«Бесполярный» вольтметр

Этот прибор предназначен для настройки и ремонта звукоусилительной аппаратуры. А поскольку он автоматически выбирает и указывает вид измеряемого напряжения (постоянное или переменное), нет необходимости соблюдать полярность подключения. Помимо того, вольтметру не страшны перегрузки.

Прибор имеет две линейных шкалы напряжений и одну шкалу уровня, отградуированную в децибеллах, — она служит для проверки частотной характеристики звукового тракта. Вольтметр сначала подсоединяют к входу усилителя, с которого поступает сигнал частотой 1 кГц, ручкой «Уст. уровня» переводят стрелку на отметку 0 дБ, а затем снимают частотную характеристику устройства. (За 0 дБ принят уровень 1,55 В для профессиональной аппаратуры и 0,775 В — для бытовой.)

Вольтметр собран в корпусе прибора Ц4312. Работает он от двух батарей «Крона-ВЦ», их можно заменить двумя батареями 3336Л, напряжение которых увеличено до 6,3 В с помощью двух модульных блоков питания (см.: «М-К», 1981, № 5).

Допустимо использование любого стрелочного прибора с пределом измерений от 0,1 до 3 мА.

Измерительная часть вольтметра собрана на операционных усилителях (ОУ) А1 и А2 (рис. 1), микросхема АЗ предназначена для индикации полярности и выбора вида измеряемого напряжения.

Первый каскад измерительной части (А1) включен как неинвертирующий усилитель, имеющий коэффициент усиления по напряжению:

k ≈ 1 + R5/R2 = 1 + 1000/51 = 20,6.

При таком включении входное сопротивление ОУ составляет около 500 МОм, и он не влияет на делитель, состоящий из резисторов R1, R3 и R4. Его коэффициент деления на шкале 3 В также составляет 20,6. Таким образом, величины напряжений на входе вольтметра и на выходе микросхемы А1 равны: входной делитель совместно с А1 образуют повторитель напряжения с высоким входным и малым выходным сопротивлениями. Величину первого определяет в основном резистор R1, второго — выходное сопротивление ОУ, не превышающее при таком включении 0,15 Ома. На пределах измерений 0,3 и 1 В R1 шунтируют резисторы R7 и R8, поэтому входное сопротивление вольтметра для малых напряжений составляет соответственно 110 кОм и 300 кОм. Резистор R3 уменьшает влияние входных токов смещения на показания при измерении напряжений от 10 до 300 В. Максимальное значение напряжения на входе микросхемы А1 ограничивают диоды V1, V2, защищая ее от пробоя.

Второй каскад измерительной части собран на операционном усилителе А2, выполняющем функции генератора стабильного тока. Нагрузкой его служит измерительный прибор РА1. Такое схемное решение позволяет с большой точностью реализовать закон Ома, поскольку протекающий через прибор ток Iпр. определяется выражением:

Iпр. = Uвх./R,

где: Uвх — величина напряжения на неинвертирующем входе 3 микросхемы А2,

R — сопротивление между инвертирующим входом 2 и общим проводом.

При измерении постоянного напряжения R = R26+R29, а при измерении переменного — R=R26+Rси, где Rси — сопротивление «сток—исток» открытого полевого транзистора V3. Из приведенного выражения следует, что сопротивление между выходом ОУ и инвертирующим входом не влияет на величину Іпр, что позволяет использовать любой измерительный прибор с чувствительностью от 100 мкА до 3 мА, подобрав соответствующие значения резисторов R26, R29.

Операционный усилитель А3 включен по схеме компаратора, на неинвертирующий вход 10 которого подано опорное напряжение отрицательной полярности величиной около 60 мВ. Когда потенциал на входе вольтметра отсутствует, горит светодиод В2 («+»): отрицательное напряжение с выхода А3 закрывает транзистор V8. При измерении отрицательного потенциала напряжение на выходе компаратора меняет полярность, V8 открывается, загорается светодиод В1 («—»), а В2 гаснет. Если измеряют переменное напряжение, горят оба светодиода. Чувствительность компаратора определяется коэффициентом усиления ОУ (для К140УД1А Ку = 500) и величинами R20 и R24. С элементами, указанными на схеме, компаратор срабатывает при входном отрицательном напряжении 170 мВ, а возвращается в исходное состояние при напряжении 130 мВ. Эти значения приведены для шкалы «3 В». На других пределах компаратор срабатывает в интервале между первыми двумя делениями выбранной шкалы.

Когда измеряют переменное напряжение, сигнал в форме меандра поступает с выхода компаратора на параллельный детектор, собранный на диодах V9, V10. Постоянное напряжение с него через фильтр R33, С2 попадает на эмиттерный повторитель V13. Напряжение с коллектора открытого транзистора отпирает полевой полупроводниковый прибор V3, и он закорачивает резистор R29.

Прибор питается от двух последовательно включенных батарей «Крона-ВЦ», напряжение которых при токе 20 мА должно составлять 14—18 В. Эту величину стабилизирует электронное устройство, выполненное на основе микросхемы К142ЕН1А (рис. 2). Чтобы уменьшить падение напряжения на ней, включен транзистор V2. Напряжение 12,6 В на его коллекторе устанавливают подбором сопротивления резистора R2.

Симметричное двухполярное питание получают с помощью ОУ на микросхеме А2 и усилителя мощности на транзисторах V3, V4.

Диод V1 защищает стабилизатор напряжения от пробоя в случае неправильного подключения батарей. Максимальный ток нагрузки устройства 40 мА.

Вольтметр смонтирован на двух платах толщиной 2 мм (рис. 3, 4) из фольгированного стеклотекстолита. Части прибора соединены между собой проводом МГШВ 0,15.

Компоновка вольтметра в корпусе авометра Ц4312 показана на рисунке 5. Светодиоды, подстроечные резисторы R6, R23, переключатель пределов, кнопки «Контроль» и «Уст. уровня» размещены на печатной плате. Такая конструкция позволяет сократить количество соединительных проводов, но требует точной разметки отверстий на верхней панели под светодиоды и переключатели.

В вольтметре применены постоянные резисторы МЛТ-0,125 (R1—МЛТ-0,5), переменные — СП5-3, кнопки типа П2К. Диоды V4—V7 подбирают таким образом, чтобы разброс по прямому напряжению при токе полного отклонения стрелки измерительного прибора был минимальным. Необходимо соблюдать меры предосторожности при монтаже полевого транзистора V3 и при подборе резисторов R26, R29, чтобы избежать пробоя МОП-прибора статическим электричеством. Для настройки «бесполярного» вольтметра понадобятся регулируемый источник постоянного напряжения на 0—300 В, генератор звуковых частот, эталонный вольтметр с классом точности 0,5 и осциллограф.

Налаживание начинают с проверки величины напряжений на активных элементах. С помощью осциллографа убеждаются в отсутствии самовозбуждения на выходах микросхем А1—А3 (рис. 1). Постоянное напряжение на тех же выводах у А1 и А2 должны быть 0 В, а у АЗ — 4 В. Горит светодиод B2 («+»), транзисторы V8, V12 закрыты. Вход вольтметра закорачивают и на выходе А1 устанавливают с помощью переменного резистора R6 напряжение 0±3 мВ. Вращая ось R23, стрелку индикатора РА1 приводят в нулевое положение.

Затем приступают к настройке вольтметра в режиме измерений переменного напряжения. Прибор переключают в положение «3 В» и от генератора подают сигнал частотой 1000 Гц, величиной 3 В. В этом случае должны гореть оба Светодиода, напряжение на выходе А1 2,8—3 В. С помощью резистора R26 стрелку измерительного прибора устанавливают на значение «3 В». Уменьшая уровень сигнала на входе вольтметра с 3 В до 0 В, проверяют соответствие градуировки шкалы величине переменного напряжения с генератора. Далее подбирают резисторы R7—R12 входного делителя для других пределов.

После этих операций определяют частотные свойства прибора. Вольтметр имеет линейную частотную характеристику на участке от 30 Гц до 15 кГц. Ее расширяют до 20 кГц введением корректирующих емкостей во входной делитель.

Настройку вольтметра для измерения постоянных напряжений проводят на шкале «3 В», подавая на вход величину +3 В. С помощью резистора R29 стрелку прибора устанавливают на максимальную отметку, а затем проверяют градуировку вольтметра на всех шкалах. Когда на него подают напряжение отрицательной полярности величиной более 200 мВ, загорается светодиод В1 «—». Он гаснет при потенциале 130 мВ.

В последнюю очередь подбирают резистор R15, добиваясь, чтобы при нажатой кнопке S1 «Контроль» на вход вольтметра поступало напряжение 3 В.

Прежде чем начать работать с прибором, убедитесь в его исправности и наличии источника питания, нажав на кнопку «Контроль». Если стрелка указывает на отметку «3 В» и горит светодиод «—», можно приступать к измерениям.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЛЬТМЕТРА

Диапазон измеряемых напряжений, В … 0,01—300
Пределы измерений постоянного и переменного напряжений, В … 0,3—1—3—10—30—100—300
Основная погрешность, не более % … 2,5
Входное сопротивление, Ом:
а) на пределах 0,3—1 В … 10⁵
б) на остальных пределах … 10⁶
Диапазон измеряемых частот на уровне ± 0,5 дБ, Гц … 20—20000
Потребление тона по цепям ±6,3 В, мА … 12

В. ЕФРЕМОВ, Ю. ШНАПЦЕВ