Аналоговый милливольтметр

Часть 1. Устройство и принципиальная схема

Начинаем разработку и изготовление измерительных приборов на основе набора модулей, описанного в нескольких публикациях на этом сайте. В качестве первого и самого простого из них соберем аналоговый милливольтметр звукового диапазона частот. Это один из наиболее важных приборов радиолюбительской лаборатории, который используется для измерения уровней сигналов в цепях различных звукотехнических устройств - предварительных и оконечных усилителей, эквалайзеров, различных эффектов для электромузыкальных инструментов и в другой подобной аппаратуре. Величина измеряемого напряжения отображается стрелочным прибором, шкала которого обычно градуируется как в вольтах (милливольтах) так и в децибелах. Это позволяет без всяких дополнительных пересчетов оценить усиление или ослабление сигнала в испытываемом устройстве.

Для изготовления аналогового милливольтметра нам понадобятся четыре модуля из набора, показанные на рисунке ниже. Мы надеемся, что эти модули у вас уже изготовлены и с нетерпением дожидаются момента, когда из них соберут законченное изделие.

Технические характеристики прибора

Диапазон измеряемых напряжений: 1 мВ...30 В с поддиапазонами 10-30-100-300 мВ, 1-3-10-30 В.
Входное сопротивление
- на диапазонах 10 мВ...3 В: 100 кОм
- на диапазонах 10 В и 30 В: 1МОм
Диапазон частот
- с неравномерностью 1 дБ: 10 Гц...30 кГц
- с неравномерностью 3 дБ: 5 Гц...60 кГц
Ток, потребляемый от внешнего источника питания напряжением 9 В: не более 140 мА

Диапазон измеряемых напряжений при желании может быть расширен как в сторону более низких напряжений, так и в сторону более высоких. В первом случае милливольтметр нужно будет дополнить выносным щупом с усилителем, например, с усилением +10 или даже +20 дБ, во втором - выносным щупом с делителем напряжения, например, с ослаблением -10 или -20 дБ. Использование таких выносных щупов не только расширит диапазон измеряемых напряжений, но и позволит повысить входное сопротивление прибора, снизить его входную емкость и уменьшить влияние помех и наводок на измерительный кабель. Их схемы и конструкции неоднократно публиковались в радиолюбительской литературе и их легко найти в интернете.

Диапазон частот прибора определяется в основном частотными свойствами микросхем операционных усилителей, примененных в модулях. Указанные выше значения получаются при использовании недорогих ОУ массовых серий, таких как LF411-LF412, TL071-TL072 и аналогичных, однако, при необходимости, частотный диапазон может быть расширен за счет применения более быстродействующих микросхем.

И, наконец, несколько слов о погрешности измерений, которую можно ожидать от подобного аналогового прибора со стрелочным индикатором. Она складывается из множества факторов, таких как тщательность подбора тех резисторов в модулях, которые влияют на точность коэффициентов передачи сигнала, тщательность финальной регулировки прибора после сборки, качество изготовления шкалы и собственная погрешность стрелочного индикатора, а также целого ряда других.

Существенное значение имеет также точность того эталонного измерительного прибора, по показаниям которого мы ориентируемся, настраивая изготовленный нами милливольтметр. Ведь если взять в качестве эталонного, например, многократно здесь упоминавшийся классический милливольтметр В3-38, то в его документации обнаружим, что погрешность измерений, гарантируемая изготовителем, составляет от ±2,5% в узком диапазоне частот, напряжений и температур и до ±6% во всем рабочем диапазоне. Ясно, что настраивая изготовленный самостоятельно милливольтметр, ориентируясь на показания такого эталонного прибора, мы едва ли получим более высокую точность измерений. Именно поэтому автор не приводит данные по точности измерений в перечне технических характеристик, однако для ориентировки можно считать, что при аккуратном подборе резисторов в модулях и тщательной финальной настройке можно добиться отклонения показаний изготовленного милливольтметра от показаний эталонного прибора менее ±1% на средних частотах (50...500 Гц).

Принципиальная схема

Принципиальная схема милливольтметра показана на следующем рисунке.

Измеряемый сигнал поступает на вход модуля аттенюатора U1 через нормально замкнутые контакты реле K1, если реле обесточено, или через резистор R1, если на обмотку реле подано напряжение. В последнем случае резистор R1 (900 кОм) и суммарное сопротивление резисторов модуля аттенюатора (100кОм) образуют дополнительный делитель напряжения, ослабляющий входной сигнал милливольтметра ровно в 10 раз.

Галетный переключатель SW1 и диоды D1...D10 представляют собой шифратор, формирующий на входах A, B и C модуля аттенюатора двоичный код в соответствии с таблицей, приведенной на схеме. Этот код управляет выбором соответствующей ступени ослабления сигнала (см. принципиальную схему модуля аттенюатора). На двух старших диапазонах измерений ("10V" и "30V") напряжение +5 В через диоды D11 и D12 поступает на обмотку реле, включая дополнительное ослабление входного сигнала за счет добавления в цепь резистора R1.

В подавляющем большинстве милливольтметров, как промышленного производства, так и разработанных любителями, аттенюатор представляет собой набор резисторов, коммутируемых механическим (как правило, галетным) переключателем диапазонов измерений и чаще всего монтируемых прямо на этом переключателе. При этом через них проходит измеряемый сигнал, поэтому и сам переключатель, и размещенные на нем резисторы требуют тщательного экранирования для избавления от различных наводок и помех. В нашем же случае галетный переключатель коммутирует лишь логические сигналы, управляющие электронными ключами модуля аттенюатора, а также при необходимости подает напряжение питания на обмотку реле K1. Таким образом, измеряемый сигнал по цепям переключателя не проходит и никакого экранирования он не требует.

Перемычка SV1 в модуле аттенюатора установлена в положение 2-3, то есть модуль работает в режиме усиления в 3.16 раза (+10 дБ). Это означает, что на его выходе измеряемый сигнал приводится к уровням 0...31,6 мВ независимо от выбранного диапазона измерений. Этот сигнал далее поступает на вход модуля измерительного усилителя U2, который, в свою очередь, усиливает сигнал еще в 31,6 раза (+30 дБ). Для этого перемычка SV1 в модуле U2 должна быть установлена в положение 1-2. Итого, с выхода модуля U2 на вход модуля прецизионного выпрямителя U3 поступает сигнал в диапазоне 0...1 В. Все упомянутые выше значения напряжений в В и мВ представляют собой среднеквадратичные (действующие) значения для сигналов синусоидальной формы.

К выходу Out I модуля прецизионного выпрямителя U3 подключен стрелочный микроамперметр магнитоэлектрической системы с током полного отклонения 50 мкА.

Питание милливольтметра осуществляется от внешнего источника постоянного тока номинальным напряжением 9 В, который подключается к разъему J2. Его фактическое напряжение может находиться в пределах от 8 до 12 В. Допускается использовать нестабилизированный источник питания или химические источники тока - аккумуляторы.

Что потребуется для сборки

Как можно видеть из принципиальной схемы прибора, для его сборки кроме уже перечисленных модулей понадобится всего несколько деталей - разъем BNC (или его отечественный аналог - СР-50), одноплатный галетный переключатель с числом положений не менее 8-ми, дюжина любых маломощных диодов, светодиод и пара резисторов.

В качестве K1 использовано сверхминиатюрное реле G6K-2F-Y с номинальным напряжением 5V, причем выбор именно такого элемента не связан с его малыми габаритами, а связан с тем, что у этого реле оказался наименьший рабочий ток обмотки из всех имевшихся в наличии у автора на момент сборки прибора. Таким образом, оно было выбрано из соображений минимальной нагрузки на источник питания. Однако, габариты милливольтметра вполне позволяют использовать и любой другой тип реле, не столь миниатюрный. Главное, чтобы оно имело нормально замкнутый контакт и надежно срабатывало при напряжении на обмотке 5 В.

В качестве стрелочного прибора можно использовать микроамперметры М24, М906 или другие аналогичные. Как было сказано в одной из публикаций на этом сайте, идея сделать аналоговый милливольтметр возникла у автора потому, что именно такой микроамперметр был неожиданно найден среди радиолюбительских сокровищ, много лет хранившихся на полке в стенном шкафу.

Как видно на фото справа, найденный в шкафу стрелочный прибор имел вид, на первый взгляд вполне подходящий для милливольтметра звукового диапазона частот - две верхние шкалы были отградуированы в вольтах в пределах 0...0,3 и 0...1, а нижняя - в децибелах, причем 0 дБ по нижней шкале соответствовал 0,775 В по верхней, как это и принято в звукотехнике. Впоследствии выяснилось, что градуировка эта решительно не подходит для наших целей из-за своей нелинейности. Судя по всему, этот стрелочный прибор использовался когда-то в ламповом милливольтметре с простым диодным выпрямителем, который имеет нелинейную зависимость выходного постоянного напряжения от входного переменного. Чтобы эту нелинейность скомпенсировать, шкала прибора была отградуирована при его изготовлении таким образом, чтобы ее начальный участок был несколько сжат по отношению к остальной ее части. В нашем же аналоговом милливольтметре используется прецизионный детектор на основе операционных усилителей, имеющий практически линейную характеристику от нуля и до максимального отклонения стрелки прибора, поэтому шкалу пришлось изготовить самостоятельно.

Новый вариант шкалы показан на рисунке слева. Так же, как и в исходном варианте, две верхние шкалы отградуированы в вольтах, нижняя - в децибелах, но градуировка в данном случае выполнена линейной. Эту шкалу необходимо отпечатать на плотной глянцевой бумаге для струйного принтера и наклеить поверх старой. После наклеивания надо убедиться в том, что увеличившаяся толщина шкалы не препятствует свободному движения стрелки прибора и стрелка нигде за неё не цепляется.

Если в вашем распоряжении оказался микроамперметр с током полного отклонения, отличающимся от 50 мкА, вам понадобится пересчитать сопротивление резистора R5 в модуле прецизионного выпрямителя в соответствии с рекомендациями в его описании.

В качестве соединителя для подключения внешнего источника питания можно использовать любой разъем размерности 2,1*5,5 мм, например DS-026A, DC-022B или DJK-04В.

Переходим ко 2-й части публикации, где обсудим варианты конструкции прибора, его монтаж и настройку.