Možnost předčasného selhání drahé baterie nutí motoristu pečlivě sledovat činnost relé regulátoru napětí a stav palubní elektrické sítě automobilu. Napětí v ní by se nemělo lišit o více než ± 3 % od optimální hodnoty, která je určena pro dané provozní podmínky baterie a závisí na klimatickém pásmu, umístění baterie a jejím technickém stavu a režimu provoz vozu. Čím přesněji je udržováno optimální napětí při dobíjení baterie, tím déle vydrží.
Správná činnost autogenerátoru je velmi důležitá. Se zvýšením napětí generátoru nad optimum o 10-12% (asi 0,15 V) se životnost baterie a elektrických žárovek sníží 2-2,5krát.
Abyste přesně provedli všechny potřebné úpravy, potřebujete speciální voltmetr, který měří napětí v rozsahu 13-15 V s přesností 0,1 V. Koupit takové zařízení je obtížné, ale mnozí budou schopni vyrobit podobný se stupnicí nataženou v rozmezí 10-15V. Zvýšená přesnost měření, lineární stupnice v celém rozsahu měření, absence vlastního zdroje energie, zvýšená spolehlivost (díky ochranným prvkům umístěným v přístroji, které neovlivňují přesnost měření), možnost nastavení zóny "stretch" stupnice jsou charakteristické rysy tohoto zařízení. Je vyroben na bázi operačního zesilovače a je měřičem rozdílu napětí.
Specifikace voltmetru
- Rozsah měřených napětí, V. . . 10 až 15
Dosažitelná chyba měření při teplotě 20±5°C, ne horší, % ...0,5
Diskrétnost, V. . . 0,05
Vstupní odpor, ne menší než, kOhm. . . 0,75
Rozsah provozních teplot, °C. . . -10 až +35
Rozměry (s mikroampérmetrem M906), mm. . . 65x105x120
Voltmetr je napájen přímo z měřeného objektu. Počáteční offset vůči kterému se provádí měření je nastaven odporem řetězce rezistorů R3, R4 (viz schéma zapojení na obr. 1) a hodnotou zpětné vazby (která určuje zesílení OUDA1 a podle toho, míra "roztažení" rozsahu) se nastavuje odporem řetězce rezistorů R5, R6.
Zdroj referenčního napětí na zenerově diodě VD3 rovněž zajišťuje posun potenciálu na neinvertujícím vstupu DA o hodnotu rovnající se přibližně polovině naměřeného úbytku napětí, který je nezbytný pro provoz operačního zesilovače s unipolárním napájením.
Odpor rezistoru R7 závisí na citlivosti mikroampérmetru PA a hodnotě maximálního výstupního napětí operačního zesilovače vůči katodě zenerovy diody VD3.
Diody VD1, VD2 chrání operační zesilovač a VD4, VD5 chrání mikroampérmetr před nadproudem. VD1 zakazuje průchod záporného proudu rezistorem R1 a operačním zesilovačem. Proud je možné propouštět zenerovou diodou VD3 s předpětím v propustném směru, diodou VD2 a odpory R2-R4. Mezi vstupy DA (vývody 3.2) se tedy vytvoří potenciální rozdíl ne větší než 0,7 V. Podobný pokles napětí bude na vývodu 3 vzhledem k vývodu 4 operačního zesilovače.
To zajišťuje spolehlivou ochranu operačního zesilovače před chybami při zapojení polarity.
Voltmetr používá pevné odpory typu MLT, jako laděné odpory je žádoucí použít víceotáčkové typy SP5-2, SP5-3, SP5-14. Je přípustné použít jiné typy operačních zesilovačů, například K140UD7 nebo K140UD1A, K553UD1 s příslušnými korekčními obvody. Diody - jakýkoli nízkopříkonový křemík. Zenerova dioda KS147A může být nahrazena KS156A, ale pravděpodobně se pak teplotní stabilita voltmetru zhorší a bude nutné objasnit hodnoty rezistorů R1-R3. Mikroampérmetr - M906 nebo M24 s celkovým vychylovacím proudem 50 μA a stupnicí odpovídající zvolené zóně měření. Je možné použít i jiná ukazovátka s celkovým odchylkovým proudem do 1 mA, ale v tomto případě je nutné volit hodnotu rezistoru R5, na základě zvolené hodnoty úbytku napětí na něm (cca 1,5 PROTI). Avometr můžete také používat v režimu mikroampérmetru. Poté bude toto zařízení vyrobeno ve formě předpony k testeru.
Při absenci vadných prvků a chyb při instalaci se nastavení voltmetru omezí na jeho kalibraci. Tato operace se provádí pomocí regulovatelného napájecího zdroje s výstupním napětím 9-16 V a vzorového voltmetru, nejlépe digitálního, například B7-16, FZO, VR-11.
Trimrové rezistory se nastaví do střední polohy a na vstup voltmetru se přivede napětí 12-13 V, které se ovládá pomocí standardního přístroje. Ukazatel nastaveného voltmetru by se měl odchylovat od nuly. Poté se na výstupu zdroje nastaví napětí 10 V (± 0,05 V) a ručička voltmetru se nastaví na nulový dílek stupnice s rezistorem R4. Poté zvýšením měřeného napětí na 15 ± 0,05 V se šipka nastaví na konečný dílek stupnice s rezistorem R6. Opakováním těchto operací pro 10 V a 15 V dosahují nejpřesnějšího nastavení voltmetru v pracovním rozsahu 13-14,5 V.
Při sestavování relé-regulátoru je napětí měřeno přímo na svorkách baterie.
Obrázek 2 ukazuje desku s plošnými spoji s rozložením prvků. Deska se instaluje na kontaktní šrouby mikroampérmetru M906 a spolu s ní se umístí do krabičky.
Rýže. 2
V. Bakanov, E. Kačanov, Černovice, konstruktér modelů č. 12, 1990, str.27
Seznam rádiových prvků
| Označení | Typ | Označení | Množství | Poznámka | Prodejna | Můj poznámkový blok |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DA | OU | K140UD6 | 1 | K140UD7, K140UD1A, K553UD1 | Do poznámkového bloku | |
| VD1, VD2, VD4, VD5 | Dioda | KD521V | 4 | Do poznámkového bloku | ||
| VD3 | Zenerova dioda | KS147A | 1 | Do poznámkového bloku | ||
| C1 | elektrolytický kondenzátor | 4,7uF 20V | 1 | Do poznámkového bloku | ||
| C2 | Kondenzátor | 0,1uF | 1 | Do poznámkového bloku | ||
| R1 | Rezistor | 510 ohmů | 1 | Do poznámkového bloku | ||
| R2 | Rezistor | 15 kOhm | 1 | Do poznámkového bloku | ||
| R3 | Rezistor | 8,2 kOhm | 1 | MLT, výběr | Do poznámkového bloku | |
| R4 | Trimrový odpor | 4,7 kOhm | 1 |
Něco se mě často začalo ptát na analogovou elektroniku. Vzalo sezení studentů míče? ;) Dobře, je čas přesunout malý vzdělávací program. Zejména na činnost operačních zesilovačů. Co to je, čím se to jí a jak to vypočítat.
co to je
Operační zesilovač je dvouvstupový zesilovač, nevím... uhm... velký zisk signálu a jeden výstup. Tito. máme U ven \u003d K * U dovnitř a K se v ideálním případě rovná nekonečnu. V praxi jsou samozřejmě skromnější čísla. Řekněme 1 000 000. Ale i taková čísla explodují mozek, když se je snaží přímo aplikovat. Proto, jako ve školce, jeden stromeček, dva, tři, mnoho stromečků - máme tu hodně posil;) A je to.
A jsou tam dva vchody. A jeden z nich je přímý a druhý je inverzní.
Navíc jsou vstupy vysokoimpedanční. Tito. jejich vstupní impedance je v ideálním případě nekonečná a ve skutečném VELMI vysoká. Účet tam jde do stovek megaohmů a dokonce i do gigaohmů. Tito. měří napětí na vstupu, ale je ovlivněno minimálně. A můžeme předpokládat, že proud v operačním zesilovači neteče.
Výstupní napětí se v tomto případě vypočítá jako:
U out \u003d (U 2 - U 1) * K
Je zřejmé, že pokud je napětí na přímém vstupu větší než na inverzním, pak je výstup plus nekonečno. Jinak to bude mínus nekonečno.
Samozřejmě v reálném zapojení nebude plus a mínus nekonečno a nahradí je nejvyšší a nejnižší napájecí napětí zesilovače. A dostaneme:
Komparátor
Zařízení, které umožňuje porovnat dva analogové signály a učinit verdikt - který ze signálů je větší. Už zajímavé. Můžete si pro něj vymyslet spoustu aplikací. Mimochodem, stejný komparátor je zabudován do většiny mikrokontrolérů a jeho použití na AVR jsem ukázal jako příklad v článcích o vytváření . Komparátor se také úžasně používá k vytváření .
Ale záležitost se neomezuje na jeden komparátor, protože pokud zavedete zpětnou vazbu, pak lze z operačního zesilovače udělat hodně.
Zpětná vazba
Pokud vezmeme signál z výstupu a pošleme jej přímo na vstup, dojde ke zpětné vazbě.
Pozitivní zpětná vazba
Vezmeme a přivedeme signál přímo z výstupu do přímého vstupu.
- Napětí U1 je větší než nula - výstup je -15 voltů
- Napětí U1 je menší než nula - na výstupu +15 voltů
Co se stane, když je napětí nulové? Teoreticky by měl být výstup nulový. Ale ve skutečnosti nebude napětí NIKDY nulové. Ostatně, i když náboj pravého převáží o jeden elektron náboj levého, tak to už stačí k tomu, aby se potenciál valil na výstup při nekonečném zesílení. A na výstupu začne tvarové peklo - signál sem tam přeskakuje rychlostí náhodných poruch indukovaných na vstupech komparátoru.
K vyřešení tohoto problému je zavedena hystereze. Tito. jakousi mezeru mezi přepínáním z jednoho stavu do druhého. Chcete-li to provést, zaveďte pozitivní zpětnou vazbu, například:
 |
Uvažujeme, že na inverzním vstupu je v tuto chvíli +10 voltů. Na výstupu z operačního zesilovače mínus 15 voltů. Na přímém vstupu už to není nula, ale malá část výstupního napětí z děliče. Přibližně -1,4 voltu Nyní, dokud napětí na invertovaném vstupu neklesne pod -1,4 voltu, výstup operačního zesilovače své napětí nezmění. A jakmile napětí klesne pod -1,4, pak výstup operačního zesilovače prudce vyskočí na +15 a na přímém vstupu již bude předpětí +1,4 voltu.
A aby se změnilo napětí na výstupu komparátoru, signál U1 se bude muset zvýšit až o 2,8 voltu, aby se dostal na horní sloupec +1,4.
Existuje druh mezery, kde není citlivost, mezi 1,4 a -1,4 volty. Šířka mezery je řízena poměry rezistorů v R1 a R2. Prahové napětí se vypočítá jako Uout/(R1+R2) * R1 Řekněme, že 1 až 100 dá +/-0,14 voltu.
Ale přesto se operační zesilovač častěji používá v režimu negativní zpětné vazby.
negativní zpětná vazba
Dobře, řekněme to jinak:
 |
V případě negativní zpětné vazby má operační zesilovač zajímavou vlastnost. Vždy se bude snažit upravit své výstupní napětí tak, aby byla napětí na vstupech stejná, což má za následek nulový rozdíl.
Dokud jsem si to nepřečetl ve skvělé knize od soudruhů Horowitze a Hilla, nemohl jsem se dostat do práce OU. Vše se ale ukázalo být jednoduché.
Opakovač
A máme opakovač. Tito. na vstupu U 1 , na inverzním vstupu U out = U 1 . No, ukázalo se, že U je \u003d U 1.
Otázkou je, k čemu jsme tak šťastní? Bylo možné hodit drát přímo a nebyl by potřeba žádný operační zesilovač!
Je to možné, ale ne vždy. Představte si takovou situaci, existuje snímač vyrobený ve formě odporového děliče:
 |
Nižší odpor mění svou hodnotu, mění se rozložení výstupního napětí z děliče. A musíme z něj odečítat údaje voltmetrem. Ale voltmetr má svůj vnitřní odpor, i když velký, ale změní údaje ze snímače. Navíc, když nechceme voltmetr, ale chceme žárovku na změnu jasu? Žárovku zde nelze nijak připojit! Proto je výstup bufferován operačním zesilovačem. Jeho vstupní odpor je obrovský a bude mít minimální vliv a výstup může poskytnout docela hmatatelný proud (desítky miliampérů, nebo dokonce stovky), což je docela dost na to, aby žárovka fungovala.
Obecně lze nalézt aplikace pro opakovač. Zejména v přesných analogových obvodech. Nebo tam, kde obvody jednoho stupně mohou ovlivnit činnost druhého, k jejich oddělení.
Zesilovač
A teď udělejme fintu s ušima - vezměme zpětnou vazbu a položme ji na zem přes dělič napětí:
 |
Nyní je na invertovaný vstup přivedena polovina výstupního napětí. A zesilovač ještě potřebuje vyrovnat napětí na svých vstupech. co bude muset udělat? Je to tak - zvyšte napětí na svém výstupu dvakrát tak vysoko než dříve, abyste kompenzovali vzniklý dělič.
Nyní bude U 1 na přímce. Na inverzní U out /2 \u003d U 1 nebo U out \u003d 2 * U 1.
Položme dělitel s jiným poměrem – situace se změní stejně. Abychom nepřevraceli vzorec děliče napětí ve vaší mysli, okamžitě jej dám:
U out \u003d U 1 * (1 + R 1 / R 2)
Mnemotechnicky se pamatuje, co se dělí na velmi jednoduché:
Ukazuje se, že vstupní signál prochází obvodem rezistorů R 2, R 1 v U out. V tomto případě je přímý vstup zesilovače nastaven na nulu. Připomínáme zvyky operačního zesilovače - pokusí se háčkem nebo křivákem zajistit, aby se na jeho inverzním vstupu vytvořilo napětí rovné přímému vstupu. Tito. nula. Jediný způsob, jak to udělat, je snížit výstupní napětí pod nulu, aby se v bodě 1 objevila nula.
Tak. Představte si, že U out = 0. Zatímco rovno nule. A vstupní napětí je například 10 voltů vzhledem k U out. Dělitel R 1 a R 2 jej rozdělí na polovinu. V bodě 1 je tedy pět voltů.
Pět voltů se nerovná nule a operační zesilovač snižuje svůj výstup, dokud není v bodě 1 nula. K tomu by měl být výstup (-10) voltů. V tomto případě bude rozdíl 20 voltů vzhledem ke vstupu a dělič nám poskytne přesně 0 v bodě 1. Máme invertor.
Ale můžete si vybrat i jiné odpory, takže náš dělič udává jiné koeficienty!
Obecně platí, že vzorec pro zisk pro takový zesilovač bude následující:
U out \u003d - U v * R 1 / R 2
No, mnemotechnický obrázek pro rychlé zapamatování xy z xy.
Řekněme, že U 2 a U 1 bude mít každý 10 voltů. Pak ve 2. bodě bude 5 voltů. A výstup bude muset být takový, aby v 1. bodě byl také 5 voltů. Tedy nula. Ukazuje se tedy, že 10 voltů mínus 10 voltů se rovná nule. Všechno je správně :)
Pokud se U 1 stane 20 volty, výstup bude muset klesnout na -10 voltů.
Spočítejte si sami – rozdíl mezi U 1 a U out bude 30 voltů. Proud rezistorem R4 bude (U 1 -U out) / (R 3 + R 4) = 30/20000 = 0,0015 A a úbytek napětí na rezistoru R4 bude R 4 * I 4 = 10 000 * 0,0015 = 15 voltů. Odečtěte úbytek 15 voltů od vstupu 20 a získáte 5 voltů.
Náš operační zesilovač tedy vyřešil aritmetický problém od 10 odečtených 20 a dostal -10 voltů.
Navíc v problému jsou koeficienty určené odpory. Jde jen o to, že pro zjednodušení jsou rezistory stejné hodnoty, a proto jsou všechny koeficienty rovny jedné. Ale ve skutečnosti, pokud vezmeme libovolné rezistory, bude závislost výstupu na vstupu následující:
U out \u003d U 2 * K 2 - U 1 * K 1
K2 \u003d ((R3 + R4) * R6) / (R6 + R5) * R4
K 1 \u003d R 3 / R 4
Mnemotechnika pro zapamatování vzorce pro výpočet koeficientu je následující:
Přímo do schématu. Čitatel zlomku je nahoře, proto sečteme horní odpory v proudovém obvodu a vynásobíme spodním. Jmenovatel je dole, sečtěte tedy spodní odpory a vynásobte horním.
Všechno je zde jednoduché. Protože bod 1 se neustále snižuje na 0, pak můžeme předpokládat, že proudy, které do něj tečou, jsou vždy rovné U / R a proudy vstupující do uzlu číslo 1 se sečtou. Poměr vstupního rezistoru k rezistoru zpětné vazby určuje váhu příchozího proudu.
Větev může být tolik, kolik chcete, ale já jsem nakreslil jen dvě.
U out \u003d -1 (R 3 * U 1 / R 1 + R 3 * U 2 / R 2)
Vstupní odpory (R 1 , R 2 ) určují velikost proudu a tím i celkovou váhu příchozího signálu. Pokud srovnáte všechny odpory, jako já, pak bude váha stejná a multiplikační faktor každého členu bude roven 1. A U out \u003d -1 (U 1 + U 2)
Sčítačka neinvertující
Všechno je trochu složitější, ale zdá se.
 |
Uout \u003d U 1 * K 1 + U 2 * K 2
K 1 \u003d R 5 / R 1
K 2 \u003d R 5 / R 2
Navíc zpětnovazební odpory musí být takové, aby byla dodržena rovnice R 3 / R 4 \u003d K 1 + K 2
Obecně platí, že na operačních zesilovačích můžete vytvářet libovolnou matematiku, sčítat, násobit, dělit, počítat derivace a integrály. A téměř okamžitě. Analogové počítače jsou vyráběny na OÚ. Jednoho takového jsem dokonce viděl v pátém patře SUSU – blázna velikosti patra pokoje. Několik kovových skříní. Program se píše spojením různých bloků pomocí drátů :)
Tento článek se zaměřuje na dva voltmetry implementované na mikrokontroléru PIC16F676. Jeden voltmetr má rozsah napětí 0,001 až 1,023 voltu, druhý s příslušným odporovým děličem 1:10 dokáže měřit napětí od 0,01 do 10,02 voltu. Proudový odběr celého zařízení s výstupním napětím stabilizátoru +5 voltů je cca 13,7 mA. Obvod voltmetru je znázorněn na obrázku 1.
Obvod dvou voltmetrů
Digitální voltmetr, obvodový provoz
Pro implementaci dvou voltmetrů se používají dva výstupy mikrokontroléru, konfigurované jako vstup pro modul digitálního převodu. Vstup RA2 slouží k měření nízkých napětí, v oblasti voltu a na vstup RA0 je připojen dělič napětí 1:10 složený z rezistorů R1 a R2, který umožňuje měřit napětí do 10 voltů. Tento mikrokontrolér používá desetibitový modul ADC a aby bylo možné realizovat měření napětí s přesností 0,001 voltu pro rozsah 1 V, bylo nutné přivést externí referenční napětí z ION mikroobvodu DA1 K157XP2. Od moci A ON mikroobvod je velmi malý a aby se vyloučil vliv vnějších obvodů na tento ION, byl do obvodu zaveden vyrovnávací operační zesilovač na mikroobvodu DA2.1 LM358N. Jedná se o neinvertující sledovač napětí se 100% negativní zpětnou vazbou - OOS. Výstup tohoto operačního zesilovače je zatížen zátěží sestávající z rezistorů R4 a R5. Z rezistoru trimru R4 je přivedeno referenční napětí 1,024 V na kolík 12 mikrokontroléru DD1, nakonfigurovaný jako vstup referenčního napětí pro provoz. ADC modul. Při tomto napětí bude každý bit digitalizovaného signálu roven 0,001 V. Pro snížení vlivu šumu byl při měření malých hodnot napětí použit další sledovač napětí, implementovaný na druhém operačním zesilovači čipu DA2. OOS tohoto zesilovače prudce snižuje šumovou složku měřené hodnoty napětí. Klesá i napětí impulsního šumu měřeného napětí.
Pro zobrazení informací o naměřených hodnotách byl použit dvouřádkový LCD, i když pro toto provedení by stačil jeden řádek. Ale mít možnost zobrazit nějaké další informace v záloze také není špatné. Jas podsvícení indikátoru je regulován odporem R6, kontrast zobrazovaných znaků závisí na hodnotě odporů děliče napětí R7 a R8. Zařízení je napájeno regulátorem napětí namontovaným na čipu DA1. Výstupní napětí +5 V se nastavuje rezistorem R3. Pro snížení celkového odběru proudu lze snížit napájecí napětí samotného regulátoru na hodnotu, při které by regulátor indikátoru zůstal funkční. Při kontrole tohoto obvodu indikátor pracoval stabilně při napájecím napětí mikrokontroléru 3,3 voltu.
Nastavení voltmetru
Nastavení tohoto voltmetru vyžaduje alespoň digitální multimetr schopný měřit 1,023 V pro nastavení referenčního napětí reference. A tak pomocí řídicího voltmetru nastavíme napětí 1,024 voltu na kolíku 12 mikroobvodu DD1. Poté na vstup operačního zesilovače DA2.2, kolík 5, přivedeme napětí známé hodnoty, například 1000 voltů. Pokud se hodnoty řídicího a nastavitelného voltmetru neshodují, pak trimovací rezistor R4 změnou hodnoty referenčního napětí dosáhne ekvivalentních hodnot. Poté je na vstup U2 přivedeno řídicí napětí známé hodnoty, například 10,00 voltů, a výběrem hodnoty odporu rezistoru R1 je možné a R2 nebo oba dosáhnout ekvivalentních hodnot obou voltmetrů. Tím je úprava dokončena.
Komparátory
Pokud použijete operační zesilovač bez negativní zpětné vazby (NFB), pak můžete určitě říci, co se stane. Abyste pochopili, jak to funguje, můžete provést několik jednoduchých, ale vizuálních experimentů. K tomu potřebujete trochu: skutečný operační zesilovač, napájecí zdroj s napětím 9 ... 25 V, několik odporů, pár LED a voltmetr ().
Nejjednodušší logická sonda je sestavena z LED a rezistorů, jak je znázorněno na obrázku 1.
Po přivedení kladného napětí na vstup sondy (můžete i + U) se rozsvítí červená LED a pokud je vstup připojen na společný vodič, rozsvítí se zelená. S pomocí takové sondy se výstupní stav testovaného operačního zesilovače stává jasným a srozumitelným.
Jako experimentální „králík“ se hodí jakýkoli nepříliš kvalitní a drahý, například KR140UD608 (708) v plastových pouzdrech nebo K140UD6 (7) v kulatých kovových pouzdrech.
Obrázek 1. Schéma jednoduché logické sondy
Je třeba poznamenat, že navzdory různým případům je pinout těchto mikroobvodů stejný a odpovídá tomu, které je znázorněno na níže uvedených diagramech. Často se stává, že se pinout plastových a kovových pouzder neshoduje, ačkoli ve skutečnosti jde o stejné mikroobvody. Nyní se většina operačních zesilovačů, zejména dovážených, vyrábí v plastových pouzdrech a vše funguje dobře a perfektně a nedochází k záměně s piny. A dříve takové "plastové" mikroobvody odborníci pohrdavě nazývali "Shirpotrebovsky".
Obrázek 2. Obvod operačního zesilovače
Pro první experimenty sestavíme obvod znázorněný na obrázku 2. Zde se toho moc neudělalo: samotný operační zesilovač a logická sonda znázorněná na obrázku 1 jsou připojeny k unipolárnímu zdroji. Napájecí napětí + U unipolární hodnota 9 ... 30V. Velikost napětí v našich experimentech není nijak zvlášť důležitá.
Zde může vyvstat zcela legitimní otázka: „Proč je sonda logická, protože operační zesilovač je analogový prvek?“. Ano, ale v tomto případě operační zesilovač nepracuje v režimu zesílení, ale v režimu komparátoru a na výstupu má pouze dvě úrovně. Napětí blízké 0V se nazývá logická nula a napětí blízké +U se nazývá logická jednička. V případě bipolárního zdroje odpovídá logická nula napětí blízkému -U.
Při přivedení napájecího napětí se musí nutně rozsvítit jedna z LED. Nelze odpovědět na otázku, který, červený nebo zelený, protože vše závisí na parametrech konkrétního operačního zesilovače a na vnějších podmínkách, například od rušení sítě. Pokud vezmete několik stejných typů operačních zesilovačů, výsledky se budou velmi lišit.
Napětí na výstupu operačního zesilovače je řízeno voltmetrem: pokud svítí červená LED, bude voltmetr ukazovat napětí blízké + U a pokud svítí zelená LED, bude napětí téměř nulové.
Nyní můžete zkusit přivést nějaké napětí na vstupy a podívat se na indikátory a voltmetr, jak se bude chovat operační zesilovač. Nejjednodušší způsob, jak přivést napětí, je dotknout se postupně každého vstupu operačního zesilovače jedním prstem a druhým jednoho z napájecích vodičů. V tomto případě by se měla změnit záře sondy a hodnoty voltmetru. K těmto změnám ale nemusí dojít.
Jde o to, že některé operační zesilovače jsou navrženy tak, aby měly vstupní napětí v určitých mezích: mírně vyšší než napětí na kolíku 4 a mírně nižší než napájecí napětí na kolíku 7. Toto "o něco nižší, vyšší" je 1…2V. Chcete-li pokračovat v experimentech, po splnění zadané podmínky budete muset sestavit poněkud složitější obvod, jak je znázorněno na obrázku 3.
Obrázek 3
Nyní je napětí přivedeno na vstupy pomocí proměnných rezistorů R1, R2, jejichž jezdce by měly být před zahájením měření nastaveny blízko střední polohy. Voltmetr se nyní přesunul na jiné místo: bude ukazovat rozdíl napětí mezi přímými a inverzními vstupy.
Je lepší, když je tento voltmetr digitální: polarita napětí se může změnit, na indikátoru digitálního zařízení se objeví znaménko mínus a ukazovací zařízení jednoduše odejde ze stupnice v opačném směru. (Můžete použít ručkový voltmetr se středním bodem.) Vstupní impedance digitálního voltmetru je navíc mnohem vyšší než u ručkového měřiče, takže výsledky měření budou přesnější. Stav výstupu bude určen LED indikátorem.
Zde je vhodné dát takovou radu: je lepší dělat tyto jednoduché experimenty vlastníma rukama, a ne jen číst a rozhodnout, že vše je jednoduché a jasné. Je to jako číst kytarový tutoriál, aniž byste kytaru jednou vzali do ruky. Takže, začněme.
Jako první je třeba nastavit posuvníky proměnných rezistorů zhruba do střední polohy, přičemž napětí na vstupech operačního zesilovače se blíží polovině napájecího napětí. Citlivost voltmetru by měla být maximální, ale možná ne okamžitě, ale postupně, aby nedošlo k popálení zařízení.
Předpokládejme, že výstup operačního zesilovače je nízký a zelená LED svítí. Pokud tomu tak není, pak lze tohoto stavu dosáhnout otočením proměnného rezistoru R1 tak, aby se motor pohyboval po obvodu - téměř k 0V.
Nyní pomocí proměnného rezistoru R1 začneme přidávat napětí na přímý vstup operačního zesilovače (vývod 3), přičemž budeme sledovat údaje na voltmetru. Jakmile voltmetr ukáže kladné napětí (napětí na přímém vstupu (pin 3) je větší než na inverzním vstupu (pin 2)), rozsvítí se červená LED. Proto je napětí na výstupu operačního zesilovače vysoké nebo, jak bylo dříve dohodnuto, logická jednotka.
Malá pomoc
Přesněji řečeno, ani ne logická jednotka, ale vysoká úroveň: logická jednotka označuje pravdivost signálu, říká se, že událost nastala. Ale tato pravda, tato logická jednotka, může být také vyjádřena na nízké úrovni. Jako příklad si můžeme připomenout rozhraní RS-232, ve kterém logická jednička odpovídá zápornému napětí, zatímco logická nula kladnému napětí. I když v jiných schématech je logická jednotka nejčastěji vyjádřena vysokou úrovní.
Pokračujme ve vědeckém experimentu. Začněme opatrně a pomalu otáčejme rezistorem R1 v opačném směru podle údajů na voltmetru. V určitém okamžiku bude ukazovat nulu, ale červená LED bude stále svítit. Je nepravděpodobné, že bude možné zachytit polohu, ve které jsou obě LED zhasnuté.
S dalším otáčením rezistoru se polarita odečtů voltmetru také změní na zápornou. To znamená, že napětí na inverzním vstupu (2) je v absolutní hodnotě vyšší než na přímém vstupu (3). Rozsvítí se zelená LED, což indikuje nízkou úroveň na výstupu operačního zesilovače. Poté můžete pokračovat v otáčení rezistoru R1 ve stejném směru, ale nedojde k žádným změnám: zelená LED nezhasne a dokonce se vůbec nezmění jas.
K tomuto jevu dochází, když operační zesilovač pracuje v režimu komparátoru, tzn. bez negativní zpětné vazby (někdy i s PIC). Pokud operační zesilovač pracuje v lineárním režimu, pokrytém negativní zpětnou vazbou (NFB), pak když se motor rezistoru R1 otáčí, výstupní napětí se mění úměrně úhlu natočení, odečtěte rozdíl napětí na vstupech a vůbec ne krok. V tomto případě lze plynule měnit jas LED.
Ze všeho výše uvedeného můžeme usoudit, že napětí na výstupu operačního zesilovače závisí na rozdílu napětí na vstupech. V případě, kdy je napětí na přímém vstupu vyšší než na inverzním, je výstupní napětí vysoké. V opačném případě (napětí na inverzní je vyšší než na přímém) je výstup na úrovni logické nuly.
Hned na začátku tohoto experimentu bylo doporučeno nastavit jezdce rezistorů R1, R2 přibližně do střední polohy. A co se stane, když je zpočátku nastavíte na třetinu obratu nebo dvě třetiny? Ano, vlastně se nic nezmění, vše bude fungovat stejně, jak je popsáno výše. Z toho můžeme usoudit, že signál na výstupu operačního zesilovače nezávisí na absolutní hodnotě napětí na přímých a inverzních vstupech. Záleží jen na rozdílu napětí.
Ze všeho výše uvedeného lze vyvodit ještě jeden důležitý závěr: operační zesilovač bez zpětné vazby je komparátor - srovnávací zařízení. V tomto případě je na jeden vstup přivedeno referenční nebo vzorové napětí a na druhý je přivedeno napětí, jehož hodnota musí být řízena. Na který vstup přivést referenční napětí se rozhoduje při návrhu obvodu.
Jako příklad je na obrázku 4 znázorněn obvod, na jehož vstupu jsou 2 vnitřní komparátory DA1 a DA2 najednou.
Obrázek 4 Integrovaný obvod časovače NE555
Jejich účelem je řídit vnitřní. Logika ovládání je poměrně jednoduchá: logická jednotka z výstupu komparátoru DA2 nastaví spouštěč na jedničku a logická jednotka z výstupu komparátoru DA1 resetuje spouštěč.
Na rezistorech R1 ... R3 je namontován dělič, který dodává referenční napětí na vstupy komparátorů. Všechny tři rezistory mají stejný odpor (5Kom), tvořící napětí 2/3 a 1/3 napájecího napětí, které jsou přivedeny na invertující vstup DA1 a na neinvertující vstup DA2.
Z hlediska toho, co bylo napsáno výše, se ukazuje, že logická jednotka na výstupu komparátoru DA1 dopadne, pokud vstupní napětí na přímém vstupu překročí referenci na inverzní (2 / 3 Upit.), spoušť se resetuje na nulu.
Aby bylo možné nastavit trigger na 1, musíte získat vysokou úroveň na výstupu interního komparátoru DA2. Tohoto stavu bude dosaženo, když je úroveň napětí na inverzním vstupu DA2 menší než 1/3 UP. Právě toto referenční napětí je přivedeno na přímý vstup komparátoru DA2.
Účel popisu integrovaného časovače NE555 zde není stanoven, jen jako příklad použití operačního zesilovače jsou zobrazeny vstupní komparátory skryté uvnitř mikroobvodu. Pro ty, kteří mají zájem používat časovač 555, můžete doporučit přečíst si článek.
RF voltmetr s lineární stupnicí
Robert AKOPOV (UN7RX), Zhezkazgan, oblast Karaganda, Kazachstán
Jedním z nezbytných zařízení v arzenálu krátkovlnného radioamatéra je samozřejmě vysokofrekvenční voltmetr. Na rozdíl od nízkofrekvenčního multimetru nebo například kompaktního LCD osciloskopu se takové zařízení zřídka vyskytuje v prodeji a náklady na nový značkový jsou poměrně vysoké. Proto, když bylo potřeba takové zařízení, bylo sestrojeno navíc s číselníkovým miliampérmetrem jako indikátorem, který na rozdíl od digitálního umožňuje snadno a vizuálně vyhodnocovat změny odečtů kvantitativně, nikoli porovnáváním Výsledek. To je důležité zejména při nastavování zařízení, kde se neustále mění amplituda měřeného signálu. Současně je přesnost měření zařízení při použití určitých obvodů docela přijatelná.
Ve schématu v zásobníku je překlep: R9 by měl mít odpor 4,7 MΩ
RF voltmetry lze rozdělit do tří skupin. První z nich jsou postaveny na bázi širokopásmového zesilovače se zahrnutím diodového usměrňovače v obvodu záporné zpětné vazby. Zesilovač zajišťuje činnost usměrňovacího prvku v lineárním úseku proudově-napěťové charakteristiky. V zařízeních druhé skupiny je použit jednoduchý detektor s vysokoodporovým stejnosměrným zesilovačem (HPA). Stupnice takového vf voltmetru na spodních mezích měření je nelineární, což vyžaduje použití speciálních kalibračních tabulek nebo individuální kalibraci přístroje. Pokus poněkud linearizovat stupnici a posunout práh citlivosti dolů průchodem malého proudu diodou problém neřeší. Před začátkem lineárního úseku I–V charakteristiky jsou tyto voltmetry ve skutečnosti indikátory. Přesto jsou taková zařízení, jak v podobě hotových návrhů, tak nástavců k digitálním multimetrům, velmi oblíbená, o čemž svědčí četné publikace v časopisech a na internetu.
Třetí skupina přístrojů využívá linearizaci stupnice, kdy je do obvodu DCF zařazen linearizační prvek pro zajištění potřebné změny zesílení v závislosti na amplitudě vstupního signálu. Taková řešení se často používají v profesionálních zařízeních, například v širokopásmových vysokolineárních přístrojových zesilovačích s AGC nebo AGC jednotkách širokopásmových RF generátorů. Na tomto principu je postaveno popsané zařízení, jehož obvod je s malými změnami vypůjčen.
Při vší zjevné jednoduchosti má vf voltmetr velmi dobré parametry a samozřejmě lineární stupnici, která eliminuje problémy s kalibrací.
Rozsah měřeného napětí je od 10 mV do 20 V. Pracovní frekvenční pásmo je 100 Hz…75 MHz. Vstupní odpor je minimálně 1 MΩ se vstupní kapacitou ne větší než několik pikofaradů, což je dáno konstrukcí hlavy detektoru. Chyba měření není horší než 5 %.
Linearizační jednotka je vyrobena na čipu DA1. Dioda VD2 v obvodu záporné zpětné vazby pomáhá zvýšit zesílení tohoto stupně UPT při nízkém vstupním napětí. Pokles výstupního napětí detektoru je kompenzován, v důsledku toho získávají odečty zařízení lineární závislost. Kondenzátory C4, C5 zabraňují samobuzení UPT a snižují možné snímače. Proměnný rezistor R10 slouží k nastavení ukazatele měřicího zařízení PA1 na nulovou značku stupnice před zahájením měření. V tomto případě musí být vstup hlavice detektoru uzavřen. Napájení zařízení nemá žádné speciální funkce. Je vyroben na dvou stabilizátorech a poskytuje bipolární napětí 2 × 12 V pro napájení operačních zesilovačů (síťový transformátor není na schématu konvenčně znázorněn, ale je součástí montážní sady).
Všechny části zařízení, s výjimkou částí měřicí sondy, jsou osazeny na dvou deskách plošných spojů z jednostranné fólie ze sklolaminátu. Níže je fotografie desky UPT, napájecí desky a měřicí sondy.
Miliampérmetr RA1 - M42100, s proudem plné výchylky jehly 1 mA. Spínač SA1 - PGZ-8PZN. Variabilní odpor R10 - SP2-2, všechny ladicí odpory - importované víceotáčkové, například 3296W. Rezistory nestandardních jmenovitých hodnot R2, R5 a R11 mohou být tvořeny dvěma zapojenými do série. Operační zesilovače lze nahradit jinými s vysokou vstupní impedancí a nejlépe s vnitřní korekcí (aby se obvod nekomplikoval). Všechny pevné kondenzátory jsou keramické. Kondenzátor C3 se montuje přímo na vstupní konektor XW1.
Dioda D311A ve vf usměrňovači byla zvolena z hlediska optimálního maximálního přípustného vf napětí a účinnosti usměrnění na horní hranici měřeného kmitočtu.
Pár slov o konstrukci měřicí sondy přístroje. Tělo sondy je vyrobeno ze sklolaminátu ve formě trubice, na kterou je nasazeno stínítko z měděné fólie.
Uvnitř pouzdra je deska z fóliového sklolaminátu, na které jsou nasazeny části sondy. Pro kontakt se společným drátem odnímatelného rozdělovače, který lze našroubovat na místo hrotu sondy, je přibližně uprostřed tělesa upraven prstenec z pocínovaného fóliového pásu.
Nastavení zařízení začíná vyvážením operačního zesilovače DA2. K tomu se přepne přepínač SA1 do polohy "5 V", sepne se vstup měřicí sondy a ukazatel přístroje PA1 se nastaví trimovacím rezistorem R13 na nulovou značku stupnice. Poté se zařízení přepne do polohy „10 mV“, na jeho vstup se přivede stejné napětí a šipka zařízení RA1 se nastaví na poslední dílek stupnice s rezistorem R16. Dále se na vstup voltmetru přivede napětí 5 mV, šipka přístroje by měla být přibližně uprostřed stupnice. Linearity naměřených hodnot je dosaženo volbou rezistoru R3. Ještě lepší linearity lze dosáhnout volbou odporu R12, je však třeba mít na paměti, že to ovlivní zesílení UPT. Dále je zařízení kalibrováno na všech dílčích rozsazích s odpovídajícími ladícími odpory. Jako referenční napětí při kalibraci voltmetru autor použil generátor Agilent 8648A (s ekvivalentem zátěže 50 Ohm připojeným na jeho výstup), který má digitální měřič úrovně výstupního signálu.
Celý článek z časopisu Rádio č. 2, 2011 je ke stažení zde
LITERATURA:
1. Prokofjev I., Milivoltmetr-Q-metr. - Rozhlas, 1982, č. 7, s. 31.
2. Stepanov B., RF hlavice pro digitální multimetr. - Rozhlas, 2006, č. 8, s. 58, 59.
3. Stepanov B., Schottkyho diodový RF voltmetr. - Rozhlas, 2008, č. 1, s. 61, 62.
4. Pugach A., Vysokofrekvenční milivoltmetr s lineární stupnicí. - Rozhlas, 1992, č. 7, s. 39.
Cena desek plošných spojů (sonda, hlavní deska a napájecí deska) s maskou a označením: 80 UAH
