Възможността за преждевременна повреда на скъпа батерия принуждава шофьора да следи внимателно работата на релето на регулатора на напрежението и състоянието на бордовата електрическа мрежа на автомобила. Напрежението в него не трябва да се различава с повече от ± 3% от оптималната стойност, която се определя за дадените условия на работа на батерията и зависи от климатичната зона, местоположението на батерията и нейното техническо състояние и режима на експлоатация на автомобила. Колкото по-точно се поддържа оптималното напрежение при презареждане на батерията, толкова по-дълго ще издържи.
Правилната работа на автомобилния генератор е от голямо значение. При увеличаване на напрежението на генератора над оптималното с 10-12% (около 0,15 V), експлоатационният живот на батерията и електрическите лампи се намалява 2-2,5 пъти.
За да извършите точно всички необходими настройки, имате нужда от специален волтметър, който измерва напрежението в диапазона от 13-15 V с точност до 0,1 V. Трудно е да се купи такова устройство, но мнозина ще могат да направят подобен със скала, опъната в диапазона 10-15 V. Повишена точност на измерване, линейна скала в целия диапазон на измерване, липса на собствен източник на захранване, повишена надеждност (поради предоставените в устройството защитни елементи, които не влияят на точността на измерване), възможност за регулиране на зоната на "разтягане" от скалата са отличителните черти на това устройство. Изработен е на базата на операционен усилвател и е измервател на разликата в напрежението.
Спецификации на волтметъра
- Диапазон на измерените напрежения, V. . . 10 до 15
Достижима грешка при измерване при температура 20±5°C, не по-лоша, % ...0,5
Дискретност, В. . . 0,05
Входно съпротивление, не по-малко от kOhm. . . 0,75
Работен температурен диапазон, °C. . . -10 до +35
Размери (с микроамперметър M906), mm. . . 65х105х120
Волтметърът се захранва директно от измервателния обект. Първоначалното отместване, спрямо което се извършва измерването, се задава от съпротивлението на веригата от резистори R3, R4 (вижте електрическата схема на фиг. 1) и стойността на обратната връзка (която определя коефициента на усилване на OUDA1 и, съответно, степента на "разтягане" на диапазона) се задава от съпротивлението на веригата от резистори R5, R6.
Източникът на референтно напрежение на ценеровия диод VD3 също осигурява изместване на потенциала на неинвертиращия вход DA с количество, равно на приблизително половината от измерения спад на напрежението, което е необходимо за работата на операционния усилвател с еднополярно захранване.
Съпротивлението на резистора R7 зависи от чувствителността на микроамперметъра PA и стойността на максималното изходно напрежение на операционния усилвател спрямо катода на ценеровия диод VD3.
Диодите VD1, VD2 защитават операционния усилвател, а VD4, VD5 защитават микроамперметъра от свръхток. VD1 забранява преминаването на отрицателен ток през резистора R1 и операционния усилвател. Възможно е да премине ток през ценеров диод VD3, предубеден в посока напред, диод VD2 и резистори R2-R4. Така между DA входовете (пинове 3.2) ще се установи потенциална разлика от не повече от 0,7 V. Подобен спад на напрежението ще бъде на пин 3 спрямо пин 4 на операционния усилвател.
Това гарантира надеждна защита на операционния усилвател от грешки при свързване на полярността.
Волтметърът използва постоянни резистори от типа MLT, желателно е да се използват многооборотни типове SP5-2, SP5-3, SP5-14 като настроени резистори. Допустимо е да се използват други видове операционни усилватели, например K140UD7 или K140UD1A, K553UD1 със съответните коригиращи вериги. Диоди - всеки силиций с ниска мощност. Ценеровият диод KS147A може да бъде заменен с KS156A, но вероятно тогава температурната стабилност на волтметъра ще се влоши и ще е необходимо да се изяснят стойностите на резисторите R1-R3. Микроамперметър - М906 или М24 с общ ток на отклонение 50 μA и скала, съответстваща на избраната зона на измерване. Възможно е също да се използват други указателни устройства с общ ток на отклонение до 1 mA, но в този случай е необходимо да се избере стойността на резистора R5 въз основа на избраната стойност на спада на напрежението върху него (около 1,5 V). Можете също да използвате авометъра в режим микроамперметър. Тогава това устройство ще бъде направено под формата на префикс към тестера.
При липса на дефектни елементи и грешки при монтажа настройката на волтметъра се свежда до неговото калибриране. Тази операция се извършва с помощта на регулируемо захранване с изходно напрежение 9-16 V и примерен волтметър, за предпочитане цифров, например B7-16, FZO, VR-11.
Тримерните резистори са настроени на средно положение и към входа на волтметъра се подава напрежение от 12-13 V, като се контролира с помощта на стандартен инструмент. Стрелката на настроения волтметър трябва да се отклонява от нула. След това на изхода на източника на захранване се задава напрежение от 10 V (± 0,05 V) и стрелката на волтметъра се настройва на нулево деление на скалата с резистор R4. След това, чрез увеличаване на измереното напрежение до 15 ± 0,05 V, стрелката се настройва на крайното деление на скалата с резистор R6. Повтаряйки тези операции за 10 V и 15 V, те постигат най-точната настройка на волтметъра в работния диапазон 13-14,5 V.
По време на установяването на реле-регулатора, напрежението се измерва директно на клемите на акумулатора.
Фигура 2 показва печатна платка с разположение на елементите. Платката се монтира върху контактните болтове на микроамперметъра M906 и се поставя с него в кутията.
Ориз. 2
В. Баканов, Е. Качанов, Чернивци, Моделист № 12, 1990 г., стр. 27
Списък на радио елементи
| Обозначаване | Тип | Деноминация | Количество | Забележка | Магазин | Моят бележник |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DA | OU | K140UD6 | 1 | K140UD7, K140UD1A, K553UD1 | Към бележника | |
| VD1, VD2, VD4, VD5 | Диод | KD521V | 4 | Към бележника | ||
| VD3 | ценеров диод | KS147A | 1 | Към бележника | ||
| C1 | електролитен кондензатор | 4,7uF 20V | 1 | Към бележника | ||
| C2 | Кондензатор | 0,1uF | 1 | Към бележника | ||
| R1 | Резистор | 510 ома | 1 | Към бележника | ||
| R2 | Резистор | 15 kOhm | 1 | Към бележника | ||
| R3 | Резистор | 8,2 kOhm | 1 | MLT, селекция | Към бележника | |
| R4 | Тример резистор | 4,7 kOhm | 1 |
Нещо често започна да ми задава въпроси за аналоговата електроника. Сесията на студентите взе ли топките? ;) Добре, време е да раздвижим малко образователната програма. По-специално, върху работата на операционните усилватели. Какво представлява, с какво се яде и как се изчислява.
Какво е това
Операционният усилвател е усилвател с два входа, неви... хм... голямо усилване на сигнала и един изход. Тези. имаме U out \u003d K * U in, а K в идеалния случай е равно на безкрайност. На практика, разбира се, има по-скромни числа. Да кажем 1000 000. Но дори и такива числа взривяват мозъка, когато се опитате да ги приложите директно. Следователно, както в детската градина, една елха, две, три, много елхи - тук имаме много подкрепление;) И това е.
И има два входа. И единият от тях е директен, а другият е обратен.
Освен това входовете са с висок импеданс. Тези. техният входен импеданс е безкрайност в идеалния случай и МНОГО висок в реалния. Сметката там достига до стотици мегаоми и дори до гигаоми. Тези. мери напрежението на входа, но се влияе минимално. И можем да предположим, че токът в операционния усилвател не тече.
Изходното напрежение в този случай се изчислява като:
U out \u003d (U 2 -U 1) * K
Очевидно, ако напрежението на директния вход е по-голямо от това на обратния, тогава изходът е плюс безкрайност. В противен случай ще бъде минус безкрайност.
Разбира се, в реална схема няма да има плюс и минус безкрайност и те ще бъдат заменени от най-високото и най-ниското захранващо напрежение на усилвателя. И ще получим:
компаратор
Устройство, което ви позволява да сравните два аналогови сигнала и да направите присъда - кой от сигналите е по-голям. Вече интересно. Можете да измислите много приложения за него. Между другото, същият компаратор е вграден в повечето микроконтролери и аз показах как да го използвам с помощта на AVR като пример в статии за създаване на . Също така, компараторът се използва чудесно за създаване на .
Но въпросът не се ограничава до един компаратор, защото ако въведете обратна връзка, тогава много може да се направи от операционния усилвател.
Обратна връзка
Ако вземем сигнала от изхода и го изпратим директно на входа, тогава ще се получи обратна връзка.
положителна обратна връзка
Нека вземем и подадем сигнала директно от изхода към директния вход.
- Напрежението U1 е по-голямо от нула - изходът е -15 волта
- Напрежението U1 е по-малко от нула - на изхода +15 волта
Какво се случва, ако напрежението е нула? На теория изходът трябва да е нула. Но в действителност напрежението НИКОГА няма да бъде нула. В края на краищата, дори ако зарядът на десния превишава заряда на левия с един електрон, това вече е достатъчно, за да прехвърли потенциала към изхода при безкрайно усилване. И на изхода ще започне оформен ад - сигналът скача тук и там със скоростта на случайни смущения, предизвикани на входовете на компаратора.
Хистерезисът е въведен за решаване на този проблем. Тези. вид празнина между преминаването от едно състояние в друго. За да направите това, въведете положителна обратна връзка, като тази:
 |
Смятаме, че на обратния вход в този момент +10 волта. На изхода от операционния усилвател минус 15 волта. На директния вход вече не е нула, а малка част от изходното напрежение от делителя. Приблизително -1,4 волта Сега, докато напрежението на инвертирания вход падне под -1,4 волта, изходът на операционния усилвател няма да промени напрежението си. И веднага щом напрежението падне под -1,4, тогава изходът на операционния усилвател ще скочи рязко до +15 и вече ще има +1,4 волта отклонение на директния вход.
И за да се промени напрежението на изхода на компаратора, сигналът U1 ще трябва да се увеличи с цели 2,8 волта, за да стигне до горната лента от +1,4.
Има един вид празнина, където няма чувствителност, между 1,4 и -1,4 волта. Ширината на междината се контролира от съотношенията на резисторите в R1 и R2. Праговото напрежение се изчислява като Uout/(R1+R2) * R1 Да кажем, че 1 до 100 ще даде +/-0,14 волта.
Но все пак операционният усилвател се използва по-често в режим на отрицателна обратна връзка.
негативно мнение
Добре, нека го кажем по друг начин:
 |
В случай на отрицателна обратна връзка операционният усилвател има интересно свойство. Той винаги ще се опитва да регулира изходното си напрежение, така че напреженията на входовете да са равни, което води до нулева разлика.
Докато не прочетох това в страхотната книга на другарите Хоровиц и Хил, не можах да навляза в работата на OU. Но всичко се оказа просто.
Ретранслатор
И имаме ретранслатор. Тези. на входа U 1 , на обратния вход U изх = U 1 . Е, оказва се, че U излиза \u003d U 1.
Въпросът е за какво ни е такова щастие? Беше възможно да хвърлите проводника директно и нямаше да е необходим операционен усилвател!
Възможно е, но не винаги. Представете си такава ситуация, има сензор, направен под формата на резистивен разделител:
 |
По-ниското съпротивление променя стойността си, променя се оформлението на изходното напрежение от делителя. И трябва да вземем показания от него с волтметър. Но волтметърът има собствено вътрешно съпротивление, макар и голямо, но ще промени показанията от сензора. Освен това, ако не искаме волтметър, а искаме крушка, която да променя яркостта? Тук крушка няма как да вържеш! Следователно изходът се буферира от операционен усилвател. Входното му съпротивление е огромно и ще има минимален ефект, а изходът може да осигури доста осезаем ток (десетки милиампери или дори стотици), което е напълно достатъчно, за да работи електрическата крушка.
Като цяло могат да се намерят приложения за повторителя. Особено в прецизните аналогови схеми. Или където схемата на един етап може да повлияе на работата на друг, да ги раздели.
Усилвател
А сега нека направим финт с ушите си - нека вземем нашата обратна връзка и я поставим на земята през делител на напрежение:
 |
Сега половината от изходното напрежение се прилага към инвертирания вход. И усилвателят все пак трябва да изравни напреженията на входовете си. Какво ще трябва да направи? Точно така - вдигнете напрежението на изхода си два пъти повече от преди, за да компенсирате появилия се делител.
Сега ще има U 1 на правата линия. На обратната U out /2 \u003d U 1 или U out = 2 * U 1.
Да сложим делител с различно съотношение - ситуацията ще се промени по същия начин. За да не обръщате формулата на делителя на напрежението в ума си, веднага ще я дам:
U out \u003d U 1 * (1 + R 1 / R 2)
Мнемонично се помни това, което е разделено на това, което е много просто:
Оказва се, че входният сигнал преминава през веригата от резистори R 2, R 1 в U изход. В този случай директният вход на усилвателя е настроен на нула. Спомняме си навиците на операционния усилвател - той ще се опита с кука или невярно да се увери, че на обратния му вход се формира напрежение, равно на директния вход. Тези. нула. Единственият начин да направите това е да намалите изходното напрежение под нулата, така че нула да се появи в точка 1.
Така. Представете си, че U out =0. Докато е равно на нула. И входното напрежение, например, е 10 волта спрямо U out. Делителят на R 1 и R 2 ще го раздели наполовина. Така в точка 1 има пет волта.
Пет волта не са равни на нула и операционният усилвател намалява мощността си, докато стане нула в точка 1. За да направите това, изходът трябва да бъде (-10) волта. В този случай разликата ще бъде 20 волта спрямо входа, а делителят ще ни даде точно 0 в точка 1. Получихме инвертор.
Но можете да изберете и други резистори, така че нашият делител да дава други коефициенти!
Като цяло, формулата за печалба за такъв усилвател ще бъде както следва:
U out \u003d - U in * R 1 / R 2
Е, мнемонична картина за бързо запаметяване на xy от xy.
Да кажем, че U 2 и U 1 ще бъдат по 10 волта. Тогава във 2-ра точка ще има 5 волта. И изхода ще трябва да стане такъв, че в 1-ва точка също да стане 5 волта. Тоест нула. Оказва се, че 10 волта минус 10 волта е равно на нула. Всичко е точно :)
Ако U 1 стане 20 волта, тогава изходът ще трябва да падне до -10 волта.
Сметнете сами - разликата между U 1 и U out ще бъде 30 волта. Токът през резистора R4 ще бъде (U 1 -U out) / (R 3 + R 4) = 30/20000 = 0,0015A, а спадът на напрежението през резистора R 4 ще бъде R 4 * I 4 = 10000 * 0,0015 = 15 волта. Извадете спада от 15 волта от входа 20 и вземете 5 волта.
Така нашият операционен усилвател реши аритметичния проблем от 10, изваден от 20, получавайки -10 волта.
Освен това в проблема има коефициенти, определени от резистори. Просто за простота резисторите са с еднаква стойност и следователно всички коефициенти са равни на единица. Но всъщност, ако вземем произволни резистори, тогава зависимостта на изхода от входа ще бъде както следва:
U изход \u003d U 2 * K 2 - U 1 * K 1
K 2 \u003d ((R 3 + R 4) * R 6) / (R 6 + R 5) * R 4
K 1 \u003d R 3 / R 4
Мнемониката за запаметяване на формулата за изчисляване на коефициента е следната:
Направо към диаграмата. Числителят на дробта е най-отгоре, така че добавяме горните резистори във веригата на текущия поток и умножаваме по долния. Знаменателят е отдолу, така че добавете долните резистори и умножете по горния.
Тук всичко е просто. защото точка 1 постоянно се намалява до 0, тогава можем да приемем, че токовете, протичащи в нея, винаги са равни на U / R, а токовете, влизащи във възел номер 1, се сумират. Съотношението на входния резистор към резистора за обратна връзка определя теглото на входящия ток.
Може да има колкото искате клони, но аз нарисувах само две.
U out \u003d -1 (R 3 * U 1 / R 1 + R 3 * U 2 / R 2)
Входните резистори (R1, R2) определят количеството ток, а оттам и общото тегло на входящия сигнал. Ако направите всички резистори равни, като моя, тогава теглото ще бъде същото и коефициентът на умножение на всеки член ще бъде равен на 1. И U out \u003d -1 (U 1 + U 2)
Суматор неинвертиращ
Всичко е малко по-сложно, но изглежда.
 |
Uout \u003d U 1 * K 1 + U 2 * K 2
K 1 \u003d R 5 / R 1
K 2 \u003d R 5 / R 2
Освен това резисторите за обратна връзка трябва да бъдат такива, че да се спазва уравнението R 3 / R 4 \u003d K 1 + K 2
Като цяло, на операционните усилватели можете да създавате всякакви математически изчисления, да събирате, умножавате, разделяте, броите производни и интеграли. И то почти моментално. Аналоговите компютри се произвеждат в ОУ. Дори видях един такъв на петия етаж в SUSU — глупак с размерите на етаж от стая. Няколко метални шкафа. Програмата се въвежда чрез свързване на различни блокове с проводници :)
Тази статия се фокусира върху два волтметъра, внедрени в микроконтролера PIC16F676. Единият волтметър има диапазон на напрежение от 0,001 до 1,023 волта, другият, с подходящ резистивен делител 1:10, може да измерва напрежение от 0,01 до 10,02 волта. Консумацията на ток на цялото устройство с изходно напрежение на стабилизатора +5 волта е приблизително 13,7 mA. Веригата на волтметъра е показана на фигура 1.
Верига с два волтметъра
Цифров волтметър, работа по веригата
За реализиране на два волтметъра се използват два изхода на микроконтролера, конфигурирани като вход за модула за цифрово преобразуване. Входът RA2 се използва за измерване на ниски напрежения, в областта на волта, а делител на напрежение 1:10 е свързан към входа RA0, състоящ се от резистори R1 и R2, което ви позволява да измервате напрежения до 10 волта. Този микроконтролер използва десетбитов ADC модули за да се приложи измерване на напрежението с точност от 0,001 волта за диапазон от 1 V, беше необходимо да се приложи външно референтно напрежение от ION на микросхемата DA1 K157XP2. Тъй като властта И ТОЙмикросхемата е много малка и за да се изключи влиянието на външни вериги върху този ION, във веригата на микросхемата DA2.1 беше въведен буферен оп-усилвател LM358N. Това е неинвертиращ последовател на напрежение със 100% отрицателна обратна връзка - OOS. Изходът на този операционен усилвател е зареден с товар, състоящ се от резистори R4 и R5. От тримерния резистор R4 се прилага референтно напрежение от 1,024 V към пин 12 на микроконтролера DD1, конфигуриран като вход за референтно напрежение за работа ADC модул. При това напрежение всеки бит от цифровизирания сигнал ще бъде равен на 0,001 V. За да се намали ефектът от шума, при измерване на малки стойности на напрежението беше използван друг последовател на напрежение, внедрен във втория операционен усилвател на чипа DA2. OOS на този усилвател рязко намалява шумовия компонент на измерената стойност на напрежението. Напрежението на импулсния шум на измереното напрежение също намалява.
Използван е двуредов LCD за показване на информация за измерените стойности, въпреки че един ред би бил достатъчен за този дизайн. Но възможността за показване на още малко информация в резерв също не е лошо. Яркостта на подсветката на индикатора се регулира от резистор R6, контрастът на показаните знаци зависи от стойността на резисторите на делителя на напрежението R7 и R8. Устройството се захранва от регулатор на напрежението, монтиран на чипа DA1. Изходното напрежение +5 V се задава от резистор R3. За да се намали общата консумация на ток, захранващото напрежение на самия контролер може да бъде намалено до стойност, при която контролерът на индикатора ще остане работещ. При проверка на тази схема индикаторът работи стабилно при захранващо напрежение на микроконтролера от 3,3 волта.
Настройка на волтметър
Настройването на този волтметър изисква поне цифров мултицет, способен да измерва 1,023 волта, за да зададе еталонното напрежение на еталонното. И така, използвайки контролен волтметър, задаваме напрежение от 1,024 волта на щифт 12 на микросхемата DD1. След това на входа на операционния усилвател DA2.2, щифт 5, прилагаме напрежение с известна стойност, например 1000 волта. Ако показанията на контролния и регулируемия волтметър не съвпадат, тогава резисторът за подстригване R4, чрез промяна на стойността на еталонното напрежение, постига еквивалентни показания. След това към входа U2 се прилага управляващо напрежение с известна стойност, например 10,00 волта, и чрез избиране на стойността на съпротивлението на резистора R1 е възможно и R2, или и двете, да постигнат еквивалентни показания на двата волтметъра. Това завършва настройката.
Компаратори
Ако използвате операционен усилвател без отрицателна обратна връзка (NFB), тогава определено можете да кажете какво се случва. За да разберете как работи, можете да направите няколко прости, но визуални експеримента. За да направите това, имате нужда от малко: действителният операционен усилвател, захранване с напрежение 9 ... 25V, няколко резистора, чифт светодиоди и волтметър ().
Най-простата логическа сонда е сглобена от светодиоди и резистори, както е показано на фигура 1.
Когато на входа на сондата се подаде положително напрежение (можете дори да приложите + U), червеният светодиод светва, а ако входът е свързан към общ проводник, зеленият светва. С помощта на такава сонда изходното състояние на тествания оп-усилвател става ясно и разбираемо.
Всеки не много качествен и скъп е подходящ като експериментален "заек", например KR140UD608 (708) в пластмасови кутии или K140UD6 (7) в кръгли метални кутии.
Фигура 1. Диаграма на проста логическа сонда
Трябва да се отбележи, че въпреки различните случаи, щифтовете на тези микросхеми са еднакви и съответстват на показаните на диаграмите по-долу. Често се случва pinout на пластмасови и метални кутии да не съвпадат, въпреки че всъщност това са едни и същи микросхеми. Сега повечето операционни усилватели, особено вносните, се произвеждат в пластмасови кутии и всичко работи добре и перфектно и няма объркване с pinouts. И по-рано такива "пластмасови" микросхеми бяха презрително наречени от специалистите "Shirpotrebovsky".
Фигура 2. Схема на операционен усилвател
За първите експерименти ще сглобим схемата, показана на фигура 2. Тук не е направено много: самият операционен усилвател и логическата сонда, показана на фигура 1, са свързани към еднополярно захранване. Захранващо напрежение + U еднополярна стойност 9 ... 30V. Големината на напрежението в нашите експерименти не е от особено значение.
Тук може да възникне напълно легитимен въпрос: „Защо сондата е логична, тъй като операционният усилвател е аналогов елемент?“ Да, но в този случай операционният усилвател не работи в режим на усилване, а в режим на сравнение и има само две нива на изхода. Напрежение, близко до 0V, се нарича логическа нула, а напрежение, близко до +U, се нарича логическа единица. В случай на двуполярно захранване, логическа нула съответства на напрежение, близко до -U.
При подаване на захранващо напрежение един от светодиодите задължително трябва да свети. Невъзможно е да се отговори на въпроса кой, червен или зелен, тъй като всичко зависи от параметрите на конкретен операционен усилвател и от външни условия, например от смущения в мрежата. Ако вземете няколко от същия тип операционни усилватели, тогава резултатите ще бъдат много различни.
Напрежението на изхода на операционния усилвател се контролира от волтметър: ако червеният светодиод е включен, волтметърът ще покаже напрежение, близко до + U, а ако зеленият светодиод е включен, напрежението ще бъде почти нула.
Сега можете да опитате да подадете малко напрежение към входовете и да погледнете индикаторите и волтметъра как ще се държи операционният усилвател. Най-лесният начин за подаване на напрежение е да докоснете последователно всеки вход на операционния усилвател с един пръст, а с другия един от захранващите проводници. В този случай блясъкът на сондата и показанията на волтметъра трябва да се променят. Но тези промени може да не се случат.
Работата е там, че някои операционни усилватели са проектирани да имат входно напрежение в определени граници: малко по-високо от напрежението на пин 4 и малко по-ниско от захранващото напрежение на пин 7. Това „малко по-ниско, по-високо“ е 1...2V. За да продължите експериментите, след като изпълните определеното условие, ще трябва да сглобите малко по-сложна верига, показана на фигура 3.
Фигура 3
Сега напрежението се прилага към входовете с помощта на променливи резистори R1, R2, чиито плъзгачи трябва да бъдат поставени близо до средното положение преди започване на измерванията. Волтметърът вече е преместен на друго място: той ще покаже разликата в напрежението между директния и обратния вход.
По-добре е този волтметър да е цифров: полярността на напрежението може да се промени, на индикатора на цифровото устройство ще се появи знак минус, а стрелката просто ще излезе от скалата в обратна посока. (Можете да използвате волтметър със стрелка със средна точка на скалата.) В допълнение, входният импеданс на цифров волтметър е много по-висок от този на метър със стрелка, следователно резултатите от измерването ще бъдат по-точни. Състоянието на изхода ще се определя от светодиодния индикатор.
Тук е подходящо да дадете такъв съвет: по-добре е да направите тези прости експерименти със собствените си ръце, а не просто да прочетете и да решите, че всичко е просто и ясно. Това е като да четете урок по китара, без да хванете китарата нито веднъж. И така, да започваме.
Първото нещо, което трябва да направите, е да поставите плъзгачите на променливия резистор на около средно положение, докато напрежението на входовете на операционния усилвател е близо до половината от захранващото напрежение. Чувствителността на волтметъра трябва да бъде максимална, но може би не веднага, а постепенно, за да не изгори устройството.
Да приемем, че изходът на операционния усилвател е нисък и зеленият светодиод свети. Ако това не е така, тогава това състояние може да се постигне чрез завъртане на променливия резистор R1 по такъв начин, че двигателят да се движи надолу по веригата - почти до 0V.
Сега, използвайки променливия резистор R1, ще започнем да добавяме напрежение към директния вход на операционния усилвател (щифт 3), като наблюдаваме показанията на волтметъра. Щом волтметърът покаже положително напрежение (напрежението на директния вход (пин 3) е по-голямо от това на обратния вход (пин 2)), червеният светодиод ще светне. Следователно напрежението на изхода на операционния усилвател е високо или, както е уговорено предварително, логическа единица.
Малко помощ
По-точно дори не логическа единица, а високо ниво: логическа единица показва истинността на сигнала, казват те, събитието е настъпило. Но тази истина, тази логическа единица може да бъде изразена и на ниско ниво. Като пример можем да си припомним интерфейса RS-232, в който логическа единица съответства на отрицателно напрежение, докато логическата нула има положително напрежение. Въпреки че в други схеми логическата единица най-често се изразява с високо ниво.
Да продължим научния експеримент. Нека започнем внимателно и бавно завъртете резистора R1 в обратна посока, следвайки показанията на волтметъра. В определен момент ще покаже нула, но червеният светодиод ще продължи да свети. Малко вероятно е да се хване позицията, в която и двата светодиода са изгасени.
При по-нататъшно въртене на резистора полярността на показанията на волтметъра също ще се промени на отрицателна. Това показва, че напрежението на инверсния вход (2) е по-високо като абсолютна стойност, отколкото на директния вход (3). Зеленият светодиод ще светне, което показва ниско ниво на изхода на операционния усилвател. След това можете да продължите да въртите резистора R1 в същата посока, но няма да настъпят промени: зеленият светодиод няма да изгасне и дори няма да промени яркостта изобщо.
Това явление възниква, когато операционният усилвател работи в режим на сравнение, т.е. без отрицателна обратна връзка (понякога дори с PIC). Ако операционният усилвател работи в линеен режим, покрит с отрицателна обратна връзка (NFB), тогава, когато двигателят на резистора R1 се върти, изходното напрежение се променя пропорционално на ъгъла на въртене, чете разликата в напрежението на входовете и никаква стъпка. В този случай яркостта на светодиода може да се променя плавно.
От всичко казано по-горе можем да заключим, че напрежението на изхода на операционния усилвател зависи от разликата в напреженията на входовете. В случай, че напрежението на директния вход е по-високо от това на обратния, изходното напрежение е високо. В противен случай (напрежението на инверсията е по-високо от това на директната), изходът е ниво на логическа нула.
В самото начало на този експеримент беше препоръчано да се настроят плъзгачите на резисторите R1, R2 приблизително в средно положение. И какво ще стане, ако първоначално ги настроите на една трета от оборота или две трети? Да, всъщност нищо няма да се промени, всичко ще работи по същия начин, както е описано по-горе. От това можем да заключим, че сигналът на изхода на операционния усилвател не зависи от абсолютната стойност на напреженията на директния и обратния вход. Просто зависи от разликата в напрежението.
От всичко по-горе може да се направи още един важен извод: операционен усилвател без обратна връзка е компаратор - сравнително устройство. В този случай към единия вход се подава референтно или примерно напрежение, а към другия се подава напрежение, чиято стойност трябва да се контролира. Към кой вход да се приложи референтното напрежение се решава по време на проектирането на веригата.
Като пример, фигура 4 показва схема, на входа на която има 2 вътрешни компаратора DA1 и DA2 наведнъж.
Фигура 4 Интегрирана таймерна схема NE555
Целта им е да управляват вътрешните. Логиката на управление е доста проста: логическа единица от изхода на компаратора DA2 задава тригера на единица, а логическа единица от изхода на компаратора DA1 нулира тригера.
На резистори R1 ... R3 е монтиран делител, който подава референтни напрежения към входовете на компараторите. И трите резистора имат еднакво съпротивление (5Kom), образувайки напрежения от 2/3 и 1/3 от захранващото напрежение, които се подават съответно на инвертиращия вход DA1 и на неинвертиращия вход DA2.
По отношение на написаното по-горе се оказва, че логическата единица на изхода на компаратора DA1 ще се окаже, ако входното напрежение на директния вход надвиши референтното при обратния (2 / 3Uпит.), Тригерът ще се нулира до нула.
За да зададете тригера на 1, трябва да получите високо ниво на изхода на вътрешния компаратор DA2. Това състояние ще бъде достигнато, когато нивото на напрежението на обратния вход DA2 е по-малко от 1/3Upit. Това е референтното напрежение, което се прилага към директния вход на компаратора DA2.
Целта на описанието на интегрирания таймер NE555 не е зададена тук, само като пример за използване на операционния усилвател, входните компаратори са показани скрити вътре в микросхемата. За тези, които се интересуват от използването на таймера 555, можете да препоръчате да прочетете статията.
RF волтметър с линейна скала
Робърт АКОПОВ (UN7RX), Жезказган, Карагандинска област, Казахстан
Едно от необходимите устройства в арсенала на късовълнов радиолюбител, разбира се, е високочестотен волтметър. За разлика от нискочестотен мултиметър или например компактен LCD осцилоскоп, такова устройство рядко се намира в продажба, а цената на нов марков е доста висока. Следователно, когато е имало нужда от такова устройство, то е изградено освен това с циферблатен милиамперметър като индикатор, който, за разлика от цифровия, ви позволява лесно и визуално да оценявате промените в показанията количествено, а не чрез сравняване на резултати. Това е особено важно при настройка на устройства, при които амплитудата на измерения сигнал постоянно се променя. В същото време точността на измерване на устройството при използване на определена схема е доста приемлива.
Има правописна грешка в диаграмата в списанието: R9 трябва да има съпротивление от 4,7 MΩ
RF волтметрите могат да бъдат разделени на три групи. Първите са изградени на базата на широколентов усилвател с включване на диоден токоизправител във веригата за отрицателна обратна връзка. Усилвателят осигурява работата на токоизправителния елемент в линейния участък на характеристиката ток-напрежение. В устройствата от втората група се използва прост детектор с високоомен DC усилвател (HPA). Скалата на такъв RF волтметър в долните граници на измерване е нелинейна, което изисква използването на специални таблици за калибриране или индивидуално калибриране на устройството. Опитът за донякъде линеаризиране на скалата и изместване на прага на чувствителност надолу чрез преминаване на малък ток през диода не решава проблема. Преди началото на линейния участък на I–V характеристиката тези волтметри всъщност са индикатори. Въпреки това, такива устройства, както под формата на готови проекти, така и прикачени файлове към цифрови мултиметри, са много популярни, както се вижда от многобройни публикации в списания и в Интернет.
Третата група инструменти използва линеаризация на мащаба, когато линеаризиращият елемент е включен в DCF веригата, за да осигури необходимата промяна на усилването в зависимост от амплитудата на входния сигнал. Такива решения често се използват в модули за професионално оборудване, например в широколентови високолинейни инструментални усилватели с AGC или AGC блокове на широколентови RF генератори. На този принцип е изградено описаното устройство, чиято верига, с малки промени, е заимствана.
С цялата очевидна простота, RF волтметърът има много добри параметри и, разбира се, линейна скала, която елиминира проблемите с калибрирането.
Диапазонът на измереното напрежение е от 10 mV до 20 V. Работната честотна лента е 100 Hz…75 MHz. Входното съпротивление е най-малко 1 MΩ с входен капацитет не повече от няколко пикофарада, което се определя от конструкцията на главата на детектора. Грешката на измерване е не по-лоша от 5%.
Линеаризиращото устройство е направено на чип DA1. Диод VD2 във веригата за отрицателна обратна връзка спомага за увеличаване на усилването на този етап на UPT при ниски входни напрежения. Намаляването на изходното напрежение на детектора се компенсира, в резултат на което показанията на устройството придобиват линейна зависимост. Кондензаторите C4, C5 предотвратяват самовъзбуждането на UPT и намаляват възможните пикапи. Променливият резистор R10 служи за настройване на стрелката на измервателния уред PA1 на нулевата маркировка на скалата преди извършване на измервания. В този случай входът на главата на детектора трябва да бъде затворен. Захранването на устройството няма особености. Той е направен на два стабилизатора и осигурява биполярно напрежение от 2 × 12 V за захранване на операционни усилватели (мрежовият трансформатор не е условно показан на диаграмата, но е включен в монтажния комплект).
Всички части на уреда, с изключение на частите на измервателната сонда, са монтирани на две печатни платки от едностранно фолио от фибростъкло. По-долу има снимка на UPT платката, захранващата платка и измервателната сонда.
Милиамперметър RA1 - M42100, с ток на пълно отклонение на стрелката 1 mA. Превключвател SA1 - PGZ-8PZN. Променлив резистор R10 - SP2-2, всички резистори за настройка - внесени многооборотни, например 3296W. Резисторите с нестандартни номинални стойности R2, R5 и R11 могат да бъдат съставени от два, свързани последователно. Операционните усилватели могат да бъдат заменени с други с висок входен импеданс и за предпочитане с вътрешна корекция (за да не се усложнява схемата). Всички постоянни кондензатори са керамични. Кондензатор C3 е монтиран директно на входния конектор XW1.
Диодът D311A в RF токоизправителя е избран от гледна точка на оптималното максимално допустимо RF напрежение и ефективност на изправяне на горната граница на измерената честота.
Няколко думи за дизайна на измервателната сонда на инструмента. Корпусът на сондата е изработен от фибростъкло под формата на тръба, върху която е поставен екран от медно фолио.
Вътре в кутията има платка от фолиево фибростъкло, върху която са монтирани частите на сондата. Осигурен е пръстен от лента от консервирано фолио приблизително в средата на тялото, за да осъществи контакт с общия проводник на подвижен разделител, който може да се завинти на мястото на върха на сондата.
Настройката на устройството започва с балансирането на операционния усилвател DA2. За да направите това, превключвателят SA1 е поставен в положение "5 V", входът на измервателната сонда е затворен и показалецът на устройството PA1 е настроен на нулевата маркировка на скалата с подстригващ резистор R13. След това устройството се превключва на позиция "10 mV", на входа му се подава същото напрежение и стрелката на устройството RA1 се настройва на последното деление на скалата с резистора R16. След това към входа на волтметъра се прилага напрежение от 5 mV, стрелката на устройството трябва да е приблизително в средата на скалата. Линейността на показанията се постига чрез избор на резистор R3. Още по-добра линейност може да се постигне чрез избор на резистор R12, но трябва да се има предвид, че това ще повлияе на усилването на UPT. След това устройството се калибрира на всички поддиапазони със съответните резистори за настройка. Като референтно напрежение при калибриране на волтметъра авторът използва генератор Agilent 8648A (с 50 Ohm еквивалент на натоварване, свързан към неговия изход), който има цифров измервател на нивото на изходния сигнал.
Цялата статия от сп. Радио № 2, 2011 г. можете да изтеглите от тук
ЛИТЕРАТУРА:
1. Прокофиев И., Миливолтметър-Q-метър. – Радио, 1982, бр.7, с. 31.
2. Степанов Б., RF глава за цифров мултицет. – Радио, 2006, бр.8, с. 58, 59.
3. Степанов Б., RF волтметър с диод на Шотки. – Радио, 2008, бр.1, с. 61, 62.
4. Pugach A., Високочестотен миливолтметър с линейна скала. – Радио, 1992, бр.7, с. 39.
Цената на печатни платки (сонда, основна платка и захранваща платка) с маска и маркировка: 80 UAH
