Миллиомметр — приставка к мультиметру

Приставка совместно с цифровым мультиметром серий М-83х, DT-83x позволяет проводить измерения малых активных сопро­тивлений с дискретностью 0,001 Ом. Как и предыдущие при­ставки, разработанные автором, она питается от внутреннего стабилизатора АЦП мультиметра.

Известно, что мультиметры серий М-83х, DT-83x обладают малой погрешностью измерения напряжения постоянного тока. Причём эту погреш­ность всегда можно минимизировать, откалибровав прибор подстройкой об­разцового напряжения (100 мВ). По­этому, по мнению автора, разработка и повторение приставок для мультимет­ра, преобразующих ту или иную изме­ряемую величину в постоянное напря­жение на его входе «VΩmA», могут пред­ставлять интерес для определённой части радиолюбителей как с финансо­вой точки зрения, так и с творческой. При доступности элементной базы и её стоимости из таких приставок можно собрать неплохой измерительный ком­плекс для домашней лаборатории, не прибегая к покупке дорогих измери­тельных приборов, причём зачастую с погрешностью измерений, приближаю­щейся к погрешности самого мульти­метра. Очередная такая приставка — миллиомметр — представлена ниже. Она позволяет измерять малые актив­ные сопротивления резисторов, что особенно важно при их самостоятель­ном изготовлении из отрезков проводов с высоким удельным сопротивлением, например, для различных шунтов.

Основные технические характеристики

Интервал измерения, Ом ………0,001… 1,999

Погрешность измерения со­противления в интервале 0,2…1,999 Ом, %, ………не бо­лее *  2

Напряжение питания, В ………3

Ток потребления, мА, не более ………2,5

______________

* Погрешность измерения тщательно на­лаженного устройства в указанном выше интервале практически сводится к погрешно­сти мультиметра в режиме измерения посто­янного напряжения на пределе 200 мВ через 5…Ю мин после включения приставки при замкнутых измерительных зажимах.

Существуют два простых способа из­мерения низкоомных резисторов. Пер­вый — подавать через измеряемый резистор небольшой ток (единицы мА) с последующим усилением падения на­пряжения на измеряемом резисторе. Однако это потребует применения в усилителе постоянного тока дорогосто­ящих и не всем доступных прецизион­ных ОУ с малым напряжением смеще­ния нуля и его уходом от изменения температуры. Второй — более простой и менее затратный — подавать больший ток (например, 100 мА) и непосредственно измерять падение напряжения на резисторе. В случае наличия соответ­ствующего источника постоянного тока (ИТ) так и поступают. На первый взгляд, при питании миллиомметра от АЦП мультиметра такой возможности нет. Но существует ещё и импульсный метод, когда ток от ИТ для измерения подают короткими во времени импульсами по отношению к их периоду. При этом средний ток измерения, как известно, снижается пропорционально скважнос­ти импульсной последовательности.

Этот метод, как и в некоторых предыду­щих разработках, например [1, 2], ис­пользован для измерения малых сопро­тивлений.

Схема приставки приведена на рис. 1. Рассмотрим работу приставки при подключённом к зажимам ХТЗ, ХТ4 измеряемом резисторе Rx.

На логическом элементе DD1.1 — триггере Шмитта (ТШ), элементах VD1, С1, R1, R2 собран генератор импульсов. Период повторения импульсов —1…160 мкс, пауза — 3…4 мкс. При указанном на схеме включении диода VD1 генератор потребляет минималь­ный ток, что связано с особенностью разного потребления тока ТШ при его переходе из состояния логического нуля в логическую единицу и обратно [3]. Когда напряжение на входе умень­шается от высокого уровня к низкому (на выходе уровень логического нуля), сквозной ток через выходные транзис­торы ТШ в 2…4 раза больше, чем в об­ратном случае. Эта особенность, по на­блюдениям автора, проявляется во всех ТШ буферизированной логики КМОП.

Поэтому, если время разрядки конденсатора С1 сократить вве­дением цепи VD1R2, средний ток потребления генератором импульсов при питании 3 В для серии 74НС будет равен 0,2 мА вместо 0,5…0,8 мА. Элементы DD1.2 и DD1.3 — инверторы, на выходе которых длительность импульсов равна 3…4 мкс, а пау­за — 150… 160 мкс. Они включе­ны параллельно для повышения нагрузочной способности.

На транзисторе VT1 собран источник тока. Диод VD2 — тер­мокомпенсирующий. Ток ИТ за­дан равным 100 мА. При таком токе на резисторе сопротивле­нием 2 Ом падение напряжения равно 200 мВ, что соответствует пределу измерения в мульти­метре «200 mV». ИТ задаёт ток для измерения только при по­явлении паузы на выходе гене­ратора импульсов на DD1.1, когда резистор R4 на время 3…4 мкс через этот выход под­ключён к общему проводу. «Ус­коряющий» конденсатор С2 уменьшает время переключе­ния транзистора VT1 для полу­чения на измеряемом резисто­ре Rx прямоугольных импуль­сов. Инвертированные импуль­сы с выходов элементов DD1.2, DD1.3 поступают на затвор по­левого транзистора VT2, вклю­чённого как синхронный детек­тор. На время действия импуль­са ток от ИТ проходит через из­меряемый резистор, создавая на нём падение напряжения, ко­торое через открытый транзи­стор VT2 синхронного детек­тора поступает на «запоминаю­щий» конденсатор С4, заряжая его до падения напряжения на резисторе. Напряжение с кон­денсатора через клеммы ХР2, ХРЗ поступает на вход «VΩmA» для измерения. По окончании импульса оба транзистора закрываются на время 150… 160 мкс до появления следующего. Сглаживаю­щий конденсатор СЗ ёмкостью 220 мкФ устраняет в линии питания импульсный характер тока потребления приставкой, поддерживая его на уровне около 2,5 мА для встроенного стабилизатора напряжения +3 В АЦП мультиметра. Этот ток нетрудно определить, учиты­вая, что скважность импульсов на вы­ходе инверторов DD1.2, DD1.3 равна 40…50 (100 мА / (40…50)).

Узел на полевом транзисторе VT3 и элементах R8, С5 служит для ограни­чения тока зарядки конденсатора СЗ от стабилизатора напряжения АЦП на уровне не более 3 мА с момента по­дачи питания в течение 5 с. При по­даче питания напряжение на конден­саторе С5 начинает расти за счёт про­текания зарядного тока через рези­стор R8. Когда оно достигнет порого­вого для транзистора VT3, последний начинает плавно открываться, обес­печивая ток зарядки конденсатора СЗ на безопасном для стабилизатора АЦП уровне. Резистор R7 и диод VD3 обес­печивают разрядку конденсатора С5 после отключения питания.

Приставка собрана на плате из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита. Чертёж печатной платы и расположение на ней элемен­тов показаны на рис. 2.

Фотография собранной приставки представлена на рис. 3.

Конденсаторы, резисторы и диоды — поверхностно монтируемые. Конденса­торы С1, С2, С4 — керамические типо­размера 1206, СЗ, С5 — танталовые ти­поразмеров С и В. Все резисторы — 1206. Немного подробнее следует ска­зать о транзисторе 2SA1286 (VT1) [4]. Он заменим, например, 2SA1282, 2SA1282A с коэффициентом передачи тока h_2lЭ не менее 500 (дополнительный индекс G) [5]. Возможна замена и на другие анало­гичные с меньшим h_21Э (до 300), при этом сопротивление резистора R4 следует уменьшить до 1,8…2кОм. Главное — проверить в документации или экспери­ментально, чтобы пологая часть выход­ной характеристики транзистора при токе коллектора I, 100 мА начиналась с напряжения U_KЭ не более 0,5 В. В про­тивном случае на указанную погреш­ность измерения рассчитывать не при­дётся — она может быть существенно больше. Полевой транзистор IRLML2402 (VT2) заменим, например, FDV303N, а IRLML6302 (VT3) — BSS84. При иной замене следует учесть, что пороговое напряжение транзисторов, сопротивле­ние открытого канала и входная ёмкость (Ciss) должны быть сопоставимы заме­няемым.

Штырь ХР1 «NPNc» — подходящий от разъёма или отрезок лужёного провода подходящего диаметра. Отверстие под него в плате сверлят «по месту» после установки штырей ХР2, ХРЗ. Штыри ХР2 «VΩmA» и ХРЗ «СОМ» — от щупов для мультиметра. Неразъёмные соединения XT 1, ХТ2 — лужёные пустотелые медные заклёпки, пропаянные с предназначен­ными для них контактными площадка­ми на печатной плате. В заклёпки вставлены и пропаяны облуженные кон­цы гибкого провода МГШВ сечением 0,5…0,75 мм², заканчивающиеся зажи­мами ХТЗ, ХТ4 типа «крокодил». Длина каждого провода — 10…12 см. Нижние внутренние поверхности «пасти» зажи­мов облуживают. Концы проводов, иду­щих к ним, облуживают, затем протаски­вают в нижние «пасти» зажимов и при­паивают. Припой следует нанести с излишком, который затем опиливают надфилем до уровня зубьев «крокоди­ла», как показано на фотографии рис. 4.

Приставка требует налаживания. При работе с ней переключатель рода работ мультиметра устанавливают в положе­ние измерения постоянного напряже­ния на пределе «200 mV». Показания с учётом высвечиваемой запятой следует делить на 100. Перед подключением приставки к мультиметру следует про­контролировать потребляемый ею ток от другого источника питания напряжени­ем 3 В, имеющего защиту по току, чтобы не вывести из строя встроенный ма­ломощный стабилизатор напряжения питания АЦП в случае неисправности какого-либо элемента или случайного замыкания токоведущих дорожек платы.

Подключите приставку к мультимет­ру и замкните зажимы ХТЗ, ХТ4, «заку­сив» их «пасти» с напаянными площад­ками друг на друга. Дайте установить­ся тепловому режиму транзистора VT1 в течение 5… 10 мин. Несмотря на то что корпус транзистора холодный на ощупь, кристалл внутри корпуса даже от коротких импульсов тока 100 мА за это время нагреется и его температу­ра стабилизируется. Для облегчения налаживания резисторы R3 и R6 на плате составлены из двух, соединён­ных параллельно. На рис. 2 они обо­значены как R3’, R3” и R6’, R6”. Через 5… 10 мин подберите резистор R6’ так, чтобы показания индикатора мультимет­ра оказались в интервале 0…+0.5 мВ, а затем подбором дополнительного рези­стора R6” большего сопротивления ус­тановите «чистый» ноль (±0 мВ). Далее, подключив к зажимам ХТЗ, ХТ4 заведо­мо измеренный резистор Rx, например, 1 Ом, резисторами R3’ и R3″ установите соответствующие показания на индика­торе мультиметра. Для уменьшения погрешности измерений указанные операции следует повторить до получе­ния нужного результата. На рис. 5 по­казана фотография приставки с мульти­метром при измерении проволочного резистора С5-16МВ мощностью 2 Вт с номинальным сопротивлением 0,33 Ом и допуском ±5 %.

При изменении печатной платы сво­бодные входы элементов микросхемы DD1 следует соединить с плюсовой ли­нией питания или с общим проводом.

Печатная плата

ЛИТЕРАТУРА

1. Глибин С. Измеритель ЭПС — пристав­ка к мультиметру. — Радио, 2011, № 8, с. 19, 20.
2. Глибин С. Замена микросхемы 74АС132 в измерителе ЭПС. — Радио, 2013, № 8, с. 24.
3. 74НС14, 74НСТ Hex inverting Schmitt trigger. — URL: http://www.nxp.com/documents/data_sheet/74HC_HCT14.pdf (6.04.15).
4. URL:  http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets2/14/147003_1.pdf (6.04.15).
5. 2SA1282, 2SA1282A. URL: http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheets2/16/163185_2.pdf (6.04.15).

Автор: С. ГЛИБИН, г. Москва
Источник: Радио №8, 2015