Среднеквадратичный вольтметр переменного тока. Вольтметр на операционном усилителе Технические характеристики вольтметра

Компараторы

Если использовать операционный усилитель без отрицательной обратной связи (ООС), то однозначно можно говорить о том, что получится . Для того, чтобы разобраться как же он работает, можно проделать несколько простых, но наглядных опытов. Для этого понадобится немного: собственно операционный усилитель, блок питания с напряжением 9…25В, несколько резисторов, пара светодиодов и вольтметр ().

Из светодиодов и резисторов собирается простейший логический пробник, как показано на рисунке 1.

При подаче на вход пробника положительного напряжения (можно даже подать +U) светится красный светодиод, а если вход соединить с общим проводом, то зажжется зеленый. С помощью такого пробника состояние выхода испытываемого операционного усилителя становится наглядным и понятным.

В качестве подопытного «кролика» подойдет любой, не особо качественный и дорогой , например КР140УД608(708) в пластмассовых корпусах либо К140УД6(7) в круглых металлических.

Рисунок 1. Схема простого логического пробника

Следует при этом отметить, что несмотря на разные корпуса, цоколевка этих микросхем одинакова и соответствует показанной на схемах ниже. Чаще случается, что цоколевка пластмассовых и металлических корпусов не совпадает, хотя по сути дела это одинаковые микросхемы. Сейчас большая часть операционных усилителей, особенно импортных, выпускаются в пластмассовых корпусах, и все работает хорошо и прекрасно, и никакой путаницы с цоколевками. А раньше такие «пластмассовые» микросхемы у специалистов презрительно назывались «ширпотребовскими».

Рисунок 2. Схема на операционном усилителе

Для первых опытов соберем схему, показанную на рисунке 2. Здесь сделано не так уж много: к однополярному источнику питания подключен собственно операционный усилитель и показанный на рисунке 1 логический пробник. Напряжение питания +U однополярное величиной 9…30В. Величина напряжения в наших опытах особого значения не имеет.

Вот тут может возникнуть вполне законный вопрос: «Почему же пробник логический, ведь операционный усилитель аналоговый элемент?». Да, но в данном случае операционный усилитель работает не в режиме усиления, а в режиме компаратора, и на выходе имеет всего два уровня. Напряжение близкое к 0В, называется логическим нулем, а напряжение близкое к +U логической единицей. В случае двухполярного питания логическому нулю соответствует напряжение близкое к -U.

При подаче напряжения питания один из светодиодов обязательно должен засветиться. На вопрос какой, красный или зеленый ответить нельзя, поскольку все зависит от параметров конкретного операционного усилителя и от внешних условий, например от сетевых наводок. Если взять несколько однотипных ОУ, то результаты будут самые различные.

Напряжение на выходе операционного усилителя контролируется вольтметром: если светится красный светодиод, то вольтметр покажет напряжение близкое к +U, а в случае свечения зеленого светодиода напряжение будет почти нулевое.

Теперь можно попробовать подать на входы какие-нибудь напряжения и посмотреть по индикаторам и вольтметру как будет вести себя операционный усилитель. Проще всего подать напряжения коснувшись одним пальцем по очереди каждого входа операционного усилителя, а другим одного из выводов питания. При этом должно измениться свечение пробника и показания вольтметра. Но этих изменений может и не произойти.

Все дело в том, что некоторые операционные усилители рассчитаны на то, что напряжение на входах находится в определенных пределах: несколько выше, чем напряжение на выводе 4 и несколько ниже, чем напряжение питания на выводе 7. Это «несколько ниже, выше» составляет 1…2В. Чтобы продолжить опыты, выполнив указанное условие, придется собрать чуть более сложную схему, показанную на рисунке 3.

Рисунок 3.

Теперь напряжение на входы подается с помощью переменных резисторов R1, R2, движки которых следует перед началом измерений установить вблизи среднего положения. Вольтметр теперь переместился в другое место: он будет показывать разность напряжений между прямым и инверсным входами.

Лучше, если этот вольтметр будет цифровой: полярность напряжения может изменяться, на индикаторе цифрового прибора покажется знак «минус», а стрелочный прибор просто «зашкалит» в обратную сторону. (Можно применить стрелочный вольтметр со средней точкой шкалы.) К тому же входное сопротивление цифрового вольтметра намного выше, чем у стрелочного, следовательно результаты измерений получатся точнее. Состояние выхода будем определить по светодиодному индикатору.

Здесь уместно дать такой совет: лучше эти простые опыты проделать своими руками, а не просто прочитать и решить, что все просто и понятно. Это как прочитать самоучитель игры на гитаре, при этом гитару не взяв ни разу в руки. Итак, начнем.

Первое, что надо сделать это установить движки переменных резисторов примерно в среднее положение, при этом напряжение на входах операционного усилителя близко к половине напряжения питания. Чувствительность вольтметра следует сделать максимальной, но, возможно, не сразу, а постепенно, чтобы не спалить прибор.

Предположим, что на выходе операционного усилителя низкий уровень, светится зеленый светодиод. Если это не так, то такого состояния можно добиться, вращая переменный резистор R1 таким образом, чтобы движок перемещался вниз по схеме - можно практически до 0В.

Теперь с помощью переменного резистора R1 начнем прибавлять напряжение на прямом входе операционного усилителя (вывод 3), наблюдая за показаниями вольтметра. Как только вольтметр покажет положительное напряжение (напряжение на прямом входе (вывод 3) больше, чем на инверсном (вывод 2)) зажжется красный светодиод. Следовательно напряжение на выходе операционного усилителя высокое или, как условились ранее, логическая единица.

Небольшая справка

Точнее даже не логическая единица, а высокий уровень: логическая единица обозначает истинность сигнала, мол, событие произошло. Но эта истинность, эта логическая единица может быть выражена и низким уровнем. В качестве примера можно вспомнить интерфейс RS-232, в котором логической единице соответствует отрицательное напряжение, в то время как логический ноль имеет положительное напряжение. Хотя в других схемах логическая единица чаще всего выражается высоким уровнем.

Продолжим научный опыт. Начнем осторожно и медленно вращать резистор R1 в обратную сторону, следя за показаниями вольтметра. В определенный момент он покажет ноль, но красный светодиод еще будет светиться. Поймать положение в котором оба светодиода погашены вряд ли удастся.

При дальнейшем вращении резистора полярность показаний вольтметра также изменится на отрицательную. Это говорит о том, что напряжение на инверсном входе (2) по абсолютному значению выше, чем на прямом входе (3). Зажжется зеленый светодиод, что говорит о низком уровне на выходе операционного усилителя. После этого можно продолжать вращать резистор R1 в том же направлении, но изменений никаких не произойдет: зеленый светодиод не погаснет и даже нисколько не изменит яркость.

Такое явление имеет место когда операционный усилитель работает в режиме компаратора, т.е. без отрицательной обратной связи (иногда даже с ПОС). Если же ОУ работает в линейном режиме, охвачен отрицательной обратной связью (ООС), то при вращении движка резистора R1 напряжение на выходе меняется пропорционально углу поворота, читай разности напряжений на входах, а вовсе не ступенькой. В этом случае яркость светодиода можно изменять плавно.

Из всего сказанного можно сделать вывод: напряжение на выходе операционного усилителя зависит от разницы напряжений на входах. В случае, когда напряжение на прямом входе выше, чем на инверсном, выходное напряжение имеет высокий уровень. В противном случае (напряжение на инверсном выше, чем на прямом) на выходе уровень логического нуля.

В самом начале этого эксперимента было рекомендовано установить движки резисторов R1, R2 приблизительно в среднее положение. А что будет, если первоначально установить их на третью часть оборота или на две трети? Да собственно ничего не изменится, все будет работать также, как было описано выше. Из этого можно сделать вывод, что сигнал на выходе операционного усилителя не зависит от абсолютного значения напряжений на прямом и инверсном входах. А зависит только от разницы напряжений.

Из всего сказанного можно сделать еще один важный вывод: операционный усилитель без обратной связи представляет собой компаратор - сравнивающее устройство. В таком случае на один вход подается опорное или образцовое напряжение, а на другой напряжение, величину которого надо контролировать. На какой вход подавать опорное напряжение решается в процессе разработки схемы.

В качестве примера на рисунке 4 показана схема , на входе которого имеются сразу 2 внутренних компаратора DA1 и DA2.

Рисунок 4. Схема интегрального таймера NE555

Их назначение - управление внутренним . Логика управления достаточно проста: логическая единица с выхода компаратора DA2 устанавливает триггер в единицу, а логическая единица с выхода компаратора DA1 сбрасывает триггер.

На резисторах R1…R3 собран делитель, подающий опорные напряжения на входы компараторов. Все три резистора имеют одинаковые сопротивления (5Ком), формирующие напряжения 2/3 и 1/3 напряжения питания, которые поданы, соответственно, на инвертирующий вход DA1 и на неинвертирующий вход DA2.

В плане того, что было написано выше, получается, что логическая единица на выходе компаратора DA1 получится в том случае, если входное напряжение на прямом входе превысит опорное на инверсном (2/3Uпит.), триггер сбросится в ноль.

Для того, чтобы установить триггер в 1, требуется получить высокий уровень на выходе внутреннего компаратора DA2. Такое состояние будет достигнуто когда уровень напряжения на инверсном входе DA2 будет меньше 1/3Uпит. Именно такое опорное напряжения подано на прямой вход компаратора DA2.

Здесь не ставится цель описания интегрального таймера NE555, просто в качестве примера использования ОУ показаны входные компараторы, спрятанный внутри микросхемы. Для тех, кому интересно применение таймера 555, можно рекомендовать для прочтения статью .

В практике радиолюбителя бывают такие моменты, когда требуется одновременно измерить постоянную составляющую сигнала и переменную. Обычно в таком случае пользуются осциллографом, но как быть если нет осциллографа. Если нет необходимости в точном определении формы сигнала переменной составляющей, можно воспользоваться двумя вольтметрами, один для измерения постоянного напряжения, другой - для переменного, включив их к одной точке.

В этом случае требуется два прибора, пользоваться одним универсальным (с переключателем - "переменный-постоянный") не удобно, невозможно наблюдать одновременно за племенной и постоянной составляющей, требуется время на переключение, а в некоторых случаях желательно видеть изменение обеих составляющих.

В такой ситуации может оказаться полезным описанный ниже прибор. Он в одном корпусе содержит два электронных вольтметра, переменного и постоянного тока, имеющих один общий источник питания и один общий провод, и два независимых стрелочных индикатора и входа.

Оба входа такого вольтметра можно подключить к одной точке и одновременно наблюдать за изменением постоянной и переменной составляющей, либо вольтметром постоянного тока измерять какое-либо управляющее напряжение, или режим работы каскада (например, напряжение смещения), и одновременно наблюдать за уровнем выходного переменного сигнала при помощи вольтметра переменного тока, включенного на выходе устройства.

Прибор имеет такие параметры: диапазон измеряемых напряжений постоянного тока - от 1 мВ до 1000В, диапазон измеряемых напряжений переменного тока - от 1 мВ до 100В, входное сопротивление входа измерения постоянного напряжения - 10 Мом, входное сопротивление входа измерения переменного напряжения - 1 Мом, мощность потребления от сети 1 Вт, граничная частота измеряемого переменного напряжения - 100 кгц при погрешности не более 1% и 1 Мгц при погрешности не более 10%.

Принципиальная схема показана на рисунке 1. Вольт-метр постоянного тока сделан на операционном усилителе А1. Здесь, при переключении пределов измерения используется одновременно два способа, во-первых входное напряжение делится при помощи двухступенчатого делителя на резисторах R1 R2, во-вторых изменяется коэффициент усиления самого операционного усилителя при помощи изменения глубины ООС переключением резисторов R7-R9.

При измерении напряжения величиной менее 1 В (на пределах 0,01,0,1, 1 В), входной сигнал не делится, и только изменяется коэффициент усиления ОУ А1, при измерении напряжения более 1В (пределы 10, 100, 1000В) , входной сигнал делится на 1000 резисторами R1 R2, а выбор этих пределов производится также изменением усиления ОУ.

Входная цепь, состоящая из резистора R3 и двунаправленного стабилитрона V1 предназначена для защиты входа операционного усилителя от перегрузки, вызванной ошибочно неправильным включением предела измерения. Резистор и стабилитрон представляют собой параметрический стабилизатор, который не дает входному напряжению быть больше 6,2 В.

Микроамперметр PV1 , по шкале которого производится отсчет постоянного напряжения, включен в цепь ООС ОУ между его инвертирующим входом и выходом, его сопротивление вместе с сопротивлением резисторов R7-R9 создает делитель выходного напряжения, и соответственно изменяя нижнее плечо этого делителя (при переключении резисторов) изменяется и глубина ООС, следовательно изменяется и коэффициент усиления. Такое построение схемы выбора пределов измерения позволило свести к минимуму число высокоомных резисторов.

Предварительную установку стрелочного индикатора в нулевое положение (перед началом измерения) производят балансировкой операционного усилителя при помощи переменного резистора R5. Резисторы R4 и R6 ограничивают пределы балансировки и увеличивают точность установки нуля. Для установки нуля переключатель пределов S1 нужно установить в положение "0", при этом входная цепь вольтметра замыкается накоротко.

Переменное напряжение измеряется вольтметром на операционном усилителе А2. Здесь используется такая-же схема с двухступенчатым входным делителем и трехступенчатым изменением коэффициента усиления ОУ. Разница в том, что входной делитель имеет частотную коррекцию на конденсаторах С2 и С3. Это необходимо для обеспечения достоверности измерений в широком диапазоне входных частот.

Резистор R12 и стабилитрон V2 служат для предохранения входа от перегрузки при неправильном выборе предела измерения, работают точно также как и в вольтметре постоянного тока.

Индикатор PV2 такой-же как в вольтметре постоянного тока, но здесь он служит дли измерения переменного напряжения и включается через мостовой выпрямитель на диодах V3-V6, резистор R16 служит для точной установки чувствительности микроамперметра, для сохранения уже имеющейся градуировки шкалы.

Переключение коэффициентов усиления ОУ производится также, путем изменения глубины ООС изменением коэффициента деления цепи, состоящей из микроамперметра и одного из резисторов R17-R19, включенной между инверсным входом и выходом ОУ А2.

Установка нуля измерительного прибора производится балансировкой операционного усилителя при помощи переменного резистора R14, резисторы R13 и R15 ограничивают пределы балансировки, делая её более точной.

Источник питания сделан по простой трансформаторной схеме с мостовым выпрямителем и параметрическим двухполярным стабилизатором на стабилитрона V7 и V8 (ОУ потребляют небольшой ток, и использование транзисторных стабилизаторов, обеспечивающих большой выходной ток не требуется).

ВЧ вольтметр с линейной шкалой
Роберт АКОПОВ (UN7RX), г. Жезказган Карагандинской обл., Казахстан

Одним из необходимых приборов в арсенале радиолюбителя-коротковолновика, безусловно, является высокочастотный вольтметр. В отличие от НЧ мультиметра или, например, компактного ЖК осциллографа, такой прибор в продаже встречается редко, да и стоимость нового фирменного довольно высока. Посему, когда назрела необходимость в таком приборе, он был построен, причем со стрелочным миллиамперметром в качестве индикатора, который, в отличие от цифрового, позволяет легко и наглядно оценивать изменения показаний количественно, а не путем сравнения результатов. Это особенно важно при налаживании устройств, где амплитуда измеряемого сигнала постоянно меняется. В то же время точность измерения прибора при использовании определенной схемотехники получается вполне приемлемой.

На схеме в журнале опечатка: R9 должен быть сопротивлением 4,7 МОм

ВЧ вольтметры можно разделить на три группы. Первые построены на базе широкополосного усилителя с включением диодного выпрямителя в цепь отрицательной ОС . Усилитель обеспечивает работу выпрямительного элемента на линейном участке ВАХ. В приборах второй группы применяют простейший детектор с высокоомным усилителем постоянного тока (УПТ). Шкала такого ВЧ вольтметра на нижних пределах измерений нелинейна, что требует применения специальных градуировочных таблиц либо индивидуальной калибровки прибора . Попытка в какой-то мере линеаризировать шкалу и сдвинуть порог чувствительности вниз путем пропускания небольшого тока через диод проблему не решает. До начала линейного участка ВАХ эти вольтметры являются, по сути, индикаторами . Тем не менее такие приборы, как в виде законченных конструкций, так и приставок к цифровым мультиметрам, весьма популярны, о чем свидетельствуют многочисленные публикации в журналах и сети Интернет.
Третья группа приборов использует линеаризацию шкалы, когда линеаризирующий элемент включен в цепь ОС УПТ для обеспечения необходимого изменения усиления в зависимости от амплитуды входного сигнала. Подобные решения нередко используют в узлах профессиональной аппаратуры, например, в широкополосных высоколинейных измерительных усилителях с АРУ, либо узлах АРУ широкополосных ВЧ генераторов. Именно на таком принципе построен описываемый прибор, схема которого с незначительными изменениями заимствована из .
При всей очевидной простоте ВЧ вольтметр имеет очень неплохие параметры и, естественно, линейную шкалу, избавляющую от проблем с градуировкой.
Диапазон измеряемого напряжения — от 10 мВ до 20 В. Рабочая частотная полоса — 100 Гц…75 МГц. Входное сопротивление — не менее 1 МОм при входной емкости не более нескольких пикофарад, которая определяется конструкцией детекторной головки. Погрешность измерений — не хуже 5 %.
Линеаризирующий узел выполнен на микросхеме DA1. Диод VD2 в цепи отрицательной ОС способствует повышению усиления этой ступени УПТ при малых значениях входного напряжения. Снижение выходного напряжения детектора компенсируется, в результате показания прибора приобретают линейную зависимость. Конденсаторы С4, С5 предотвращают самовозбуждение УПТ и уменьшают возможные наводки. Переменный резистор R10 служит для установки стрелки измерительного прибора РА1 на нулевую отметку шкалы перед проведением измерений. При этом вход детекторной головки должен быть замкнут. питания прибора особенностей не имеет. Он выполнен на двух стабилизаторах и обеспечивает двуполярное напряжение 2×12 В для питания операционных усилителей (сетевой трансформатор на схеме условно не показан, но входит в состав набора для сборки).

Все детали прибора, за исключением деталей измерительного щупа, смонтированы на двух печатных платах из односторонне фольгированного стеклотекстолита. Ниже приведена фотография платы УПТ, платы а питания и измерительного щупа.

Миллиамперметр РА1 — М42100, с током полного отклонения стрелки 1 мА. Переключатель SA1 — ПГЗ-8ПЗН. Переменный резистор R10 — СП2-2, все подстроечные резисторы — импортные многооборотные, например 3296W. Резисторы нестандартных номиналов R2, R5 и R11 могут быть составлены из двух, включенных последовательно. Операционные усилители можно заменить другими, с высоким входным сопротивлением и желательно с внутренней коррекцией (чтобы не усложнять схему). Все постоянные конденсаторы — керамические. Конденсатор СЗ смонтирован непосредственно на входном разъеме XW1.
Диод Д311А в ВЧ выпрямителе выбран из соображения оптимальности максимально допустимого ВЧ напряжения и эффективности выпрямления на верхней измеряемой частотной границе.
Несколько слов о конструкции измерительного щупа прибора. Корпус щупа изготовлен из стеклотекстолита в виде трубки, поверх которой надет экран из медной фольги.

Внутри корпуса размещена плата из фольгированного стеклотекстолита, на которой смонтированы детали щупа. Кольцо из полоски луженой фольги примерно посредине корпуса предназначено для обеспечения контакта с общим проводом съемного делителя, который можно навинтить вместо наконечника щупа.
Налаживание прибора начинают с балансировки ОУ DA2. Для этого переключатель SA1 устанавливают в положение «5 В», замыкают вход измерительного щупа и подстроечным резистором R13 устанавливают стрелку прибора РА1 на нулевую отметку шкалы. Затем переключают прибор в положение «10 мВ», на его вход подают такое же напряжение, и резистором R16 устанавливают стрелку прибора РА1 на последнее деление шкалы. Далее на вход вольтметра подают напряжение 5 мВ, стрелка прибора должна быть примерно на середине шкалы. Линейности показаний добиваются подборкой резистора R3. Ещё лучшей линейности можно добиться подборкой резистора R12, однако следует иметь в виду, что это повлияет на коэффициент усиления УПТ. Далее калибруют прибор на всех поддиапазонах соответствующими подстроечными резисторами. В качестве а образцового напряжения при градуировке вольтметра автор использовал генератор Agilent 8648A (с подключенным к его выходу эквивалентом нагрузки сопротивлением 50 Ом), имеющий цифровой измеритель уровня выходного сигнала.
Всю статью из журнала Радио №2, 2011 можно загрузить отсюда
ЛИТЕРАТУРА:
1. Прокофьев И., Милливольтметр-Q-метр. — Радио, 1982, №7, с. 31.
2. Степанов Б., ВЧ головка к цифровому мультиметру. — Радио, 2006, № 8, с. 58, 59.
3. Степанов Б., ВЧ вольтметр на диоде Шоттки. — Радио, 2008, № 1, с. 61, 62.
4. Пугач А., Высокочастотный милливольтметр с линейной шкалой. — Радио, 1992, № 7, с. 39.

Стоимость печатных плат (щупа, основной платы и платы БП) с маской и маркировкой: 80 грн.

Возможность преждевременного выхода из строя дорогостоящего аккумулятора вынуждает автолюбителя тщательно следить за работой реле-регулятора напряжения и состоянием бортовой электросети автомобиля. Напряжение в ней не должно отличаться более ±3% от оптимальной величины, которая определяется для данных условий эксплуатации аккумуляторной батареи и зависит от климатической зоны, места установки аккумулятора и его технического состояния, режима эксплуатации автомобиля. Чем точнее будет поддерживаться оптимальное напряжение при подзарядке аккумуляторной батареи, тем дольше она прослужит.

Большое значение имеет правильная работа автомобильного генератора. При повышении напряжения генератора выше оптимального на 10-12% (около 0,15 В) срок службы аккумуляторной батареи и электроламп сокращается в 2-2,5 раза.

Чтобы точно выполнять все необходимые регулировки, нужен специальный вольтметр, измеряющий напряжение в диапазоне 13-15 В с точностью до 0,1 В. Купить такой прибор трудно, но изготовить подобный с растянутой в диапазоне 10-15 В шкалой смогут многие. Повышенная точность измерений, линейная шкала во всем диапазоне измерений, отсутствие собственного источника питания, повышенная надежность (за счет предусмотренных в устройстве элементов зашиты, не влияющих на точность измерений), возможность регулирования зоны "растяжки" шкалы - отличительные особенности данного прибора. Выполнен он на базе операционного усилителя и представляет собой измеритель разности напряжений.

Технические характеристики вольтметра

• Диапазон измеряемых напряжений, В. . . от 10 до 15
  Достижимая погрешность измерений при температуре 20±5°С, не хуже, % ...0,5
  Дискретность, В. . . 0,05
  Входное сопротивление, не менее, кОм. . . 0,75
  Диапазон рабочих температур, °С. . . от -10 до +35
  Габариты (с микроамперметром М906), мм. . . 65х105х120

Питается вольтметр непосредственно от объекта измерения. Начальное смещение, относительно которого производится измерение, устанавливается сопротивлением цепочки резисторов R3, R4 (см. принципиальную схему рис.1), а величина обратной связи (определяющая коэффициент усиления ОУDA1 и, соответственно, степень "растяжки" диапазона) задается сопротивлением цепочки резисторов R5, R6.

Источник опорного напряжения на стабилитроне VD3 обеспечивает также смещение потенциала на неинвертнрующем входе DA на величину, равную приблизительно половине измеряемого падения напряжения, что необходимо для работы ОУ с однополярным питанием.

Сопротивление резистора R7 зависит от чувствительности микроамперметра РА и величины максимального выходного напряжения операционного усилителя относительно катода стабилитрона VD3.

Диоды VD1, VD2 обеспечивают защиту ОУ, a VD4, VD5 - микроамперметра от перегрузки по току. VD1 запрещает прохождение тока отрицательной полярности через резистор R1 и операционный усилитель. Возможно прохождение тока через стабилитрон VD3, смещенный в прямом направлении, диод VD2 и резисторы R2-R4. Тем самым между входами DA (выводы 3,2) установится разность потенциалов не более 0,7 В. Аналогичное падение напряжения будет на выводе 3 относительно вывода 4 ОУ.

Таким образом обеспечивается надежная защита ОУ от ошибки при подключении полярности.

В вольтметре применены постоянные резисторы типа МЛТ, в качестве подстроенных желательно использовать многообортные типа СП5-2, СП5-3, СП5-14. Допустимо использовать и другие типы ОУ, например, К140УД7 или К140УД1А, К553УД1 с соответствующими цепями коррекции. Диоды - любые маломощные кремниевые. Стабилитрон КС147А можно заменить на КС156А, но, вероятно, тогда ухудшится температурная стабильность вольтметра и потребуется уточнить номиналы резисторов R1-R3. Микроамперметр - М906 или М24 с током полного отклонения 50 мкА и шкалой, соответствующей выбранной зоне измерения. Возможно применение и других стрелочных приборов с током полного отклонения до 1 мА, но в этом случае необходимо подобрать величину резистора R5, исходя из выбранного значения падения напряжения на нем (около 1,5 В). Можно также использовать авометр в режиме микроамперметра. Тогда данное устройство будет выполнено в виде приставки к тестеру.

При отсутствии дефектных элементов и ошибок в монтаже налаживание вольтметра сводится к его калибровке. Данную операцию выполняют с помощью регулируемого источника питания с выходным напряжением 9-16 В и образцового вольтметра, желательно цифрового, например В7-16, ФЗО, ВР-11.

Подстроечные резисторы устанавливают в среднее положение и на вход вольтметра подают напряжение 12-13 В, контролируя его по образцовому прибору. Стрелка налаживаемого вольтметра должна отклониться от нулевого значения. Затем на выходе источника питания устанавливают напряжение 10 В (±0,05 В) и резистором R4 переводят стрелку вольтметра на нулевое деление шкалы. После чего, увеличив измеряемое напряжение до 15 ± 0,05 В, резистором R6 устанавливают стрелку на конечное деление шкалы. Повторив указанные операции для 10 В и 15 В, добиваются наиболее точной настройки вольтметра в рабочем диапазоне 13-14,5 В.

Во время налаживания реле-регулятора напряжение измеряют непосредственно на клеммах аккумулятора.

На рис.2 приведена печатная плата со схемой расположения элементов. Плата устанавливается на контактные болты микроамперметра М906 и помещается вместе с ним в коробку.

Рис. 2

В. Баканов, Э. Качанов, г. Черновцы, Моделист-Конструктор №12, 1990 г., стр.27

Список радиоэлементов

Высокая точность измерений величины ВЧ-напряжений (до третьего-четвертого знака) в радиолюбительской практике, собственно, и не нужна. Больше важна качественная составляющая (наличие сигнала достаточно высокого уровня - чем больше, тем лучше). Обычно, при измерении ВЧ-сигнала на выходе гетеродина (генератора), такая величина не превышает 1,5 - 2 вольт, а сам контур в резонанс настраивают по максимальной величине ВЧ напряжения. При настройках в трактах ПЧ сигнал покаскадно повышающаяся от единиц до сотни милливольт.

При настройках гетеродинов, трактов ПЧ до сих пор часто применяются ламповые вольтметры (типа ВК 7-9, В7-15 и др.) с диапазонами измерений 1 - 3в. Высокое входное сопротивление и малая входная емкость в таких приборах является определяющим фактором, а погрешность составляет до 5-10% и определяется точностью применяемой стрелочной измерительной головки. Измерения таких же параметров можно проводить с помощью самодельных стрелочных приборов, схемы которых выполнены на микросхемах с полевыми транзисторами на входе. Например, в ВЧ милливольтметре Б.Степанова (2) входная емкость составляет всего 3 пФ, сопротивление на различных поддиапазонах (от 3 мВ до 1000 мВ) даже в худшем случае не превышает 100 кОм при погрешности +/- 10% (определяется применяемой головкой и погрешностью КИП для градуировки). При этом измеряемое ВЧ напряжение с верхней границей частотного диапазона 30 мГц без явной частотной погрешности, что вполне приемлемо в радиолюбительской практике.

По схемотехнике предлагаемый прибор очень прост, а минимум применяемых комплектующих найдутся «в ящике» практически каждого радиолюбителя. Собственно, в схеме ничего нового нет. Применение ОУ для таких целей подробно описано в радиолюбительской литературе 80-90 годов (1, 4). Использована широкораспространенная микросхема К544УД2А (или УД2Б, УД1А, Б) с полевыми транзисторами на входе (а значит и с высоким входным сопротивлением). Можно применять любые операционные усилители других серий с полевиками на входе и в типичном включении, например, К140УД8А. Технические характеристики милливольтметра-вольтметра соответствуют приведенным выше, поскольку основой прибора стала схема Б.Степанова (2).

В режиме вольтметра коэффициент усиления ОУ равен 1 (100% ООС) и напряжение измеряется микроамперметром до 100 мкА с добавочными сопротивлениями (R12 - R17). Они, собственно, и определяют поддиапазоны прибора в режиме вольтметра. При уменьшении ООС (переключателем S2 включаются резисторы R6 - R8) Кус. возрастает, соответственно повышается чувствительность операционного усилителя, что позволяет его использовать в режиме милливольтметра.

Особенностью предлагаемой разработки является возможность работы прибора в двух режимах - вольтметра постоянного тока с границами от 0,1 до 1000 в, и милливольтметра с верхними границами поддиапазонов 12,5, 25, 50 мВ. При этом в двух режимах используется один и тот же делитель (Х1, Х100), так что, к примеру, на поддиапазоне 25 мВ (0,025 в) с применением множителя Х100 можно измерять напряжение 2,5 в. Для переключения поддиапазонов прибора применен один многопозиционный двухплатный переключатель.

С применением выносного ВЧ-пробника на германиевом диоде ГД507А можно измерять ВЧ-напряжение в тех же поддиапазонах с частотой до 30 мГц.
Диоды VD1, VD2 защищают стрелочный измерительный прибор от перегрузкок при работе.
Еще одной особенностью защиты микроамперметра при переходных процессах, возникающих при включении-выключении прибора, когда стрелка прибора зашкаливает и может даже погнуться, является применение релейного отключения микроамперметра и замыкание выхода ОУ на нагрузочный резистор (реле Р1, С7 и R11). При этом (при включении прибора) на зарядку С7 требуются доли секунды, поэтому реле срабатывает с задержкой и микроамперметр подключается к выходу ОУ на доли секунды позже. При выключении прибора С7 разряжается через лампу-индикатор очень быстро, реле обесточивается и разрывает цепь подключения микроамперметра раньше, чем полностью обесточатся цепи питания ОУ. Защита собственно ОУ осуществляется включением по входу R9 и С1. Конденсаторы С2, С3 являются блокировочными и предотвращают возбуждение ОУ.

Балансировка прибора («установка 0») осуществляется переменным резистором R10 на поддиапазоне 0,1 в (можно и на более чувствительных поддиапазонах, но при включенном выносном пробнике возрастает влияние рук). Конденсаторы желательны типа К73-хх, но при их отсутствии можно взять и керамические 47 - 68н. В выносном щупе-пробнике применен конденсатор КСО на рабочее напряжение не менее 1000в.

Настройка милливольтметра-вольтметра проводится в такой последовательности. Сначала настраивают делитель напряжения. Режим работы - вольтметр. Подстроечный резистор R16 (поддиапазон 10в) устанавливают на максимальное сопротивление. На сопротивлении R9, контролируя образцовым цифровым вольтметром, устанавливают напряжение от стабилизированного источника питания 10 в (положении S1 - Х1, S3 - 10в). Затем в положении S1 - Х100 подстроечными резисторами R1 и R4 по образцовому вольтметру устанавливают 0,1в. При этом в положении S3 - 0,1в стрелка микроамперметра должна установиться на последнюю отметку шкалы прибора. Соотношение 100/1 (напряжение на резисторе R9 - Х1 - 10в к Х100 - 0,1в, когда положение стрелки настраиваемого прибора на последнем делении шкалы на поддиапазоне S3 - 0,1в) проверяют и корректируют несколько раз. При этом обязательное условие: при переключении S1 образцовое напряжение 10в менять нельзя.

Далее. В режиме измерения постоянного напряжения в положении переключателя делителя S1 - Х1 и переключателя поддиапазонов S3 - 10в переменным резистором R16 устанавливают стрелку микроамперметра на последнее деление. Результатом (при 10 в на входе) должны быть одинаковые показания прибора на поддиапазоне 0,1в - Х100 и поддиапазоне 10в - Х1.

Методика настройки вольтметра на поддиапазонах 0,3в, 1в, 3в и 10в прежняя. При этом положения движков резисторов R1, R4 в делителе менять нельзя.

Режим работы - милливольтметр. На входе 5 в. В положении S3 - 50 мВ делитель S1 - Х100 резистором R8 устанавливают стрелку на последнее деление шкалы. Проверяем показания вольтметра: на поддиапазоне 10в Х1 или 0,1в Х100 стрелкка должна быть на середине шкалы - 5в.

Методика настройки на поддиапазонах 12,5мВ, и 25мВ такая же, как и для поддиапазона 50мВ. На вход подается соответственно 1,25в и 2,5в при Х 100. Проверка показаний проводится в режиме вольтметра Х100 - 0,1в, Х1 - 3в, Х1 - 10в. Следует учесть, что когда стрелка микроамперметра находится в левом секторе шкалы прибора, погрешность при измерениях увеличивается.

Особенность такой методики калибровки прибора: не требуется наличие образцового источника питания 12 - 100 мВ и вольтметра с нижним пределом измерения меньше 0,1 в.

При калибровке прибора в режиме измерения ВЧ напряжений выносным пробником на поддиапазоны 12,5, 25, 50 мВ (при необходимости) можно построить корректирующие графики или таблицы.

Прибор собран навесным монтажом в металлическом корпусе. Его размеры зависят от размеров применяемой измерительной головки и трансформатора блока питания. В приведенной схеме работает двухполярный БП, собранный на трансформаторе от импортного магнитофона (первичная обмотка на 110в). Стабилизатор лучше всего собрать на МС 7812 и 7912 (или двух LM317), но можно и проще - параметрический, на двух стабилитронах. Конструкция выносного ВЧ пробника и особенности работы с ним подробно описана в (2, 3).

Используемая литература:

1. Б.Степанов. Измерение малых ВЧ напряжений. Ж. «Радио», № 7, 12 - 1980, с.55, с.28.
2. Б.Степанов. Высокочастотный милливольтметр. Ж. «Радио», № 8 - 1984, с.57.
3. Б.Степанов. ВЧ головка к цифровому вольтметру. Ж. «Радио», № 8, 2006,с.58.
4. М.Дорофеев. Вольтомметр на ОУ. Ж. «Радио», № 12, 1983, с.30.