Модуль прецизионного выпрямителя
Часть 1 – разработка схемы модуля
Для чего нужен этот модуль
В большинстве приборов, используемых для измерения параметров сигналов в диапазоне звуковых частот, приходится преобразовывать переменное напряжение испытательного сигнала в постоянное для того чтобы измерить его величину. Например, такое преобразование используется в вольтметрах и милливольтметрах переменного тока (как цифровых, так и аналоговых), измерителях нелинейных искажений, анализаторах спектра, шумомерах и во множестве других измерительных приборов. Чаще всего нас интересует среднеквадратичное значение (СКЗ) входного переменного напряжения (раньше его называли также эффективным или действующим значением), однако на практике измерять его довольно сложно - для этого требуются или специализированные аналоговые микросхемы, выполняющие операции возведения в квадрат и извлечения квадратного корня, или сверхточные термодатчики, измеряющие повышение температуры при протекании измеряемого тока через нагревательный элемент. И тот, и другой метод обеспечивают хорошую точность, но приводят к значительному усложнению и удорожанию аппаратуры, поэтому на практике чаще измеряют или амплитудное, или средневыпрямленное значение входного напряжения, что можно реализовать гораздо проще и дешевле чем прямое измерение СКЗ. Далее используется тот факт, что для сигналов известной формы (например, синусоидальной) амплитудное, средневыпрямленное и среднеквадратичное значения связаны друг с другом через постоянные коэффициенты, поэтому достаточно измерить только первое или второе, а СКЗ получить с помощью расчета.
Узел измерительных приборов, выполняющий операцию преобразования входного переменного напряжения в постоянное, величина которого соответствует амплитудному или средневыпрямленному значению напряжения на входе, может называться по-разному - измерительным преобразователем, пиковым (амплитудным) детектором, прецизионным выпрямителем или как-то еще. Мы будем называть соответствующий модуль нашего набора прецизионным выпрямителем, поскольку, по нашему мнению, именно это он собой и представляет.
Как он устроен
Принципиальная схема модуля показана на рис.1:
Конденсатор C1 на входе отсекает постоянную составляющую входного сигнала, если таковая имеется, поэтому преобразовываться далее будет только переменная составляющая. Затем входной сигнал поступает на выпрямитель, выполненный на двух операционных усилителях микросхемы IC1. Работу этого выпрямителя иллюстрирует следующая осциллограмма:
Канал 1 осциллографа (желтая линия) подключен ко входу модуля, а канал 2 (голубая линия) - к выходу выпрямителя (вывод 7 IC1B). На вход подается переменное напряжение синусоидальной формы с СКЗ равным 1 В, что соответствует амплитуде 1,41 В и размаху от пика до пика 2,82 В. На осциллограмме мы наблюдаем результат двухполупериодного выпрямления входного сигнала - отрицательный полупериод передается со входа на выход без изменений формы и амплитуды, а положительный - переворачивается вниз, зеркально отражаясь относительно нулевой линии также без изменения амплитуды.
Отрицательная полярность напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя выбрана потому, что следующий каскад - интегрирующий усилитель на ОУ IC2A - является инвертирующим и для того, чтобы выходное напряжение этого каскада и всего модуля было положительным, требуется подавать на вход IC2A именно напряжение отрицательной полярности. Если вам когда-нибудь понадобится такой выпрямитель с положительным выходным напряжением, то достаточно будет поменять полярность диодов D1 и D2 и выпрямленное напряжение на выходе IC1B волшебным образом перевернется.
Для того чтобы коэффициент передачи выпрямителя для отрицательных полупериодов был в точности равен единице, а для положительных - минус единице, сопротивления резисторов RN1A...RN1E должны быть строго равны друг другу. Причем их номинальная величина особого значения не имеет, но важно, чтобы фактические значения сопротивлений всех пяти резисторов были одинаковыми.
Как уже было сказано, каскад на ОУ IC2A представляет собой интегрирующий усилитель. Интегрирующим его делает включение в цепь отрицательной обратной связи конденсатора C6, в результате чего он сглаживает пульсации выпрямленного напряжения и превращает его в постоянное. Величина этого напряжения пропорциональна средневыпрямленному значению входного переменного напряжения модуля, а соотношение резисторов R1 + R2 и R3 выбрано таким образом, чтобы при подаче на вход модуля переменного напряжения синусоидальной формы с действующим значением (СКЗ) 1 В, на выходе интегрирующего усилителя устанавливалось бы постоянное напряжение +3.16 В. Иначе говоря, крутизна передаточной характеристики модуля на выходе Out U может быть представлена, как 3.16 В/В. Здесь в числителе - вольты постоянного напряжения на выходе Out U, а в знаменателе - вольты СКЗ переменного входного напряжения модуля. Для точной установки значения этого параметра используется подстроечный резистор R2.
На первый взгляд, число 3.16 напоминает значение квадратного корня из 10 и, соответственно, выражает собой величину усиления сигнала на 10 дБ. То есть, вроде можно было бы сказать, что модуль прецизионного выпрямителя имеет усиление +10 дБ. Однако, сравнивать и, тем более, делить друг на друга для перевода в децибелы вольты выходного постоянного напряжения и вольты СКЗ входного переменного напряжения было бы не вполне корректно. Именно поэтому мы говорим о крутизне передаточной характеристики, а не о коэффициенте усиления.
На самом деле, величина 3,16 В на выходе модуля при подаче 1 В (0 dBV) на его вход выбрана исходя из того, что в большинстве случаев напряжение с выхода Out U прецизионного выпрямителя далее подается на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП). Это может быть либо отдельная микросхема АЦП (например, такая, как популярная ADS1115) или встроенный АЦП какого-либо микроконтроллера, но в обоих случаях допустимый диапазон напряжений на входе АЦП должен укладываться в его напряжение питания. Учитывая, что большинство микроконтроллеров сейчас имеют напряжение питания 3,3 В, решено было выбрать номинальное выходное напряжение модуля прецизионного выпрямителя равным 3.16 В с тем чтобы подавать его непосредственно на вход АЦП и при этом оставить еще небольшой запас по напряжению для возможных перегрузок.
Итак, на выводе 1 операционного усилителя IC2A сформировано выходное постоянное напряжение модуля, которое через разъем Out U (JP3) отправляется другим модулям для дальнейшей обработки. А для чего в схеме модуля имеется еще один операционный усилитель IC2B, связанный с ним транзистор T1 и выход Out I? Этот выход предназначен для непосредственного подключения к модулю стрелочного измерительного прибора магнитоэлектрической системы. Угол отклонения стрелки у таких приборов пропорционален протекающему через него току, поэтому каскад на ОУ IC2B и транзисторе T1 представляет собой преобразователь напряжения в ток.
Дело в том, что некоторое время назад, копаясь в своих старых радиолюбительских запасах, автор обнаружил показанный на фото справа стрелочный микроамперметр М906 магнитоэлектрической системы с током полного отклонения 50 мкА и шкалами, явно предназначенными для милливольтметра переменного тока. Верхняя шкала имеет диапазон 0...1, вторая - 0...0,316 (то есть ровно -10 dB по отношению к верхней), а нижняя шкала отградуирована непосредственно в децибелах и ее нулевая отметка соответствует 0,775 по верхней шкале. Именно такую шкалу можно увидеть на любом милливольтметре звукового диапазона частот, применяемом испокон веков в звукотехнических измерениях.
Разумеется, у автора сразу же возникло непреодолимое желание пополнить свою домашнюю лабораторию таким "классическим" прибором со стрелочным микроамперметром в качестве устройства индикации. При этом, чтобы не разрабатывать всю начинку такого прибора с нуля, было бы заманчиво использовать те же самые модули, которые разрабатывались как раз в это время для более современных цифровых приборов с микроконтроллерным управлением.
Для этого модуль прецизионного выпрямителя решено было сделать универсальным, с тем чтобы его можно было бы использовать не только в цифровых, но и в аналоговых приборах .
Крутизна передаточной характеристики модуля на выходе Out I зависит от сопротивления резистора R5 в эмиттерной цепи транзистора T1. При сопротивлении R5 равном 62 кОм она равна 50 мкА/В . Здесь в числителе микроамперы на выходе Out I, в знаменателе - вольты СКЗ переменного входного напряжения модуля. Если предполагается подключить к выходу Out I стрелочный прибор с другим током полного отклонения Iоткл, то требуемое сопротивление резистора R5 можно посчитать по формуле R5 (кОм) = 3.16 / Iоткл (мА). Устанавливается резистор ближайшего к вычисленному значению номинала, а более точно крутизна передаточной характеристики регулируется подстроечным резистором R2.
Вопрос вполне резонный. Действительно, если мы хотим чтобы при подаче ровно 1 В переменного напряжения на вход модуля, на его выходе Out U получилось бы ровно 3,16 В постоянного, то мы будем вертеть R2 пока не получим требуемое значение. Однако совершенно не факт, что через стрелочный прибор, подключенный к выходу Out I при этом потечет ровно 50 мкА. И наоборот, выставив с помощью резистора R2 ток 50 мкА, мы не гарантируем, что при этом на выходе Out U получится ровно 3.16 В. Как же быть?
Первоначально автор предполагал установить отдельные подстроечные резисторы для каждого выхода чтобы иметь возможность регулировать напряжение на Out U и ток через Out I независимо. Однако, затем ему пришла в голову простая мысль о том, что практически никогда оба этих выхода одновременно использоваться не будут. Если мы используем модуль в аналоговом вольтметре со стрелочным прибором в качестве индикатора, то напряжение с выхода Out U в такой ситуации подать просто некуда и использоваться этот выход никак не будет. Если же мы строим цифровой прибор с микроконтроллерным управлением, то напряжение с выхода Out U будет подано на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), а выход Out I при этом подключать будет некуда в связи с тем, что у такого прибора явно не будет никаких стрелочных индикаторов.
А раз так, то можно обойтись одним подстроечным резистором, посредством которого отрегулировать нужное значение крутизны передаточной характеристики именно на том выходе, который используется в каждой конкретной ситуации.
На этом мы заканчиваем обсуждение принципиальной схемы модуля прецизионного выпрямителя и переходим ко 2-й части этой публикации, где будем модуль изготавливать и настраивать.