Тестер ОУ
Часть 2. Схемы и конструкции функциональных узлов
U5. Главная плата
В соответствии со своим названием эта плата является основным функциональным узлом прибора, который отвечает за измерение параметров испытуемого ОУ. На функциональной схеме тестера ОУ, которую мы рассматривали в 1-й части этой публикации, главная плата обозначена как U5 Main Board. Принципиальная схема платы показана на рис.19.
Обратите внимание на два разных символа "земли" (общего провода) примененных на схеме. Как уже упоминалось ранее, в приборе реализована изоляция цифровой части от аналоговой, а соответственно, элементы главной платы, относящиеся к цифровой части имеют свой общий провод (GND-D), а относящиеся к аналоговой части - свой (GND-A).
Следящий контур - аналог базовой схемы
На плате находится вспомогательный ОУ (IC1A), включенный по схеме интегратора и знакомый нам по базовой схеме, где он назывался "AUX". Тут же располагаются резисторы R3, R4, R12, R13 соединяющие входы испытуемого ОУ с общим проводом, а также резистор R15 в цепи обратной связи. Все эти элементы совместно с испытуемым ОУ образуют следящий контур, подробный анализ принципов работы которого вы должны были уже прочитать в предисловии к этой публикации.
Очевидно, что работающий с разомкнутой петлей обратной связи испытуемый ОУ и следящий контур в целом, весьма склонны к самовозбуждению из-за огромного коэффициента усиления. Самые незначительные монтажные емкости и утечки изоляции создают в этом контуре паразитные обратные связи, которые без принятия специальных мер превращают этот контур в генератор, стабильно работающий на частотах в единицы или десятки герц. Особенно сильно склонность к генерации проявляется при измерении токов смещения входов ОУ, когда в их цепи вместе с низкоомными резистороами R4 и R13 включаются высокоомные резисторы R3 и R12. Для устранения самовозбуждения параллельно этим резисторам включены конденсаторы C2 и C5, а последовательно с интегрирующей емкостью C10 включен резистор R22. Не влияя на установившиеся значения постоянных напряжений в следящем контуре (и, тем самым, не оказывая влияния на результаты измерений), эти элементы смещают полюса фазо-частотной характеристики контура таким образом, что генерация не возникает.
Электронные ключи T1, T2 и T3, выполненные на базе цифровых транзисторов KRC103, управляют электромагнитными реле K1, K2 и K3, а эти реле своими контактами переводят прибор в режим измерения тех или иных параметров ОУ. Светодиоды, включенные параллельно обмоткам реле, индицируют их включение, что очень удобно в процессе отладки программного обеспечения прибора или при поиске неисправностей в схеме. При обычной эксплуатации тестера ОУ эти светодиоды, а также резисторы R26-R28 не нужны и могут быть удалены с платы.
Термином "цифровой транзистор" обычно называют полупроводниковый прибор, состоящий из биполярного транзистора и двух резисторов, размещенных в одном корпусе с тремя выводами. На вход такого элемента подают логический ("цифровой") сигнал от микроконтроллера а на его выход подключают светодиоды, реле и другие виды нагрузок, потребляющие больший ток чем микроконтроллер может обеспечить на своих выходах или требующие более высокого напряжения чем напряжение питания микроконтроллера. Цифровые транзисторы KRC103 довольно широко распространены, стоят недорого и их несложно приобрести в популярных интернет-магазинах, однако, если все же их раздобыть не удастся, то их можно заменить обычными биполярными транзисторами, подключив к ним два внешних резистора по 20 кОм, как показано на принципиальной схеме.
Цифровой вольтметр
Напряжение на выходе вспомогательного ОУ IC1A измеряется цифровым вольтметром с диапазоном измерений -15...+15 В, который состоит из:
- делителя напряжения R14, R18-R20, преобразующего весь диапазон входных напряжений вольтметра в диапазон входных напряжений АЦП (0...+4,096 В),
- источника опорного напряжения 1,65 В, состоящего из резисторов R23-R25,
- каналов A0 и A1 модуля АЦП U1, используемых в режиме дифференциального входа.
Наблюдательные читатели сразу же заметили, что в такой конфигурации, когда на один вход (A0) подается измеряемое напряжение, а на другой вход (A1) - постоянное (опорное) напряжение, режим дифференциального входа не дает никакого выигрыша в разрядности по сравнению с режимом одиночного (single-ended) входа. Действительно, полную разрядность АЦП ADS1115 (16 двоичных разрядов) можно реализовать только в режиме дифференциального входа и при условии, что на два входа подаются напряжения, меняющееся противофазно. А при подаче фиксированного напряжения на один из входов разрядность результатов все равно получается 15, как и в режиме одиночного входа. Зачем же в схеме задействован второй вход (A1) и зачем на него подано опорное напряжение равное половине напряжения питания АЦП?
На этот счет у автора имеются целых два соображения:
- Источник опорного напряжения представляет собой делитель напряжения R23-R25, питающийся от того же источника +15 В, что и делитель напряжения R14, R18-R20 в цепи измеряемого сигнала. Таким образом, любые изменения питающего напряжения +15 В поступают на оба входа дифференциальной пары синфазно и подавляются. В результате существенно снижается зависимость результатов измерений от колебаний питающего напряжения.
- При напряжении на выходе вспомогательного ОУ близком к нулю разность напряжений между входами A0 и A1 АЦП в таком включении также близка к нулю, что позволяет для измерения малых напряжений программно переключать коэффициент передачи встроенного усилителя АЦП (PGA), повышая тем самым его разрешение. Это работает следующим образом:
- до начала измерения PGA устанавливается в режим усиления в 2 раза вызовом функции setGain(GAIN_TWO). В этом режиме полный диапазон измерений самого АЦП составляет 4,096 В, что с учетом ослабления сигнала делителем R14, R18-R20 составляет 30 В (-15...+15 В) на входе вольтметра.
- затем измеряется напряжение и, если измеренное значение напряжения на входе вольметра по абсолютной величине превышает 1,85 В, то измерение считается выполненным и его результат возвращается в программу, где используется для дальнейших вычислений,
- если же измеренное значение по абсолютной величине не превышает 1,85 В, то выполняется вызов функции setGain(GAIN_SIXTEEN), которая повышает коэффициент усиления PGA в 8 раз и, соответственно, повышает в 8 раз разрешающую способность АЦП. После этого напряжение измеряется повторно и программе возвращается уже этот новый результат, измеренный с повышенной точностью.
Таким образом, мы имеем двухдиапазонный вольтметр с автоматическим переключением диапазонов - для малых измеряемых напряжений автоматически включается повышенное разрешение, что позволяет повысить точность их измерения практически в 8 раз. В режиме single-ended входа АЦП такое переключение чувствительности вольтметра выполнить было бы невозможно.
В качестве "нижних" резисторов в обоих делителях напряжения установлены пары R19-R20 и R24-R25 для того чтобы получить необходимое значение сопротивления из резисторов стандартного номинала. Точные значения, которые требуется получить, указаны в нижней части схемы рис. 19.
Вход вольтметра (контрольная точка TP3) может быть подключен к разным цепям при помощи перемычки ("джампера") JP1. В положении перемычки 1-2 вход вольтметра подключен к выходу вспомогательного ОУ, в положении 3-4 - к цепи V+, то-есть к положительному источнику питания испытуемого ОУ, а в положении 5-6 - к общему проводу. Первое из этих положений перемычки используется для обычной работы прибора, а два других положения предназначены для калибровки прибора. Также для целей калибровки служит и перемычка JP2, которая при нормальной работе прибора устанавливается в положение 1-2 (где она ничего ни с чем не соединяет, а просто хранится), а при калибровке устанавливается в положение 3-4. Подробнее о калибровке можно будет прочитать далее в соответствующем разделе этой публикации.
Цифровой миллиамперметр
Разобравшись с цифровым вольтметром, переведем свой взгляд на цифровой миллиамперметр, также присутствующий на главной плате. Диапазон измерений миллиамперметра - 0...10 мА, а его назначение - измерение тока потребления испытуемого ОУ (параметр Iq). В состав миллиамперметра входят:
- шунт R7, включенный в цепь питания испытуемого ОУ. Потребляемый ОУ ток вызывает пропорциональное падение напряжения на этом шунте,
- дифференциальный усилитель на микросхеме IC1B, усиливающий это падение напряжения,
- ограничитель напряжения на резисторе R21 и диодах D1 и D2, защищающий вход АЦП от напряжений, выходящих за пределы его рабочего диапазона,
- канал A2 АЦП, работающий в режиме одиночного входа.
Модуль АЦП
В качестве АЦП используется готовый модуль CJMCU-ADS1115 (фото справа) на базе 16-разрядного сигма-дельта АЦП с четырьмя входами, которые можно использовать как четыре одиночных (single-ended) входа или как две пары дифференциальных входов или, как в нашем случае, как одну дифференциальную пару и два одиночных входа. Важной особенностью этого типа АЦП является наличие в нем усилителя с программируемым коэффициентом усиления (PGA). Как было описано под спойлером выше, эта особенность используется для измерения малых напряжений с повышенным разрешением. Модуль АЦП передает данные микроконтроллеру с использованием шины I2C (выводы SDA и SCL).
Модуль АЦП питается напряжением +5 В от трехвыводного стабилизатора IC2.
Выбор ОУ для главной платы
Как мы уже поняли, читая основопологающую статью Д. Брайанта или во многом повторяющий ее документ Renesas, собственные параметры вспомогательного ОУ довольно мало влияют на точность измерений, которую можно достичь при помощи базовой схемы. В документе Renesas даже есть раздел, который так и называется - "Input Errors of the AUX Op-Amp are Negligible" ("Входными погрешностями вспомогательного ОУ можно пренебречь"). Там с помощью несложных расчетов доказывается, что ошибки, вызванные напряжением смещения и токами смещения входов вспомогательного ОУ, не оказывают существенного влияния на результаты измерений. Однако, это не значит, что на главной плате в качестве IC1 можно использовать первую попавшуюся под руку микросхему ОУ.
Ниже под спойлером вы найдете перечень тех свойств, которыми должен обладать ОУ IC1, а пока скажем, что при монтаже главной платы полезно установить на место IC1 панельку, которая позволит в процессе настройки прибора попробовать разные ОУ и выбрать тот из них, который покажет наилучшие результаты.
Есть несколько соображений, которыми нужно руководствоваться при выборе типа и конкретного экземпляра ОУ для использования в качестве IC1.
- Во-первых, имеет значение диапазон напряжений, который можно получить на выходе вспомогательного ОУ без ухода транзисторов его выходного каскада в насыщение. Чем шире этот диапазон, тем лучше, поэтому если в наличии имеются микросхемы, у которых в документации вы увидите слова "Rail-to-rail output", то это хороший аргумент для того чтобы использовать именно их.
- Во-вторых, если для вспомогательного ОУ входное напряжение смещения действительно не играет особой роли, то для дифференциального усилителя, который использует вторую половинку той же микросхемы, этот параметер важен. И не только сама величина этого напряжения, но и его стабильность при изменении температуры, напряжения питания и так далее. Поэтому надо стараться выбирать ОУ с минимальным значением напряжения смещения.
- В-третьих, вспомогательный ОУ не должен быть склонен к самовозбуждению, то-есть следует использовать ОУ, в документации которого имеются слова "unity-gain compensated" ("скомпенсирован вплоть до единичного усиления"). Для более быстродействующих ОУ часто гарантируется компенсация только при Ку > 2 или даже при Ку > 5, такие нам не подойдут, в нашем случае, чем ниже будет быстродействие IC1, тем стабильнее будет работать следящий контур.
- В-четвертых, собственный шум микросхемы IC1 также вносит свою лепту в погрешность измерений, особенно та часть его спектра, которая лежит в диапазоне самых нижних частот порядка единиц герц и даже долей герца. Конечно, этот шум в значительной степени подавляется за счет включения вспомогательного ОУ по схеме интегратора и дополнительно фильтруется в программе, однако для повышения стабильности и повторяемости результатов измерений необходимо отдать предпочтение микросхемам с минимальным уровнем шума.
- И, наконец, микросхема должна быть расчитана на напряжение питания не менее ±18 В и быть устойчивой к коротким замыканиям по выходу и к перенапряжениям по входам, поскольку в процессе эксплуатации ей придется противостоять различного рода перегрузкам и предельным режимам.
В итоге вырисовывается картина ОУ с довольно высокими требованиями к параметрам, а значит, дорогого и, возможно, редко встречающегося в продаже. Но, к счастью, не все так печально. Перечисленные выше требования являются лишь ориентирами, которыми следует руководствоваться, выбирая один из имеющихся вариантов. По наблюдениям автора, неплохо себя зарекомендовала одна из самых распространенных и самых дешевых микросхем - LM358, которая, хоть и не соответствует в полном смысле всем перечисленным требованиям, но по совокупности параметров может успешно использоваться в тестере ОУ. Только важно, чтобы она была настоящей, а не приобретенной на той самой площадке интернет-торговли, которую мы тут уже неоднократно поминали недобрым словом.
Конструкция главной платы
Как и другие платы тестера ОУ, главная плата выполнена односторонней, а проектировалась она в САПР Eagle v.7.5.0. Для изготовления применялся метод с пленочным фоторезистом. Расположение элементов на плате и фотошаблон показаны на рисунках ниже. Внизу этой страницы имеется ссылка, по которой можно скачать архив со всеми файлами, необходимыми для изготовления платы, включая схему (.sch) и плату (.brd) в формате Eagle, рисунки с расположением элементов, схемой и фотошаблон печатной платы (.png).
Рис.18. Главная плата. Расположение элементов.
Рис.19. Фотошаблон главной платы.
Смонтировав элементы и отмыв флюс вы получите изделие, похожее на то, что показано на фото внизу:
Рис. 20. Вид главной платы сверху
Рис.21 Общий вид главной платы
Настройка
Настройка платы производится в составе полностью собраного тестера ОУ в процессе выполнения процедур калибровки под управлением микроконтроллера. Для этого в управляющей программе ("прошивке") прибора предусмотрены соответствующие функции, которые будут подробно описаны далее. Пока главная плата не установлена в тестер ОУ, единственное, что можно (и нужно) на ней проверить, это работа электронных ключей T1-T3. Для этого следует подать напряжение питания реле +9 В на разъем X4 и последовательно подавать уровень логической единицы (около 3 В) на входы Relay1, Relay2 и Relay3 (контакты 1-3 разъема X5). При этом должен раздаваться характерный звук срабатывающего реле, зажигаться находящийся рядом с ним светодиод, а контакты реле должны переключаться, в чем необходимо убедиться с помощью мультиметра.
Файлы для загрузки
На этом заканчиваем описание отдельных функциональных узлов тестера ОУ и переходим к следующей части, где рассмотрим принципиальную схему и конструкцию прибора в целом.