Измерительные приборы для домашней лаборатории неизменно привлекают внимание радиолюбителей. Особенно это касается малогабаритных конструкций с цифровой индикацией. Среди них пальма первенства, несомненно, принадлежит мультиметрам — цифровым авометрам с автономным питанием. С применением микросхем большой степени интеграции (БИС) в качестве аналого-цифровых преобразователей размеры мультиметров по сравнению с их собратьями, выполненными на обычных МС, стали значительно меньше. Одновременно повысилась и точность измерений.
Предлагаем читателям описание мультиметра, собранного на основе БИС КР572ПВ2. Результаты измерений отображаются четырехразрядным жидкокристаллическим индикатором (ЖКИ), максимальное высвечиваемое число 1999. Цифровой авометр, по своим параметрам превосходящий широко распространенный стрелочный тестер Ц4317, свободно умещается в кармане.
Особенность данного мультиметра — электронный переключатель пределов измерений и оригинальный узел согласования выходов БИС КР572ПВ2 с жидкокристаллическим индикатором.
Питается прибор от одной батареи «Корунд», энергии которой хватает на 50 часов непрерывной работы. Минимальное напряжение, при котором мультиметр еще работает — 6,5 В. При этой величине «гаснет» ЖКИ, хотя электронная часть авометра исправно функционирует при снижении напряжения питания до 5,6 В.
Измерительный узел прибора выполнен на операционном усилителе (ОУ) DA2 (см. принципиальную схему) и на БИС DD6. Данная БИС структуры КМОП работает по принципу двойного интегрирования на 3,5 десятичных разряда с выходами для управления семисегментными светодиодными индикаторами.
Максимальный ток, потребляемый БИС серии КР572ПВ2 от обоих источников питания,— не более 1,8 мА, выходной ток старшего разряда — не менее 10 мА, остальных — не менее 5 мА. Коэффициент ослабления синфазного сигнала АЦП -. достигает 100 дБ, погрешность преобразования не превышает 1, 3 и 5 единиц счета соответственно для КР572ПВ2А, КР572ПВ2Б и КР572ПВ2В. Указанные параметры гарантируются при температуре 25+10 С и питающих напряжениях +5 В (UПИТ1) и —5 В (UПИТ2) с нестабильностью + 1%. Нестабильность образцового напряжения,/ подаваемого на вывод 36, должна быть не хуже ±2,5Х 10-3 при UОБР. =1 В и ±0,25X10-3 при U ОБР. =0,1 В.
Напряжение питания Uпит.1 может быть в пределах от +4,5 до +5,5 В, Uпит.2 от —8 до —4,5 В. Входное и образцовое напряжения не должны превышать напряжения источников питания.
Чтобы БИС не вышла из строя, ее вначале соединяют с общим проводом (выводы 21 и 32), а затем последовательно подают напряжения: питания (выводы 1 и 26), образцовое (выводы 35 и 36) и, наконец, входное (выводы 30 и 31). Снимают напряжения в обратном порядке. При преобразовании входного сигнала, измеряемого относительно общего провода, выводы 30, 32 и 35 МС соединяют с общим проводом.
В данном мультиметре включение БИС КР572ПВ2 отличается от типового. Особенность — в работе на жидкокристаллический индикатор, выводы сегментов которого подключены через диоды VD14—VD36 к выходам БИС и через резисторы R34—rR59 к общему проводу ЖКИ. На него подается импульсное напряжение частотой 1 кГц. Такое включение микросхемы КР572ПВ2 позволяет ей работать с ЖКИ, правда, в этом случае постоянная составляющая напряжения на сегментах индикатора несколько превышает допустимое значение.
Частота следования импульсов тактового генератора, входящего в состав БИС, определяется элементами R71, С20 и равна 40 кГц.
Измеряемое напряжение через переключатель SA1 поступает на электронный аттенюатор, образованный мультиплексором DD2 и ОУ DA1. Выбранной шкале измерения соответствует определенный двоичный код на выводах 9 и 10 мультиплексора, который вводит в цепь обратной связи ОУ соответствующее сопротивление, образованное резисторами R25, R27, R29, R33. Эти резисторы в зависимости от управляющего кода мультиплексора обеспечивают следующие коэффициенты передачи от входной клеммы XI до выхода DA1:1; 0,1; 0,01; 0,001.
Входное сопротивление мультиметра при измерении напряжений определяется резистором R8. Совместно с диодами VD4 и VD5 он обеспечивает защиту микросхемы DA1 от перегрузок при случайном превышении входным напряжением предельного значения выбранной шкалы.
При измерении тока на пределах 1, 10, 100 мА коэффициент передачи электронного аттенюатора принимает значения: 100; 10; 1. Измерение тока силой от 0,1 до 1А производится через гнездо Х4. В этом случае коэффициент передачи входной цепи равен 1.
В режиме измерения постоянного напряжения или тока сигнал на вход БИС АЦП поступает с выхода микросхемы DA1. При измерении переменных величин двуполярный сигнал с выхода DA1 преобразуется в однополярный выпрямителем, собранным на ОУ DA2, и через сглаживающий фильтр подается на вход БИС. В двуполярном выпрямителе стабильность выходного нулевого напряжения обеспечивает резистор R62. Отрицательная обратная связь по переменному напряжению осуществляется конденсатором С15.
При измерении сопротивлений через входные гнезда мультиметра и подключенный к ним резистор протекает ток, величина которого не зависит от номинала измеряемого резистора. Его вырабатывает генератор стабильного тока, собранный на транзисторах VT2 — VT4. Мультиплексор DD1 в зависимости от выбранного предела подключает один из резисторов R12 — R15, задавая необходимое значение . стабильного тока.
Устройство выбора предела измерения выполнено на микросхемах DD4, DD5 и содержит два RS-триггера (DD4.1 и DD4.2), одновибратор (DD4.3) и реверсивный счетчик (DD5). Логические уровни на выходах Q1 и Q2 счетчика DD5 управляют работой мультиплексоров DD1 и DD2 и определяют таким образом выбранный предел измерений. Коду 00 соответствует предел измерения 2; 01—20; 10— 200; 11—2000 В (мА, кОм).
При включении мультиметра на выходе счетчика DD5 устанавливается код 01 и включается предел 20 В (мА, кОм).
Выбирают необходимый предел измерений нажатием кнопки SB1 или SB2. В первом случае ( + 1) происходит переход на больший предел измерения, во втором (— 1) —на меньший. На ЖКИ это отображается перемещением запятой вправо или влево. Рассмотрим, как это происходит. При нажатии SB1 (SB2) ток заряда конденсатора С5 (С6) вызывает появление положительного импульса на входе RS-триггера DD4.1 (DD4.2), и он срабатывает. Перепад напряжения на выходе DD4.1 (DD4.2) запускает одновибратор DD4.3, выходной импульс которого поступает на счетный вход счетчика DD5 и изменяет его состояние на 1. Одновибратор DD4.3 через цепочку R32C11 воздействует на RS-триггеры DD4.1 и DD4.2, возвращая их в исходное состояние через 100 мкс.
Режим работы счетчика DD5 задает логический уровень на входе ± 1: если имеется логическая 1, то происходит суммирование, если логический 0 — вычитание. В мультиметре нулевой уровень присутствует на входе ±1 микросхемы DD5 постоянно, но при нажатии на кнопку SB1 ( + 1) на этом входе появляется логическая единица, она исчезает после того, как в счетчик будет записана 1. Длительность положительного импульса на входе +1 счетчика DD5 — около 101 мкс. Описанный способ переключения пределов измерения выбран с перспективой создания на базе этого прибора мультиметра с автоматическим выбором пределов.
Питающие напряжения +5,5 В и —4,7 В вырабатывает узел питания, состоящий из стабилизатора и преобразователя полярности. Положительное напряжение образует стабилизатор, собранный на транзисторах VT1, VT5, VT6. Такой стабилизатор имеет коэффициент стабилизации по напряжению не менее 500 и защиту от короткого замыкания. При включении мультиметра цепь запуска, состоящая из элементов С1, VD1, R6, выводит стабилизатор на рабочий режим. Падение напряжения на регулирующем транзисторе VT1 стабилизатора составляет всего 0,05—0,1 В.
Принципиальная схема мультиметра:
DA1, DA2 К544УД1А, DD1, DD2 К564КП1, DD3 К564ЛА7, DD4 К564ТР2, DD6 КР572ПВ2Б; VT1, VT7 КТ361Б, VT2 — VT4 КТ3107Б, VT5, VT6, VT8 КТ315Б; VD1, VD6, VD7, VD10, VD11, VD14 — VD36 КД10ЗА, VD4, VD5 КД503Б, VD8, VD9, VD12, VD13 Д9Д.
Напряжение отрицательной полярности —4,7 В получается в преобразователе, который содержит генератор, выходной, транзисторный каскад и емкостный умножитель напряжения. Выходное напряжение генератора, собранного на микросхеме DD3, представляет собой последовательность импульсов с частотой около I кГц. Эти импульсы поступают на базы транзисторов VT7 и VT8 выходного каскада и поочередно открывают и закрывают их. Когда открыт транзистор VT7, конденсатор СЮ заряжается через него и диод VD8, а когда VT8 — конденсатор С10 разряжается через него и диод VD9, заряжая конденсатор С9, где устанавливается отрицательное напряжение —4,7 В.
Поскольку на выходной каскад преобразователя подается стабилизированное напряжение и нагрузка по цепи —4,7 В неизменная, то отрицательное напряжение является стабильным.
Амплитуда пульсаций отрицательного напряжения под нагрузкой не превышает 10 мВ. Ток, потребляемый узлом питания без нагрузки, составляет 1,5—2 мА.
В мультиметре применены в основном резисторы МЛТ с допуском ±5%, и лишь резистор R4 марки С1-8 имеет допуск ±1%- Номиналы резисторов, влияющих на точность измерения (R3, R4, R8, R9, R25, R27, R29, R33), необходимо подобрать по цифровому омметру с точностью не хуже ±0,1%. Такая операция значительно сократит время настройки мультиметра. Под-строечные резисторы — СПЗ-18.
Печатная плата цифрового тестера со схемой расположения элементов.
Основные технические параметры мультиметра
Верхние пределы измерений: постоянного напряжения (В),
тока (мА) и сопротивлений (кОм). . 2; 20; 200; 2000
переменного напряжения (В) и тока (мА)…. 1; 10; 100; 1000
Входное сопротивление, МОм……….1
Основная погрешность при измерении:
постоянного напряжения, %……..1
переменного напряжения, %……..3
постоянного тока, %. . . 1
переменного тока, % . . 3
сопротивлений, %…. 1
Диапазон частот измерения: переменного напряжения, кГц…. 0,02-20
переменного тока, кГц…….0,02-10
Падение напряжения на входе при измерении тока на пределах 0,1 и 1 А, В…….не более 1
на остальных пределах, В …. не более 0,1
Потребляемый ток, мА…….не более 8
Габариты, мм . . 130x63x25 Масса, г……..185
В приборе применены оксидные конденсаторы К.53-1 и К53-19, постоянные конденсаторы С4 — С8, СП — С20 марки КМ.
Кнопками выбора пределов служат микропереключатели типа МП-9 или МП-12; тумблер включения питания— МТ-1; переключатели: SA1 — ПГ2-ЗП-ЗН, SA3 выполнен из двух тумблеров МП-12.
Элементы мультиметра размещены на печатной плате, изготовленной из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм (см. рис.). Постоянные резисторы и МС DD7 установлены на плате вертикально. Элементы R3, R4, R8, R9 и FU2 монтируются на переключателе SA1.
Компоновка прибора.
Для уменьшения размеров прибора ЖКИ размещен над БИС.
На рисунке платы необходимо связать между собой соответственно точки А — А, В — В, Г — Г и 7—7, а точку Д подсоединить к выводу 14 DD3. Резисторы R34 — R59 и диоды VD14 — VD36 не обозначены.
Налаживание мультиметра начинают с проверки узла питания. О его исправной работе свидетельствует наличие обоих выходных напряжений и потребляемый ток в отсутствии нагрузки не более 2 мА. Выходное напряжение в пределах 5,2—5,5 В устанавливают с помощью стабилитрона VD3.
В режиме измерения постоянного тока при неподключенных выходных гнездах на табло ЖКИ должно появиться число 000 или —000, которое сменяется показанием —1888, если подать напряжение -|-5 В на вывод 37 БИС DD6.
Нажатием кнопок SB1 и SB2 проверяют работу узла выбора предела измерения, контролируя правильность высвечивания запятых. При необходимости проверяют по осциллографу RS-триггеры DD4.1 и DD4.2, одновиб-ратор DD4.3 и счетчик DD5.
Затем переходят к испытанию электронного аттенюатора. Для этого в режиме измерения напряжения подают на вход мультиметра сигнал величиной 1 В и частотой 1 кГц. Выходной сигнал контролируют на выводе 6 микросхемы DA1. Коэффициент передачи входного устройства зависит от выбранного предела измерения и должен составлять соответственно 1; 0,1; 0,01; 0,001 на пределах 2; 20; 200; 2000 В (мА, кОм). Если электронный делитель работает исправно, закорачивают входные гнезда и подстроечным резистором R28 устанавливают 0 на выходе ОУ DA1.
Далее подсоединяют осциллограф к выходу микросхемы DA2 (вывод 6) и переменным резистором R63 производят его балансировку. В обоих случаях точность установки нуля составляет ±0,1 мВ.
Для установки чувствительности мультиметр переводят в режим измерения постоянного напряжения на пределе 2 В. Подав на вход калиброванное постоянное напряжение 1000 мВ, подстроечным резистором R69 устанавливают на табло показание «1.000». В режиме измерения переменного напряжения на вход прибора подают сигнал величиной 1000 мВ, частотой 1 кГц и подстроечным резистором R65 устанавливают на табло число «1.000». Величины резисторов R12—R15 подбирают при подключенных к входу образцовых резисторах сопротивлением 100 Ом, 10, 100 кОм и 1 МОм.
Компоновка цифрового тестера приведена на рисунке.
Автор: Е. ВЕЛИК, В. ЕФРЕМОВ
«М-К» 189