МИКРОСХЕМА КР572ПВ5

Ядром описываемых в этом разделе цифровых измерительных приборов являются микросхема аналого-цифрового преобразователя (АЦП) КР572ПВ5 и жидкокристаллический индикатор ИЖЦ5-4/8. Для того, чтобы хорошо понимать работу этих приборов, необходимо знать, как работает микросхема АЦП.

Микросхема КР572ПВ5 [1] изготовляется по технологии КМОП. Она содержит (рис. 1) электронные ключи А1 - All, буферный операционный усилитель DA1, работающий в режиме повторителя, операционный усилитель DA2 - интегратор, компаратор DA3 и цифровую часть, состоящую из тактового генератора G, логического устройства DD1, счетчика СТ, регистра памяти RG и выходного дешифратора DC. Ключи А1 - All включаются в определенной последовательности логическим устройством DD1, работающим совместно со счетчиком СТ.

Типовая схема включения микросхемы, ее соединение с индикатором ИЖЦ5-4/8 и микросхемой "Исключающее ИЛИ", необходи-

мой для управления десятичными запятыми индикатора, приведены на рис. 2.

Устройство работает по принципу двойного интегрирования, широко применяемому в цифровых измерительных приборах. Идея метода двойного интегрирования состоит в том, что вначале интегрирующий конденсатор заряжают строго определенное время током, пропорциональным измеряемому напряжению, затем разряжают строго определенным током до нуля. Время, в течение которого происходит разряд конденсатора, получается пропорциональным измеряемому напряжению. Это время измеряется при помощи счетчика, выходные сигналы которого подаются на индикатор.

Рассмотрим работу микросхемы более подробно. На выводы 30 и 31 микросхемы (рис. 1) подается измеряемое напряжение Uвx, на выводы 36 и 35 - образцовое Uo6p.

Цикл измерения (рис. 3) состоит из трех фаз: интегрирования сигнала (ИНТ), разряда интегрирующего конденсатора (РИ) и автоматической коррекции нуля (АК). Каждой фазе соответствует определенная коммутация элементов микросхемы, выполняемая

при помощи ключей на МОП-транзисторах А1 - All. На рис. 1 надписи у ключей обозначают фазу, в течение которой ключ замкнут.

Длительность фазы пропорциональна периоду тактовой частоты и точно задается счетчиком СТ.

В течение фазы ИНТ, длящейся 4000 периодов Т тактовой частоты, входной сигнал через ключи А1, А2 и буферный усилитель DA1 подается на вход интегратора DA2. Это вызывает на конденсаторе Синт накопление заряда, пропорционального по величине и соответствующего по знаку приложенному входному напряжению. Напряжение на выходе интегратора DA2 изменяется с постоянной скоростью, пропорциональной входному сигналу. Предположим, что к моменту начала фазы ИНТ заряды на конденсаторах Синт и Сак, и напряжения смещения нуля DA1 - DA3 равны нулю. Так как входной ток интегратора DA2 мал, изменение заряда на конденсаторе Сак не происходит, и он фактически не оказывает влияния на процесс интегрирования. Конденсатор Собр заряжен от источника образцового напряжения до величины Uo6p. В конце фазы ИНТ с помощью компаратора DA3 определяется знак входного напряжения по знаку напряжения на выходе интегратора DA2. Чувствительность компаратора DA3 такова, что обеспечивает правильное определение полярности входного сигнала, даже если сигнал составляет долю единицы отсчета.

При работе микросхемы в фазе РИ входной сигнал на интегратор DA2 не подается, к интегратору DA2 через ключи А7, А8 или А6, А9 подключается конденсатор Собр, заряженный до образцового напряжения и ориентированный по полярности таким образом, чтобы происходил разряд Синт- Разряд длится до тех пор, пока конденсатор Синт не разрядится полностью, т.е. напряжение на выходе DA2 не станет равным нулю. В этот момент подключенный параллельно конденсатору Синт компаратор DA3 срабатывает и прекращает фазу РИ. Заряд конденсаторов Собр и Сак практически не изменяется. Время разряда конденсатора Синт, выраженное числом периодов тактовых импульсов, и есть результат измерения, записанный в счетчике СТ. Состояние счетчика переписывается в регистр RG, а

затем преобразуется в сигналы семисегментного кода, которые поступают на индикатор.

При знаке напряжения на входах Uвx, противоположном указанному на рис. 1 и 2, сегмент G1 индицирует знак "минус". При перегрузке на индикаторе остается лишь цифра 1 в старшем разряде и знак "минус" (для отрицательного напряжения).

Фаза АК начинается с прекращения работы счетчика, когда логическое устройство DD1 включает ключи A3, А4 и All. Образовавшаяся при этом следящая система обеспечивает заряд конденсаторов Снят и Сан до напряжения, компенсирующего смещение нуля DA1 - DA3. Оно остается неизменным в течение последующих фаз ИНТ и РИ. В результате приведенная ко входу погрешность из-за смещения нуля и его температурного дрейфа не превышает 10 мкВ.

В состав микросхемы входит тактовый генератор. Частота следования era импульсов определяется внешними элементами Rг и Сг. Для подавления сетевых помех с частотами, кратными 50 Гц, частота повторения импульсов должна быть выбрана такой, чтобы во время интегрирования, равное 4000 периодам тактового генератора Т, укладывалось целое число К периодов сетевого напряжения, равных 20 мс.

Таким образом, 4000Т = 20К мс, где К = 1, 2, 3 и т.д. Отсюда, fг=l/T=200/K кГц, т.е. 200, 100, 67, 50, 40 кГц, меньшие частоты обычно не используют. Номиналы частотозадающих цепей тактового генератора рассчитываются по формуле Cг=0,45/(fгRг). Для повышения стабильности частоты между выводами 39 и 40 может быть включен кварцевый резонатор (при этом элементы R.г и Сг не подключают). При работе микросхемы от внешнего генератора тактовые импульсы подают на вывод 40, выводы 38 и 39 при этом оставляют свободными.

Диапазон входных напряжений микросхемы зависит от образцового напряжения Uo6p и определяется соотношением Uвхмакс =±1,999 Uo6p. Текущие показания индикаторов должны выражаться числом, равным 1000Uвх/Uобр, однако на практике они ниже на 0,1...0,2%.

Период измерений при частоте тактовых импульсов 50 кГц составляет 320 мс, т.е. производится 3 измерения в секунду.

Максимальный ток, потребляемый микросхемой от источника питания, не превышает 1,8 мА, погрешность преобразования не превышает 1 единицы младшего разряда. Указанные параметры гарантируются при температуре 25±5°С и питающем напряжении 9 В с нестабильностью ±1% (допуск на напряжение питания составляет 7...10 В). Входное сопротивление определяется лишь утечками и существенно превышает 100 МОм.

Микросхема КР572ПВ5 имеет встроенный источник опорного напряжения. Оно составляет 2,9±0,5 В, источник подключен плюсом к выводу 1 - плюсу источника питания микросхемы. Минусовой вывод источника опорного напряжения соединен с выводом аналогового общего провода (вывод 32) и обозначен на рис. 2 как -3 В. Нагрузочная способность этого источника резко несимметрична -при нагрузке, включаемой между плюсом питания (вывод 1) и выходом источника (вывод 32) ее ток может составлять несколько миллиампер. Если же нагрузка подключена между минусом питания (вывод 26) и выводом 32, ток нагрузки не может превышать 10 мкА. Это свойство источника позволяет использовать двуполярное пита

ние, при котором общий провод двух источников ±(3,5...5). В подключен к выводу 32 микросхемы (рис. 4).

Изменение выходного напряжения этого источника при колебаниях напряжения питания микросхемы в пределах 7,5...10 В менее 0,05%, температурный коэффициент напряжения положителен и не превышает 0,01 %/°С. Это обеспечивает очень хорошую точность му-

льтиметра на основе микросхемы КР572ПВ5 при работе в лабораторных условиях (при колебаниях температуры воздуха в пределах 15...25°С) и вполне приемлемую для многих измерений в более широком температурном диапазоне.

В то же время выходное сопротивление источника довольно велико - при токе нагрузки 1 мА напряжение на его выходе падает примерно на 5%, при 3 мА - на 12%. Поэтому указанная выше стабильность опорного напряжения реализуется лишь при постоянной нагрузке.

Для управления жидкокристаллическим индикатором микросхема имеет встроенный источник напряжения, по абсолютной величине несколько меньшей 5 В. Также, как и источник опорного напряжения, он подключен плюсом к выводу 1, минусовой выход источника (вывод 37) обозначен на рис. 2 как -5 В. Источник имеет заметную нестабильность - порядка 0,05 В при изменении напряжения питания в тех же пределах. Нагрузочная способность его также невелика - при токе нагрузки 1 мА выходное напряжение уменьшается на 0,8 В, поэтому использовать его можно только для питания микросхемы, управляющей жидкокристаллическим индикатором.

На выходе Р микросхемы (вывод 21) присутствует переменное напряжение (меандр) с частотой, в 800 раз меньше тактовой (62,5 Гц при тактовой частоте 50 кГц). На выходах микросхемы, подключае-

мым к сегментам индикатора, напряжение имеет ту же амплитуду, форму и частоту. Оно синфазно с напряжением на выходе F для невидимых сегментов и противофазно для видимых. Амплитуда этого напряжения (полный размах) соответствует напряжению на выводе 37.

Удобно настраивать тактовый генератор на частоту 40 кГц. В этом случае частота на выходе F микросхемы составляет 50 Гц и ее контролируют осциллографом, синхронизированным от сети. Изображение импульсов на экране должно быть практически неподвижным.

Для индикации десятичных запятых необходима дополнительная микросхема (DD1 на рис. 2). Она должна повторять фазу меандра для неиндицируемых запятых и инвертировать его для запятой, которую необходимо показать. Поэтому один из входов 1-4, соответствующий индицируемой запятой, следует соединить с цепью 0 В (уровень лог. 1 для такого включения DD1), остальные оставить свободными.

Как уже указывалось, АЦП на основе микросхемы КР572ПВ5 измеряет отношение напряжений на входах Uвx и Uo6p. Поэтому возможны два основных варианта ее применения. Традиционный

вариант - напряжение Uo6p неизменно, Uвх меняется в пределах -2Uo6p...+2Uo6p (или от 0 до 2Uo6p). Изменение напряжения на конденсаторе Синт и на выходе интегратора DA2 (рис. 1) для этого случая показано на рис. 5,а. При втором варианте напряжение, подаваемое на выводы Uвx, остается постоянным, а меняется Uo6p-Этот вариант использован в описываемых далее омметре и измерителе параметров транзисторов и проиллюстрирован на рис. 5,6. Возможен и смешанный вариант,

когда при изменении измеряемой величины меняются и Uвx и Uo6p, что реализовано в измерителе емкости.

Напряжения на входах и выходах ОУ, входящих в состав микросхемы, не должны выходить за пределы линейного участка их работы. Обычно указывают величину ±2 В, понимая под этим диапазон напряжений относительно аналогового общего провода при использовании встроенного источника опорного напряжения. Из рис. 5 видно, что наибольшее напряжение на выходе DA2 опреде

ляется максимальным напряжением на входе Uвx микросхемы. Знак напряжения на выходе интегратора относительно вывода 30 противоположен знаку напряжения на входе 31, а его величина Uинт может быть рассчитана по формуле:

Uинт=4000Uвх/(СинтRинт fтакт) (1)

Если входное напряжение в этой формуле выражено в вольтах, емкость Синт в микрофарадах, сопротивление Rинг в килоомах, тактовая частота fтакт в килогерцах, результат получается в вольтах.

Сразу отметим, что для обеспечения нормального режима разрядки конденсатора Синт напряжение на нем должно быть меньше напряжения между выводами 1 и 32 с запасом 0,2...0,3 В. Поэтому оно не должно быть более 2 В при однополярном питании микросхемы и 3...4 В (в зависимости от напряжений питания) - при двуполярном. При изменении измеряемой прибором величины напряжение на Синт может меняться в широких пределах, но для обеспечения максимальной точности желательно, чтобы для одного из крайних ее значений оно приближалось к максимально возможной величине.

Это и определяет правильный выбор элементов интегратора Синт и Rинт:

СинтRинт=4000Uвх/(Uинт fтакт) (2)

где размерности те же, что и в (1).

Рекомендуемые значения сопротивления Rинт - 47...470 кОм, причем для максимального напряжения Uвx нужно выбирать Rинт ближе к верхнему пределу, для минимального - к нижнему. Емкость конденсатора Синт является подчиненной и имеет обычно величину 0,1...0,22 мкФ.

Для повышения точности рекомендуется подключать один из выводов источников измеряемого и опорного напряжения к выводу аналогового общего провода 32. В практике в ряде случаев представляет интерес дифференциальное подключение входов к соответствующим источникам. Подавление синфазного напряжения на входах микросхемы по паспортным данным составляет 100 дБ, но нигде не указана допустимая величина синфазного напряжения, при котором АЦП сохраняет точность.

Для определения допустимого диапазона синфазных напряжений автором был проведен эксперимент. Напряжение Uo6p было выбрано равным 100 мВ, напряжение Uвx составляло 195 мВ, тактовая частота - 50 кГц, Синт - 0,22 мкФ, Rинт - 47 кОм. Для такого сочетания параметров напряжение Uинт на выходе интегратора DA2 и на

конденсаторе Синт к концу фазы ИНТ, рассчитанное по приведенной выше формуле, составляет 1,55 В.

Эксперимент дал интересные результаты. Напряжения на входах Uo6p (выводы 35 и 36) можно менять в полном диапазоне питающего напряжения, естественно, сохраняя разность между ними, не превышающую рекомендованной величины 2 В и соблюдая указанную на рис. 2 полярность. Это легко объяснимо - примененные в микросхеме ключи на транзисторах КМОП работают в полном диапазоне напряжения питания, а только ключи А5 и А 10 участвуют в зарядке конденсатора Собр от источника Uo6p.

Сложнее дело обстоит с напряжениями на выводах Uвx. Если напряжение на этих выводах имеет полярность, совпадающую с указанной на рис. 1 и 2, напряжение на выводе 31 должно отличаться от напряжения на выводе 1 (0 В) не менее, чем на 0,6 В. Эта величина определяется диапазоном линейной работы ОУ DA1 как повторителя При такой полярности Uвx в конце фазы ИНТ напряжение на выходе интегратора DA2 становится на Uинт ниже, чем на выводе 30, что схематически проиллюстрировано на рис б,а.

При приближении напряжений на выводах Uвx к напряжению на выводе 26 (-Uпит) начинает сказываться ограничение по диапазону линейной работы ОУ DA2 по выходу (рис. 6,а). Для операционных усилителей на транзисторах КМОП он близок к полному напряжению питания, поэтому напряжение на входе 30 должно превышать напряжение на выводе 26 на Uинт с небольшим запасом (порядка 0,2 В).

При полярности Uвх, противоположной показанной на рис. 1 и 2, напряжение на выходе интегратора на Uинт выше, чем на выводе 30 (рис. 6,6), поэтому именно оно определяет допустимую величину напряжения на выводе 30 при его приближении к напряжению на выводе 1. Экспериментально определено, что запас должен составлять также не менее 0,2 В, поэтому для Uинт=1,55 В разность напряжений на выводах 30 и 1 должна быть не менее 1,75 В.

При приближении напряжений на выводах Uвx к напряжению на выводе 26 и указанной выше полярности Uвx вновь основную роль начинает играть допустимый диапазон линейной работы ОУ DA1 как повторителя (рис 6,6). Минимально допустимая разность напряжений между выводами 31 и 26 составляет около 1 В

Из полученных результатов можно сделать вывод, что для измерения напряжения, синфазная составляющая которого максимально близка к напряжению на выводе 1, следует подключить его в соответствии с указанной на рис. 1 и 2 полярностью, если синфазная составляющая близка к напряжению на выводе 26, знак Uвx должен быть противоположным.

Если знак измеряемого напряжения может меняться, для получения максимального диапазона допустимых синфазных напряжений можно уменьшить напряжение на выходе интегратора, например до 0,5 В за счет увеличения Синт или Rинт в соответствии с формулой (2).

Для уменьшения влияния паразитных емкостей монтажа на точность измерений, особенно при больших синфазных напряжениях, рекомендуется место расположения Синт, Rинт и Сак на печатной плате окружать проводником, соединенным с выводом 27 микросхемы При использовании двусторонней печатной платы под этими элементами желательно оставлять площадку, также соединяемую с выводом 27

О емкости конденсаторов Собр и Сак. В различной литературе рекомендованы их следующие значения: для максимального входного напряжения 200 мВ Собр=1 мкф, Сах=0,47 мкф, для Uвx=2 В Собр = 0,1 мкф, Сак =0,047 мкф. Если в процессе работы образцовое напряжение Uo6p, подаваемое на выводы 35 и 36 микросхемы, не меняется, емкость Собр может быть увеличена в несколько раз относительно указанных величин. Если же напряжение на этих входах может меняться, указанные величины емкостей заметно увеличивать нежелательно, поскольку это увеличит время установления показаний. Уменьшать емкость Собр также не рекомендуется, это приведет к снижению точности работы АЦП.

Емкость конденсатора Свх существенно влияет на время установления показаний после перегрузки. Поэтому во всех описываемых далее приборах (кроме термометра, где перегрузка практически невозможна) желательно придерживаться рекомендованных выше значений емкостей Сак.

О типах используемых конденсаторов. Для Синт обязательно использование конденсаторов с диэлектриком, обладающим малой абсорбцией - это конденсаторы, обозначение которых начинается с К70, например, К71-5, К72-9, К73-16, К73-17.

Для уменьшения времени установления показаний в тех случаях, когда на конденсаторах Собр и Сак напряжение может изменяться, для них желательно использовать конденсаторы с хорошим диэлектриком. Если же напряжение на них не меняется, допустимо использование керамических конденсаторов, например КМ-6.

Поскольку принцип двойного интегрирования нечувствителен к изменению частоты работы или скорости интегрирования (в разумных пределах), к стабильности Rинт и частотозадающих элементов генератора микросхемы особых требований не предъявляется

Естественно, что резисторы делителя, определяющие напряжение Uo6p; должны быть стабильными

Подключение цепочки R4C2 (рис. 2) обеспечивает защиту от статического электричества входа + Uвx при условии, что вход -Uвх подключен к общему проводу. Если же используется дифференциальная подача входного сигнала, следует защитить оба входа такими цепочками (см рис 9) Более того, если входы +Uo6p или -Uo6p в процессе работы подключаются к внешним по отношению к прибору элементам, необходимо защищать и эти входы аналогичными цепочками. Сопротивления резисторов цепочек можно при этом уменьшить до 33.. 51 кОм, поскольку при большей их величине увеличивается время установления показаний.

Различные варианты использования микросхемы КР572ПВ5 нашли свое применение в описываемых в этом разделе цифровых измерительных приборах.

ЦИФРОВОЙ МУЛЬТИМЕТР

Стрелочный авометр - измеритель напряжения, тока и сопротивления - много лет являлся основным прибором любого радиолюбителя. С появлением БИС КР572ПВ2 и КР572ПВ5 на смену ему пришел цифровой мультиметр, один из вариантов которого описываетсяниже.

Основным отличием предлагаемого прибора от ранее описанного автором [2, 3] является малое потребление тока от батареи питания, что определяется использованием рассмотренной выше микросхемы КР572ПВ5 и жидкокристаллического индикатора. Кроме того, в нем расширен диапазон измеряемых сопротивлений до 19,99 МОм и возможен контроль р-n переходов различных полупроводниковых приборов, что не может обеспечить большинство других цифровых мультиметров.

Мультиметром можно измерять постоянное и переменное напряжения (в вольтах), ток (в миллиамперах), а также сопротивление (в килоомах) в пяти диапазонах с верхними пределами 0,1999, 1,999,

19,99, 199,9, 1999. При измерении сопротивлений возможно введение множителя "х10".

Погрешность измерения сопротивлений, постоянного напряжения и тока менее ±(0,2% +1 единица младшего разряда). При измерении переменного напряжения и тока в диапазоне частот 20 Гц... 5 кГц погрешность измерения менее ±(0,3%+1 единица младшего разряда) во всем диапазоне измеряемых напряжений. В диапазоне частот до 20 кГц при измерении в диапазоне от 0,1 предела измерения и выше погрешность не превышает 2,5% от измеряемой величины, на частоте 50 кГц - 10%.

Указанная точность для вольтметра переменных напряжений на частотах более 5 кГц гарантируется на диапазонах 0,1999, 1,999, 19,99 В. На диапазонах 199,9 и 1999 В погрешность на частотах более 5 кГц больше.

Входное сопротивление вольтметра - 11 МОм, емкость - 100 пФ, падение напряжения при измерении тока не превышает 0,2 В. Питание осуществляется от батареи 7Д-0,125Д, потребляемый ток не превышает 2 мА при измерении постоянных напряжений и токов и 7 мА при измерении сопротивлений и переменных напряжений и токов. Мультиметр работоспособен при разряде батареи до напряжения 7,5 В.

Схема коммутации цепей мультиметра приведена на рис. 7, за основу взята схема, описанная в [2, З]. При измерении постоянного напряжения оно через делитель R1 - R6 поступает на вход "+" аналого-цифрового преобразователя (АЦП), вход "-" АЦП подключен при этом к общему проводу. Сопротивления большинства резисторов делителя выбраны кратными 10, что облегчает их -подбор. Сопротивление нижнего плеча делителя в этом случае составляет 1,111 кОм, оно получается параллельным соединением резисторов 1,2 кОм и 15 кОм. При использовании резисторов делителя с допуском 0,1% никакого дополнительного подбора резисторов делителя не требуется.

При измерении постоянного тока АЦП подключен к одному из шунтов R7-R11, через которые пропускается измеряемый ток. Использование двух секций SA2.3 и SA2.4 переключателя пределов измерений для коммутации шунтов позволяет исключить влияние нестабильности сопротивления контактов переключателя на погрешность измерения и порчу прибора в момент переключения пределов.

Принцип работы омметра проиллюстрирован функциональной схемой на рис. 8. Измеряемое сопротивление включено в цепь обратной связи операционного усилителя DA2, входной ток которого задан резисторами R1 - R6, подключенными через переключатели SA2.2 и SA1.3 к источнику напряжения +1,111 В. Поскольку

сопротивления используемых резисторов R1 - R6, включенных последовательно, кратны 1,111кОм, ток, задаваемый ими, имеет значения, кратные 10, и падение напряжения на измеряемом сопротивлении с точностью до множителя 10° равно его величине. Это падение напряжения на основных диапазонах (множитель "х1") измеряется с помощью АЦП, подключенного непосредственно к измеряемому сопротивлению. При введении множителя "х10" падение напряжения на измеряемом резисторе с помощью делителя R16R17R18 перед подачей на АЦП уменьшается в 10 раз. Такое построение омметра позволяет использовать те же резисторы, что и в делителе вольтметра и исключает их подбор. Кроме того, дрейф нуля операционного усилителя не приводит к дрейфу нуля омметра на основных диапазонах и уменьшается в 10 раз при введении множителя "х10".

Измерение переменного напряжения и тока производится аналогично измерению постоянных напряжений и токов, но на вход АЦП включается преобразователь переменного напряжения в постоянное, обведенный на рис. 7 штрихпунктирной линией. Входной делитель и шунты использованы те же, что и при измерении постоянного напряжения и тока. Во входном делителе при измерении на переменном токе важную роль играют конденсаторы С2 - С8, обеспечивающие точность деления входного сигнала. Значение емкостей этих конденсаторов рассчитать затруднительно, так как неизвестна точная емкость монтажа. Поэтому конденсаторы нижних плеч делителя С7 и С8 рассчитаны на некоторую усредненную емкость монтажа, поскольку разброс ее мало влияет на точность деления при относительно большой емкости конденсатора С8. Верхние плечи делителя снабжены подстроенными конденсаторами для точной настройки делителя. Построение делителя в две ступени (С2, С4 -первая ступень, С5, С7, С8 - вторая) позволяет в 10 раз уменьшить емкости нижних плеч делителя. Относительно большая емкость С2 верхнего плеча делителя позволяет точно подстроить это плечо конденсатором С3 и уменьшить погрешность делителя из-за изменения емкости монтажа соединительных проводников. Нижнее низкоомное плечо делителя выполнено без конденсаторов.

Крайнее верхнее по схеме положение переключателя SA1 служит для контроля напряжения батареи питания. В этом случае АЦП подключен к среднему плечу делителя напряжения батареи R 13 - R 15. Ток делителя имитирует ток, потребляемый операционными усили-

телями при их включении во время измерения сопротивления, переменного тока или напряжения. Показания мультиметра в этом режиме не зависят от положения переключателя диапазонов SA2.

На рис. 9 приведена схема преобразователя переменного напряжения в постоянное, источника опорного напряжения, АЦП и подключения АЦП к индикатору.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное собран на операционном усилителе (ОУ) DA2, который также используется в омметре. Входное напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ. Усиленное напряжение полуволны положительной полярности выделяется на резисторе R39, а отрицательной - на резисторе R38. Между верхними по схеме выводами резисторов R39 и R38

формируется выпрямленное напряжение, которое через фильтрующие цепи R42C19 и R43C20 подается на вход АЦП.

На резисторах R40 и R41 выделяются обе полуволны усиливаемого напряжения, с них напряжение обратной связи по переменному току через конденсатор C18 поступает на инвертирующий вход ОУ, чем достигаются высокая точность и линейность преобразователя. Стабильность рабочей точки ОУ по постоянному току обеспечена за счет отрицательной обратной связи через резистор R37. Относительно большая величина сопротивления этого резистора выбрана потому, что он не должен шунтировать измерительную цепь VD1, VD2, R38, R39. Емкость конденсатора С18 также выбрана довольно большой, так как он с паразитной емкостью монтажа образует делитель входного сигнала, поступающего на инвертирующий вход ОУ. При меньшей емкости конденсатора С18 возникает заметная погрешность при измерении переменного напряжения на пределе 1999 В.

Резистор R35 служит для установки нуля ОУ DA1, конденсаторы С 11 и С 17 являются блокировочными, подстроечный резистор R41 служит для точной установки коэффициента передачи преобразователя переменного напряжения в постоянное. Цепи R32C12 и R33C13 обеспечивают защиту ОУ от перегрузок.

Конденсатор С25 и резисторы R45, R46 - задающие частоту элементы генератора микросхемы, генератор работает на частоте 50 кГц. Конденсатор С23 и резистор R44 - элементы интегратора. Конденсатор С24 работает в цепи автокоррекции, конденсатор С22 служит для запоминания образцового напряжения. Цепи R47C26 и R48C27 фильтруют входное напряжение АЦП и защищают его от случайных перегрузок. Конденсаторы С9 и С28 - блокировочные по цепям питания.

Напряжение 1,111 В для работы омметра формируется с помощью делителя R 19 - R22, для исключения зависимости этого напряжения от величины токозадающих резисторов R1 - R6 установлен буферный ОУ DA1.

Все напряжения на схеме указаны относительно плюса батареи питания (О В), за исключением 1,111 В, оно указано относительно общего провода.

Резисторы R1-R11.R13-R17 следует подобрать с погрешностью 0,1%, в крайнем случае - 0,2%. В описываемой конструкции в основном использованы резисторы типа С2-29В мощностью 0,125 Вт. Резистор R10 типа С2-1 0,25 Вт, резистор R11 составлен из десяти параллельно соединенных резисторов С2-29В 1 Ом 0,125 Вт. Резистор R1 состоит из 5 последовательно соединенных резисторов С2-29В 2 МОм 0,25 Вт.

Такую точность для остальных резисторов соблюдать не нужно, однако резисторы R19, R20, R22, R24, R25, R27, R38 - R40 должны быть стабильными, например С2-29В.

Резисторы R38 - R40 могут быть выбраны в диапазоне 3...5кОм, но их сопротивления должны быть равны друг другу с точностью до 1%, а сопротивление резистора R41 - в 12... 16 раз превышать сопротивление R38 - R40. Подстроечные резисторы - СПЗ-19а.

Конденсатор С8 типа К73-9 с допуском 10% на рабочее напряжение 100 В, конденсатор С1 - К73-17 на напряжение 400 В, а С22 того же типа на напряжение 63 В. Допуск конденсатора С21 должен быть 5%, остальных - до 20%. Конденсаторы С23 и С24 типа К73-11 на напряжение 160 В. Возможно применение и других конденсаторов, обозначение которых начинается с К70. Их рабочее напряжение (кроме С1) может быть любым. Полярные конденсаторы, использованные в мультиметре, типа К53-4, остальные - КД, КМ-5 или КМ-6. С7 подбирают из конденсаторов с номинальной емкостью 1100 пФ. Его емкость должна составлять 0,109 от емкости С8 с погрешностью 0,2%.

Конденсаторы С4 и С7 должны иметь группу по ТКЕ не хуже М750. Подстроечные конденсаторы С3 и С6 - КТ4-216 на напряжение 250 В. Переключатели SA1 и SA2 - ПГ2-12-6П8Н, SA3 - ПР2-2П4Н. На принципиальной схеме дана нумерация контактов, указанная на переключателях.

Микросхему К1407УД2 возможно заменить ОУ, работоспособным при полном напряжении питания 7 В с входным током не более 150 нА (К140УД12, К140УД17, К574УДЗ). Можно применить ОУ и с большим входным током, пропорционально увеличив ток делителя R19 - R22. Микросхема КР574УДЗ уникальна для использования в данном устройстве, поскольку работает при полном напряжении питания 6 В, имеет полевые транзисторы на входе, обладает малым дрейфом нуля и достаточно высоким быстродействием. Ее можно заменить лишь на К574УДЗ при учете различия в цоколевке и КР544УД2 - при увеличении напряжения питания до 10 В. Микросхема К561ЛП2 заменима на КР1561ЛП14, а при изменении рисунка печатной платы - на 564ЛП2.

Все детали мультиметра, кроме батареи питания, расположены на двух печатных платах размерами 65х90 мм. На первой односторонней плате установлены все детали мультиметра, за исключением микросхем DD1, DD2, индикатора HG1 и непосредственно связанных с ними деталей - они расположены на второй плате. На рис. 10 приведено расположение проводников и деталей на первой плате со стороны, противоположной стороне установки элементов. Вторая плата - двусторонняя. На рис. 11,а показано расположение

деталей и проводников на стороне установки деталей, а на рис. 11,б -с противоположной стороны.

Следует иметь в виду, что на всей поверхности плат со стороны установки микросхем, за исключением мест расположения проводников, показанных на рис. 11,а, и под переключателем SA3 со стороны расположения проводников сохранен сплошной слой металлизации (фольги), выполняющей роль общего провода. Отверстия в печатных платах со стороны установки деталей раззенкованы. Места подпайки выводов к фольге общего провода на рис. 10 и 11,а помечены крестиками. Один из выводов конденсатора С20, стойки на обеих платах для подключения общего провода и проволочная скоба для соединения выводов резисторов R7 - R 11 подпаяны к фольге платы с обеих сторон. В этом случае соответствующие отверстия не зенкованы. На второй плате проводники, соединяющие резистор R44 и конденсаторы С23 и С24, с целью умень

шения. влияния паразитных емкостей на результат преобразования, окружены защитным проводником, соединенным с выводом 27 микросхемы. Для этой же цели фольга со стороны установки микросхем под указанными элементами отделена от общего провода и соединена с тем же выводом.

Вторая плата является законченным вольтметром постоянного тока с пределом измерения 199,9 мВ и может использоваться в других конструкциях измерительных приборов.

Переключатели SA1 и SA2 размещены на кронштейне из латуни толщиной 1 мм (рис. 12), который установлен в вырезе первой платы. Входные гнезда XS1 и XS2 для штырей диаметром 1,6 мм находятся на боковой стенке корпуса. Переключатели снабжены ручками - барабанами с гравировкой режимов и пределов измерений (рис. 13). Следует помнить, что ручки должны быть изолированы от осей переключателей. Переключатель SA3 закреплен на уголке из латуни той же толщины, его ось параллельна длинной стороне платы. Управляется переключатель рычагом, изготовленным из орга-

нического стекла толщиной 4,5 мм. Ось переключателя укорочена до 4,5 мм, лыска оси расширена до стопорной шайбы.

Платы скреплены между собой винтами М2,5, между платами установлен тонкий латунный экран, соединенный с общим проводом и оклеенный с обеих сторон самоклеющейся поливинилхлоридной пленкой, на винты с каждой стороны экрана одеты металлические дистанционные втулки высотой 2 мм.

Скрепленные между собой платы мультиметра установлены в пластмассовый корпус габаритами 116х72х34 мм. Платы крепят винтами М2,5 к четырем бобышкам из органического стекла. Напротив индикатора в корпусе прорезано окно 16х41 мм, в которое вклеена пластина из бесцветного прозрачного органического стекла.

Платы закрыты экранами в форме поддонов, изготовленными из латуни толщиной 0,3 мм и оклеенными изнутри самоклеющейся поливинилхлоридной пленкой. Экраны соединены с общим проводом. Напротив подстроечных конденсаторов С3 и C6 в одном из экранов пробиты отверстия.

Монтаж и настройку мультиметра рекомендуется проводить в следующей последовательности. Вначале следует собрать вторую плату, но вместо резистора R45 установить переменный резистор 47 кОм. Подключив частотомер к выводу 21 микросхемы DD2 и к плюсу батареи питания, переменным резистором установить частоту генератора 50 кГц (62,5 Гц по частотомеру). Впаять резистор, соответствующий сопротивлению введенной части переменного,

Соединив вход "-" АЦП с общим проводом, откалибровать АЦП с помощью подстроечного резистора R26, подав на его вход контролируемое точным вольтметром напряжение 0,18...0,19 В, при необходимости подобрать R25. Установив входное напряжение +0,199 В, нужно сменить его полярность: должен появиться знак "-".

Собрав на первой плате преобразователь переменного напряжения в постоянное, соединить его вход " + " с общим проводом, а вход "-" - с выходом ОС=. Входы АЦП подключить к выходу ОС= и общему проводу. Подстроечным резистором R35 установить нулевое напряжение на выходе DA2.

Далее нужно подключить выходы преобразователя переменного напряжения в постоянное к входам АЦП с соблюдением полярности. Выход ОС~ преобразователя следует соединить с его входом "-". Подав на вход "+" преобразователя напряжение 150...180 мВ с частотой 1000 Гц, резистором R41 устанавливают такое же показание на индикаторе. Уменьшая входное напряжение в 10 и 100 раз, следует проверить линейность работы преобразователя.

Такова методика предварительной настройки.

Теперь можно приступать к сборке первой платы. Рекомендуемый порядок проведения объемного монтажа цепей коммутации такой. Вначале переключатели SA1 и SA2 устанавливают на кронштейн и соединяют между собой их контакты в соответствии со схемой рис. 7. К контактам переключателей подпаять проводники МГТФ-0,14 с некоторым запасом по длине для соединения с печатными платами мультиметра и с переключателем SАЗ. Затем, установив кронштейн на плату, впаять проводники, идущие от переключателей, в соответствующие отверстия плат и подпаять переключатель SA3, установив его па плату. Провод от переключателя SA1.2 к скобе, соединяющей резисторы R7 - R 11, должен быть проложен отдельно от других цепей и подключен к концу скобы у резисторов R11. Шунты R9 - R11 подключают к секциям переключателя SA2.3 и SA2.4 двумя про-

водниками, каждый проводник к своей секции. У R10 и R11 для этого предусмотрено по два контакта. Поскольку почти все добавочные резисторы вольтметра и шунты миллиамперметра устанавливают перпендикулярно печатной плате, в большинстве случаев при отсутствии необходимого номинала их можно составлять из двух последовательно или параллельно включенных резисторов.

Окончательную настройку мультиметра производят в таком порядке. Мультиметр устанавливают в режим измерения постоянного напряжения и калибруют его, как описано выше, но подавая на его вход напряжение около 1,9 или 19 В. Работу вольтметра следует проверить и на других диапазонах.

Переключая мультиметр в режим измерения сопротивления, включают между входами мультиметра эталонный резистор с сопротивлением 15...19 или 150...190 кОм, величина которого известна с погрешностью не хуже 0,1%. Установив соответствующий предел измерения (без множителя "х10"), при котором индицируются все четыре знака, подстроечным резистором R21 добиваются показаний на индикаторе сопротивления эталонного резистора, при необходимости следует подобрать R 19.

Затем проверяют работу омметра на других диапазонах. На диапазоне 199,9 Ом показания могут быть завышены на 0,2...0,3 Ом за счет сопротивления соединительных проводников.

Проверить работу омметра в положении "х10" переключателя SA3, при необходимости подобрать резистор R18.

Установив мультиметр в режим измерения переменных напряжений, следует откалибровать его на частоте 50 Гц резистором R41 аналогично вольтметру постоянного напряжения.

Далее, установив смонтированную плату в корпус и закрепив экран, необходимо подстроить делитель конденсаторами С3 и С6. Возможно, что при этом придется подобрать конденсаторы С2 и С5. Рекомендуемый порядок здесь такой. Вначале следует подать на вход напряжение около 190 мВ с частотой 5 кГц и на пределе 0,1999 запомнить показания. Переключив вольтметр на следующий предел, увеличить входное напряжение в 10 раз и подстроечным конденсатором СЗ установить такие же показания. Далее необходимо переключить вольтметр на предел 19,99 В, увеличить входное напряжение еще в 10 раз и конденсатором С6 откалибровать вольтметр на этом пределе. Указанные операции по подстройке делителя необходимо повторить несколько раз, так как они оказывают влияние друг на Друга.

В режиме измерения постоянного и переменного токов мультиметр не требует калибровки.

В выключенном состоянии батарея,питания подключена к

входным гнездам, что позволяет контролировать ее напряжение и заряжать аккумуляторы.

При пользовании прибором нельзя переключать режим измерений при подключенном к контролируемой цепи .мультиметре. Постоянное и переменное напряжения, подаваемые на вход мультиметра, не должны превышать 500 В.

Несколько слов о контроле р-n переходов полупроводниковых приборов. В режиме омметра мультиметр измеряет падение напряжения на контролируемом сопротивлении (и р-n переходе) при заданном токе 1 мА, 100, 10, 1 и 0,1 мкА. На основных диапазонах омметра падение напряжения на проверяемом элементе не должно превышать 0,1999 В, поэтому контроль р-n переходов практически невозможен. При введении множителя "х10" падение напряжения может достигать 1,999 В, поэтому можно проверять р-n переходы всех полупроводниковых приборов, включая светодиоды. Мультиметр очень удобен для снятия вольт-амперных характеристик р-n переходов в логарифмическом масштабе, поскольку на табло при пяти значениях протекающего тока, различающихся максимально на четыре порядка, индицируется падение напряжения на р-n переходе в милливольтах.

Описанный выше мультиметр в режиме омметра позволяет измерять емкость конденсаторов. Рассмотрим упрощенную схему омметра мультиметра (рис. 14). Измеряемый резистор включен в цепь обратной связи операционного усилителя DA1, инвертирующий вход которого подключен к источнику стабильного напряжения Uст через токозадающий резистор R1. В результате на вольтметр PV1 поступает напряжение U, пропорциональное измеряемому сопротивлению Rx и определяемое по формуле:

U=RхI,гдеI=Ucт/Rl. Что произойдет, если вместо измеряемого сопротивления в цепи обратной связи подключить конденсатор (рис. 15)? В этом случае образуется хорошо известная схема интегратора. Напряжение, поступающее на вольтметр, линейно нарастает во времени. Чем больше

емкость конденсатора, тем медленнее нарастает напряжение. Через время Т оно достигает величины U:

U=TI/Cх,

Заметив показания вольтметра через некоторое время Т относительно момента подключения разряженного конденсатора, рассчитаем его емкость:

Сх = TI/U = T/Rx, поскольку I= U/Rx.

Емкости какой величины реально измерять мультиметром? При определении параметра Т по секундомеру удобно определять момент перегрузки омметра, т. е. когда его показания становятся равными предельному значению для данного диапазона измерения сопротивлений. Приемлемое время измерения составляет 10... 100 с, поэтому на пределе 20 МОм можно измерять емкости от 10/20=0,5 мкФ до 100/20=5 мкФ, на диапазонах 2 МОм, 200, 20, 2 кОм и 200 Ом -соответственно конденсаторы емкостью 5...50, 50...500, 500...5000, 5000...50000 и 50000... 500000 мкФ. Если время измерения увеличить до 400 с или отсчет времени производить в момент достижения показаний 50 Ом, можно измерять даже наибольшую емкость отечественного ионистора - 2 Ф.

Для достижения большей точности измерения можно увеличивать его время, но не более 400... 500 с для оксидных конденсаторов, поскольку при большем времени точность измерений уменьшается за счет утечек.

Перед проведением измерений предлагаемым способом давно не использовавшиеся оксидные конденсаторы необходимо отформовать - подавать на них в течение нескольких часов номинальное напряжение, а затем разрядить, замкнув выводы на несколько минут. Такая длительная разрядка необходима для уменьшения влияния абсорбции, проявляющейся в сохранении части заряда на конденсаторе и постепенного появления на выводах разряженного конденсатора напряжения небольшой величины после его кратковременной разрядки. Поэтому перед измерением емкости оксидного конденсатора следует тем же мультиметром проверить отсутствие напряжения на выводах.

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЕМКОСТИ

Описываемый прибор позволяет измерять емкости конденсаторов, в том числе и полярных, на семи пределах - 200 пФ, 2000 пФ и далее до 200 мкф. Погрешность измерения - +-(0,3%+l единица младшего разряда) на пределах 0,02 мкф и выше с увеличением ее до ±0,6% на пределах 200 и 2000 пФ. Измеритель потребляет ток не

более 8мА при питании напряжением 9 В от аккумуляторной батареи 7Д-0,125Д.

Принцип действия измерителя основан на методе, описанном в [4], и состоит в следующем. Измеряемый конденсатор периодически заряжается до некоторого напряжения с последующей разрядкой через образцовый резистор. Отношение среднего тока разрядки к амплитуде переменного напряжения на конденсаторе строго пропорционально его емкости и частоте независимо от напряжения, до которого заряжается и разряжается конденсатор. Указанное отношение измеряется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) микросхемы КР572ПВ5.

Принципиальная схема прибора приведена на рис. 16, временная диаграмма работы - на рис. 17. Цикл измерения состоит из пяти тактов и формируется счетчиком DD2. В зависимости от диапазона измеряемых емкостей используется частота импульсов счета 125 Гц или 12,5 кГц. Сигналы с выходов счетчика управляют ключами микросхемы DD3, коммутирующими измеряемый конденсатор и прецизионные резисторы измерителя, а также аналоговые входы микросхемы DD5.

В первом такте измеряемый конденсатор Сх через верхний по схеме ключ микросхемы DD3 подключен к выходу эмиттерного повторителя на транзисторе VT1 и заряжается до напряжения около 0,8 В. Во втором такте это напряжение через усилитель на ОУ DA1 с коэффициентом усиления 1,25, определяемым цепью обратной связи R6 - R9, передается на конденсатор С9 и заряжает его. В третьем такте измеряемый конденсатор подключен к измерительному входу АЦП и разряжается через один из точных резисторов R1 - R5. В четвертом такте конденсатор С6, соединенный с общим проводом, с выхода ОУ DA1 заряжается до напряжения, пропорционального напряжению на разряженном в третьем такте конденсаторе Сх. В пятом такте все ключи разомкнуты и изменений в измерительной части прибора не происходит. Этот такт необходим для того, чтобы длительность цикла измерения емкости при частоте импульсов на входе счетчика DD2, равной 125 Гц, была равна длительности фазы интегрирования входного напряжения, составляющей 4000 периодов частоты генератора АЦП.

Многократное повторение указанного цикла приводит к тому, что на конденсаторе С9 устанавливается напряжение, равное амплитуде переменного напряжения на измеряемой емкости (с коэффициентом 1,25), а среднее напряжение на измерительном входе АЦП оказывается пропорциональным току через эту емкость. В результате

АЦП, измеряющий отношение напряжения на измерительном входе к образцовому, через дешифратор микросхемы отражает на индикаторе HG1 значение емкости измеряемого конденсатора.

Сопротивления резисторов R1 -R5 и частота импульсов, подаваемых на вход счетчика DD2, выбраны так, что при изменении измеряемой емкости от 0 до максимального индицируемого значения, образцовое напряжение на опорном входе АЦП изменяется от 1 до 0,077 В, а на измерительном входе - от 0 до 154 мВ. На рис. 18 показаны зависимости образцового напряжения на входе опорного напряжения АЦП и напряжения на измерительном входе АЦП. Важно отметить, что при выбранной схеме устройства сопротивление открытых ключей микросхемы DD3 не влияет на погрешность измерения.

Для обеспечения необходимой точности измерений частота импульсов, подаваемых на вход микросхемы DD2, должна быть стабильной, поэтому она задается кварцевым резонатором генератора микросхемы DD5. В ней же частота генератора 100 кГц делится на 800, и с выхода F импульсы с частотой 125 Гц подаются на общий электрод индикатора. Сигнал с этого выхода используется как входной для счетчика DD2 на пределах в диапазоне 2 мкф - 200 мкф. Для остальных пределов измерения частота 100 кГц делится на 8 счетчиком DD1.

Управление положением запятой при отсчете показаний осуществляет микросхема DD4. Запятая Н4 используется для индикации разряда батареи питания. При напряжении питания более 7,2 В напряжение на входе 9 микросхемы DD4 ниже порога переключения и запятая невидима. При снижении напряжения батареи питания напряжение питания микросхемы DD4 остается постоянным, а входное напряжение на выводе 9 возрастает. При напряжении батареи менее 7,2 В оно становится выше порога переключения и запятая Н4 становится видимой.

Резисторы Rl - R3 следует подобрать с точностью 0,1%, в крайнем случае 0,2%. В описываемой конструкции использованы резисторы С2-29В мощностью 0,125 Вт. Из-за неидеальности ключей микросхемы DD3 и емкостного прохождения управляющих сигналов ключей в коммутируемые цепи резисторы R4 и R5 требуют подбора. Резистор R5 состоит из трех последовательно соединенных резисторов С2-29В 0,125 Вт с сопротивлением 2 МОм и одного подбираемого резистора МЛТ-0,25 с сопротивлением около 1,3 МОм. Резистор R4 составлен аналогично из точного сопротивлением 499 кОм и подборного - 33 кОм. Выдерживать номинал резисторов Rl -R3, кратный величине 4,99, необязательно. Можно их выбрать кратными, например 5,1, но их отношение должно быть выдержано пропорционально степени числа 10 с точностью 0,1...0,2%, в этом случае, возможно, придется подобрать резистор R6 или R9. Резисторы R6 и R9 должны быть стабильными.

Микросхема ОУ КР574УДЗ наиболее полно отвечает требованиям для использования в данном устройстве. Вместо него применим ОУ К574УДЗ при учете различия в цоколевке или КР544УД2 при изменении цепей коррекции и увеличении напряжения питания до 10 В. Поскольку напряжение 10 В является максимальным для КР572ПВ5 и минимальным для КР544УД2, оно должно быть стабилизированным. Можно также при использовании микросхемы КР544УД2 установить батарею аккумуляторов на 12 В, а между цепью -9 В и конденсатором С 12 - четыре маломощных кремниевых диода, падение напряжения на которых составит около 2,5 В. Микросхемы серии К561 заменимы на микросхемы серии КР1561, а при изменении рисунка печатной платы - на микросхемы серии 564.

В конструкции использованы конденсаторы КМ-5, КМ-6, конденсатор С11 должен быть с высококачественным диэлектриком (например, серии К73-16). Полярные конденсаторы - К53-18.

Все детали измерителя, кроме батареи питания, расположены на двусторонней печатной плате размерами 65 х 105мм, на рис. 19,а приведено расположение деталей и проводников на стороне установки микросхем, на рис. 19,6 - проводников и некоторых других деталей на другой ее стороне. Конструктивные особенности платы и всего измерителя - те же, что и у предыдущего устройства. Габариты корпуса -135 х 72 х 34 мм. Переключатель снабжен такой же ручкой-барабаном, что и в мультиметре, но изоляции ручки от оси

переключателя не требуется.

Измеритель целесообразно собирать и настраивать в следующем порядке. Вначале на плату следует установить все детали, кроме

кронштейна с переключателем и резистора R7. Подобрать образцовый конденсатор, емкость которого 0,15...0,19 мкФ и известна с точностью не хуже 0,1%. Установить переключатель на предел "0,2 мкФ" и подключить резистор R2. Подбором резистора R8 добиться показаний измерителя, соответствующих емкости конденсатора, при необходимости подобрать резистор R7.

Если прибор не начинает работать сразу, нужно проверить работу генератора в микросхемеDD5, работу делителей частоты DD1 и DD2, наличие опорного напряжения 0,8 В на резисторе R12. В любом случае желательно проверить отсутствие генерации в ОУ DA1, при ее наличии подобрать конденсаторы С3 - С5.

Затем установить кронштейн с переключателем и полностью собрать измеритель. Повторно откалибровать его с помощью эталонного конденсатора, как это описано выше. Без подключения к прибору измеряемого конденсатора на пределе 200 пФ за счет емкости монтажа и входной емкости микросхем DA1 и DD3 показания индикатора должны быть несколько менее 10 пФ. При подключении эталонного конденсатора емкостью 150...190 пФ показания должны возрасти на величину емкости эталонного конденсатора. Если возрастание меньше, увеличивают сопротивление резистора R5, если же больше - уменьшают. Аналогично подбирают сопротивление резистора R4 с использованием точного конденсатора 1500... 1900 пФ. При наличии точного конденсатора 0,015...0,019 мкФ можно вместо одного резистора R3 установить два - один сопротивлением 49,9 кОм подключить к контакту 5 секции SA1.1, другой, подборный, подключить между контактами 3 и 5.

Для упрощения пользования прибором при измерении малых емкостей целесообразно подобрать конденсатор, включенный параллельно входным гнездам, с тем, чтобы начальное показание прибора ;

было равно 10 пФ.

Следует также подобрать номиналы резисторов R13 и R14 так, чтобы запятая Н4 включалась при снижении напряжения питания ниже 7,1...7,3 В.

При необходимости в прибор можно ввести еще один диапазон измерений - 2000 мкФ. Для этого между контактом 8 секции переключателя SA1.1 и общим проводом следует включить резистор сопротивлением 49,9 Ом. Контакт 8 секции SA1.4 следует оставить свободным, а подключение контактов 8 секций SA1.2 и SA1.3 должно быть таким же, как и контактов 7. Выключенному состоянию прибора должно соответствовать положение 9. Погрешность измерений на дополнительном диапазоне не превышает 1,5%.

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ RCL

Измеритель имеет следующие диапазоны измерений: 200 пФ, мкГн, Ом, 2, 20, 200 нФ, мГн, кОм, 2, 20 мкФ, Гн. Погрешность измерений ±(0,5% + 1 единица младшего разряда) при измерении емкостей и сопротивлений и ±(2% + 1 единица младшего разряда) при измерении индуктивности. Прибор питается от батареи, составленной из 8 аккумуляторов Д-0,125 и потребляет ток менее 20 мА. Прибор сохраняет свою точность при снижении напряжения питания до 8 В, поэтому его можно питать от батареи 7Д-0,125, но ее емкость не будет использоваться полностью.

Принцип измерений в описываемом приборе заключается в следующем. Напряжение треугольной формы прикладывается к

измеряемой емкости, при этом ток через нее имеет форму меандра и его амплитуда пропорциональна измеряемой емкости. При измерении индуктивности через нее пропускается ток треугольной формы, падение напряжения на индуктивности имеет форму меандра и пропорционально ее величине. Измеряемая емкость и эталонные резисторы подключаются в соответствии с рис. 20,а, а измеряемая индуктивность - по схеме рис. 20,6. При измерении сопротивлений используется соединение по

схеме рис. 20,а, но эталонными становятся емкости, а измеряемое сопротивление устанавливается на место эталонного.

Схема измерителя приведена на рис. 21. Все микросхемы прибора, кроме DD9, питаются от батареи GB1 непосредственно. Для симметричной работы операционных усилителей при помощи резисторов R 12 и R 13 и ОУ DA3 создана искусственная средняя точка, относительно которой указаны напряжения на схеме.

Задающий генератор прибора собран на элементах DD1.1 и DD1.2 и работает на частоте 1 МГц. Цепочкой декадных делителей DD2 -DD5 эта частота делится до 100 кГц - 100 Гц. Использованные в делителе микросхемы К176ИЕ4 при включении могут делить частоту с неправильным коэффициентом деления, поэтому для их начальной установки применена цепочка C22R26. Сигналы с выходов микросхем DD2 - DD5 через переключатель SA1.1 подается на микросхему DD6. В ней частота делится на 10 и с выхода Р микросхемы сигнал в форме меандра с частотой 100 кГц - 10 Гц подается через повторитель на элементах DD1.3, DD8.1, DD8.2 на вход формирователя напряжения треугольной формы. Микросхема DD6 типа

К561ИЕ8 имеет внутреннюю цепь коррекции, обеспечивающую правильный коэффициент деления, поэтому подача на него импульса начальной установки не требуется. Повторитель на ключах микросхемы К561КТЗ обладает существенно меньшим выходным сопротивлением по сравнению со стандартными выходами микросхем этой серии, что исключает необходимость подбора входных резисторов формирователя напряжения треугольной формы.

Формирователь собран по схеме интегратора на ОУ DA1. Сопротивления резисторов R5 - R7 и емкости конденсаторов С6 и С7 выбраны так, чтобы амплитуда напряжения треугольной формы составляла 4 В от пика до пика (±2 В), а наклон "пилы" на частоте 100 кГц был 0,75 В/мкс. Для симметрирования выходного напряжения в интегратор введена нелинейная отрицательная обратная связь через выпрямительный мост VD6, в диагональ которого включены диоды VD4 и VD5, через которые пропущен при помощи резисторов R3 и R4 небольшой ток. При подходе выходного напряжения интегратора к +2 или -2 В диоды моста открываются и замыкается цепь отрицательной обратной связи. В результате вершины напряжения треугольной формы незначительно ограничиваются, что не влияет на точность измерений, поскольку важной является линейность напряжения только вблизи нулевого значения.

Напряжение треугольной формы с выхода ОУ DA1 подается через секцию переключателя SA2.1 на измеряемую емкость и эталонные резисторы R10, R11 или через эталонные резисторы R8, R9 на измеряемую индуктивность или через эталонные конденсаторы С3, С4 на измеряемое сопротивление, в результате чего образуется одна из схем рис. 20.

При измерении емкостей и сопротивлений напряжение на выходе цепи рис. 20,а имеет форму меандра с плавными переходами между

положительными и отрицательными горизонтальными участками. При измерении индуктивностей за счет их всегда реально существующего активного сопротивления горизонтальные участки напряжения получают наклон (рис. 22, ограничение вершин треугольного напряжения и плавные переходы условно не показаны).

Через буферный ОУ DA2 сигнал поступает на синхронный выпрямитель, собранный на ключах DD8.3, DD8.4 и конденсаторах С16 и С17. Ключи управляются выходными им-

пульсами счетчика DD6 и открываются на 1/10 периода выходного сигнала ОУ DA2 в середине горизонтальных участков, ключ DD8.4 в середине положительной полуволны, DD8.3 - отрицательной. Конденсаторы С 17 и С 18 запоминают напряжения на время разомкнутого состояния ключей, с них сигнал подается на измерительный вход АЦП.

Систематическая погрешность прибора при измерении емкостей и сопротивлений, возникающая из-за того, что последовательно с измеряемой или эталонной емкостью включен эталонный или измеряемый резистор, ничтожна, поскольку к моменту открытия ключей DD8.3 или DD8.4 процесс установления величины тока через конденсатор полностью заканчивается. При измерении индуктивностей собственное сопротивление катушек индуктивности играет двоякую роль. С одной стороны, оно несколько уменьшает показания прибора, поскольку включено последовательно с резисторами R8 или R9 и уменьшает величину тока треугольной формы, текущего через измеряемую индуктивность. С другой стороны, оно увеличивает показания за счет наклона горизонтальных участков сигнала на выходе DA2. Указанные эффекты не компенсируют друг друга и заметно снижают точность измерений.

Максимальное значение напряжения на конденсаторах С16 и С17, соответствующее предельному значению каждого диапазона, составляет ±50мВ, полное напряжение, подаваемое на вход АЦП - 300 мВ. Двухполупериодный характер выпрямления обеспечивает неизменность выходного напряжения выпрямителя при уходе нуля операционных усилителей DA1 и DA2.

Включение микросхемы DD10 имеет некоторые особенности. Опорное напряжение, определяемое максимальным входным сигналом, составляет 150 мВ. Оно снимается с делителя R 19 - R22. Нестабильность напряжения источника питания не играет никакой роли, поскольку как выходное напряжение синхронного выпрямителя, так и опорное напряжение пропорциональны напряжению питания, а АЦП измеряет их отношение. Также не сказывается уход частоты генератора DD1.1, DD1.2, поскольку важна крутизна треугольных импульсов на выходе микросхемы DA2, а не их частота.

Исходная частота работы АЦП выбрана равной 40 кГц. Она получается из сигнала с частотой 1 МГц делением на 25 при помощи микросхемы DD7 и элемента совпадения на диодах VD1 - VD3, резисторе R2 и конденсаторе С2. Амплитуда импульсов на входе RCr микросхемы DD10 должна соответствовать напряжению внутреннего источника питания цифровой части микросхемы -Uц , составляющего по абсолютной величине около 5 В. Оно приводится к необходимой величине при помощи делителя R23, R24.

Управление местоположением запятой индикатора HG1 при отсчете показаний осуществляет микросхема DD9. Запятая Н4 используется для индикации разряда батареи питания.

Резисторы R5 - R11 следует подобрать с точностью 0,2%. В описываемой конструкции использовались резисторы типа С2-29В мощностью 0,125 Вт, остальные резисторы - МЛТ, подстроечный -СПЗ-19а. Резистор R5 состоит из параллельно соединенных точного резистора 10 кОм и МЛТ-0,25 1 МОм 10%. Выдерживать номиналы резисторов R12, R13, R19, R21, R22 не обязательно, но они должны быть стабильными. При этом резисторы R12 и R13 должны быть равны друг другу с точностью 0,5%, а на входы образцового напряжения микросхемы DD10 должно подаваться 150 мВ. Диоды могут быть использованы практически любые маломощные кремниевые, в том числе и для замены моста VD6.

Микросхемы КР544УД2 могут быть заменены на К544УД2, вместо КР140УД14А можно использовать практически любой ОУ, работающий при напряжении питания ±5В, например КР140УД6. Микросхему К176ИЕ1 можно заменить при изменении схемы на К176ИЕ2 или на К561 ИЕ10. Микросхемы серии К561 можно заменить на микросхемы серии КР1561, К561ИЕ8 и на К176ИЕ8, а при изменении рисунка печатной платы - на микросхемы серии 564.

Если батарею питания разделить на две по 5 В, можно исключить ОУ DA3, при этом питание необходимо будет отключать двумя секциями переключателя SA2.

Конденсаторы С1, С3, С4, С6 следует подобрать с ТКЕ не хуже М75. Остальные конденсаторы могут иметь больший ТКЕ, в основном применены конденсаторы типов КМ-5 и КМ-6 (конденсаторы 0,47 мкФ - КМ-66, в качестве С9 - С13 можно использовать конденсаторы емкостью 0,047 мкФ и выше). Конденсаторы С7 и С20 должны быть с хорошим диэлектриком, были использованы конденсаторы К73-17 и К73-11 на напряжение 160 В. Полярные конденсаторы - К53-18 или любые другие.

Все детали измерителя, кроме эталонных элементов и батареи питания, расположены на двусторонней печатной плате размерами 65х130мм, на рис. 23,а приведено расположение деталей и проводников на стороне установки микросхем, на рис 23,6 - проводников на другой ее стороне.

Переключатели SA1 (ПГ2-12-6П8Н) и SA2 (ПГ2-10-6П4Н) установлены под микросхемами DD10, DD6, DD1, DD8 на кронштейне, изготовленном из латуни толщиной 1 мм. Входные гнезда XS1 и XS2 для вилок диаметром 1,6 мм установлены на боковой стенке корпуса. Переключатели снабжены такими же ручками - барабанами, как и в предыдущих конструкциях, изоляции ручек от оси переключателей не

требуется. Эталонные элементы установлены при помощи трубчатых контактов на стеклотекстолитовой плате с размерами 20 х 65 мм, закрепленной с одной стороны на кронштейне переключателей, с другой стороны - к основной печатной плате через дистанционную втулку высотой 7 мм. В средней части вторая плата прикреплена к одному из винтов переключателя. Такое крепление платы позволяет произвести почти полный монтаж цепей переключателей и эталонных элементов до установки переключателей на основную плату.

Платы измерителя установлены в пластмассовый корпус с габаритами 136 х 72 х 34 мм.

Аккумуляторная батарея изготовлена из элементов двух батарей 7Д-0,125. Аккумуляторы, соединенные между собой приваренной никелевой лентой, сложены двумя "лесенками" по четыре элемента, обмотаны поливинилхлоридной изоляционной лентой и уложены в корпус измерителя под индикатором HG1.

Измеритель целесообразно собирать и настраивать в следующем порядке. Вначале на плату следует установить все детали, за

исключением кронштейна с переключателями и платы с эталонными элементами. Подать напряжение питания 10 В и подбором элементов R1 и С1 установить частоту генератора на элементах DD1.1 и DD1.2, равной 1 МГц с точностью не хуже 2%. Частоту удобно контролировать на выходах счетчиков DD2 - DD5. По осциллографу можно установить частоту генератора, добиваясь неподвижного изображения импульсов 100 Гц с выхода микросхемы DD3 при синхронизации развертки осциллографа от сети.

Установить кронштейн с переключателями и резисторами R5 -R11, произвести весь проводной монтаж. Подобрать емкость конденсатора С7 так, чтобы ограничение треугольного напряжения на диапазоне 20 мкФ при увеличении напряжения питания начиналось при 10...11 В. Подобрать конденсатор, емкость которого известна с точностью не хуже 0,2%, и номиналом 0,15...0,19 мкФ. На диапазоне 200 нФ резистором R20 добиться показаний измерителя, соответствующих емкости конденсатора.

Вывод 3 секции переключателя SA1.5 отключить от резистора R 10 и подключить к резистору R11. Подобрать конденсатор С6 такой емкости, чтобы показания при измерении эталонной емкости на диапазонах 200 нФ и 20 нФ (он превратился в 200 нФ) совпадали. Восстановить подключение вывода 3 переключателя.

Используя точные резисторы с допуском 0,1...0,2% в качестве измеряемых, подобрать емкость конденсатора С3 для получения соответствия показаний прибора номиналам резисторов на диапазонах 2 кОм - 200 кОм. Конденсаторы СЗ и С6 удобно подбирать из нескольких меньшей емкости, полезно подключение подстроечных конденсаторов.

При наличии эталонного конденсатора емкостью 150... 190 пФ можно уточнить величину сопротивления резистора, подключенного параллельно R5, для получения максимальной точности показаний на диапазоне 200 пФ.

На рис. 21 показан конденсатор С4, обеспечивающий диапазоны измерения сопротивлений 2 и 20 МОм, однако пользоваться этими диапазонами неудобно, поскольку требуется тщательное экранирование измеряемого резистора и прибора в целом, а точность измерений невысока. Без ущерба для пользования прибором его можно исключить, а также исключить секцию переключателя SA1.4, что позволит уменьшить число галет переключателя SA1 и использовать в качестве него переключатель ПГ2-11-6П6Н.

При отсутствии измеряемой емкости на диапазонах 200 пФ и 2 нФ за счет емкости монтажа прибор должен показывать около 2 пФ. При измерениях эту величину следует вычитать из получаемого результата.

В режиме измерения индуктивностей в случае использования точных резисторов прибор настройки не требует.

Следует также подобрать номиналы резисторов R14 и R18 так, чтобы запятая Н4 включалась при снижении напряжения питания ниже 8 В.

Прибор можно использовать в качестве генератора однополярных прямоугольных импульсов с амплитудой 10 В и частотой 10 Гц... 100 кГц или треугольных симметричных импульсов с той же частотой в двух верхних по схеме положениях переключателя SA2.

В выключенном состоянии батарея питания подключена к входным гнездам, что позволяет контролировать ее напряжение и заряжать аккумуляторы.

Прибор обладает не очень привычным свойством - при значительном превышении измеряемой величиной установленного диапазона, коротком замыкании контролируемого конденсатора или обрыве резистора или индуктивности он может показать некоторое конечное значение измеряемой величины. Поэтому при неизвестном даже приближенно номинале проверяемого элемента измерение следует начинать с наибольшего предела измерения, уточняя измеряемую величину при переходе с диапазона на диапазон.

Этот недостаток устраняется путем несложной доработки, схема которой приведена на рис. 24. Резистор R18 цепи индикации падения напряжения батареи питания отключен от источника -5 В и

подсоединен к коллектору транзистора VT1. Сопротивление резистора R28 мало по сравнению с R18 и при закрытом транзисторе VT1 не влияет на работу цепи. При отсутствии перегрузки амплитуда переменного напряжения на выходе ОУ DA2 измерителя не превышает 150 мВ, транзистор VT1 закрыт. Если перегрузка невелика, она индицируется как обычно - гашением всех

разрядов, кроме старшего. При большой перегрузке пики напряжения на выходе ОУ DA2 открывают транзистор VT1 и он заряжает конденсатор С23. Напряжение на коллекторе VT1 становится близким к напряжению общего провода, срабатывает индикация разряда батареи - включается десятичная точка Н4 младшего знака индикатора.

Для большей заметности перегрузки к выходу 10 DD9 можно подключить не только точку Н4, но и сегменты 1А, ID, IE, IF, 1G индикатора (выводы 2, 3, 30, 32, 33), в этом случае при перегрузке в

старшем разряде будет индицироваться буква Е или цифра 8. Еще интереснее индикацию разряда можно сделать, если выход 10 микросхемы DD9 подключить к общему электроду индикатора HG1 (выводы 1 и 34), отключив его от выхода F микросхемы. В этом случае при перегрузке или снижении напряжения батареи ниже 8 В все сегменты индикатора инвертируются и считывание показаний становится практически невозможным

Доработку можно провести объемным монтажом, рядом с ОУ DA1 и DA2 достаточно свободного места. Транзистор КТ3107И заменим на любой кремниевый маломощный структуры р-n-р.

При измерении емкостей полярных конденсаторов серий ЭТО, К51 и К52 последовательно с конденсатором следует включать батарею напряжением не менее 2,5 В, плюсом батареи к плюсу конденсатора. Все остальные типы конденсаторов можно проверять без дополнительного источника.

ШИРОКОДИАПАЗОННЫЕ ЦИФРОВЫЕ ОММЕТРЫ

Цифровой мультиметр, описанный выше, не может измерять сопротивления выше 20 МОм. Однако в радиолюбительской практике потребность в этом время от времени возникает. Нередко и точность измерения малых сопротивлений также недостаточна. Поэтому в лаборатории радиолюбителя желательно иметь прибор с более широким диапазоном измерения сопротивлений. Два варианта таких омметров и описано в этом разделе.

Первым прибором можно измерять сопротивления на пределах 200 Ом, 2, 20, 200 кОм, 2, 20, 200 МОм с погрешностью ±(0,3%+ 1 единица младшего разряда) и вдвое большей на диапазоне 2 ГОм. Омметр питается от аккумуляторной батареи 7Д-0,125 и потребляет ток не более 3 мА.

На первых четырех диапазонах принцип работы прибора следующий. Относительно стабильный ток, заданный одним из резисторов R17-R20, протекает через соответствующий образцовый резистор (R9 - R12) и контролируемое сопротивление Rx (рис. 25,а). Отношение падений напряжения на контролируемом и образцовом резисторах измеряется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) на микросхеме КР572ПВ5 и индицируется на жидкокристаллическом индикаторе.

На четырех других диапазонах принцип работы мегомметра иной. На измерительный вход АЦП с делителя R1R2 подается относительно стабильное напряжение - около 60 мВ (рис. 25,6). На образцовый вход АЦП напряжение подается с делителя, образованного контролируемым резистором Rx и одним из образцовых

резисторов R21 - R24. При изменении контролируемого сопротивления от максимальной для данного диапазона величины до 0,1 от максимальной падение напряжения на образцовом резисторе изменяется от 30 до 285 мВ. За счет падения напряжения на компенсационных резисторах R 13 - R 16 напряжение, подаваемое на измерительный вход АЦП, уменьшается на величину 0,3...3 мВ, в результате чего отношение напряжений

на измерительном и образцовом входах АЦП оказывается строго пропорциональным измеряемому сопротивлению.

Полярность напряжения, прикладываемого к измерительному входу АЦП в схемах рис. 25,а и б, различная, но это роли не играет.

Схема омметра приведена на рис. 26. Измерительные цепи (см. рис. 25) питаются от разности напряжений батареи питания и

внутреннего стабилизатора -3 В микросхемы АЦП. Нагрузочная способность этого стабилизатора для вытекающего тока невысока, и она увеличена за счет подключения к его выходу резистора R3. Нестабильность этого напряжения не играет никакой роли, поскольку АЦП измеряет отношение напряжений, а не их абсолютную величину. Исходная частота работы АЦП выбрана равной 50 кГц.

Управление запятыми и индикация разряда батареи в приборе выполнены аналогично предыдущим конструкциям.

Омметр имеет отдельные входы для подключения низкоомных (до 200 кОм) и высокоомных (более 200 кОм) резисторов. Включение прибора кнопкой SB1 рекомендуется производить при подключенном к омметру измеряемом резисторе, при другом порядке измерения резко увеличивается время установления показаний.

В приборе в качестве Rl, R2, R9 - R 12, R21 - R24 следует использовать точные резисторы с допуском 0,1...0,2%, например С2-29В. Резистор Rl составлен из точного 10 кОм и подключенного параллельно ему резистора типа МЛТ-0,125 сопротивлением 820 кОм ±10%. Резисторы R9 - R 12 полезно уменьшить на 0,1...0,2% относительно "круглых" величин, указанных на схеме, для этого параллельно R9 и R 10 подключить резисторы 75 и 750 кОм соответственно, а резисторы R11 и R12 составить каждый из двух одинаковых с номиналами 4,99 и 49,9 кОм соответственно. Необходимая поправка на диапазонах 2 МОм - 2 ГОм учтена при выборе номинала резистора Rl. К точности остальных резисторов высоких требований не предъявляется, они могут быть использованы с допуском 10%.

Конденсаторы С6 и С9 должны быть с высококачественным диэлектриком (лучше пленочные групп К72 или К73). Автором использованы конденсаторы К73-16 и К73-17. Конденсаторы С1 и С4 - К53-18 или любого другого типа, остальные конденсаторы КМ-5 и КМ-6.

Печатная плата прибора разработана на основе платы описанного выше мультиметра (рис. 11), из которой использован рисунок соединений микросхем DD1, DD2, индикатора HG1 и подключения резисторов и конденсаторов, необходимых для функционирования микросхемы DD2. Переключатель SA1 типа ПГ2-7-12ПЗН установлен на плату на кронштейне, изготовленном из латуни толщиной 1 мм, со стороны, противоположной стороне установки микросхем. Резисторы Rl - R3, RIO - R24 установлены частично на плате, частично на выводах переключателя.

Арматуру переключателя, а также его неиспользуемые контакты следует соединить с общим проводом (цепь -3 В). При монтаже цепей переключателя в качестве SA1.1 лучше использовать максимально

удаленную от ручки секцию, в качестве SA1.2 - среднюю, в качестве SA1.3 - ближнюю к ручке.

При использовании рекомендованных типов резисторов настройка прибора заключается в подборе резистора R27 для Остановки частоты генератора, равной 50 кГц, и подборе резисторов R4, R8 для включения запятой Н4 при снижении напряжения питания до 7,5...7,8 В.

Недостатком прибора является большое время установления показаний на диапазоне 2 ГОм, достигающее 20 с. Уменьшить время установления можно, если цепь зарядки конденсатора образцового

напряжения микросхемы АЦП дополнить операционным усилителем 140УД24 [5] с транзисторами МОП на входе, самостабилизированным прерыванием, как показано на рис. 27.

Как расширить пределы измерений в сторону малых сопротивлений? Казалось бы очень просто - добавить два положения переключателя пределов измерения SA1 и установить в 10 и 100 раз меньшие по сопротивлению эталонные и токозадающие резисторы, нежели на диапазоне 200 Ом. Однако сопротивление соединительных проводов, нестабильное сопротивление контактов переключателей и зажимов, при помощи которых будет подключаться измеряемый резистивный элемент, не позволят реализовать необходимую точность.

На помощь приходит четырехзажимный метод измерения сопротивлений (рис. 28). Через измеряемое сопротивление при помощи одной пары зажимов

пропускается относительно стабильный ток, задаваемый источником питания и одним из резисторов R31, R32. Падение напряжения на контролируемом сопротивлении снимается при помощи второй пары зажимов и подается на измерительный вход АЦП. При такой схеме измерений падение напряжения на контактах переключателей, зажимах и проводах не влияет на результат. Поскольку АЦП измеряет отношение напряжений на контролируемом сопротивлении и образцовом (одно из R29, R30), не оказывает влияния и точность задания тока в цепи.

Схема коммутации цепей омметра приведена на рис. 29, нумерация вновь введенных элементов продолжает имеющуюся на рис. 26. Измерительные цепи этого варианта омметра также питаются от разности напряжений батареи питания и внутреннего стабилизатора -3 В микросхемы КР572ПВ5. Нагрузочная способность этого стабилизатора для вытекающего тока увеличена за счет подключения к его выходу эмиттерного повторителя на транзисторе VT1.

Дополнительная секция SA1.4 исключает суммирование сопротивления контактов переключателя с сопротивлением эталонных резисторов R29, R30.

Резисторы R2 и R33 шунтируют зажимы 1 и 4, 3 и 5 соответственно. Это никак не отражается на точности, поскольку их сопротивление намного больше, чем контактов и проводов, но существенно упрощает коммутацию. Кроме того, наличие этих резисторов позволяет проводить измерения на диапазонах 2, 20, 200 кОм используя только два зажима, подключенные к гнездам 4 и 5 разъема XS1.

Соединение контакта 2 розетки XS2, расположенного между контактами 1, 4 и 3, 5 и "экранирующего"их по постоянному току, со входом + Uобр АЦП уменьшает влияние токов утечки разъема на точность измерения на высокоомных пределах.

Как указывалось выше, эталонные резисторы диапазонов <200 кОм полезно уменьшить на 0,1...0,2% относительно круглых величин, указанных на схеме. Для этого параллельно резисторам R29 и R30 (их допуск должен быть не хуже 0,1...0,2%) следует подключить резисторы 750 Ом и 7,5 кОм соответственно.

Переключатель SA1 - типа ПГ2-8-12П4Н. Транзистор VT1 -любой структуры n-р-n с мощностью рассеяния не менее 350 мВт и коэффициентом передачи тока базы h21э не менее 100 при токе коллектора 100 мА.

В связи с большим потреблением тока (до 100 мА) целесообразно в качестве источника питания омметра использовать сетевой стабилизированный напряжением 9...10 В. Можно воспользоваться адаптером 12 В 300 мА, дополнив его стабилизатором на микросхеме КР142ЕН8А(Г) и двух керамических конденсаторах емкостью 1 мкф, расположенных рядом с ней.

Рекомендации по выбору элементов, рисунку печатной платы, конструктивному оформлению, налаживанию - те же, что и для описанного ранее варианта прибора. В качестве XS1 и XS2 можно использовать стандартные звукотехнические разъемы ОНЦ-ВГ, имеющие соответствующее число гнезд. К четырем контактам ответной вилки следует подпаять разноцветные провода с зажимами "крокодил" на концах.

При измерении на диапазонах до 2, 20, 200Ом вилку включают в розетку XS1, контролируемый резистор подключают четырьмя зажимами. На пределах 2, 20 и 200кОм используют два зажима, подключенные к контактам 2 и 3. На диапазонах 2 МОм - 2ГОм вилку переключают в розетку XS2 и используют зажимы, подключенные к контактам 1 и 4. Источник питания лучше включать после подсоединения контролируемого резистора - это уменьшит время установления показаний.

Повысить удобство пользования прибором можно, изготовив зажимы с изолированными губками. Для этого у одной из губок "крокодила" спилить зубья и на их место напаять пластинку из двустороннего фольгированного стеклотекстолита. Роль одного из зажимов будет выполнять губка, оставшаяся с зубьями, роль второго - поверхность пластинки. Оставшиеся зубья следует подровнять так, чтобы при измерениях они не касались вставки. Такими зажимами можно пользоваться на всех пределах измерений.

При использовании сетевого источника питания необходимо (а при батарейном питании - очень желательно), защитить входы микросхемы DD2 (выводы 30, 31, 35, 36) как указано в конце первого раздела этой главы.

ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРОВ

Описываемый прибор позволяет измерять коэффициент передачи тока базы П21э в трех диапазонах с верхними пределами 200, 2000, 20000 при токе коллектора, устанавливаемом дискретно величиной 0,1; 0,3; 1 и т. д. до 300 мА. Кроме того, возможно измерение обратного тока коллектора также на трех диапазонах с верхними пределами 20, 2 и 0,2 мкА, разрешающая способность на низшем -0,1 нА. Определение П21э производится при напряжении коллектор-база около 1,5 В, обратного тока коллекторного перехода - при 5 В.

Принцип измерения П21э проиллюстрирован на рис. 30. Проверяемый транзистор VТx включен по схеме с общей базой. Его эмиттерный ток определяется относительно большим сопротивле

нием токозадающего резистора, установленного в цепь эмиттера (один из резисторов R 15 - R23) и напряжением источника питания. В цепь эмиттера включен также токоизмерительный резистор (R 11-R14). В цепи базы в диагонали диодного моста VD1 установлен резистор, падение напряжения на котором пропорционально току базы (R1 - R6).

Отношение напряжения на резисторе в цепи эмиттера к напряжению на резисторе в цепи базы пропорционально коэффициенту передачи тока в схеме с общим коллектором, он на единицу больше аналогичного коэффициента в схеме с общим эмиттером. Это отношение измеряется АЦП на микросхеме КР572ПВ5. Токоизмерительные резисторы подобраны такого сопротивления, что падение на эмиттерном резисторе составляет около 50 или 150 мВ, на базовом - 25...1500 мВ в зависимости от коэффициента передачи тока базы h21э и диапазона. Диодный мост необходим для того, чтобы можно

было проверять транзисторы различной структуры без переключения входов Uобр АЦП. Кроме того, падение напряжения на диодах моста обеспечивает напряжение коллектор-база на указанном уровне 1,5 В. Напряжение на входе Uвх АЦП может менять знак, поэтому в эмиттерной цепи диодный мост не требуется.

При измерении обратного тока коллекторного перехода Iко между коллектором и эмиттером проверяемого транзистора VTx прикладывается напряжение 5 В с делителя R7R15 (рис. 31). Падение напряжения на токоизмерительных резисторах R11 - R 14 пропорционально измеряемому току. На вход Uобр АЦП в этом режиме подается напряжение 100 мВ. Роль делителя состоит не только в снижении напряжения, подаваемого на транзистор, до 5 В и ограничении тока в случае установки неисправного транзистора, но и в приведении синфазного напряжения на входах Uвx АЦП к половине напряжения питания. Естественно, что в этом режиме можно проверять и обратные токи диодов.

Полная схема измерителя приведена на рис. 32 и 33. Переключатель SA1 служит для выбора тока эмиттера проверяемого транзистора и включения режима измерения обратного тока коллек

тора Iко, переключатель SA2 определяет диапазоны измерений h21э и Iко, положение SA3 определяется структурой транзистора. Конденсаторы С1 и С2 необходимы для устранения генерации, иногда возникающей при проверке высокочастотных транзисторов, С3 устраняет сетевые наводки при измерении обратного тока коллекторного перехода. Включение микросхемы КР572ПВ5 и индикатора ИЖЦ5-4/8 достаточно стандартное, отличие лишь в том, что входы Uвх и Uобр не связаны с общим проводом аналоговых цепей (вывод 32 микросхемы). Частота тактового генератора - 40 кГц.

Почти все элементы измерителя (в том числе и переключатели SA1 - SA3) смонтированы на печатной плате размерами 65 х 130 мм (рис. 34,а, сторона установки микросхем, рис. 34,6, сторона установки переключателей и конденсаторов С6 - С8). Резисторы, показанные на рис. 32, в основном распаяны на выводах переключателей SA1 и SA2.

Резисторы R1 - R6, R8 - R 14 следует подобрать с точностью не хуже 1%. В описываемой конструкции в основном использовались резисторы типа С2-29В мощностью 0,125 Вт. Резисторы R7, R15 -R23 использованы типа МЛТ с допуском 5%, Подстроечный резистор R50 - СПЗ-19а.

Токоизмерительные резисторы Rl-R6nRll-R14He обязательно должны быть точно тех сопротивлений, которые указаны на схеме рис. 32. Например, они могут быть кратны 47 или 56, но обязательно все.

Конденсаторы С6 - С8 использованы типа К73-17 на рабочее напряжение 160 В. Возможно применение и других конденсаторов, обозначение которых начинается с К71 или К73, например К73-9, К73-11, К73-16. Полярные конденсаторы типа К53-4 (С4, С 12), остальные КМ-5 или КМ-6.

Переключатель SA1 типа ПГ7-35-16П5Н, SA2- ПГ2-11-6П6Н, SA3 - ПГ2-13-4ПЗН. На принципиальной схеме дана нумерация контактов, приведенная на переключателях.

Микросхему К561ЛП2 можно заменить на КР1561ЛП14, а при изменении рисунка печатной платы - на 564ЛП2.

Все элементы измерителя, включая блок питания на основе трансформатора ТПП220-127/220-50, все шесть вторичных обмоток которого соединены последовательно, установлены в пластмассовую коробку размерами 70 х 95 х 150 мм.

Настройку прибора следует начать с установки частоты тактового генератора АЦП, равной 40 кГц, подбором резистора R57. Для этого осциллографом, синхронизированным от сети, контролируют часто-

ту импульсов на выходе F микросхемыDD2 (вывод 21). Изображение импульсов на экране должно быть практически неподвижным, при этом их частота составляет 50 Гц.

Необходимо также откалибровать измеритель тока. Проще всего установить на движке подстроечного резистора R51 относительно общего провода напряжение 100 мВ, контролируя его точным вольтметром с входным сопротивлением не менее 1 МОм.

Для примера на рис. 35 приведены снятые этим прибором зависимости коэффициента передачи тока базы h21э от тока коллектора случайно взятых образцов различных транзисторов, в том числе и для двух типов транзисторов со статической индукцией (КП948А и КП959А). Два составных транзистора различной структуры КТ972А и КТ973А оказались практически неотличимыми по своим зависимостям h21э от тока коллектора.

Измеренные обратные токи коллектора для кремниевых маломощных транзисторов составляли 0,1...0,3 нА, для мощных - 1...10 нА. Для транзисторов серий КТ315 и КТ361 обнаружен заметный

фотоэффект, приводящий к увеличению обратного тока до 10 нА при освещении транзистора рассеянным светом настольной лампы.

При использовании прибора следует помнить, что показания h21э менее 5% от предельного значения недостоверны, поскольку напряжение на выходе интегратора АЦП при этом выходит за пределы линейного участка. При обрыве коллекторного перехода транзистора ток базы равен току эмиттера, и на пределах 100 и 300 мА могут выйти из строя токоизмерительные резисторы. Избежать этого можно увеличением их мощности рассеяния до 0,5 и 1 Вт соответственно. Можно также принять за правило проверку мощных транзисторов начинать при токе коллектора не более 50 мА, переходя при их исправности к большим значениям тока.

Входы Uобор микросхемы КР572ПВ5 (выводы 35, 36) следует защитить, как указано в конце первого раздела этой главы.

ПРОСТОЙ ЦИФРОВОЙ ТЕРМОМЕТР

Термометр может измерять температуру от -60 до + 100°С, погрешность не превышает 0,2°С в диапазоне 0...40°С и в два раза больше за его пределами. Рабочая температура корпуса прибора 15...25°С. Термометр питается от встроенной батареи 7Д-0,125Д и потребляет ток не более 2 мА.

Основой предлагаемого устройства служит аналого-цифровой преобразователь на микросхеме DD2 с жидкокристаллическим индикатором HG1 (рис. 36). В качестве параметрического датчика использован кремниевый диод VD1, для которого температурный коэффициент напряжения (ТКН) примерно равен -2 мВ/°С. Падение напряжения на прямосмещенном диоде при токе 0,1...1 мА имеет величину в пределах 550...650 мВ и линейно уменьшается с ростом температуры.

Для питания датчика использован имеющийся в микросхеме DD2 источник опорного напряжения.

Делитель из резисторов R4, R7, R10 - R13 снижает напряжение до 600 мВ, что по величине соответствует напряжению на диоде VD1 при температуре 0°С; подстроечный резистор R10 обеспечивает его небольшую регулировку. Делитель формирует также напряжение 200 мВ, соответствующее разности напряжений, снимаемых с диода VD1 и движка резистора R11 при показании термометра 100°С. Это напряжение подается на входы Uобр микросхемы DD2, оно может быть тоже подстроено резистором R 12.

Элементы R5, R6, С2 определяют частоту задающего генератора (50 кГц), цепочка R8C3 сглаживает наводки и шумы и способствует

защите от статического электричества. Конденсатор С6 служит для хранения образцового напряжения, резистор R 14 и конденсатор С9 являются элементами интегратора микросхемы, С10 входит в цепь автокоррекции нуля.

Конденсаторы С1, С5, С7, С8 - блокировочные в цепях питания. Конденсатор С4 устраняет наводки переменного напряжения с частотой сети, которые при его отсутствии детектируются на нелинейности диода VD1 и существенно искажают показания.

Микросхема DD1 используется для постоянного включения запятой Н3 и контроля разрядки батареи. Особо следует отметить назначение резистора R9. Дело в том, что нестабильность источника опорного напряжения микросхемы DD2 составляет примерно 0,01 %/°С и 0,1 % при снижении напряжения свежезаряженной батареи 7Д-0.125Д с 9,8 В до 8 В (неполная разрядка). Для использования в цифровом мультиметре такая нестабильность допустима. В описываемом термометре это изменение опорного напряжения приводит к

ошибке в 0,6 мВ или в 0,38°С, что заметно. Частично можно скомпенсировать эту погрешность подбором резистора R9, уменьшив ошибку до 0,1°С.

Все элементы конструкции, кроме батареи, выключателя и датчика, установлены с обеих сторон двусторонней печатной платы из фольгированного стеклотекстолита. На рис. 37,а приведено расположение деталей и проводников на стороне размещения микросхем, а на рис. 37,6 - с противоположной стороны. Конструктивные особенности платы - те же, что и платы мультиметра.

В качестве датчика температуры практически пригоден любой кремниевый маломощный диод, предпочтение следует отдать приборам с наименьшими габаритами. Конденсаторы С6 и С9 - К73-17 с допуском ±10% на рабочее напряжение 160 В, возможно применение и других пленочных конденсаторов. Полярный конденсатор С4 - К53-4, остальные - КМ-5 или КМ-6. Резисторы R7, Rll, R13, входящие в делители, желательно использовать стабильные, например С2-29В, резисторы RIO, R12 - СПЗ-19а.

Плата установлена в пластмассовый корпус промышленного изготовления с габаритами 30 х 72 х 132 мм.

Оформление датчика температуры зависит от предполагаемых областей использования

термометра. Возможен, например, вариант, показанный на рис. 38. Для его изготовления берут стеклянную трубку 1 диаметром 4...6 мм, конец ее, нагретый на огне газовой горелки или спиртовки, оттягивают для уменьшения диаметра примерно до 3...3.5 мм. Затем тонкую часть трубки следует разломить и запаять на том же пламени.

Один из выводов диода 6, используемого как датчик, следует подогнуть к его корпусу, к обоим выводам подпаять два провода 2 марки МГТФ-0,07 длиной по 0,5 м, одеть на каждый из них по два отрезка (4 и 5) поливинилхлоридной или фторопластовой трубки. Диод с проводами вставить в стеклянную трубку и закрепить провода в ее открытом конце каплей эпоксидного клея 3. Для улучшения теплового контакта трубки и диода перед сборкой

датчика в утонченную часть трубки с помощью тонкой трубки ввести небольшое количество жидкого масла, например моторного.

Возможен и такой вариант. К выводам диода подпаивают провода, затем на них одевают поливинилхлоридную или фторопластовую трубку длиной около 300 мм так, чтобы диод был расположен с небольшим смещением относительно ее середины, после чего трубку складывают пополам и концы туго обматывают ниткой, предварительно заполнив их клеем. Если предполагается использовать термометр для измерения температуры воздуха в помещении, никакого специального оформления датчика не требуется - вполне достаточно установить его в корпусе прибора, в котором сделать вентиляционные отверстия.

Налаживание термометра несложно. Вначале подбирают резистор R5 для обеспечения частоты задающего генератора микросхемы DD2 равной 50 кГц. Контроль производят на выводе 21 микросхемы - на нем частота должна составлять 62,5 Гц.

Поместив датчик в таящий лед или снег, подстроечным резистором R10 следует установить нулевые показания на индикаторе, при необходимости подобрать резистор R4. Затем опустив датчик в воду с температурой 35...40°С, контролируемой точным термометром, резистором R12 установить соответствующие показания на индикаторе. Использование кипящей воды для калибровки нежелательно, так как температура кипения зависит от атмосферного давления.

Подключив термометр к источнику регулируемого напряжения, подобрать резистор R9 так, чтобы при изменении напряжения в пределах от 8 до 9,8 В показания отличались не более чем на 0,1°С. После этого надо уточнить настройку в соответствии с предыдущим абзацем при напряжении питания 8,8 В.

Существенно повысить точность цифрового термометра и стабильность его показаний при изменении напряжения питания и температуры корпуса прибора можно, использовав интегральный датчик температуры К1019ЕМ1 [б]. Датчик представляет из себя двухполюсник с малым дифференциальным сопротивлением, падение напряжения на котором при токе 1 мА и температуре 0°С составляет 2932 мВ и изменяется пропорционально абсолютной температуре корпуса датчика.

Абсолютный ТКН такого датчика, в отличие от диода, положителен и составляет 10 мВ/°С. Сама по себе установка датчика К1019ЕМ1 вместо диода не решает проблем с погрешностями, связанными с зависимостью опорного напряжения от температуры и напряжения питания, поскольку относительные ТКН датчика и диода практически равны и отличаются только знаком (+ 0,3%/°С и -0,3%/°С соответственно).

Решением проблемы, связанной с нестабильностью опорного напряжения, может быть одновременное использование двух рядом расположенных датчиков - микросхемы К1019ЕМ1 и кремниевого диода. На рис. 39 приведена возможная схема их совместного включения.

Датчик температуры DA1 питается током 1 мА от генератора тока на транзисторе VT1 и светодиоде HL1, а диод VD1 -током 100 мкА от аналогичного генератора на том же светодиоде и транзисторе VT2. Делителем R 19 - R21 напряжение с датчика DA1 уменьшено примерно в пять раз и приведено к напряжению на диоде VD1 при температуре 0°С. Разность этих величин, подаваемая на измерительный вход

АЦП, изменяется с ТКН 4 мВ/°С. Температуре 100°С соответствует напряжение 400 мВ, такой же величины должно быть и напряжение, подаваемое на образцовый вход АЦП DD2, оно снимается с делителя R16 - R18.

Теперь нестабильность опорного напряжения микросхемы DD2 не сказывается на величине сигнала, подаваемого на измерительный вход АЦП, а нестабильность образцового напряжения в 0,1% приводит к ошибке 0,1°С при 100°С, причем не влияя на показания при 0°С. Поскольку образцовое напряжение составляет 400 мВ, сопротивление резистора R 14 интегратора должно быть увеличено до 220 кОм.

Настройка этого термометра заключается в установке подстроечным резистором R20 нулевого показания при температуре 0°С и показаний, соответствующих температуре, близкой к верхней границе используемого диапазона, подстроечным резистором R 17.

Недостатками такого варианта термометра является необходимость подключения датчика, включающего в себя микросхему и диод, трехпроводным кабелем и относительно большие габариты датчика.

ОБ ОБЪЕДИНЕНИИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Отметим вначале, что все приборы, кроме измерителей емкости и RCL, не чувствительны к частоте тактового генератора, eсли она выбирается, конечно, из рекомендованного ряда и производится перерасчет номиналов элементов. Для перехода с частоты 50 на 40 кГц достаточно увеличить сопротивление резистора Rинт на 20%, для частоты 100 кГц - уменьшить емкости Синт, Собр, Сак в два раза.

Поэтому при сохранении номиналов элементов измерителя RCL и частоты его тактового генератора 40 кГц с ним можно объединить любой другой прибор, кроме измерителя емкости. С измерителем емкости можно объединить любую другую конструкцию, кроме измерителя RCL, используя его номиналы (с приведенным выше уточнением для Синт и Сак) и частоту тактового генератора 100 кГц.

При отсутствии микросхемы КР572ПВ5 или жидкокристаллического индикатора описанные автором измерители можно собрать с использованием микросхемы КР572ПВ2 и полупроводниковых индикаторов с общим анодом, как, например, это сделано в [2, З]. Все рекомендации статьи применимы и для приборов на основе этой микросхемы. Отметим, что в мультиметре [2, 3] применено симметричное питание микросхемы АЦП, поэтому использование номинала Сит=0,1 мкФ вполне обосновано.

В приборах на основе КР572ПВ2 для питания светодиодных индикаторов следует применять отдельный источник напряжением 4...5 В на ток около 100 мА. Его минусовый вывод подключается к выводу 21 микросхемы (цифровой общий провод), который можно и - не соединять с общим аналоговым проводом.

Отметим, что при использовании светодиодных индикаторов их суммарный ток, протекающий через микросхему АЦП, зависит от индицируемого числа. Поэтому в процессе измерений изменяется температура кристалла микросхемы, что заметно изменяет напряжение опорного источника и снижает точность показаний. Именно поэтому автор в [2, 3] использовал отдельный источник опорного напряжения.

Вариант подключения вакуумных люминесцентных индикаторов к микросхеме КР572ПВ2А [7] приведен на рис. 40 (нумерация элементов условная). Преобразователь напряжения для питания нитей накала индикаторов возбуждается импульсами тактового генератора микросхемы DD1 (снимаются с ее вывода 38). Для увеличения яркости свечения индикаторов HG1-HG4 (при напряжении 9 В она может оказаться недостаточной, особенно при ярком внешнем освещении) в преобразователь введена цепь вольтодобавки (VD2, С6, обмотка I трансформатора Т1). Эта цепь повышает напряжение между катодами и анодами индикаторов, что заметно

увеличивает яркость их свечения. Потребляемый ток при этом возрастает незначительно.

Магнитопровод трансформатора Т1 - ферритовое (2000НН) кольцо типоразмера К10х6х4,5. Обмотки I, II и IV наматывают одновременно в три провода (150 витков ПЭЛШО 0,07), после чего конец одной из обмоток соединяют с началом любой другой (это будут обмотки II и IV), оставшуюся используют в качестве обмотки I. Обмотку III (16 витков) наматывают поверх остальных проводом ПЭВ-2 0,25.

Конденсаторы С7 и С8 - оксидные К53-1 (можно применить К50-6, К50-16 и т. п.), резисторы - МЛТ-0,125. Входы неиспользуемых элементов микросхемы DD2 необходимо соединить с положительным или отрицательным выводом стабилитрона VD3.