/
Автор: Нюрманн Д.
Теги: электротехника типы издательств и виды книжной торговли приборостроение измерительные приборы
ISBN: 5-283-02508-X
Год: 1991
Текст
Д. Нюрманн
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРИБОРЫ
для домашней
лаборатории
Энергоатом издат
Д. Нюрманн
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРИБОРЫ
для домашней
лаборатории
Перевод с немецкого
канд. техн. наук.
В.А. АЛЕШЕЧКИНА
Москва
Энергоатомиздат
1991
ББК 34.9
Н97
УДК 621.3.038:655.412
Рецензент д-р техн, наук Ф.Н. Покровский
Niilirmann D.
Me/3gerate fur das Elektronik-Labor.
Aufbau und Funktion preiswerter Me,6gerate
Franzis—Verlag GmbH,
Munchen, 1988
Нюрманн Д.
H97 Измерительные приборы для домашней лаборатории: Пер.
с нем. - М.: Энергоатомиздат, 1991. — 64 с.
ISBN 5-283-02508-Х
Основное назначение книги - помочь любителю электронной техники
оснастить свою измерительную лабораторию для наладки современных
электронных устройств. Кратко изложены сведения, необходимые для
проведения простых измерений в домашних условиях. Рассмотрены
принципы действия, схемы и конструкции измерительного моста, инди-
катора сигналов звукового диапазона частот, мультиметра, индикаторов
напряжения и частоты для любительского сигнал-генератора, функцио-
нального генератора. Схемы приведенных устройств доступны для
усвоения самым широким кругам радиолюбителей.
Для начинающих и квалифицированных любителей-конструкторов.
2004010000-074
Н---------------J 36 -91 Б Б К 34.9
051(00-91
ISBN 5-283-02508-Х (рус.)
ISBN 3-7723-2151-8 (нем.)
© Franzis-Verlag GmbH,
Munchen, 1988
© Перевод на русский язык.
Эпергоатомиздат, 1991
Предисловие
Все те, кто решил практически заняться электроникой, очень
скоро смогут убедиться, что без средств измерения невозмож-
но ни разрабатывать, ни налаживать, ни контролировать соз-
даваемые электронные устройства.
Поэтому и любительская . лаборатория должна быть на
должном уровне оснащена соответствующими измерительными
приборами, которые в достаточном количестве выпускаются
промышленными предприятиями. Предлагаемая вниманию
читателей книга поможет ответить на вопрос — что это за при-
боры? Кроме того, читатель узнает, как их изготовить.
Преимущество предлагаемого подхода заключается в том,
что измерительные приборы подбираются или изготавливают-
ся в зависимости от потребности в том или ином виде измере-
ния. При этом затраты на их производство оказываются
сравнительно небольшими. Используемые в схемах полупро-
водниковые приборы могут быть заменены их аналогами.
Успеха Вам’
Дитер Нюрманн
Указание
Приведенные в книге схемы не претендуют на патентную
’’чистоту” и предназначены для использования в домашних
любительских измерительных лабораториях.
Все схемы и технические решения тщательно проверены
автором для исключения возможных ошибок. В то же время
автор считает необходимым подчеркнуть, что он не несет ни
юридической, ни какой-либо иной ответственности в тех случа-
ях, когда ошибки будут обнаружены. Автор и издательство
будут благодарны читателям за замечания, касающиеся выяв-
ленных в книге неточностей и ошибок в схемах.
1 Мостовые схемы для измерения
сопротивления и емкости
Мостовые схемы являются более сложными устройствами, чем оммет-
ры (в том числе и в составе универсальных приборов), предназначенные
для измерения сопротивления. Используемый в мостовых схемах прин-
цип измерения в одинаковой степени пригоден для измерения сопротив-
ления, емкости и индуктивности, хотя данная глава посвящена в основ-
ном определению первых двух из указанных параметров.
ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТИ И ИНДУКТИВНОСТИ
С ПОМОЩЬЮ МОСТА УИНСТОНА
На рис. 1.1 приведена схема моста Уинстона. Движок потенциометра Р
устанавливается в положение, при котором разность потенциалов (или
напряжение) между точками А и В равна нулю. Тогда искомое значение
сопротивления
R1
Rx — R п----- .
Х В R2
Сопротивление резистора RB остается постоянным и его значение зада-
ет диапазон измерения параметра, а на потенциометре Р имеется нели-
нейная шкала с отсчетным устройством, указывающим для каждого
положения движка соотношение R1/R2. Шкала разделена на две декады с
диапазонами (0,1-1,0) и (1-10), т.е. левое и правое крайние деления
шкалы представлены цифрами соответственно 0,1 и 10.
Если, например, при этом, выполняется условие 2Ry + Rl + R2 =
= 2-Н0 кОм, то потенциометр с линейной характеристикой должен иметь
предельное значение сопротивления 5 кОм. Предположим, что резистор
RB обладает сопротивлением 1 кОм. Резисторы Rv следует подобрать
таким образом, чтобы при измеряемом сопротивлении 100 Ом отсчетное
устройство потенциометра показывало на деление шкалы 0,1, а при из-
меряемом сопротивлении 10 кОм - на деление шкалы 10. Резистор
RB может иметь следующие параметры: 100 Ом, 1 кОм, 10 кОм и
1 мОм.
5
Iff If^ Рис. 1.1. Принцип работы моста Уинстона
Rv Ry
При питании схемы от источни-
ка переменного тока вместо резис-
тора RB иногда исключают кон-
денсатор. В этом случае использу-
ется та же шкала, что и для измере-
ния сопротивления. Емкость кон-
денсатора Св может изменяться
от 1,0 и 10 нФ до 0,1; 1,0 и 10 мкФ.
Несколько сложнее обстоит дело с измерением индуктивности, по-
скольку на конечный результат начинают оказывать влияние потери в ка-
тушке индуктивности (они же имеют место и при измерении емкости
более 1 мкФ). Этот недостаток можно устранить, если проводить измере-
ния на различных частотах напряжения питания. Например, при боль-
ших значениях индуктивности и емкости частоту напряжения питания
следует выбирать в диапазоне от 100 до 500 Гц, а при малых значениях -
в диапазоне от 1 до 5 кГц. Допускается отклонение формы напряжения
питания от синусоидальной. Источник напряжения должен иметь низкое
внутреннее сопротивление. На рис. 1.2 приведена электрическая принци-
пиальная схема устройства для измерения сопротивления и емкости.
С помощью потенциометров Р1 и Р2 задается необходимый диапазон
измерения, а потенциометр РЗ используется для балансировки мостовой
схемы и считывания измеренных значений сопротивления и емкости.
Переключатель S необходим для выбора предела измерений внутри ука-
занного диапазона. Резисторы с сопротивлениями 10 кОм на последней
ступени переключателя S служат для контроля балансировки моста и
установки стрелочного индикатора в нуль (в среднее положение
шкалы).
Точность измерения зависит от тщательности подбора значений ем-
костей и сопротивлений элементов схемы, которые не должны иметь
больших разбросов. Подстроечные конденсаторы или триммеры позво-
ляют облегчить компенсацию мостовой схемы, разбалансирование ко-
торой обусловлено разбросом параметров ее элементов. Для этой же
цели последовательно с конденсатором С6 (10 мкФ) целесообразно
включить резистор с сопротивлением 250 Ом (на рис. 1.2 не показан). Не
допускается использование электролитических конденсаторов. Приме-
няемые в схеме конденсаторы должны иметь минимальный коэффици-
ент диэлектрических потерь.
Измерительный усилитель реализован на базе операционного усилите-
ля типа 741. Элементы схемы должны иметь гальваническую развязку с
массой. Схема получает питание от миниатюрного трансформатора,
6
Рис. 1.2. Мостовая схема для измерения сопротивления и емкости:
Pl, Р2 — потенциометры, определяющие диапазон измерения; РЗ - потенцио-
метр для балансировки моста; Р4 - потенциометр, компенсирующий влияние
диэлектрических потерь на результат измерения емкости; Р5 - потенциометр для
регулирования чувствительности
действующее значение напряжения на вторичной обмотке которого
составляет 2—4 В. Напряжение на первичную обмотку трансформатора
подается от генератора переменного напряжения с частотой 50 и 1000 Гц.
Вместо конденсатора Св можно использовать также дроссель, значе-
ние индуктивности которого подбирается экспериментальным путем.
При выборе генератора низкой частоты, подключенного к первичной об-
мотке трансформатора, целесообразно выбирать его частоту не менее
1 кГц. Принципы и схемы регулирования частоты генератора описаны,
Таблица 1.1. Диапазон измерения сопротивлений в зависимости
от параметров резистора RB
Диапазон измере- ния Сопротивление резистора Rв
100 Ом 1 кОм 10 кОм 100 кОм 1 МОм
Начало 10 Ом 100 Ом 1к0м 10 кОм 100 кОм
Середина 100 Ом 1 кОм 10 кОм 100 кОм 1 МОм
Конец 1 кОм 10 кОм 100 кОм 1 МОм 10 МОм
7
Таблица 1.2. Диапазон измерения емкостей в зависимости
от параметров конденсатора Св
Диапазон измерения Емкость конденсатора Сд
100 пФ 1 нФ 10 нФ 0,1 мкФ 1 мкФ 10 мкФ
Начало 10 пФ 100 пФ 1 нФ 10 нФ 0,1 мкФ 1 мкФ
Середина 100 пФ 1 нФ 10 нФ 0,1 мкФ 1 мкФ 10 мкФ
Конец 1 нФ 10 нФ 0,1 мкФ 1 мкФ 10 мкФ 100 мкФ
например, в книге ’’Операционные усилители для практиков”, (изда-
тельство Franzis).
Чтобы лучше представить себе возможные диапазоны измерения при-
боров, целесообразно воспользоваться табл. 1.1. и 1.2, в которых указа-
ны значения сопротивления резистора RB и емкости конденсатора Св, а
также соответствующие им диапазоны измерения сопротивления и ем-
кости.
2 Пробник для диагностики
радиоэлектронных схем
Что такое пробник и каково его назначение? Сначала о назначении.
Пробник применяется для определения места повреждения в электрон-
ных схемах различной сложности. Принцип обнаружения неисправ-
ности чрезвычайно прост. Зная тракт прохождения сигнала в конкретной
схеме, передвигаемся по нему последовательно от элемента к элементу
по направлению передачи сигнала, определяя наличие сигнала на входе и
выходе одного элемента, а затем другого (следующего за ним).
Отсутствие сигнала на выходе какого-либо элемента при наличии
сигнала на его входе говорит о неисправности этого элемента. Необхо-
димо иметь в виду, что при использовании акустического индикатора
сигнала пробник может зарегистрировать только низкочастотный сиг-
нал или высокочастотный, но модулированный по амплитуде низкочас-
тотной составляющей. В последнем случае входная цепь пробника дол-
жна иметь демодулятор.
Если, например, взять полупроводниковый радиоприемник, то можно
представить, насколько сложной окажется задача поиска места повреж-
дения в его схеме при высокой плотности монтажа элементов. Пробник
позволяет существенно облегчить решение этой задачи, причем, в прин-
ципе, можно не только обеспечить регистрацию сигнала на слух, но и
оценить его амплитудное значение. Для этой цели вполне подходят из-
мерительные головки, используемые в электро- и радиоизмерительных
приборах. Использование этих головок целесообразно и в тех случаях,
когда уровень звукового сигнала в акустическом индикаторе приводит
к появлению неприятных ощущений.
Для расширения возможностей пробника можно обеспечить регулиро
вание частоты и громкости звучания акустического индикатора, а также
приближенную оценку формы (или степени искажения) сигнала. Более
точные оценки этих параметров удается получить с помощью электрон
но-лучевого осциллографа. По аналогичному принципу можно было бы
контролировать и цифровые схемы или схемы с импульсными сигнала-
ми, но тогда пришлось бы использовать переключатель уровня сигнала
звуковой частоты.
На рис. 2.1 приведена структурная схема пробника. Он имеет три
входа, на которые подаются соответственно низкочастотный сигнал,
высокочастотный сигнал с низкочастотной модуляцией и дискретный
Рис. 2.1. Структурная схема пробника:
1 - вход для низкочастотного сигнала; 2 — вход для высокочастотного модули-
рованного сигнала; 3 - вход для дискретного (цифрового) сигнала; 4 - динамик
или головные телефоны; 5 - стрелочный индикатор; IC2 — предварительный уси-
литель низкой частоты; IC3 - компаратор для дискретного сигнала; IC1 - выход-
ной усилитель; IC4 - блок питания
(цифровой) сигнал. Если приходится чаще иметь дело с высокочастот-
ными сигналами, то элементы демодулятора целесообразно для боль-
шего удобства встраивать в измерительный щуп, причем соединительные
провода должны иметь минимальную длину.
Получаемый на любом из входов сигнал усиливается с помощью
предварительного усилителя низкой частоты (интегральная микросхема
IC2} и выходного усилителя (IC1). Сигнал с выхода IC1 подается на го-
ловные телефоны 4 и стрелочный индикатор 5, предназначенный для
оценки уровня измеряемого сигнала.
Импульсный или цифровой сигнал поступает на вход компаратора
(микросхема IC3}, на выходы которого подключены два индикатора
на светодиодах. Кроме того, выход компаратора подключен к одному
из входов предварительного усилителя.
С помощью блока питания (IC4) удается получать на выходе проб-
ника стабилизированное напряжение 12 В постоянного тока, исполь-
зуемое для питания остальных микросхем.
Низкочастотный усилитель. В электрическую принципиальную схему
предварительного усилителя низкой частоты (рис. 2.2) входят два каска-
да усиления на микросхемах IC1 и IC2. Одна ступень (JC1) реализована
на интегральной микросхеме типа TDA 1037, которая может быть заме-
нена любой другой низкочастотной микросхемой. Она используется в
качестве усилителя мощности, с выхода которого сигнал подается на
головные телефоны, и одновременно обеспечивает удвоение напряжения,
снимаемого с диода АА143 для стрелочного индикатора уровня изме-
ряемого сигнала. В качестве последнего можно использовать микроам-
перметр с диапазоном измерения от 50 до 500 мкА.
Чувствительность этого измерительного тракта регулируется с по-
мощью потенциометра Р2. Выключатель S2 позволяет осуществлять вы-
бор средства контроля — головные телефоны или микроамперметр. Кро-
10
нч
741 2
¥7
мкФ
35В
330
ici О
г°2
< +12 В
J1,2M
к. IC2
п <
S1 мкФ
>0-1 rttloo
т 1 |9О»у
, TDA1037
>1 2 3 4 5 6 7 8 3
100мкФ ЗОВ
н
А ’ I
Х',р,’2М
|22i
[470лЧ>^- ЮОк]
Н
Н
вн
1М
35В
+5 В
О
>
100
пФ
УМ
tL 1000мкФ
Ю0\
1кФ?
»7+i» г
Wmk<P
ЮК
560
100 К
0.2А
LED
РЗ
ЮОк
+ 12В
1СЧ
+ 12В
1ED
! МС А
7712С
н
0,68
+4? мкФ
741
АА143
ТТЛ- 100к
-логика
,---л----
+(Ю-15)й
Юк
IC3
560
~и
TH* Of kzj 25к 100мкА
2ХАА143 2,2к
Тр J330C1000
1SB
1000 мкФ
+12 В
фо
мкФ
35 В
<
Рис. 2.2. Электрическая принципиальная схема пробника:
I - элементы демодулятора высокочастотного сигнала, размещенные в корпусе
измерительною щупа
ме того, в усилителе предусмотрены дополнительные зажимы для под-
ключения иных средств контроля.
Другая ступень (IC2, тип 741) предназначена для предварительного
усиления измеряемого сигнала. Ослабление влияния колебаний напряже-
ния питания достигается за счет стабилитрона с напряжением стабилиза-
ции 8,2 В. Предварительный усилитель обеспечивает десятикратное
усиление входного напряжения, которое снимается с резисторов сопро-
тивлением 100 кОм.
Для лучшего понимания принципа работы усилителя обратимся к
рис. 2.3. На каждой его ступени указаны уровни входных и выходных
сигналов. При этом исходят из того, что при сопротивлении катушки
головных телефонов или динамика 8 Ом мощность сигнала на выходе
второй ступени (ICT) должна составлять около 0,8 Вт, т.е. обеспечивать
достаточную громкость звукового сигнала.
И
ЗЛмВэфф / ЗЗмВэфф 2,5Вэфф Рис. 2.3. Тракт усиления низкочастот-
' _ - "г1\.,нг..а то ного сигнала
Указанному значению мощности на выходе второго каскада усилите-
ля соответствует эффективное значение напряжения на входе первого
каскада 3,8 мВ. В этом случае можно проверять работоспособность
динамических микрофонов и звукоснимателей электрофонов. Частот-
ная характеристика усилителя низкой частоты приведена на рис. 2.4.
Очевидно, что он обеспечивает перекрытие практически всего диапазона
звуковой частоты.
Входные цепи предварительного усилителя низкой частоты. Чувстви-
тельность усилителя устанавливается посредством потенциометра Р1.
Переключатель S1 обеспечивает выбор канала измерения. Для снижения
влияния входной цепи усилителя на объект контроля первый каскад
усилителя (7С2) должен иметь высокоомное входное сопротивление. Но
при этом увеличивается его чувствительность к помехам. Поэтому вход-
ные цепи следует тщательно экранировать. Аналогичное требование
предъявляется к высокочастотному демодулятору, проводники которо-
го должны иметь минимально возможную длину и минимальное коли-
чество пересечений. Охваченная пунктиром на рис. 2.2 часть схемы демо-
дулятора также выполняется с помощью соединительных проводов
минимальной длины и располагается в корпусе измерительного щупа,
подключаемого непосредственно к высокочастотному тракту контроли-
руемого электронного устройства.
Контроль и измерение цифровых сигналов. Для этой цели использу-
ется микросхема IC3, работающая в режиме компаратора. С помощью
потенциометра РЗ устанавливается опорное напряжение. На вход 5В
ТТЛ-логики подается потенциал +2,5 В, и потенциометр РЗ устанавлива-
ется в такое положение, при котором оба светодиода на выходе микро-
схемы IC3 имеют одинаковое свечение.
При контроле цифровых сигналов рассмотрим следующее правило:
если светится светодиод D1, то на входе имеется высокочастотный сиг-
нал, если светится светодиод D2, то на входе имеется низкочастотный
сигнал заданной амплитуды. Если оба светодиода имеют одинаковую
яркость свечения, то на входе имеется ложная информация или симмет-
ричный прямоугольный сигнал (рис. 2.5,а).
Если диод D2 светится ярче, чем диод D1, то импульсный сигнал
на входе имеет форму, представленную на рис. 2.5, б. И, наконец, если
диод D1 светится ярче, чем D2, то входной сигнал имеет форму, показан-
ную на рис. 2.5, в.
12
a)
S)
в)
Рис. 2.4. Частотная характеристика предварительного усилителя низкой частоты
Рис. 2.5. Форма дискретных или цифровых сигналов:
а — симметричный прямоугольный; б — несимметричный прямоугольный со
скважностью q < 1; в - то же, но со скважностью q > 1
Блок питания. Как следует из рис. 2.2, блок питания реализован на
микросхеме IC4 типа МС7712С. На его выходе имеется стабилизирован-
ное напряжение постоянного тока 12 В. Максимальная нагрузка состав-
ляет 500 мА. Мощность малогабаритного трансформатора не превышает
20В-А.
Все элементы усилителя блока питания без труда располагаются на
небольшой печатной плате. При монтаже следует особенно тщательно
экранировать цепи, указанные на рис. 2.2.
Рассмотренный пробник облегчает поиск неисправностей и ошибок
при монтаже различных электронных схем. Ошибки же неизбежны даже
при самой аккуратной работе.
3 Универсальный измерительный
прибор с автоматическим
выбором полярности включения
Тот, кто хотя бы раз видел измерительную лабораторию радиоэлект-
ронщика-профессионала, мог убедиться, что универсальный прибор яв-
ляется обязательным и одним из основных измерительных приборов в
этой лаборатории. Им пользуются чаще всего, и нередко он находится в
работе по нескольку часов.
Предлагаемая вниманию читателей электрическая принципиальная
схема универсального измерительного прибора отличается простотой
изготовления и не требует значительных затрат.
Требования к универсальному прибору. Универсальный прибор дол-
жен обеспечивать измерение тока и напряжения в цепях постоянного и
низкочастотного переменного тока. Кроме того, он должен измерять
сопротивление резисторов. Прибор должен быть простым в обращении
и обеспечивать проведение измерений независимо от полярности его под-
ключения. Решение последней задачи может быть достигнуто за счет
автоматического переключателя полярности. В этом случае при подклю-
чении прибора происходит автоматический выбор правильной поляр-
ности с одновременной индикацией истинной полярности с помощью
светодиода отрицательной полярности измеряемого напряжения или
тока.
Схема универсального прибора. Обратимся к электрической прин-
ципиальной схеме прибора, представленной на рис. 3.1. Несколько слов о
стрелочном индикаторе или измерительной головке. Индикатор должен
иметь следующие пределы измерения: по току — от 0,1 до 1,0 мА; по
напряжению - от 0,1 до 1,0 В. В нашем случае используется измеритель-
ная головка с такими параметрами: напряжение 0,8 В, 0,2 мА, сопротив-
ление катушки 4 кОм. В зависимости от параметров измерительной го-
ловки выбирают резисторы сопротивлением 2,7 и 15 кОм и потенцио-
метры Р1 и Р2 (рис. 3.1).
Стрелочный индикатор имеет две шкалы с пределами измерения со-
ответственно от 0 до 10 и от 0 до 3,2. Первая шкала линейная (рис. 3.2,
а), вторая — логарифмическая (рис. 3.2, б). Если отсчитываемое по пер-
вой шкале показание обозначить через А, а по второй шкале — через В,
то их отношение равно А = В\/\0. Например, при В = 2,0 А = Ву/То =
= 2,0-3,1623 = 63246. Благодаря такой зависимости отсчитываемая по
14
+12 В
А
0м_
(7
1Ы4148 -0,653 РЗ +0,658
, \ / 1к 250 1к 2jZ*
Н*----------------
+ 1,53*1
±4,53*3
7Ч —--7-
1N4148
+12 В
—о
BF256B1
2,2к
22к
Т1
Т2
ЮОк
1к
U
101
0,22
ЮОк
2*№4148
6,8 к
О
22к
R5
Р4
2,5к
2*1N4148
№4148
2,2кч
22к
R4
0,22мкФ
R2 R5 \
470к 2,2 М 390 \
‘’ -*—1 — W
-12 В
IC
820 Ъ LED ||
470 пФ
|| 1500м
-128
В 35 С1000 + 183 1
01А
15 К
Р2
Юк
ij +|200 мкА
0,8 В
-4 Ом
+123
—о
2
ЮЗ
0,22 =$=
мкФ /
ж
0,1 А
2208
Р<20 В-А
ф мкФ
25В
1000
_L мкФ
с + 25В |з
1 —*—
-18В
IC4
± 0,22
Т мкФ
2
-128
Рис. 3.1. Электрическая принципиальная схема универсального измерительного прибора с автоматическим выбором поляр-
ности включения
Рис. 3.2. Линейная (а) и логарифмическая (б) шкалы стрелочного индикатора
логарифмической шкале измеряемая величина может быть легко опре-
делена с помощью линейной шкалы.
Итак, данный прибор позволяет измерять напряжение в пределах
от 0 до 1,0 В, а также от 0 до 10 В и от 0 до 3,2 В. Оно преобразуется
с помощью измерительного усилителя (микросхема IC1) и на его вы-
ходе (вывод 6) формируется напряжение ±1,5 или ±4,5 В в зависи-
мости от уровня входного сигнала. Знак ”+” говорит о том, что прибор
одинаково работает при положительной и отрицательной полярностях
напряжения на входе измерительного усилителя.
В зависимости от уровня или значения напряжения на выходе измери-
тельного усилителя (1,5 или 4,5 В) изменяется сопротивление резисторов
(потенциометры Р1 и Р2), включенных последовательно со стрелочным
индикатором. Переключение сопротивления указанных резисторов осу-
ществляется переключателем S1A, в положении ”х1” которого напряже-
нию 0,1 В на входе измерительного усилителя будет соответствовать
показание стрелочного индикатора на линейной шкале, равное 10. В по-
ложении ”хЗ” переключателя S1A показанию 3,2 на логарифмической
шкале будет соответствовать напряжение 0,32 В на входе измеритель-
ного усилителя.
Автоматический выбор полярности. Существуют различные мнения
относительно необходимости введения в универсальный прибор уст-
ройства автоматического выбора полярности подключения прибора к
контролируемой цепи. В качестве альтернативного варианта иногда
предлагается применять миниатюрный переключатель. Однако практи-
ка показывает, что использование для этой цели обычного переключате-
ля не всегда удобно и, кроме того, приводит к ошибкам.
По этой причине мы решили остановиться на автоматическом вариан-
те. Указанная функция в рассматриваемом универсальном приборе
реализуется с помощью микросхемы IC2 (рис. 3.1) типа 761 (маркиров-
ка изготовителя ТАА 761). Эта модификация микросхемы имеет откры-
тый коллекторный выход, благодаря чему может ’’передавать” ток до
70 мА, что позволяет непосредственно на выход IC2 включить миниатюр-
ное реле с переключающими контактами.
Но для обеспечения высокой надежности автоматического переключа-
теля желательно не нагружать микросхему IC2 предельным током 70 мА.
Рекомендуется ток потребления реле ограничить 50 мА и предусмотреть
16
возможность дополнительного охлаждения микросхемы IC2 с помощью
радиатора.
При подаче напряжения питания на микросхему IC2 на ее выходе (вы-
вод 7) появляется напряжение 12 В, а между выводами 7 и 2 напряжение
составляет 24 В. Последнее и подается на обмотку реле. Миниатюрные
реле с током потребления 25 или 50 мА обычно имеют более низкое на-
пряжение питания, поэтому последовательно с обмоткой реле следует
включить токоограничительный резистор/??. Его сопротивление необ-
ходимо выбрать таким образом, чтобы при напряжении 24 В через об-
мотку реле протекал ток не более 25 или 50 мА. Аналогичную функцию,
но для светодиода, выполняет резистор R2, сопротивление которого
должно соответствовать току через светодиод не более 20 мА. Рассмот-
рим примеры такого расчета.
Допустим, ток потребления реле составляет 24 мА, сопротивление об-
мотки 150 Ом; напряжение на светодиоде при токе 20 мА равно 1,8 В.
Сначала определяем падение напряжения на обмотке реле U = IR =
= 25 мА • 150 Ом = 3,75 В. Тогда на резисторе R1 падение напряжения
UR1 ~ 24—3,75 — 1,8 = 18,45 В. Здесь 1,8 В приходится на светодиод,
включенный последовательно с обмоткой реле. Сопротивление резистора
/?7 = UR1II = 18,45 В/25 мА =738 Ом. Выбираем резистор с сопротивле-
нием 820 Ом.
Сопротивление резистора R2 = 1,8 В/5 мА = 360 Ом. Выбираем рези-
стор с сопротивлением 390 Ом. Как следует из рис. 3.1, реле представля-
ет собой двухполюсный переключатель. Светодиод начинает светиться
при включении реле, что соответствует отрицательной полярности изме-
ряемого напряжения или тока.
Микросхема IC2 работает в режиме компаратора, в котором сравнива-
ются напряжения на входах 3 и 4. Установка стрелочного индикатора в
нуль осуществляется с помощью потенциометра Р4 после закорачивания
входа прибора. При этом напряжение на выходе измерительного усили-
теля (микросхема/СУ) должно быть равно нулю.
Потенциометр РЗ устанавливают в такое положение, при котором не-
значительное снижение потенциала на входе 4 микросхемы IC2 приводит
к включению реле и светодиода. Если теперь на входе прибора появится
отрицательный потенциал, то произойдет переключение реле с одновре-
менным включением светодиода. Контакты реле переключат выводы
измерительной головки и на нее будет подаваться напряжение требуемой
полярности, хотя на входе прибора имеется напряжение обратной поляр-
ности. Время установки, а также гистеризис стрелочного индикатора
можно регулировать путем подбора сопротивления резистора R3.
Измерительный преобразователь-усилитель. В его состав, кроме
микросхемы IC1, входят два полевых транзистора Т1 и Т2 типа BF256B1
(рис. 3.1). Включенные на выходе преобразователя резисторы сопротив-
лением 6,8 и 100 кОм обеспечивают 15-кратное усиление напряжения
тока на входе универсального прибора. На выходе микросхемы IC1 (вы-
2
17
Рис. 3.3. Схема для подбора пар полевых
транзисторов
вод 6) будет напряжение 1,5 В при
100 мВ на входе прибора и 4,5 В —
при 320 мВ на входе прибора. Вооб-
ще-то получить точное значение ко-
эффициента усиления при имеющем-
ся разбросе параметров отдельных
элементов затруднительно. Поэтому окончательная коррекция коэффи-
циента усиления измерительного преобразователя-усилителя осуществля-
ется при проверке универсального прибора посредством потенциомет-
ров Р1 и Р2.
Полевые транзисторы включены по мостовой схеме и образуют вход-
ной преобразователь с высокоомным выходом, что в сочетании с микро-
схемой ICJ позволяет реализовать делитель напряжения с проходным со-
противлением около 10 МОм. Однако полевые транзисторы имеют не-
достаток, связанный с колебанием тока через них даже при постоянст-
ве напряжения между затвором и истоком. Контроль этого параметра
проводится с помощью схемы, приведенной на рис. 3.3.
При этом, как говорят специалисты, осуществляется подбор пары
транзисторов по основным параметрам. Для обеспечения подбора тран-
зисторов необходимо иметь их хотя бы в 2—3 раза больше, чем использу-
ется в измерительном преобразователе-усилителе. В соответствии со схе-
мой на рис. 3.3 в пару следует выбирать полевые транзисторы, имеющие
по возможности близкие значения падения напряжения на резисторе,
включенном в цепь истока.
Тогда равновесие в мостовой схеме из полевых транзисторов будет
достигаться при среднем положении движка потенциометра Р4 и ему
будет соответствовать нулевое показание стрелочного индикатора.
Если же этого сразу достигнуть не удается, то следует увеличивать со-
противление резисторов R4 и R5 до тех пор, пока стрелка индикатора
не достигнет нулевой отметки. В нашем случае рекомендуется выбрать
R5 = 22 кОм, R4 = 25 кОм. Если балансировка мостовой схемы на поле-
вых транзисторах достигнута, то измерительный преобразователь-усили-
тель можно считать отрегулированным (или поверенным).
При подаче на вход прибора через переключатель S2 напряжения 0,1 В
стрелка индикатора должна установиться на делении 1 при положении
”х]” переключателя S1A и на деление 3 при положении ”хЗ” и подаче
на вход напряжения 0,3 В. Это означает, что измерительный преобразова-
тель-усилитель полностью готов к работе. Остается рассмотреть вход-
ные цепи.
18
Делитель напряжения постоянного тока (рис. 3.4, а). Применяемые в
нем резисторы должны иметь разброс сопротивления не более 0,5 или
даже 0,1%. Переключение резисторов осуществляется с помощью
переключателя S3A (рис. 3.4, а). При отсутствии резисторов с указан-
ными в схеме номиналами следует использовать последовательное и
параллельное соединение имеющихся резисторов. Можно также суммар-
ное сопротивление соединенных последовательно резисторов делителя
довести до 30 МОм (вместо 10 МОм).
Тогда четыре резистора образуют следующий ряд: 27 и 2,7 МОм, 270
и 30 кОм. Путем увеличения сопротивления плеч делителя напряжения
можно расширить диапазон измерения напряжения постоянного тока.
Как уже было сказано ранее, уровень входного напряжения в зависи-
мости от положения переключателя S1A будет изменяться в пределах от
0,1 до 0,32 В.
Делитель постоянного тока (переключатель S3A, рис. 3.4, б). На
первый взгляд кажется, что реализация делителя тока не вызовет затруд-
нений даже при разбросе сопротивлений резисторов в пределах 1%
и менее. Однако на самом деле это не так. И в первую очередь по-
тому, что резисторы с сопротивлением 9 и 1 Ом изготовить весьма
непросто. Эго можно сделать путем подбора имеющихся или изготов-
ленных резисторов с помощью мостовой измерительной схемы, пред-
назначенной для измерения сопротивления с высокой точностью, либо
за счет включения этих резисторов в электрическую цепь с заранее
известным и стабильным значением протекающего через нее тока. Ре-
зистор с номиналом 1 Ом можно изготовить, например, из нихрома
диаметром 1 мм или из тонкой пластины аналогичного материала. При-
чем эта пластина обычно формируется из нескольких соединенных по-
следовательно узкими перемычками участков.
Входные цепи для измерения сопротивления (переключатель S3C).
Здесь мы рассмотрим линейную шкалу стрелочного индикатора, кото-
рая дублируется дополнительной логарифмической шкалой, т.е. шкалу
0—1. В этом случае через контролируемый резистор Rx (рис. 3.4, в)
протекает постоянный ток и падение напряжения на нем, в соответствии
с законом Ома, пропорционально значению сопротивления Rx контро-
лируемого резистора.
Таким образом, измеряемое на резисторе Rx падение напряжения на-
ходится в линейной зависимости от сопротивления Rx. Указанный,ток
протекает через коллектор транзистора ТЗ. Следует особо отметить,
что транзистор ТЗ должен иметь регулировочную характеристику, распо-
ложенную по возможности параллельно оси абсцисс прямоугольной си-
стемы коорданат.
В схеме на рис. 3.4, в используется транзистор типа ВС 108В или
ВС108С. Указанная регулировочная характеристика означает, что тран-
зистор ТЗ имеет очень большое (’’бесконечное”) выходное сопротивле-
ние, благодаря которому и обеспечивается постоянство тока в цепи
2*
19
I S3A
О- /7,7 8(0,38)
• 7 В (ЗВ)
. 70В (ЗОВ)
> 700 В (300 В)
0,1 Ъ
82
0,32&(=U)
B)
Рис. 3.4. Схемы делителя постоянного напряжения (с), постоянного тока (б)
и схема для измерения сопротивления и переменного напряжения (в)
Таблица 3. 1. Пределы измерения сопротивления
в зависимости от положения переключателя
Диапазоны Предельное зна- чение измеряемо- го сопротивления Значение RB
1 10 МОм 100 МОм
2 1 МОм 10 МОм
3 100 кОм 1 МОм
4 10 кОм 100 кОм
5 1 кОм 10 кОм
6 100 Ом 1 кОм
7 10 Ом 100 Ом
его коллектора. Значение тока в цепи коллектора устанавливается по-
средством резистора RB. Переключатель S3C, кинематически связанный
с переключателями с индексами А, В и D и органом управления (пере-
ключатель с четырьмя полями или группами контактов), имеет семь
положений, (диапазонов), которым соответствует диапазон измере-
ния сопротивления от 10 Ом до 10 МОм (см. табл. 3.1).
При переводе переключателя S3C в положение 7 на транзисторе ТЗ
выделяется значительное тепло, вследствие чего для улучшения тепло-
отвода необходимо использовать радиатор. При увеличении тока через
транзистор ТЗ начинает сказываться нелинейность его регулировочной
характеристики.
Стабильность тока коллектора транзистора ТЗ зависит также от
стабильности напряжения на переходе эмиттер—база, которая обеспечи-
вается с помощью микросхемы IC6 и полевого транзистора Т4. Затвор
последнего включен в цепь эмиттера транзистора ТЗ. Настройка осу-
ществляется следующим образом. В положении ”хЗ” переключателем
S1A производится закорачивание резистора Rx, а с помощью потенцио-
метра Р4 — установка в нуль стрелочного индикатора. Затем закоро-
ченная ранее цепь размыкается. На входе переключателя S2, предназна-
ченного для подключения контролируемого резистора R2, при этом по-
является отрицательный потенциал 0,6 В, который ограничивается на
этом уровне с помощью шунтирующего диода типа 1N4148 (рис. 3.4, в).
Такая схема приводит, правда, к удвоению тока через стрелочный инди-
катор.
Затем производится регулировка или поверка схемы измерения со-
противления на любом диапазоне измерения. Еще раз считаем необходи-
мым подчеркнуть важность тщательного подбора сопротивлений ре-
зисторов с минимальным разбросом их параметров. Возьмем, к при-
меру, положение 5 переключателя S3C, которому соответствуют
RB = 10 кОм и Rx = 1 кОм (ДА = 0,14-0,5%). Тогда потенциометр Р5
(рис. 3.4, в) устанавливаем в такое положение, чтобы стрелка индика-
21
тора устанавливалась напротив деления 1,0 шкалы (переключатель S1A
находится в положении ”хЗ”).
Это означает, что в положении 5 переключателя S3C обеспечивается
измерение сопротивления в диапазоне от 0 до 1 кОм. Потенциал на ре-
зисторе Rx в этом случае составляет —0,32 В относительно массы. Выше
было сказано, что при измерении сопротивления устройство автомати-
ческого выбора полярности переключается в ’’минус”.
В положениях 1-3 переключателя S3C предъявляются более жесткие
требования к изоляции цепи ТЗ - RB - Т4, плотности и качеству мон-
тажа. При наличии заметных токов утечки рекомендуется параллельно
резистору RB включать конденсатор емкостью 0,1—0,47 мкФ, что
позволяет уменьшить влияние сопротивления изоляции на результат
измерения.
Деление измеряемого переменного напряжения осуществляется с
помощью резистивного делителя и переключателя S3D (рис. 3.4, в)
до значения 0,1; 1,0 и 10,0 В, а с помощью переключателя S1B — до
значении 0,3—30,0 В. Три резистора делителя с сопротивлениями соот-
ветственно 10,90 и 900 кОм должны быть с помощью максимально ко-
ротких проводников припаяны к лепесткам платы переключателя S3D.
Компенсация влияния частоты переменного напряжения на параметры
элементов схемы в данном случае отсутствует, что приемлемо для
частот в диапазоне до 20 кГц.
Следует иметь в виду, что соединительный проводник между платой
переключателя S3D и базой транзистора Т5 также должен иметь мини-
мально возможную длину, чтобы обеспечить минимальное значение
паразитной емкости указанного провода с экраном. Два диода типа
1N4148 защищают цепь базы транзистора Т5, также как и транзистора
Т1 в схеме на рис. 3.1.
Микросхема IC5 представляет собой быстродействующий операци-
онный усилитель (например, типа NE530), что позволяет при широкой
полосе пропускания обеспечить минимальную задержку регулирования.
Потенциометр Р6 необходим лишь в том случае, если напряжение
UA (вывод 6 микросхемы 1С5) выходит за пределы ± 1 В. С помощью
потенциометра Р6 напряжение на выходе микросхемы IC5 устанавлива-
ется равным нулю. Таким образом, усилитель IC5 работает с двумя
коэффициентами усиления, выбор которых осуществляется с помощью
переключателя S1B (рис. 3.4, в).
При разомкнутом состоянии выключателя S1B происходит 2U-, а при
замкнутом — 66-кратное усиление входного сигнала (табл. 3.2).
Настройка (поверка) входной цепи осуществляется при положений
”хЗ” переключателя S1A и замкнутых накоротко входных зажимах.
С помощью потенциометра Р4 стрелочный индикатор прибора устанавли-
вается в нуль. Затем включается выключатель S1B и на измерительном
входе появляется синусоидальное напряжение 0,1 В. Стрелка индикатора
должна при этом установиться напротив деления 1 линейной шкалы, что
22
обеспечивается посредством потенциометра Р8. Далее выключатель S1B
отключается, синусоидальное напряжение должно составлять 0,32 В, а
стрелка индикатора также должна устанавливаться напротив деления I
линейной шкапы посредством потенциометра Р7.
В связи с тем что на выходе усилителя IC5 формируется напряжение
в диапазоне от О до 18,6 В (амплитудное значение), которое подается
для выпрямления на диоды типа АА143 и АА144 (рис. 3.4, в), диоды
работают достаточно далеко от линейного участка своей вольт-ампер-
ной характеристики. Это способствует сохранению линейности первой
шкалы стрелогшого индикатора.
Комбинированный переключатель, используемый в универсальном
приборе, оказывается довольно сложным. Однако и его можно изго-
товить в домашних условиях в более простом варианте. Во-первых, для
облегчения решения задачи допустим, что измерение сопротивления
производится с помощью полей или плат А и В переключателя S1, кото-
рый при этом всегда находится в положении ”хЗ”. Количество положе-
ний переключателя S3 (и его полей Л, В, С, D) зависит от диапазона
измеряемых сопротивлений.
Один из возможных вариантов диаграммы переключателя S3 при-
веден на рис. 3.5. Для упрощения его конструкции целесообразно ис-
пользовать два отдельных переключателя. Один из них может служить
для измерения тока и напряжения и иметь три поля с четырьмя фикси-
Рис. 3.5. Один из возможных вариантов диаграммы пере-
ключателе S3
23
Таблица 3. 2. Значение напряжения на элементах схемы рис. 3.4, в
при разных положениях переключателя S1B
Положение пере- ключателя S1B Измеряемое напряжение, В Амплитудное значение * Ifa, В Напряжение на потенциометре Р8, В
Замкнут 0,1 6,6 18,66 +0,32
Разомкнут 0,32 6,6 18,66 +0,32
• Здесь и далее под амплитудным значением Uss переменного напряжения по-
нимается разность потенциалов между наибольшими значениями напряжения в по-
ложительном и отрицательном полупериодах, т.е. размах. - Прим. пер.
рованными положениями, а другой — с семью фиксированными поло-
жениями — для измерения сопротивления. В качестве переключателя
S1A—S1B применяется двухполюсный переключатель, а переключатель
S2 имеет четыре фиксированных положения.
Теперь возникает вопрос, каким образом получать эталонные сиг-
налы для калибровки приборов? Об этом речь пойдет в следующей
главе.
4 Простой генератор
калиброванных сигналов
постоянного и переменного тока
Генератор калиброванных сигналов (далее калибратор) имеет важное
значение для радиолюбительской лаборатории и предназначен для на-
стройки (или поверки) универсальных измерительных приборов и элек-
тронно-лучевых осциллографов. К сожалению, используемые специ-
алистами калибраторы имеют довольно высокую стоимость и, кроме
того, должны подвергаться периодической поверке в специальных из-
мерительных лабораториях, что не всегда под силу радиолюбителям.
В связи с тем что в моей практике проблема поверки применяемых
средств измерения не решается другим способом, я изготовил мало-
габаритный калибратор, который позволил полностью решить указан-
ную проблему
Калибратор обеспечивает:
ступенчатое (16 ступеней) регулирование напряжения постоянного
тока в диапазоне от 20 мВ до 5 В;
ступенчатое (16 ступеней) регулирование напряжения переменного
тока при частотах 1 кГц и 50 Гц в диапазоне от 20 мВ до 5 В;
ступенчатое (16 ступеней) регулирование напряжения переменного
тока при частотах 1 кГц и 50 Гц в диапазоне от 10 мВ до 2,5 В (ам-
плитудное значение);
генерацию переменного напряжения прямоугольной формы для по-
верки измерительных головок, осциллографов, а также настройки уси-
лителя вертикальной развертки электронно-лучевого осциллографа.
Таким образом, калибратор позволяет регулировать, настраивать и
поверять приборы для измерения напряжения постоянного и перемен-
ного тока, а также электронно-лучевые осциллографы.
Напряжение переменного тока формируется с помощью мульти-
вибратора (рис. 4.1), реализованного на транзисторах 77 и Т2. Пере-
ключатель 32 позволяет варьировать частоту переключения транзис-
торов путем изменения емкости конденсаторов, а следовательно, и
частоту выходного напряжения. В положении А (10 нФ) переключателя
частота напряжения на выходе мультивибратора составляет 1 кГц, в
положении В (0,22 мкФ) - 50 Гц. Для чего же необходимо иметь два
значения частоты? Напряжение с частотой 1 кГц используется для на-
стройки осциллографов, в частности, усилителя вертикальной разверт-
ки, а также измерительных индикаторных головок. Напряжение с час-
25
0,47
мкФ
S
ВС 107
BC107
ТЗ
2 ? ff,2B
P
100
(Л)
SI
WO
s
LED
0,22
мкФ
BSY86
330
200
100
wo
SO
20
10
20
7
SOO
Ug+12B V—
(8-14B) I
Sf (Л)
84 r<-n
47
1ООк\
ц.
о
<
Рис. 4.1. Мультивибратор co ступенчатым регулированием частоты прямоугольных
импульсов напряжения
тотой 50 Гц можно применять для настройки нашего универсального
измерительного прибора.
Теперь рассмотрим следующий важный вопрос: насколько стабиль-
но напряжение на выходе калибратора? Выходное напряжение снимается
с коллектора транзистора Т2 и имеет прямоугольную форму, симметрич-
ную относительно оси абсцисс. Каково же амплитудное значение этого
напряжения ? Для ответа на этот вопрос мысленно уберем из схемы на
рис. 4.1 стабилитрон. Тогда периодическое открывание и закрывание
транзисторов Т2 осуществляется под действием разности потенциалов
между массой и положительным выводом источника питания, т.е.
без стабилитрона напряжение на выходе калибратора будет равно 12 В.
Малейшее изменение напряжения питания приведет к соответствую-
щему изменению амплитудного значения выходного напряжения кали-
братора, что является для наших целей совершенно неприемлемым.
Из вышеск данного очевидно. 41 о выходное напряжение должно быть
стабильным. Эта задача и решается с помощью стабилитрона с напряже-
нием стабилизации 6,2 В и мощностью 0,5 Вт. При этом напряжение
нт коллекторе транзистора Т2 может изменяться лишь в пределах
от 0 до 6,2 В. Стабильность выходного напряжения может быть (и была}
подтверждена с помощью цифрового вольтметра. Например, при умснь-
26
шении напряжения питания с12до2В(!) выходное напряжение мульти-
вибратора уменьшилось всего на 03%. Этого нам вполне достаточно,
поскольку напряжение питания 12 В постоянного тока мы получаем от
стабилизированного источника питания.
Теперь рассмотрим вопрос, связанный с поверкой средств измерения.
Простая поверка приборов. Упомянутое напряжение 6,2 В со стаби-
литрона подается на базу транзистора ТЗ, напряжение с выхода которого
подается на резистивный делитель напряжения. Его плечи переключа-
ются посредством переключателя S4 на 8 фиксированных положений.
Для расширения диапазона регулирования делителя используется вы-
ключатель S3, благодаря чему для каждого его положения (’’замкнуто”
и ’’разомкнуто”) реализуются 8 ступеней переключения, а всего — 13 сту-
пеней или диапазонов измерения. На рис. 4.1 приведена таблица, в ко-
торой указаны значения выходного напряжения для соответствующих
положений переключателя S4 и выключателя S3 в диапазоне от 20 мВ до
5 В. Как и ранее, особое внимание следует уделять подбору резисторов
делителя, добиваясь получения необходимого сопротивления его плеч
комбинацией последовательно и (или) параллельно соединенных ре-
зисторов с другими (имеющимися) номиналами.
Необходимо отметить, что довольно просто можно реализовать дели-
тель напряжения с другой дискретностью регулирования выходного на-
пряжения калибратора. Расчет сопротивления резисторов проводится
по следующему выражению:
R2
у = и ----------- ,
R1+R2
где UE — напряжение на потенциометре Р (рис. 4.1); — требуемое
значение выходного напряжения; Rl, R2 — сопротивления резистора
верхнего и нижнего плеча двухступенчатого делителя.
При пересчете сопротивлений резисторов надо следить за тем, чтобы
суммарное сопротивление последовательно включенных резисторов
было не менее 750 Ом.
Несколько слов о настройке калибратора (вопрос его поверки может
решаться только в специальных организациях или лабораториях). Ее
можно проводить на любой из 13 ступеней калибратора. Для этой цели
целесообразно использовать настроенный универсальный измерительный
прибор (рассмотренный в предыдущей главе), включенный в режим из-
мерения напряжения постоянного тока. Точность поддержания или фор-
мирования напряжения постоянного тока на выходе остальных ступеней
калибратора будет определяться точностью или тщательностью подбора
резисторов делителя.
Процесс настройки осуществляется следующим образом. Посредст-
вом выключателя S1 базу транзистора Т2 подключают на массу. Одно-
временно с помощью выключателя S1 делитель напряжения непосред-
27
ственно подключают к выходной цепи или к выходным зажимам кали-
братора. Поскольку транзистор Т2 закрыт, на его коллекторе имеется
стабильное напряжение 6,2 В.
Контрольный вольтметр или универсальный прибор подключают
к выходу калибратора. С помощью потенциометра Р (100 Ом) при
включенном выключателе S3 на выходе устанавливают напряжение
5 В. На этом настройку можно считать законченной. Теперь несколько
слов о напряжении питания. Проще всего для его получения использо-
вать трансформатор с напряжением на вторичной обмотке, равным 12—
15 В, которое выпрямляется выпрямителем, включенным по мостовой
схеме. Полученное напряжение постоянного тока можно стабилизировать
с помощью простейшего вибрационного регулятора, ток потребления ко-
торого не превышает 25 мА.
А теперь поговорим немного о теории измерений, чтобы правильно
проводить необходимые измерения и обрабатывать полученные ре-
зультаты.
При контроле напряжения постоянного тока выключатель S1 пере-
водим в положение = . С учетом переключателя S4 и выключателя S3
получаем следующие 13 номиналов напряжения на выходе калибратора:
5; 2,5; 1,5; 1,0; 0,5; 0,3; 0,25; 0,2; 0,15 и 0,1 В, а также 50; 30 и 20 мВ.
С помощью универсального измерительного прибора осуществляем
измерение напряжения переменного тока. При его определении учитыва-
ем коэффициент формы, значение которого для напряжения прямо-
угольной формы с частотой 50 Гц составляет 1,11. Для проведения из-
мерений переключатель S2 мультивибратора устанавливаем в положение
В, соответствующее частоте 50 Гц выходного напряжения калибратора.
Напряжение, измеряемое универсальным прибором, определяем следую-
щим образом:
где Uss — амплитудное значение выходного напряжения калибратора.
Значения выходного напряжения могут быть представлены такой по-
следовательностью: 2,775; 1,3875; 0,8325; 0,555; 0,2775; 0,1665;
0,13875 и 0,111 В, а также 83,25; 55,5; 27,75; 16,65 и 11,1 мВ.
Амплитудные значения выходного напряжения переменного тока ка-
либратора аналогичны приведенным выше для напряжения постоянного
тока. При этом переключатель S2 должен быть установлен в поло-
жение А.
Определение параметров измерительной индикаторной головки осу-
ществляется в режиме работы калибратора, соответствующем контролю
амплитудного значения выходного напряжения. Для пояснения этой про-
цедуры обратимся к рис. 4.2. Сопротивление RE (1 МОм) и емкость кон-
денсатора СЕ (40 пФ) соответствуют параметрам входной цепи осцип-
28
Рис. 4.2. К определению параметров
элементов, встраиваемых в измери-
тельный щуп
лографа. Сопротивление резистора R1 (9 МОм) и емкости конденсатора
или триммера С1 (2—10 пФ) являются параметрами измерительной ин-
дикаторной головки. Параметры цепи, представленной на рис. 4.2,
считаются выбранными правильно, если постоянные времени тх = R1-C1
и тЕ = Rg-Cg равны между собой. Это означает, что С1 во столько раз
должно быть меньше Cg, во сколько R1 больше Rg, т.е. емкость трим-
мера С1 должна составлять 4,44 пФ.
Конечно же, вышеприведенные рассуждения трудно назвать теорией,
поскольку они не удовлетворят ни профессионала, ни любителя. По-
этому мы поступили так, как поступают в этих случаях практики. На
рис. 4.3 представлен сигнал на выходе калибратора. С помощью этой
диаграммы вполне можно оценить правильность выбора параметров ука-
занных выше элементов. Анализ диаграммы на рис. 4.4 показывает,
что значение емкости триммера завышено, вследствие чего происходит,
как говорят специалисты, дифференцирование сигнала.
На низкочастотный прямоугольный сигнал накладываются остроко-
нечные импульсы или выбросы напряжения, т.е. возникают высшие
гармоники, которые обусловливают появление помех. Если же мы
рассмотрим диаграмму на рис. 4.5, то можно сделать вывод о том,
что емкость триммера занижена. В этом случае происходит интегриро-
вание сигнала или ’’заваливание” передних фронтов импульсов.
Теперь остается рассмотреть некоторые характерные ошибки из-
мерения, имеющие место при работе с генератором калиброванных
сигналов.
При использовании калибратора необходимо помнить о двух его осо-
бенностях. Во-первых, следует иметь в виду, что при подключении к
выходу калибратора измерительного прибора его внутреннее сопротив-
ление может оказывать влияние на режим работы выходной цепи кали-
братора. Если параметр измерительного прибора, отражающий отноше-
ние внутреннего сопротивления к входному напряжению, более
10 кОм/B, то указанным влиянием можно пренебречь.
При настройке различных измерительных приборов переменного тока
следует учитывать, что некоторые из них плохо ’’переносят” искажение
или выбросы напряжения, что может привести к получению совершенно
неправильного результата измерения на частоте 50 Гц. Последовательная
работа с несколькими средствами измерения приводит к появлению
погрешности измерения, равной примерно 10—11% измеряемого значе-
29
Рис. 4.3. Сигнал на выходе калибратора
Рис. 4.5. Сигнал на выходе измерительного щупа со встроенными элементами при
заниженной емкости триммера
Рис. 4.4. Сигнал на выходе измерительного щупа со встроенными элементами при
завышенной емкости триммера
ния. Если, например, на выходе калибратора установлено напряжение
1 В, то при измерении его с помощью универсального прибора будет
зафиксировано 1,1 В.
Во-вторых, поскольку измерительную головку или осциллограф не
удается непосредственно подключить к выходным зажимам калибра-
тора, приходится использовать соединительные проводники, которые
вследствие влияния своих параметров могут приводить к ’’заваливанию”
фронтов прямоугольных импульсов и увеличению погрешности из-
мерения.
Желаю Вам успеха при изготовлении генератора калиброванных
сигналов, который будет очень полезен в Ва пей любительской лабора-
тории.
5 Генератор синусоидального
и прямоугольного напряжения
Генератор синусоидального и прямоугольного Напряжения (далее
просто генератор) является обязательным прибором в лаборатории
специалиста и может быть полезен в любительской измерительной лабо-
ратории. Это утверждение справедливо потому, что многие задачи, воз-
никающие при изготовлении различных электронных устройств, невоз-
можно решить без источников эталонных сигналов. Именно в этом ка-
честве и предполагается использовать описываемый ниже генератор.
Дополнительные измерительные схемы, имеющие отношение к гене-
ратору, рассмотрены в гл. 6 и 7.
К генератору предъявляются требования, которые отсутствуют в тех-
нических требованиях на многие другие средства измерения, а именно:
выходное напряжение генератора должно быть стабильным при измене-
нии его частоты; форма выходного напряжения должна быть минималь-
но искаженной; требуется обеспечить регулирование амплитуды выход-
ного напряжения; выходное сопротивление генератора должно состав-
лять 50 Ом; напряжение прямоугольной формы должно иметь импуль-
сы с крутыми фронтами; необходимо обеспечить изменение частоты вы-
ходного напряжения в достаточно широком диапазоне; амплитудное
значение выходного напряжения генератора должно быть достаточно
большим.
Ознакомимся со схемой генератора. Основным его элементом являет-
ся осциллятор, реализованный с помощью операционного усилителя
(рис. 5.1). Эта схема носит название моста Вина. Резисторы и конденса-
торы (соответственно Rl, С1 и R2, С2) образуют плечи моста Вина.
На резисторах R3, R4 реализована цепь обратной связи, за счет измене-
ния сопротивлений которых можно изменять коэффициент усиления
операционного усилителя.
Коэффициент усиления усилителя при колебании частоты осциллятора
также изменяется, поскольку варьируется сопротивление ЛС-цепочек.
Различные значения частоты осциллятора достигаются за счет изменения
параметров R1 и R2 или С1 и С2. При этом необходимо следить за тем,
чтобы выполнялось условие Rl = R2 и Cl = С2. При изменении сопро-
тивления А С-цепочек происходит также изменение амплитудного значе-
ния напряжения осциллятора UA в большую или в меньшую сторону.
31
Рис. 5.1. Простая схема осциллятора
Для обеспечения его стабильности
следует варьировать коэффициент пе-
редачи цепи обратной связи (R3, R4),
для чего в качестве резистора R4 ис-
пользуется потенциометр. Если
вследствие низкого значения коэф-
фициента передачи амплитуда вы-
ходного напряжения снижается, то
необходимо изменить сопротивление резистора R4, чтобы скомпенси-
ровать уменьшение коэффициента усиления операционного усилителя,
обусловленное потерями в резисторах цепи обратной связи. Иногда для
этой цели используются элементы с нелинейной характеристикой, на-
пример терморезисторы с положительным температурным коэффици-
ентом сопротивления (ТКС), которые, однако, обладают некоторыми
недостатками.
Поэтому в нашей схеме в качестве элемента, обеспечивающего регу-
лирование коэффициента усиления операционного усилителя, приме-
няется электронное устройство, выполняющее функцию резистора
R4 (рис. 5.1). Оно реализовано с помощью полевого транзистора, кото-
рый при малых значениях напряжения (около 300 мВ) на £>-<$-пере-
ходе работает на линейном участке вольт-амперной характеристики,
семейство которых приведено на рис. 5.2. При меньшем значении напря-
Рис. 5.2. Вольт-амперные характеристики полевого транзистора, выполняющего
функцию потенциометра
32
Рис. 5.4. Выходное напряжение осциллятора при работе полевого транзистора
на нелинейном участке вольт-амперной характеристики
жения на переходе затвор—исток сопротивление канала транзистора
также увеличивается, и наоборот. Диапазон изменения сопротивления
канала полевого транзистора обычно составляет от 50 Ом до 25 кОм.
Для регулирования напряжения осциллятора достаточно изменить сопро-
тивление в цепи обратной связи в пределах от 150 до 300 Ом, что
легко обеспечить с помощью полевого транзистора.
Схема включения полевого транзистора приведена на рис. 5.3. Со-
противление R4 заменяется схемой, представленной на рис. 5.3, а.
Действующее в цепи обратной связи амплитудное значение перемен-
ного напряжения равно 1,4 В. Тогда из рис. 5.2 можно видеть, что для
обоих полупериодов переменного напряжения в цепи обратной связи
указанному напряжению соответствует напряжение управления, рав-
ное 0,7 В. Но при таком значении управляющего сигнала выходное
напряжение начинает заметно искажаться (рис. 5.4), поскольку рабо-
чая точка полевого транзистора смещается на нелинейный участок
вольт-амперной характеристики.
Осциллограмма напряжения осциллятора на рис. 5.4 соответствует
схеме включения полевого транзистора, представленной на рис. 5.3Т а.
Коэффициент формы синусоиды составляет 14%. Этот недостаток устра-
нен в схеме, приведенной на рис. 5.3, б, в которой полевой транзистор
работает на линейном участке характеристики даже при столь большом
значении управляющего сигнала. Коэффициент формы синусоиды в этом
случае не превышает 0,1% (рис. 5.5). Управляющее напряжение поле-
вого транзистора в цепи обратной связи осциллятора формируется с
помощью специального регулирующего усилителя, о котором речь
пойдет позже.
33
Рис. 5.5. Выходное напряжение осциллятора с коэффициентом формы примерно
0,1%
Рис. 5.6. Выходное напряжение осциллятора при превышении (более 10 кГц)
верхней границы частотного диапазона
Несколько слов о частоте осциллятора. Она определяется с помощью
простого выражения
1
f = ------- •
21TRC
Вместо R и С в формулу можно подставить значения R1 или R2 и С1
или С2, поскольку ранее было сказано, что для нашего осциллятора
Rl = R2 и Cl = С2. Это условие необходимо не для повышения устой-
чивости осциллятора, а для уменьшения искажений формы генериру-
емого напряжения.
Выражение для определения частоты осциллятора может быть исполь-
зовано для вычисления сопротивления резисторов R1,R2 и емкости кон-
денсаторов Cl, С2. Нижняя граница частоты составляет около 8 Гц, а
верхняя граница зависит от значений паразитных емкостей, обуслов-
ленных монтажом схемы осциллятора. Не последнюю роль при оценке
верхней границы частоты колебаний играют параметры операционного
усилителя. В нашем случае используется усилитель типа NE530, что
позволяет довести верхнюю границу частоты до 100 кГц при ампли-
тудном значении выходного напряжения 12 В.
Эксперименты показали, что при Cl = С2 = 220 пФ диапазон частот
осциллятора составляет от 30 до 320 кГц, причем при f = 100 кГц
коэффициент формы напряжения не превышает 0,2%. При Cl = С2 =
= 100 пФ диапазон частот составляет от 52 до 500 кГц. При этом на
частоте f = 250 кГц коэффициент формы невозможно определить,
так как произошло уменьшение амплитуды генерируемого напря-
жения на 1 дБ.
34
Если использовать операционнный усилитель типа 741, то верхняя
граничная частота будет равна 10 кГц. При дальнейшем увеличении
частоты синусоидальный сигнал трансформируется в треугольный
(рис. 5.6). В связи с тем что переход от синусоидальной к треугольной
форме сигнала внутри указанного диапазона происходит постепенно,
коэффициент искажения формы синусоиды не контролировался. После
этих пояснений можно перейти к рассмотрению схемы генератора,
приведенной на рис. 5.7.
Интегральная микросхема IC1 (тип NE530) используется в схеме ос-
циллятора, полевой транзистор Т1 (тип BF256 В) — в качестве регуля-
тора в цепи обратной связи осциллятора. Микросхема IC2 (тип 741)
предназначена для предварительного усиления сигнала управления, по-
даваемого на транзистор ТУ, причем выход микросхемы IC1 (вывод
(Г) через диод (тип АА143) подключен к первому входу микросхемы
IC2, второй вход которой подключен к потенциометру РЗ. Он форми-
рует опорный сигнал для микросхемы IC2.
Усиленная разность напряжений на входе микросхемы IC2 с ее выхода
(вывод 6) подается на полевой транзистор Т1. Две микросхемы IC3 и
IC4 используются в блоке питания с выходными напряжениями +12
и —12 В. Они могут быть любого типа и обеспечивают на выходе стабиль-
ное напряжение 12 В при токе не менее 1 А. На транзисторах Т2-Т4
(тип ВС107В) собран триггер Шмитта, с помощью которого синусоидаль-
ный сигнал преобразуется в прямоугольный.
Транзистор Т2 включен по схеме эмиттерного повторителя, обеспе-
чивающего развязку входной цепи от триггера Шмитта. Светодиод
LED предназначен для индикации состояния триггера Шмитта, когда
переключатель S2 находится в положении, соответствующем формиро-
ванию напряжения прямоугольной формы. Широкополосный усилитель
реализован на транзисторах Т5-Т8 и имеет низкоомный выход (50 Ом).
Каждое плечо усилителя образовано комплементарной парой, т.е. тран-
зисторами ср— п-р-ип —р-п -переходами.
Например, если в качестве транзистора Т7 используется транзистор
типа ВС360, то транзистор Т8 должен быть типа ВС340. Можно, конечно,
применять и не комплементарную пару транзисторов, например транзис-
торы типа ВС490, но при этом увеличится значение коэффициента формы
синусоидального напряжения.
После того как мы дали краткую характеристику всего генератора,
рассмотрим более подробно его отдельные элементы. Сначала об осцил-
ляторе. Подбор сопротивл гний в схеме осциллятора осуществляется с
помощью сдвоенных потенциометров (2x25 кОм), каждый из которых
включен последовательно с соответствующим резистором R2 и R3.
Переключатель S1 используется для дискретного переключения емко-
стей и также имеет две секции, переключающие одновременно два
комплекта конденсаторов.
35
220
+12 В'
— Р8
+12В 1
-о
П W Ч2
Д мкФ
|ЪчН
МС7812П
220
MC7912C
7мкФ
*0,22 мкФ
2*25*
ЮОк
АА1ЧЗ 4,7к
П D
BF253
250^
мкФ
+
250 т
мкФ
250
мкФ
IC3
IC4
2205
150
ВС213
Т5
0,22
мкФ +Т2В
2,2к Т8
250мкФ/15В
-----------1
"7ФП22к(]
330
R1
IC2
741
РЗ
25* +7,5В
2,5к * V jnn
’oj - 1Z0
100 к
22к
1М
S2
йЛа
__I 2,5k Л“
1 =
мкФ
250
мкФ-L
25В
2,2
1к
58
1к
LED
Т4
ВС107В
Т2
ВС 107 В
4,7*
ТЗ
ВС107В
2,2к|
Ф0,22 -^В
R4 “1“ мкФ
390
1к
70кП
4,7 К
Рис. 5.7. Электрическая принципиальная схема генератора синусоидального и прямоугольного напряжения
0,47
мкФ
BSY90
Тб
| ВС 182
2,2 к Т7
10 39
10
ВС360
В соответствии с вышеприведенным выражением для определения
частоты осциллятора и схемой на рис. 5.1, сопротивление резистора R
составляет 27 2- кОм, вследствие чего последовательно с потенциометром
(каждой его секцией) включен дополнительный резистор (7?2,Я5) со-
противлением 2,2 кОм. При этом диапазон частот генерируемого осцил-
лятором напряжения находится в пределах от 585 до 7230 Гц (f2),
причем обеспечивается перекрытие соседних поддиапазонов.
При желании можно выбрать резисторы R2, R3 с другими значениями
сопротивлений и пересчитать диапазон частот, в пределах которого сину-
соидальное напряжение формируется без существенного искажения фор-
мы синусоиды. Не рекомендуется выбирать сопротивление резисторов
R2, R3 менее 1,5 кОм, поскольку на нижней границе частотного диапа-
зона будет иметь место сильное искажение формы синусоидального на-
пряжения. Если необходимо увеличить верхнюю границу частоты до
100 кГц, то переключатель S1 должен иметь пятую ступень, к которой
следует подключить конденсаторы емкостью 220 пФ. При подборе кон-
денсаторов особенно тщательно необходимо следить за тем, чтобы ем-
кость С1 по значению была максимально близка к емкости С2.
На рис. 5.1 сопротивление R1 выбрано равным 100 кОм. Много-
численные эксперименты показали, что это значение сопротивления яв-
ляется оптимальным. При этом коэффициент формы синусоиды не пре-
вышает 0,1% и, как правило, составляет 0,08%. Практически R1 можно
выбирать в диапазоне от 82 до 120 кОм. Не следует, однако, забывать
и о влиянии сопротивления потенциометра (рис. 5.7) Р2 на коэффициент
формы синусоиды. Оптимальное значение сопротивления потенцио-
метра составляет 1 кОм. Оно к тому же обеспечивает и достаточный
запас устойчивости осциллятора.
Настройка микросхем IC1 и IC2 осуществляется следующим образом.
На потенциометре Р2 устанавливают сопротивление 1 кОм (движок
потенциометра Р2 в среднем положении), а переключатель S1 — в по-
ложение, соответствующее подключению конденсатора емкостью 10 нФ.
С помощью потенциометра РЗ устанавливают в точке Е напряжение 4 В
(амплитудное значение 11,3 В).
Для этого в точке А необходимо иметь напряжение +4 В постоянного
тока. Значение регулирующего напряжения в точке F зависит от положе-
ния движка потенциометра Р1 и находится в диапазоне ±500 мВ, а в
среднем положении движка близко к 0 В. Это напряжение зависит также
от тока утечки конкретного полевого транзистора Т1. Измеренное
с помощью образцового прибора оно колеблется в пределах от
/1 + 225 мВ до /2 — 113 мВ, в точке С— отД + 474 мВ до/2 — 228 мВ.
Напряжение в точках G и Н должно быть равно нулю. При этом на-
пряжение постоянного тока в точке F, измеренное с помощью вольт-
метра с высокоомным входным сопротивлением, должно составлять
1/2 Uc. В точке F, как показано на осциллограмме рис. 5.8, должно
быть чисто синусоидальное напряжение с амплитудным значением, рав-
37
Рис. 5.8. Выходное напряжение генератора
R
Рис. 5.9. Схема подключения вольт-
метра постоянного тока при контро-
ле напряжения на элементах схемы
генератора
ным 0,8 Um. В точке D амплитудное значение переменного напряжения
в 1,4 раза превышает номинальное амплитудное значение.
Для измерения напряжения постоянного тока в точках Е, F, G, Н
вольтметр следует подключать через ЛС-цепочку в соответствии со схе-
мой на рис. 5.9, чтобы исключить попадание переменной составляющей
напряжения осциллятора на вход вольтметра постоянного тока. Особен-
но важно это для измерения напряжения в точке Е, в которой с помощью
потенциометра Р6 должно устанавливаться нулевое значение напряжения.
Коэффициент формы напряжения, измеренного в точке Е, изменяется
в диапазоне от 0,1 до 0,15%. Под действием нагрузки и управляющего
сигнала высокого уровня коэффициент формы может ’’ухудшиться’*
до 0,3%. ’’Улучшение” коэффициента формы достигается за счет исполь-
зования комплементарных пар из транзисторов Т5, Тб и Т7, Т8, о чем
уже говорилось ранее. Например, следует выбрать транзистор Т5 типа
ВС327, Тб - типа ВС337, Т7 - типа ВС160-6, Т8 - типа ВС140-6. Для
транзисторов Т7 и Т8 необходимо предусмотреть дополнительные
средства охлаждения.
Благодаря регулирующему усилителю IC2 выходное напряжение ге-
нератора остается постоянным во всем частотном диапазоне. Ниже
приведены значения частот и выходного напряжения для диапазона
частот от 0,6 до 7 кГц (табл. 5.1).
Ток потребления генератора с оконечным усилителем (но без тригге-
ра Шмитта) при полной нагрузке, равной 50 Ом, составляет около
35 мА. Для регулирования выходного напряжения предусмотрен потен-
циометр Р5.
Таблица 5.1. Зависимость между частотой и выходным напряжением
Частота, кГц Выходное, напряжение, В Напряжение в точке С, мВ Частота, кГц Выходное напряжение, В Напряжете в точке С, мВ
0,6 4,00 Около +170 5 4,05 Около +170
1 4,00 То же 6 4,05 То же
3 4.02 »• »’ 7 4,05 Около -600
38
С помощью переключателя S2 выбирают режим работы генератора —
синусоидальное или прямоугольное выходное напряжение. В последнем
случае в работу включается триггер Шмитта (транзисторы Т2—Т4).
На осциллограмме рис. 5.10 приведено выходное напряжение прямо-
угольной формы. Посредством потенциометра Р4 симметрию выходного
напряжения можно нарушить, как это показано на рис. 5.11, причем
асимметрия реализуется как для положительных, так и для отрицатель-
ных полупериодов выходного напряжения. Нормальным режимом ра-
боты генератора считается работа с симметричным выходным напря-
жением.
Хотелось бы остановиться еще на одном вопросе. Почему триггер
Шмитта не реализован на основе интегральной микросхемы, например
с помощью ТТЛ-компаратора? При этом удалось бы избежать исполь-
зования соединительных проводов, несущих паразитные емкости и до-
полнительные сопротивления. В нашей схеме это не делается потому,
что применение микросхемы приводит к ухудшению фронтов импуль-
сов. Причина же такого эффекта объясняется тем, что элементы указан-
ной микросхемы рассчитаны на высокую частоту переключения и низко-
частотный режим приведет к ’’заваливанию” фронтов импульсов.
•ТТЛ - трснзистпр-тринзьсторная логика. -Прим. пер.
39
6 Устройство контроля уровня
синусоидального сигнала
Это устройство может быть достаточно просто реализовано на базе
операционного усилителя (рис. 6.1). Коэффициент усиления современ-
ных операционных усилителей достигает 100 000, что обеспечивается
использованием глубокой обратной связи. В этом случае достигается
устойчивая, стабильная работа усилителя. Специалисты в области радио-
электроники обычно применяют усилители с коэффициентами усиления
в пределах от 1 до 1000, а чаще всего в пределах от 20 до 200. В схеме
на рис. 61 обратная связь между выходом (вывод б) и инверсным
входом (вывод 2) микросхемы осуществляется через мостовой выпря-
митель. С помощью потенциометра Р устанавливают коэффициент обрат-
ной связи.
Через потенциометр Р протекает также ток катушки стрелочного ин-
дикатора, и падение напряжения на нем действует в цепи обратной связи,
т.е. подается на инвертирующий вход микросхемы. Нелинейность вольт-
амперной характеристики диодов выпрямителя в данном случае не про-
является, поскольку при переходе выходного напряжения усилителя
через нуль напряжение в цепи обратной связи также равно нулю. Благо-
даря высокому быстродействию операционного усилителя пульсация
Рис. 6.1. Простая схема измерения синусоидального напряжения
40
напряжения на выходе выпрямителя практически не отражается на по-
казании стрелочного индикатора.
Стрелочный индикатор или микроамперметр имеет пределы измере-
ния 100 или 200 мА и линейную шкалу, поэтому при измерении напряже-
ния до 100 мВ индикатор работает также на линейной шкале. Для сохра-
нения этого свойства устройства во всем частотном диапазоне не следует
подавать на его вход напряжение более 100 мВ.
Несколько слов о частотном диапазоне устройства. Полоса его про-
пускания во многом определяется типом используемого операционного
усилителя. Усилитель типа ТВА221 (по международной системе обозна-
чений — типа 741) при включении конденсатора с емкостью 470 пФ
(рис. 6.1) обеспечивает измерение напряжения без заметной погреш-
ности на частотах до 20 кГц. Лучшие результаты получаются при исполь-
зовании операционного усилителя типа Е53О и отсутствии указанного
конденсатора.
7 Частотомер с аналоговой
индикацией частоты
переменного напряжения
В данном случае может возникнуть вопрос, кто же измеряет частоту
напряжения посредством аналоговых приборов? С точки зрения точности
измерения цифровые частотомеры, конечно же, точнее, однако в отличие
от простой схемы частотомера с аналоговой индикацией (рис. 7.1) они
имеют сложную конструкцию и довольно до'роги.
Представленная на рис. 7.1 электрическая пронципиальная схема
частотомера с аналоговой индикацией (далее частотомера) предназ-
начена для работы в диапазоне низких частот. Частотомер может быть
реализован на базе генератора синусоидального напряжения, который
описан в гл. 8. При этом весьма просто решается проблема градуировки
шкалы, поскольку в этом случае можно непосредственно использовать
линейную шкалу с пределами измерения от 0 до 10, что облегчает поль-
зование прибором.
Рассмотрим теперь технические характеристики частотомера. Он
устойчиво работает при подаче на его вход переменного напряжения в
пределах от 50 мВ до 4 В. Частотный диапазон частотомера составляет
от 10 до 100 кГц и разделен на четыре поддиапазона. Магнитоэлектричес-
кий микроамперметр или стрелочный индикатор, как было сказано
выше, имеет шкалу с пределами 0—10. Если частотомер работает в под-
диапазоне от 0 до 1 кГц, то делению 1 шкалы соответствуют 100 Гц,
а делению 10—1 кГц.
Часто шкалы стрелочных индикаторов имеют больше десяти делений.
Но это обстоятельство не должно Вас беспокоить, поскольку в этом
случае обеспечивается перекрытие соседних поддиапазонов.
Частотный диапазон частотомера можно увеличить за счет увеличения
ступеней переключения двухсекционного переключателя S1-S2. Для
пятой ступени рекомендуем использовать конденсатор емкостью 100 пФ.
При этом соединительные проводники между платой переключателя
S1-S2, выходом микросхемы (вывод 7) и эмиттером транзистора типа
ВС107В должны иметь минимально возможную длину. В этом случае
верхнее предельное значение измеряемой частоты увеличивается до
500 кГц.
Несколько слов о входном напряжении. Ранее уже говорилось о том,
что его эффективчое значение должно лежать в пределах от 50 мВ до 4 В,
что соответствует амплитудному значению от 141 мВ до 11,3 В. Если
42
А/ом
01 1\BF
,255В
мкФ« II ° —.
юок
+5в|"г
5,2М|
50мВ -4В
ЮГи,-120кГи,
+1 юо
Ф мкФ
2,2кч
г,2к3
+6Ъ
/"в
к<'2
гЧ. 7
7Jl/86f>o
~ив
535
J Sit—-------------
100 кГц —L7,,
r—°"*h
ЮкГи. I
' *"—°“1Ьт SOD мкА
/кГц 0,/мкр/ег 1
о <Hh
100Гц. /мкФ
+12й
зг
- К?г~1
о-€±4-5к
P4f~]
о-£_эА’5к
Р5Г~\
5к
Р1
Юк
i юо мкФ
"35В
ВС107В
Рис. 7.1. Принципиальная схема частотомера с аналоговой индикацией
В
возникнет необходимость измерения частоты напряжения переменного
тока с меньшим амплитудным значением, на вход частотомера можно
включить одноступенчатый транзисторный усилитель. При большем
значении напряжения целесообразно использовать входной делитель на-
пряжения. Подлежащее измерению напряжение должно быть симметрич-
ной формы. Как уже было сказано, частотомер можно с одинаковым ус-
пехом применять для измерения частоты переменного напряжения трапе-
цеидальной и треугольной формы. Эту же схему можно использовать
в качестве генератора звуковых частот и измерителя оборотов двигателя
автомобиля.
Рассмотрим теперь схему частотомера и принцип обработки измеря-
емого сигнала.
Полевой транзистор типа BF256B решает две задачи. Во-первых,
он обеспечивает высокоомный вход частотомера и, во-вторых, согла-
сует низкоомный вход следующего за ним операционного усилителя
типа ТАА761 или ТАА861 с высокоомным входом частотомера. Операци-
онный усилитель работает в режиме триггера Шмит та, и его выход через
43
переключатель S1 подключен к секции из четырех конденсаторов. Бипо-
лярный транзистор ВС107В выполняет функцию интегратора, и в цепь
его коллектора включен стрелочный индикатор.
Блок питания обеспечивает устройство стабильным напряжением
12 В постоянного тока. С помощью осциллограмм, приведенных на
рис. 7.2—7.4, поясняется принцип преобразования входного сигнала
(рис. 7.2) с частотой 15 кГц и амплитудой 6 В. Аналогичный сигнал по-
ступает и на вход операционного усилителя, но его амплитуда на 10%
меньше амплитуды входного сигнала. На выходе операционного усили-
теля появляются прямоугольные импульсы (рис. 7.3), амплитуда кото-
рых равна напряжению питания (12 В).
По форме верхней части импульсов можно понять, что заваленный
передний фронт обусловлен действием интегрирующего транзистора.
Напряжение на осциллограмме рис. 7.3 не откалибровано. Откалибро-
ванное напряжение появляется на эмиттере биполярного транзистора
(рис. 7.4) и имеет амплитудное значение 8 В. Изменение амплитуды
происходит не в результате увеличения сигнала на выходе операционного
делителя (рис. 7.3), а под действием напряжения питания.
Настройка частотомера осуществляется следующим образом. Сначала
к выходу операционного усилителя (вывод 7) подключают вольтметр
постоянного тока с диапазоном измерения 10 В или более. Потенциометр
Р1 устанавливают в среднее положение и добиваются того, чтобы потен-
циал точки 7 был близок к потенциалу переброса триггера. Теперь оста-
ется решить вопрос калибровки. Это также несложно сделать с по-
мощью калибратора с временными метками или с помощью другого
частотомера с диапазоном измерений от 10 Гц до 100 кГц.
Если указанных приборов найти не удастся, можно поступить сле-
дующим образом. Прежде всего необходимо тщательно подобрать
по емкости конденсаторы в соответствии с номиналами, указанными
в схеме на рис. 7.1.
Рис. 7.2. Осциллограмма сигнала на
входе полевого транзистора (частотомера)
Рис. 7.3. Осциллограмма сигнала на выходе операционного усилителя
44
Рис. 7.4. Осциллограмма сигнала на эмит-
тере биполярного транзистора
Затем переключатель S1—S2 пере-
вести в положение, соответствующее
100 Гц (1 мкФ), к на вход частото-
мера подать напряжение 2 В со вто-
ричной обмотки трансформатора,
включенного в сеть переменного то-
ка с частотой 50 Гц. Далее следует
привести потенциометр Р 6 в среднее
положение и с помощью потенциометра Р2 установить стрелку индика-
тора напротив деления 5, соответствующего в данном поддиапазоне
50* Гц.
Установив генератор звуковой частоты на 100 Гц и подключив его
ко входу частотомера, добиваемся положения стрелки индикатора на-
против деления 10 и т.д. Аналогичным образом проводим настройку и
на других поддиапазонах частотомера. Последний метод не относится
к числу точных, но для первого раза и он позволяет получить удовлет-
ворительный для практики результат. В идеальном случае каждый под-
диапазон следует настраивать в двух точках шкалы (в середине и в
конце) с помощью образцового генератора частоты.
Как уже было сказано выше, в частотомере используется магнито-
электрический микроамперметр или стрелочный индикатор со шкалой
0—10, ток потребления которого при отклонении стрелки в правое
крайнее положение не должен превышать 300 мА. Значения сопротивле-
ний Rj, Р2, Ra и РЗ—Рб (рис. 7.1) зависят от тока, протекающего через
стрелочный индикатор. Если по каким-либо причинам приходится откло-
няться от указанных на рис. 7.1 значений параметров, необходимо пом-
нить, что суммарное сопротивление включенных последовательно с
индикатором резисторов должно быть не менее 5,3 кОм, а ток в этой
цепи — не более 330 мА.
Таблица 7. 1. Напряжения на коллекторе транзистора при различных
частотах сигнала
Показание индикатора, (деление) Частота, Гц Амплитуд? ное значение напряжения на коллекто- ре, В Показание индикатора, (деление) Частота, Гц Амплитуд ное значение напряжения на коллекто- ре, В
0 0 12 5 5 10,79
1 1 11,84 10 10 9,44
45
Значения напряжений на коллекторе биполярного транзистора, ука-
занные в табл. 7.1, сохраняются и на всех остальных поддиапазонах изме-
рения. Если по какой-либо причине приходится отклоняться от этих зна-
чений, то следует помнить, что напряжение на коллекторе биполярного
транзистора в правом крайнем положении стрелки индикатора не долж-
но быть меньше 5 В. Тогда и сопротивление приведенных на рис. 7.1
резисторов выбираются в более широком диапазоне.
Если, например, ток через индикатор составляет 200 мА (в этом слу-
чае потенциометр Р2 не понадобится), то необходимо увеличить сопро-
тивление Ra (рис. 7.1). Естествен вопрос — насколько? Сопротивление
Ra должно быть таким, чтобы при подаче на вход частотомера пере-
менного напряжения с частотой 50 Гц стрелка индикатора устанавли-
валась напротив деления 5 при среднем положении потенциометра Р6.
Сопротивление резистора Ra для этого случая может быть равно
5 кОм. Поэтому при подборе резистора Ra сначала на его место следует
включить потенциометр, а затем, когда указанное сопротивление будет
определено экспериментально, заменить временный потенциометр на
обычный резистор. Необходимо следить за тем, чтобы напряжение на
коллекторе биполярного транзистора не снижалось менее 5 В.
8 Функциональный генератор
переменного напряжения
синусоидальной, треугольной
и пилообразной формы
Подобного рода генератор, конечно же, необходим в любительской
лаборатории. Но, с одной стороны, он должен быть достаточно простым
в реализации, а с другой — удовлетворять тем требованиям, которые
предъявляются к нему со стороны профессионалов-радиоэлектронщиков.
Эта задача может быть решена с помощью выходного усилителя на че-
тырех биполярных транзисторах, двух операционных усилителей и по-
левого транзистора.
Для функционального генератора (далее просто генератора) предъ-
являются менее жесткие требования к форме кривой синусоидального
сигнала и фронтов прямоугольных импульсов. Основная его задача —
генерировать набор сигналов определенной формы для активных и пас-
сивных электрических и электронных цепей. Рассматриваемый в этой
главе генератор позволяет получать на выходе следующие сигналы:
синусоидальный с амплитудой напряжения 2,5 или 10 В и коэффициен-
том формы около 33%, прямоугольный симметричный с амплитудой
10 В; прямоугольный несимметричный относительно положительных
импульсов; прямоугольный несимметричный относительно отрицатель-
ных импульсов; треугольный с амплитудой 10 В; пилообразный с
крутым передним фронтом; пилообразный с крутым задним фронтом.
Таким образом, мы имеем семь сигналов различной формы в диапа-
зоне частот от 03 Гц ДО 30 кГц. Амплитуду сигналов можно регулиро-
вать. Кроме того, предусмотрено регулирование напряжения питания.
Выход генератора подключается на нагрузку 50 Ом.
Рассмотрим принципиальную схему генератора, приведенную на
рис. 8.1. Сначала о самом простом — о блоке питания. В него входит
трансформатор с двумя вторичными обмотками с напряжением 18 В
и током 03 А, а также мостовой выпрямитель, выход которого выпол-
нен со средней точкой. Относительно этой точки получают один номинал
напряжения разной полярности - положительной и отрицательной. На
выходе выпрямителя включены два регулятора на интегральных микро-
схемах, обеспечивающие стабильное напряжение питания ±15 В.
Выходной усилитель генератора изготовлен на комплементарных
парах биполярных транзисторов. Его выходное сопротивление состав-
ляет 50 Ом. С помощью потенциометра Р9 регулируется амплитуда вы-
ходного сигнала, а посредством потенциометра Р1 — напряжение смеще-
47
6иА +8,2В Z6,8B +15В
г)* 5к6 5k62,5k6S3
47 ф
мкФ
75 В
х1 ,п
Х1 30 к
100 к
х2
*10
470
3
2
Р8
5к
13,5U3S
J\T Р1
101 \5к
Р2
5к
2±"
+ 6X1N4№\ у
3,9к
2,2к
7Н
1к
180
11USS
~ITU
54
470 пФ
11USS
1N148
70
мкФ т
22 к
-15 В
у^, В50 С1000 J МС7915С °Т"
-15 В
х-^-вЧ»««
5мА 26,8В
2,2к
ВС177
ВС 140
2,8USS
Юк
улг«»
ДГ255В
+15В
ВС160
ВС107
2,2 к
UA=1OUSS ПГ
UA=10Uss
Ua=Z,5Uss
11USS
'и'1*'
ПГ ?
- о
—15 В
Выход
/ Без оконечного \
/ усилителя )
Llf^{P9)
1к
Р9
Юк
,47
!' мкФ
J25B
I 47МКФ о
Ь25В 2^(/ss[
+15В
Рис. 8.1. Принципиальная схема функционального генератора с семью формами переменного напряжения
200 МА
LED
+15 В
МС7815С
S6
I
ния постоянного тока до ± 1,5 В. В зависимости от пределов регулирова-
ния определяется амплитуда выходного сигнала. Следует помнить о не-
обходимости дополнительного теплоотвода с транзисторов выходного
усилителя.
Указанные на схеме (рис. 8.1) транзисторы можно заменить экви-
валентными, также образующими комплементарные пары. Транзисторы
ВС107 и ВС177 выполняются в металлическом (исполнение ТО-18)
или пластмассовом корпусах. Для выходной пары биполярных транзис-
торов (ВС140, ВС160) принято исполнение корпуса ТО-39. Описанный
выше выходной каскад может быть изготовлен по другой схеме, когда
потенциометр Р9 (показано штриховкой) включается непосредственно
на выход генератора и отпадает необходимость в регулировании напря-
жения смещения постоянного тока. В этом случае используется потен-
циометр с сопротивлением 1 кОм.
Переходя от выходного каскада к предыдущим каскадам схемы,
рассмотрим переключатель S6. С его помощью осуществляют выбор
формы сигнала — синусоидальная, прямоугольная, треугольная. Ампли-
туда напряжения для прямоугольного и треугольного сигналов здесь
составляет 11 В. При ненагруженном выходном усилителе она равна
10 В. Синусоидальный сигнал снимается с полевого транзистора 77, а
его амплитудное значение составляет 2,8 В. Если амплитуду требуется
довести до 10 В, то следует использовать дополнительный операционный
усилитель, схема подключения которого к транзистору Т1 приведена на
рис. 8.2. Регулирование напряжения на выходе производится посредст-
вом потенциометра Р11.
Теперь рассмотрим сам осциллятор, реализованный на микросхемах
IC1 (тип 741 или NE530 Valvo) и IC2 (тип. 741). Изменение его частоты
осуществляется за счет переключения конденсаторов и резисторов, а
также посредством потенциометров Pl, Р4-Р8. Микросхема IC1 рабо-
тает в режиме компаратора, и на ее выходе (вывод б) формируется
прямоугольный сигнал с амплитудой примерно 13,5 В. Микросхема
IC2 функционирует в режиме интегратора, и на ее выходе формируется
треугольный сигнал. Если кому-то захочется увеличить частоту выходно-
го сигнала, то можно использовать микросхемы типа NE530 или анало-
гичные им по быстродействию.
Треугольный сигнал подается на транзистор Т1 (BF256B), выпол-
няющий функцию формирователя. Он работает как нелинейный резис-
тор в области низких значений рабочего напряжения. При этом диод
1N4148 на затворе транзистора Т1 из отрицательного полупериода тре-
угольного сигнала формирует синусоиду, а сам транзистор — синусо-
идальный сигнал из положительного полупериода. Посредством потен-
циометра РЗ регулируется качество синусоидального сигнала.
Если требуемое качество синусоидального сигнала посредством РЗ
получить не удается, то резистор с сопротивлением 470 Ом в цепи истока
транзистора Т1 можно заменить на потенциометр с сопротивлением от
49
Рис. 8.2. Схема дополнительного усиления входного сигнала
Рис. 8.3. Осциллограмма синусоидального напряжения с частотой 3 кГц и коэф-
фициентом формы 3,5 %
270 до 1000 Ом. Коэффициент формы синусоидального сигнала на часто-
те 3 кГц не должен превышать 3,5%. Форма синусоидального сигнала
приведена на рис. 8.3.
Теперь о регулировке и работе с генератором. Прежде всего необ-
ходимо потенциометры Pl, Р8 и Р5 установить в среднее положение.
Переключатель S3 следует перевести в положение Р6 (4,7 нФ) Теперь
регулировку молено осуществлять с помощью потенциометра Р2. На
выходе микросхемы IC2 (вывод 6) должен быть треугольный сигнал с
амплитудой 10-11 В (см. осциллограмму на рис. 8.4). Регулирование
сводится к установке потенциометра Р2 в положение, при котором
с небольшим запасом обеспечивается поддержание колебаний. Форма
прямоугольного сигнала, формирующегося на выходе микросхемы ZC7,
представлена на рис. 8.5.
Все остальные потенциометры предназначены для регулирования
частоты выходного сигнала, причем Р8 и Р1 используются для грубого,
а Р4 и Р7 — для точного регулирования частоты. Пределы регулирования
частоты выходного сигнала приведены в табл 8.1.
Потенциометр Р8 должен обеспечивать регулирование выходного
сигнала в широком диапазоне (от 1 до 100), благодаря чему от частоты
0,3 Гц можно перейти к частоте 0,003 Гц. Конечно же, для практики до-
статочно и менее глубокого регулирования (1:10). При этом сопротив-
ление можно увели эдть с 470 Ом до 1 кОм.
Как видно из табл. 8.1, с помощью резистора RB обеспечивается пере-
крытие всего диапазона регулирования частоты выходного сигнала.
Для перекрытия соседних поддиапазонов последовательно cRB рекомен-
дуется включить потенциометры Р4-Р7. Они же позволяют скомпенси-
ровать разброс емкостей конденсаторов.
50
Рис. 8.4. Переменное напряжение треугольной формы с амплитудой 10 В
Рис. 8.5. Форма сигнала на выходе микросхемы IC1
1111 111 1 1111 1111 Hi г ни Lit! 111 1 III1
тттт тттт пп тпт тттт тттт тпт тпт тпт тпт
Посредством выключателей S1 и S2 обеспечивается асимметрия
прямоугольного и треугольного сигналов. В последнем случае появля-
ется возможность получения пилообразного напряжения с восходящим
передним или нисходящим задним фронтами. На рис. 8.6—8.9 приведены
формы выходных сигналов при различных состояниях выключателей
S1 и S2. Следует помнить, что амплитуда пилообразного напряжения
примерно в 2 раза меньше 10 В. Для получения на выходе генератора
сигнала необходимой амплитуды можно использовать потенциометр
РЮ.
Рис. 8.6. Переменное напряжение асимметричной прямоугольной формы (S1
включен; S2 выключен)
Рис. 8.7. Переменное напряжение пилообразной формы с нисходящим задним фрон-
том (S1 включен; S2 выключен)
51
Рис. 8.8. Переменнее напряжение асимметричной прямоугольной формы (S1 вы-
ключен; S2 включен)
Рис. 8.9. Переменное напряжение пилообразной формы с восходящим передним
фронтом (S1 выключен; S2 включен)
При изготовлении генератора Вы не встретите особых трудностей,
если при его регулировке и настройке воспользуетесь осциллографом.
Рекомендуется для уменьшения помех применять массивное шасси, а
все соединительные провода делать как можно короче. Как уже было
сказано ранее, для увеличения верхней границы диапазоны частот сле-
дует использовать быстродействующие операционные усилители (в
нашем случае это микросхемы типа NE530 Valvo). Для тех, кто хочет
получать сигнал большей амплитуды, рекомендуем установить в блоке
питания регуляторы на 24 В и стабилитрон с напряжением стабилиза-
ции 8 В (вместо 6,8 В). В этом случае амплитуда выходного сигнала
будет равна 20 В. Остальная же часть схемы остается без изменений.
Таблица 8. 1. Пределы регулирования частоты, Гц, выходного сигнала
в зависимости от параметров сопротивления
Положе- ние пере- ключате- ля S4 Сопротивление, кОм Положение Сопротивление, кОм -— — переклю- 10 30 100 чателя54 10 30 100
470 пФ 4,7 нФ 30 000 10 000 300 47 нФ 300 100 3' 3000 1000 30 0,47 мкФ 30 10 0,3
Q Импульсный генератор
Импульсный генератор предназначен для формирования узких им-
пульсов длительностью около 20 нс и более, которые применяются для
контроля и отладки логических схем. Спектр импульсного сигнала до
25 МГц остается неизменным, что делает его пригодным для решения
указанной задачи. При частоте до 100 МГц имеет место уменьшение сиг-
нала на 10 дБ. Частота следования импульсов изменяется четырьмя сту-
пенями в пределах от 50 Гц до 50 кГц. Вместо пикового сигнала можно
использовать также фронты прямоугольного сигнала. При указанной дли-
тельности (20 нс) сигнала внутренее сопротивление генератора должно
быть менее 0,5 Ом. С увеличением длительности импульса и нагрузки
генератора происходит уменьшение амплитуды импульсного сигнала.
Операционный усилитель ТАА861А генератора (рис. 9.1) работает
в режиме формирователя прямоугольных импульсов, причем подключа-
емые на его вход конденсаторы определяют частоту следования импуль-
сов, поступающих на вход инвертора "а" (логическая схема НЕ). Выход
150
ПЪ/40
470
ВС
158
50 КГ ц
5 кГц
500 ГЦ
50 ГЦ
П+ЗВ
-П-ов
к
BAW75
BZY55*
C5BZ
S2
70 К
470
16
4,7к
S1
ИЗ
BAW75
a-d '.7405
ТА А
8Б1А
о
о
о
о
О- о 50 НС
О- <>100 НС
О<> 200нс
O-J р
16
100 77
гдолФ is
|730пФ,, 13
Рис. 9.1. Принципиальная схема импульсного генератора
150
1,5
40-
470
мкФ
75
М1
53
Рис. 9.2. Форма сигнала на элементах
схемы импульсного генератора
инвертора подключен к элементу
задержки на резисторе 16, конден-
саторах 17—19 и переключателе S1,
с помощью которых определяется
время задержки, а через него — дли-
тельность выходных импульсов.
После элемента задержки сигнал подается на другой инвертор ”д”, а
затем на логическую схему И. С ее выхода сигнал поступает на инвертор
’У” (М3), с которого и снимаются импульсы требуемых длительности и
периода следования. Таким образом, минимальная длительность импуль-
са на выходе импульсного генератора определяется временем задержки,
обусловленным изменением состояния инвертора ”д”. Сформированный
на выходе инвертора ”с?” сигнал поступает на выходной двухступенчатый
транзисторный усилитель, выход которого защищен диодами.
В нижнем положении переключателя S1 вместо узких импульсов
можно получить прямоугольный сигнал. При этом на входе инвертора
”d” (ЛГ2) постоянно присутствует низкий потенциал, а на выходе —
высокий, и прямоугольные импульсы постоянно идут на выход импульс-
ного генератора с выхода инвертора ”а” (рис. 9.2).
Вместо собственных прямоугольных импульсов, формируемых в
импульсном генераторе, на его вход можно подавать прямоугольные им-
пульсы от внешнего генератора через конденсатор емкостью 470 мкФ.
Амплитуда сигнала должна быть равна 3 В. При этом переключатель S2
необходимо перевести в нижнее положение. Операционный усилитель
включен по схеме триггера Шмитта.
Импульсный генератор имеет следующие характеристики:
Напряжение питания постоянного тока, В............12
Ток потребления, мА...............................40
Амплитуда напряжения сигнала от внешнего генератора,
В................................................3
Входное сопротивление для внешнего генератора, Ом 75
Амплитуда выходного сигнала при нагрузке 75 Ом, В 3
Внутреннее сопротивление (при Ги = 20 нс) , Ом...0,5
Частоты следования выходных импульсов:
Л, Гц...........................................50
Л, Гц.........................................500
/з.кГц........................................5
/4, кГц.......................................50
Длительности импульсов:
11, нс........................................20
Z2,hc......................................... 50
tj, нс........................................100
Г4, нс....................................... 200
t ................................................/ген
Стабильность частоты следования импульсов, % ... . ±5
Стабильность заданной длительности импульсов, % ... ±5
Ю Устройство для измерения
температуры с транзисторным
измерительным преобразователем
Принцип измерения температуры основан на использовании отри-
цательного температурного коэффициента кремниевого диода. На
определенном участке его вольт-амперной характеристики измене-
ние напряжения на диоде составляет — 2 мВ на 1°С (рис. 10.1). Осо-
бенно стабильно это свойство проявляется на полупроводниковом
переходе транзистора, работающего в режиме диода (рис. 10.2). Рас-
смотрим особенность работы такого преобразователя и попробуем его
использовать для измерения температуры дома, в автомобиле и т.д.
В качестве измерительного преобразователя (датчика) полупроводни-
ковый переход можно применять для контроля температуры в холодиль-
нике, для оповещения о пожаре в системе пожарной сигнализации.
Теперь познакомимся с температурным коэффициентом. Как, напри-
мер, изменяется вольт-амперная характеристика р—п -перехода при из-
менении температуры на 45° С? Ответ на этот вопрос можно получить
из рис. 10.3, на котором приведены характеристики р—п -переходов для
температур — 20 и +60° С. Для наших экспериментов можно использо-
вать диод типа 1N4148, а его вольт-амперную характеристику снять и
записать на специальном приборе. При этом можем убедиться в том, что
к смещению характеристики диода
изменение температуры приводит
вдоль оси абсцисс.
Рис. 10.1. Схема включения полупроводникового диода в качестве измеритель-
ного преобразователя температуры
Рис. 10.2. Схема включения биполярного транзистора в качестве измерительного
преобразователя температуры
R
55
Рис. 10.3. Изменение вольт-амперных характеристик полупроводникового диода
в зависимости от температуры:
1 - 65°C; 2 - 20°С
Рис. 10.4. Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода типа 1N4148
(/) и биполярного транзистора типа ВС108 (2)
Из полученных кривых очевидно, что при токе через диод 400 мА
и температуре 20° С напряжение на диоде составляет 0,7 В, При увеличе-
нии температуры на 45 ° С напряжение уменьшается на 90 мВ. Поделим
90 мВ на 45°С и получим обещанные 2 мВ на 1°С.
Рассмотрим теперь схему включения диода, в которой для уменьше-
ния тепловых потерь и нагрева диода ток уменьшается до 100 мА при
сохранении указанного выше свойства р—п -перехода. В этом случае воз-
никает одна проблема, связанная с тем, что в области малых токов ха-
рактеристика имеет меньшую крутизну и к тому же является нелиней-
ной. Поэтому лучше использовать р—«-переход транзистора, что под-
тверждается его вольт-амперной характеристикой.
На рис. 10.4 для сравнения приведены характеристики диода типа
1N4148 и транзистора типа ВС 108. Кривая транзистора в области малых
токов имеет большую крутизну, таким образом, реализованный на нем
измерительный преобразователь будет иметь большую чувствительность,
для повышения которой следует выбрать транзистор с высоким коэф-
фициентом усиления по току и малым обратным током. Для этой цели
годится транзистор типа ВС108С или ВС109С. Благодаря такой характе-
ристике транзисторы этого типа часто используются в качестве защитных
диодов во входных цепях различных электронных устройств, поскольку
при напряжении около 0,5 В они практически не оказывают влияния на
входное сопротивление устройства, к которому подключаются.
После того как мы убедимся, что в интересующем нас диапазоне тем-
ператур (от —10 до +100°С) р-п -переход транзистора обеспечивает
приращение напряжения на нем —2мВ на 1°С, остается ответить на во-
прос — каким образом и с помощью чего можно оценить подобное из-
менение напряжения? Конечно же, для этой цели следует применять
56
Рис. 10.5. Принципиальная схема устройства для измерения температуры (а),
измерительная цепочка (6) и мостовая схема (в) :
Т - датчик
магнитоэлектрический микроамперметр с линейной шкалой в диапазоне
от 0 до 10. Технические данные таких приборов указываются в их пас-
порте. Нас интересуют ток 1Е прибора при крайнем правом положении
стрелки; напряжение VE в том же ее положении, а также сопротивление
катушки. Нам нужен прибор с UE = 0,14-1,0 В, 1Е = 0,14-1,0 мА. Длина
шкалы должна быть по возможности наибольшей, чтобы точнее отсчи-
тывать показания.
Теперь вернемся к тем милливольтам, которые нам удалось получить
на р-п -переходе транзистора. Этот сигнал необходимо усилить, прежде
чем подать его на наш измерительный прибор. Идеальным средством для
решения поставленной задачи является операционный усилитель
типа 741.
На рис. 10.5, а приведена принципиальная схема устройства для из-
мерения температуры. Транзистор, выполняющий функцию измеритель-
ного преобразователя, включен в мостовую схему, напряжение с диаго-
нали которой подается на вход операционного усилителя. С помощью
последнего сигнал в несколько милливольт усиливается до значения,
достаточного для работы измерительного прибора. На рис. 10.5 в мосто-
вая измерительная схема приведена отдельно, буквами а и b на ней
обозначена диагональ, в которую включен операционный усилитель.
Особо следует обратить внимание на недопустимость перегрузки тран-
зистора — измерительного преобразователя, которая может привести к
57
его нагреву, а это, в свою очередь, скажется на увеличении погрешности
измерения температуры окружающей среды. Поэтому ток через переход
база—эмиттер транзистора должен быть не более 0,5 мА. Это обеспечива-
ется включением в одно из плеч моста резистора сопротивлением
12 кОм, падение напряжения на котором (6,8 В) за вычетом падения на-
пряжений (0,6 В) на р—п -переходе составляет 6,2 В. Ток через указан-
ный резистор и р—п -переход транзистора
6,2 В
In = 1п = --------- = 516 мкА.
R D 12 кОм
Мощность потерь на транзисторе 0,5 мА-0,6 В = 300 мкВт.
Нам также не следует забывать о температурной нестабильности
мостовой схемы. Если элементы этой схемы подвержены колебаниям
температуры, то все входящие в нее резисторы должны иметь по воз-
можности одинаковое значение температурного коэффициента сопротив-
ления, т.е. необходимо использовать однотипные резисторы. Целесооб-
разно применять резисторы, изготовленные из металлизированной
ленты.
Параметры потенциометров Р2 и РЗ также следует очень тщательно
подбирать, причем значения их сопротивлений должны быть даже мень-
ше, чем указано на рис. 10.5, поскольку балансировку мостовой схемы
можно осуществлять путем подбора сопротивлений резисторов R1 и
R2. Потенциометры Р1 и Р2 должны быть выполнены в керамическом
корпусе.
Теперь о диапазоне измеряемых температур. Для рассмотрения этого
вопроса выберем на шкале измерительного прибора точку 0,8 В (при
этом ток равен 02 мА), что соответствует диапазонам измерения на-
пряжения UE и тока 1Е. Измерительная цепочка расположена на
рис. 10.5, а между точками А и В. В принципе потенциометр Р1 вводить
в схему необязательно (рис. 10.5, б). Однако без него можно повредить
измерительный прибор, особенно если он имеет высокую чувствитель-
ность, например когда UE = 0,1 В. В этом случае целесообразно вместо
потенциометра Р1 включать токоограничительный р :зистор, не позволяю-
щий отклоняться стрелке прибора далее значений 0,7—1,0 В.
Задавшись напряжением UE = 0,8 В, можно определить коэффициент
усиления операционного усилителя
R3
Для вычисления параметров элементов, определяющих диапазон из-
меряемых температур, рассмотрим некоторые примеры расчета.
Пример 1. На рис. 10.6, а приведена шкала температур от 0 до
40° С, соответствующая линейний шкале 0—10 измерительного прибора.
Изменение температуры на 40°С приведет к изменению напряжения на
58
01 23456789 10
i । i i i i i i i i i
Г I I I I | II I I | I I I I | I I IT J I I I I | I I I 1 1 I 1 I I | I I Г F|
0 5 10 15 20 25 30 35 40
а) *,eC
0123456789 10
i i i I I I i i ii _I
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
5) t/c
01234567 89 10
1 0 1 10 —I— 20 —I— 30 —I— 40 50 60 70 80 —। 1 90 100
6)
-t,cc
0 12 3 4
i ।_____। i ।____
i--1--1--1--1--r-
-15 -10 -5 0+5 10
5 6 7 8 9 10
। । 1 1 । ।
15 20 25 30 35 40 + 45
01 2345678 9 10
I_i___i_i___i_i_l_iiii
|-1—I-1-r-1-1-1 I I I-1-1—I-r—)
30 35 x 40 45
d) t,°C
Рис. 10^6. Температурные шкалы для диапазонов температур от 0 до 40°С (а); от
0 до 60 С (б) ; от 0 до 100°С (в); от -15 до +45°С (г) ; от 30 до 45°С (д)
преобразователе (транзисторе) на 2мВ/°С’40°С = 80 мВ. Эти 80 мВ на
входе операционного усилителя должны быть на его выходе доведены
до 800 мВ (мы выбрали напряжение выше UE = 0,8 В) и поданы затем
на измерительный прибор. Легко видеть, что в этом примере коэффи-
циент усиления операционного усилителя Кус = 800 мВ/80 мВ = 10.
При РЗ = 1 МОм имеем Rl + R2 = R3!Kyc = F = 1 МОм/Ю =100 кОм.
Регулировка схемы осуществляется следующим образом. Сначала
транзистор помещают в металлическую герметичную капсулу
(рис. 10.7). Два вывода транзистора выводят из капсулы, изолируют и
включают в мостовую схему. Затем капсулу с транзистором опускают
в воду со льдом и с помощью потенциометра РЗ стрелку прибора уста-
навливают в нуль. Оптимальное положение движка потенциометра РЗ,
обеспечивающее возможность регулирования в обе стороны, устанавли-
вают путем подбора сопротивления резистора R2. Затем капсулу с тран-
зистором следует извлечь из воды и положить в непосредственной бли-
зости с элементами мостовой схемы.
59
2
Рис. 10.7. Монтаж измерительного преобразователя в герметичную капсулу:
1 — выводы преобразователя; ’ 2 — герметичная заливка двухкомпонентным
клеем; 3 —транзистор —измерительный преобразователь
Через некоторое время, когда температура капсулы сравняется с тем-
пературой элементов мостовой схемы, с помощью потенциометра Р2
cnepyw установить стрелку прибора на деление 23°С по соответствую-
щей шкале на рис. 10.6, а. После этого можно считать, что наше устройст-
во настроено или проверено. В случае необходимости описанную про-
цедуру следует повторить. Перед началом измерения устройство реко-
мендуется около 30 мин ’’выдержать” во включенном состоянии.
Пример 2. В соответствии с рис. 10.6, б рассмотрим диапазон из-
меряемых температур от 0 до 60° С. Изменение температуры в этом диа-
пазоне дает напряжение 2мВ/°С-60°С = 120 мВ, снимаемое с измеритель-
ного преобразователя. Коэффициент усиления операционного усилителя
Кус = 800/120 = 6,66, тогда F = 1/6,66 = 150 кОм.
Настройка устройства осуществляется также, как и в примере 2.
Пример 3. В соответствии с рис. 10.6 диапазон измерения тем-
ператур составляет от 0 до 100°С. Он может быть применен при опре-
делении температуры нагрева различных элементов электронных схем.
Указанному диапазону температур соответствует напряжение на входе
усилителя, равное 2 мВ/°С-100°С = 200 мВ. Коэффициент усиления опе-
рационного усилителя КуС = 800/200 = 4 и F = 1/4 = 250 кОм. Для на-
стройки устройства при t = 100° С используем кипящую воду.
Пример 4. Приведенный на рис. 10.6, г шкала температур можно
использовать в устройстве контроля температуры в помещениях раз-
личного назначения, а также для предупреждения о начале обледенения
ветрового стекла автомобиля. Здесь точка 0 °C находится внутри шка-
лы. Разность температур между крайними делениями шкалы (—15 и
+45°С) по аналогии с примером 2 составляет 60°С. Точка 0°С устанав-
ливается так, как было описано ранее, т.е. используется вода со льдом.
Нулевой температуре соответствует значение 2,5 на линейной шкале при-
бора. В качестве второй точки выбираем 22°С (комнатную температуру)
и с помощью потенциометра Р2 устанавливаем стрелку прибора на деле-
ние, соответствующее 22° С. Процесс настройки по двум точкам темпе-
ратурного диапазона можно повторить.
Пример 5. Приведенная на рис. 10.6, д шкала может быть исполь-
зована в устройстве измерения температуры человеческого тела (от 30
60
Таблица 10. 1. Рекомендуемые значения сопротивлении R1 и Р2
Рис. 10.6 Дг,°С Д Ug, мВ Fye F, кОм R1, кОм Р2, кОм
а 40 80 10 100 82 50
биг 60 120 6,66 150 120 50
в 120 200 4 250 220 50
д 15 30 26,6 37,6 33 10
до 45°С). Здесь перепад крайних значений температур составляет 15°С.
Ему соответствует напряжение на транзисторе, равное 30 мВ, и коэффи-
циент усиления Кус = 800/30 = 26,6. Тогда F = 1/26,6 = 37,6 кОм
Настройку можно проводить с помощью сосуда с подогреваемой водой
или фена Посредством потенциометра РЗ устанавливают стрелку при-
бора на первое деление шкалы при t =30°С, а с помощью потенциометра
Р2 при t = 45 ° С — на последнее деление шкалы. Процесс настройки, опи-
санный в предыдущих примерах, сохраняется.
Для первого раза рекомендуем суммарное сопротивление F = Rl + Р2
подобрать с помощью омметра. При UE = 0,8 В целесообразно использо-
вать сочетания R1 и Р2, приведенные в табл. 10.1 для рассмотренных при-
меров.
Несколько слов о самом устройстве. В нем используется транзистор
типа ВС108С или ВС109С. При большой длине выводов транзистора,
расположенного в капсуле (рис. 10.7), их необходимо экранировать.
Отверстия для проводов в капсуле должны быть герметичными во избе-
жание попадания в нее влаги и увеличения переходного сопротивле-
ния в местах пайки проводов к выводам транзистора. Такое уплотнение
обеспечивается путем заливки указанных отверстий с проводами двух-
компонентным клеем. Можно также для этой цели использовать лак.
Мы, конечно, не забыли о температурном дрейфе транзистора, след-
ствием которого является перемещение рабочей точки вольт-амперной
характеристики р—и-перехода. Специалисты в этих случаях принимают
особые меры для устранения температурного дрейфа, а следовательно,
и температурной нестабильности р-п -перехода. Но даже для них эта
задача оказывается не из легких.
Приложение.
Отечественные аналоги зарубежных
изделий электронной техники
Зарубежный тип Класс ИЭТ Отечественный аналог
АА143 Выпрямительный диод 97А; ГД 113А
АА144 То же Д7Б
ВЗОСЮОО Мостовая схема выпрямителя КЦ402Е
В35С1000 То же КЦ402Е
В50С1000 »• „ КЦ402Е
ВС107В Биполярный транзистор КТ342Б
ВС108В То же КТ342Б
ВС108С КТ342В
ВС109С КТ342В
ВС 140 6 КТ63ОГ
ВС148 КТ373А
ВС158 •• •• КТ349В
ВС160-6 КТ933Б
ВС177 КТ3107А, Б
ВС182 »» 1» КТ3102А, Б
ВС213 э» »» КТ3107Б
ВС327 »» э* КТ685Г
ВС337 КТ660А
ВС340 КТ659
ВС360 КТ662
62
Продолжение приложения
Зарубежньй пт Класс ИЭТ Отечественный аналог
BF256B Полевой транзистор КПЗО7Г
BSY86 Биполярный транзистор КТ630Б
BSY90 То же КТ928Б
МС7712С ИМС стабилизатора напряжения КР142ЕН8Д
МС7812С ИМС стабилизатора напряжения КР142ЕН8Д
МС7815 То же КР142ЕН8Е
МС7912С ИМС стабилизатора напряжения отрицательной полярности -
МС7915С То же -
ТАА761 ИМС операционного усилителя К157УД1
ТАА861 То же К157УД1
ТВА221 К140УД708
ТДА1037 ИМС усилителя низкой частоты К174УН7
1N4L48 Выпрямительный диод КД522А
741
ИМС операционного усилителя КР140УД7
Содержание
Предисловие.......................................................... 3
Указание............................................................. 4
Глава 1. Мостовые схемы для измерения сопротивления и емкости........ 5
Глава 2. Пробник для диагностики радиоэлектронных схем............... 9
Глава 3. Универсальный измерительный прибор с автоматическим выбором
полярности включения.................................................14
Глава 4. Простой генератор калиброванных сигналов постоянного и перемен-
ного тока............................................................25
Глава 5. Генератор синусоидального и прямоугольного напряжения.......31
Глава 6. Устройство контроля уровня синусоидального сигнала..........40
Глава 7. Частотомер с аналоговой индикацией частоты переменного напря-
жения ...............................................................42
Глава 8. Функциональный генератор переменного напряжения синусоидаль-
ной, треугольной и пилообразной формы.............................. 47
rwea 9. Импульсный генератор.........................................53
Глава 10. Устройство для измерения температуры с транзисторным измери-
тельным преобразователем.............................................55
Приложение. Отечественные аналоги зарубежных изделий электрон-
ной техники..........................................................62
Издание для досуга
Нюрманн Дитер
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ДОМАШНЕЙ ЛАБОРАТОРИИ
Заведующий редакцией А.Б. Желдыбин
Редактор АЛ. Устинов
Художественные редакторы ТЛ. Дворецкова, Г.И. Панфилова
Технический редактор ДА. Волкова
Корректор Е.С. Арефьева
ИБ № 3498
Набор выполнен в издательстве. Подписано в по«ать с оригинала-макета 23.11.90.
Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная № 2. Печать высокая. Усл. печ.л. 4.00.
Усл.кр.-отт. 4,25. уч.-издл. 3,96. Тираж 200000 экз. Заказ 15. Цена 2 р.
Энергоатомиздат, 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.
Отпечатано в типографии Прейскурантиздата
125438, Москва, Пакгаузное шоссе, д. 1