БЕСПРЕДЕЛЬНЫЙ МУЛЬТИМЕТР

В «М-К» № 1 за 1989 год мы рассказали о карманном мультиметре. Его автор В. Я. Ефремов продолжает совершенствовать свою конструкцию, в результате появился модернизированный прибор МРЦ-4. Это компактный, с автономным питанием цифровой мультиметр, предназначенный для измерения постоянного и переменного напряжения и тока, сопротивления, с выводом результата на жидкокристаллический индикатор.

Максимальное показание на индикаторе 1999. Когда определяемая величина превышает это значение, автоматически происходит переход на больший предел измерения.

Питание — от батареи «Корунд», энергии которой хватает на 100 час. непрерывной работы. Причем мультиметр исправно работает вплоть до напряжения 6 В, но при меньшем его значении индикатор не светится.

И еще, прибор имеет указатель полярности, индикатор разряда батареи, электронную защиту по всем входам. В нем всего пара переключателей на два положения, отсутствует тумблер питания — оно включается, когда измерительные провода вставляют в гнезда. Тем самым исключается разряд батареи после окончания измерений.

О возможностях прибора читатели могут судить по его техническим данным.

Принципиальная схема мультиметра — на рисунке. Измерительная часть прибора выполнена на микросхеме большой степени интеграции (БИС) DD7, работающей по принципу двойного интегрирования. Ее выходы предназначены для управления четырьмя цифрами жидкокристаллического индикатора (ЖКИ).

Измерительная часть БИС работает по принципу двойного интегрирования, суть которого состоит в том, что в начале измерения интегрирующий конденсатор заряжается в течение определенного времени гоком, пропорциональным измеряемому напряжению, а затем разряжается определенным током до нуля. Время, в течение которого происходит разряд конденсатора, пропорционально измеряемому напряжению. На счетчике БИС образуется соответствующий код, управляющий через дешифраторы сегментами ЖКИ.

Цикл измерения состоит из трех фаз: интегрирование сигнала, разрядка интегрального конденсатора и автоматическая коррекция нуля (АК).

В состав микросхемы АЦП входит тактовый генератор. Частота следования его импульсов определяется элементами С15 и R40 и составляет 50 кГц.

Предельное значение напряжения, поступающего на вход БИС (выводы 30 и 31), зависит от величины образцового напряжения на выводе 36 и определяется соотношением Ubx. макс. = ±1,999ХUобр.. Образцовое напряжение в мультиметре равно 1 В, следовательно, напряжение на входе АЦП не должно превышать 1,999 В.

Кроме аналогово-цифрового преобразователя, мультиметр содержит и другие узлы: электронный аттенюатор (DA1, DD4), точный выпрямитель (DA3), устройство выбора предела (DD1—DD3, DD5, DD6), генератор стабильного тока (VT1) и питающее устройство (DA2, VT2, VT3).

Электронный аттенюатор выполнен на операционном усилителе DA1 и мультиплексоре DD4. В соответствии с выбранным пределом измерения мультиплексор включает в обратную связь инвертирующего ОУ соответствующее сопротивление, образованное точными резисторами R16, К19, R24, R27. Их сочетания определяют входное сопротивление усилителя. Вместе с резистором R5 оно образует входной делитель. Коффициент передачи по напряжению от входного гнезда XS1 до выхода ОУ DA1 принимает значения 1; 0,1; 0,01; 0,001 в зависимости от управляющего кода на мультиплексоре DD4. При измерении тока на пределах 2, 20, 200 мА коэффициент передачи электронного аттенюатора имеет значения 100, 10, 1, поскольку сигнал на вход ОУ поступает через резистор R6.

При измерении постоянного напряжения или тока сигнал на вход АЦП DD7 поступает с выхода микросхемы DA1, а при измерении переменного — с выхода ИМС DA3, которая преобразует переменное напряжение в постоянное.

В точном выпрямителе, собранном на микросхеме DA3, входное напряжение подается на инвертирующий вход через подстроечный резистор R28. Положительная полуволна усиленного напряжения выделяется на резисторе R31, отрицательная — на R34. Между нижними по схеме выводами резисторов R31 и R34 формируется двухполупериодное выпрямленное напряжение, которое через фильтр R37C13 подается на вход АЦП.

Через R28 напряжение обратной связи поступает на вход усилителя, чем достигается высокая точность и линейность преобразования. Стабильность рабочей точки усилителя при отсутствии сигнала обеспечивается за счет обратной связи через резистор R33. Большое сопротивление у него выбрано для того, чтобы не шунтировать измерительную цепь выпрямителя.

Теперь рассмотрим работу устройства автоматического выбора предела измерения, содержащего шесть логических элементов «исключающее ИЛИ», ждущий мультивибратор и реверсивный счетчик.

При включении питания на выходах Q1 и Q2 счетчика DD6 возникает код 00, соответствующий самому чувствительному пределу 0 — 2 В. На индикаторе высвечиваются три нуля, а запятая светится в крайнем левом положении (.000).

Если входные щупы мультиметра подключить к источнику с напряжением более 2 В, тогда после цикла измерения АЦП, то есть примерно через 0,5 с, на индикаторе исчезнут показания трех цифр и останется только единица старшего разряда (1.).

Поскольку на ЖКИ подается импульсное напряжение, то исчезновение цифр означает, что на их сегментах присутствует напряжение, синфазное с напряжением на общем проводе HG1 (вывод 1). Достаточным признаком работы индикатора в таком режиме служит одновременное погасание сегментов «в» и «f» во втором разряде (выводы 5 и 9). Регистрация этого состояния производится логическими элементами DD2.1 и DD2.2, на входы которых (выводы 1 и 5) поступают сигналы с сегментов «в» и «f», а на другие входы — с микросхемы DD5, инвертирующей сигналы с управляющего вывода БИС.

Если сигналы на входах элемента «исключающие ИЛИ» синфазны, то на выходе присутствует логический 0; когда они в противофазе — логическая 1.

В случае превышения входным напряжением выбранного предела измерения на выходах элементов DD2.1 и DD2.2 появляется напряжение высокого логического уровня и на выходе устройства «И», выполненного на диодах VD8, VD9 и резисторе R17, также возникнет высокий уровень. Он запускает генератор на элементах DD5.1, DD5.2, импульсы которого частотой 1 Гц воздействуют на вход счетчика DD6. На его выходах Q1 и Q2 появляется код 01 и поступает на управляющие входы мультиплексоров DD1 и DD4. Коэффициент передачи аттенюатора становится равным 0,1, а запятая на ЖКИ перемещается на один шаг вправо.

Импульсы с генератора поступают на вход счетчика до тех пор, пока на индикаторе не появится какое-либо число. После этого на выходе элемента «И» (VD8, VD9) установится логический 0 и генератор (DD5.1, DD5.2) прекратит работу.

Переход на более низкий предел измерения происходит, когда в первом разряде индикатора появляется 0: сегменты «в» и «с» не светятся. Во втором разряде также индицируется 0, то есть светятся сегменты «а» и «d» и не горит сегмент «q».

Переход по этим признакам на более низкий предел происходит при достижении измеряемой величиной уровня, не превышающего половинного значения следующего предела. Иначе говоря, если измеряемая величина меньше 1.00, 10.0, 100, происходит переход на более чувствительный предел.

Переход осуществляется с помощью логических элементов DD2.3, DD2.4, DD3.1, DD3.2 и схемы совпадения на диодах VD11—VD14 и резисторе R23. Когда возникают условия для перехода на другой предел измерения, на выходе схемы совпадения возникает положительный импульс, обнуляющий счетчик DD6, и выбор предела начинается с уровня 0— 2 В.

При работе мультиметра в режиме омметра измеряемое сопротивление подключается к клеммам XS2, XS4, и через него протекает ток, создаваемый генератором стабильного тока, собранного на транзисторной сборке VT1. В зависимости от выбранного предела устройство вырабатывает стабильный ток силой 1000, 100, 10 или 1 мкА. Напряжение с измеряемого сопротивления через переключатели SA1 и SA2 подается непосредственно на вход БИС DD7. Чтобы исключить повреждение прибора при случайном попадании на вход омметра высокого напряжения, в измерительную цепь введены элементы защиты R9, R10, VD3, VD4, которые, не оказывая влияния на точность измерения, позволяют выдерживать на входах XS2, XS4 напряжение до 100 В.

У генератора стабильного тока выходной ток коллектора VT1.3 задается с помощью мультиплексора DD1, подключающего между коллектором VT1.1 и общим проводом один из резисторов R3, R4, R7, R8 в зависимости от кода на управляющих входах.

Вторая половина мультиплексора DD1 используется для индикации положения запятой.

Основные технические параметры мультиметра

Пределы измерений:
напряжения (В) и сопротивления (кОм) 2, 20, 200, 2000;
тока (мА) 2, 20, 200
Входное сопротивление, МОм 1
Основная погрешность при измерении:
постоянного напряжения, % ±(1+2 зн.);
переменного напряжения, % ±(2+3 зн.);
сопротивления, % ±(2±2 зн.)
Диапазон частот измерения: переменного напряжения
на пределе 0—2 В, кГц 0—10;
на остальных пределах, кГц 0—40;
переменного тока
на пределе 0—2 В, кГц до 1;
на остальных пределах, кГц до 20
Падение напряжения на входе при измерении тока:
на пределе 0,2 А, В 2;
на остальных пределах, В 0,2
Потребляемый ток, мА 5
Габариты, мм 133X75X22
Масса, г 185

Метод измерения токов мультиметром — обычный. Измеряемый ток протекает через гнезда Х3 и Х4, между которыми включен прецизионный резистор R2. Падение напряжения на нем регистрируется измерительной частью прибора. Так как номинал R2 всего 10 Ом, то на пределе 0—2 мкА падение напряжения на нем приходится усиливать в 100 раз. Предохранитель FU2 защищает резистор R2 от перегорания при ошибочных включениях.

В режиме измерения токов электронный аттенюатор превращается в усилитель с коэффициентом усиления 100, 10 или 1. Из-за большого усиления на самом чувствительном пределе полоса частот измерения переменного тока составляет всего лишь 1 кГц.

Для питания в мультиметре имеется стабилизатор напряжения (операционный усилитель DA2) и преобразователь полярности (DD3.3, DD3.4). В качестве источника опорного напряжения использован полевой транзистор с p-n переходом (VT4). Напряжение смещения на нем формируется на резисторе R18.

ОУ DA2 включен по схеме неинвертирующего усилителя, коэффициент усиления которого задается резисторами R20 и R26. Сток полевого транзистора подключен к выходу стабилизатора, поэтому образцовое напряжение поддерживается с высокой точностью, причем коэффициент стабилизации достигает 1000. Нестабильность выходного напряжения определяется в основном качеством резисторов R18, R20, R26 и температурной зависимостью образцового напряжения.

Отрицательное напряжение питания, необходимое для ОУ и АЦП, вырабатывается в диодно-емкостном преобразователе с помощью транзисторов VT2 и VT3. На входы этих элементов поступают через буфер DD5.3 импульсы частотой 50 кГц от внутреннего генератора БИС DD7, а сигнал с коллекторов VT2, VT3 благодаря диодно-емкостному преобразователю устанавливает на конденсаторе С4 отрицательное напряжение амплитудой на 1 В меньше, чем напряжение питающей батареи.

В мультиметре применены в основном резисторы марки МЛТ с допуском ±5%. Номиналы резисторов, влияющие на точность измерения (R5— R7, R16, R19, R22, R24), необходимо подобрать на цифровом омметре с погрешностью не хуже ±0,1% или, в крайнем случае, ±0,2%. Резисторы R31, R34 могут иметь сопротивление в пределах 2—3 кОм, но обязательно одно и то же (отклонение друг от друга до ±1%). Подстроечные резисторы: R29 и R28—СП3-18, a R39 — СП5-3.

Конденсаторы С17, С19, С20 — типа К73-17. Допуск на С19 должен быть не более ±5%, на остальные — до ±20%. Полярные конденсаторы — марки К53-4, остальные — КМ-5 или КМ-6.

Переключатели SA1, SA2 на два положения марки ПД-2-2П4Н. Входные гнезда разъема X1—Х4 — коаксиальные типа СП-75-513Ф, на измерительных проводах — штекеры СР-75-109Ф, обе жилы которых соединены. Гнезда Х5, Х6 — от использованной батареи «Корунд». Жидкокристаллический индикатор ИЖЦ-5-4/8 имеет выводы для впаивания в печатную плату.

Элементы мультиметра смонтированы на одной стороне печатной платы размером 131X70 мм, изготовленной из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 — 1,5 мм. Отдельные резисторы установлены на ней вертикально. Для уменьшения габаритов прибора ЖКИ размещен над БИС и некоторыми элементами АЦП. На плате закреплен также держатель предохранителя FU1.

Плата мультиметра установлена в пластмассовом корпусе, в передней крышке которого прорезаны окна под ЖКИ, два прямоугольных отверстия для переключателей и четырех круглых для входных гнезд. Причем они должны плотно входить в корпус прибора. Это дает возможность устранить механические нагрузки на впаянные в печатную плату гнезда. Задняя крышка корпуса закрывается, как в пенале, двигаясь по направляющим.

Настройку мультиметра начинают с проверки работы стабилизатора напряжения. При необходимости устанавливают выходное напряжение в пределах 5+0,2 В подбором величины резистора R10. Затем, подключив осциллограф к выводу 37 микросхемы DD7, проверяют работу внутреннего генератора БИС, подстраивают его частоту до значения 50±1 кГц, и измеряют напряжение на конденсаторе С4. С помощью осциллографа следует убедиться в отсутствии самовозбуждения на выходах ОУ DA1—DA3. Затем на выводе 36 ИМС DD7 потенциометром R39 устанавливают напряжение 1 В.

Работу устройства выбора предела и электронного аттенюатора проверяют в режиме измерения постоянного напряжения. Если на входе X1 оно отсутствует, должна быть выбрана шкала 0—2 В. При плавном возрастании напряжения на входе после достижения значения 1,999 В происходит переход на следующий предел 20 В. Если после этого входное напряжение постепенно уменьшать, то при показании индикатора ниже 1,00 В произойдет возврат на первый предел. По данной методике проверяется работа автоматики и на других пределах измерений.

Окончательно мультиметр настраивают так. Прежде всего необходимо выставить 0 на выходе микросхемы DA1 с помощью потенциометра R29. Лучше всего это сделать в режиме амперметра, на первом пределе. В данном случае разбаланс на выходе DA1 наиболее значителен, поэтому в других режимах нулевое значение на выходе будет обеспечено.

После всех геречисленных операций переходят к калибровке прибора. В режиме вольтметра на вход X1 подают напряжение 1 В, контролируя его по образцовому вольтметру с точностью не хуже ±0,5%. Потенциометром R39 выставляют на ЖКИ число 1000±5 мВ. Затем проверяют показания мультиметра возле нижней и верхней границ выбранного предела. Далее, изменяя входное напряжение, проверяют точность измерения на всех пределах.

При калибровке прибора в режиме измерения переменного напряжения подают на вход напряжение 1 В частотой 1 кГц. Потенциометром R28 устанавливают такое же показание на индикаторе. Изменяя входное напряжение и его частоту, проверяют линейность преобразования и частотные свойства вольтметра.

В режиме омметра между клеммами Х2 и Х4 включают эталонный резистор с сопротивлением, соответствующим среднему значению одного из пределов измерения, то есть 1 к, 10 к, 100 к и 1 МОм. Затем, подбирая резисторы R1—R4, добиваются соответствующего показания мультиметра.

Калибровку омметра лучше всего начинать с верхнего предела измерения. В измерительную цепь омметра включены защитные стабилитроны VD3 и VD4, влияющие на линейность преобразования «ток—напряжение», особенно вблизи максимального значения выбранного предела измерения. Поэтому проверка омметра в трех точках одного предела обязательна.

В режиме измерения токов мультиметр калибровки не требует.

В. ЕФРЕМОВ, мастер-радиоконструктор, лауреат всесоюзных выставок