристика при входном сигнале 10 мВ в диапазоне 10 мВ. |
 |
|
| Рисунок 10. | Частотная характеристика при входном сигнале 1 мВ в диапазоне 1 мВ. |
Частота 1.2 МГц находится за пределами свип-генератора, поэтому отклики схемы на этой частоте измерялись с помощью генератора сигналов. В этом диапазоне следует ожидать небольших шумов, обусловленных слабым уровнем входного сигнала и большим коэффициентом усиления. На Рисунке 11 показана частотная характеристика измерителя тока на шкале 100 мА.
 |
|
| Рисунок 11. | Отклик измерителя тока на шкале 100 мА. |
Дополнительные внешние фильтры
Внешние фильтры должны иметь входное сопротивление не менее 10 кОм и выходное сопротивление не более 1 кОм.
Советы по конструированию
Чтобы нежелательные радиочастотные излучения не попадали в измеритель, необходим корпус из металла или проводящей пластмассы. Возможно, потребуется установить ферритовые бусины на всех входах и выходах как можно ближе к разъемам. Между входами каждого операционного усилителя может потребоваться подключение конденсаторов очень небольшой емкости, например, 10 пФ.
Возможные расширения конструкции
К этой конструкции можно добавить несколько интересных расширений, чтобы обеспечить дополнительные функции, в том числе:
- Альтернативный или выбираемый детектор истинного среднеквадратичного значения с полосой пропускания 200 кГц, использующий недорогое устройство AD736;
- Стандартный невзвешенный фильтр аудио шумов от 22.4 Гц до 22.4 кГц;
- Точный фильтр A-взвешивания.
Купить LM4562 на РадиоЛоцман.Цены
