Можливість передчасного виходу з ладу дорогого акумулятора змушує автолюбителя ретельно стежити за роботою реле-регулятора напруги та станом бортової електромережі автомобіля. Напруга в ній не повинна відрізнятися більше ±3% від оптимальної величини, яка визначається для цих умов експлуатації акумуляторної батареї та залежить від кліматичної зони, місця встановлення акумулятора та його технічного стану, режиму експлуатації автомобіля. Чим точніше підтримуватиметься оптимальна напруга під час заряджання акумуляторної батареї, тим довше вона прослужить.
Велике значення має правильна робота автомобільного генератора. При підвищенні напруги генератора вище оптимального на 10-12% (близько 0,15) термін служби акумуляторної батареї і електроламп скорочується в 2-2,5 рази.
Щоб точно виконувати всі необхідні регулювання, потрібен спеціальний вольтметр, який вимірює напругу в діапазоні 13-15 В з точністю до 0,1 В. Купити такий прилад важко, але виготовити подібний з розтягнутою в діапазоні 10-15 В шкалою зможуть багато хто. Підвищена точність вимірювань, лінійна шкала у всьому діапазоні вимірювань, відсутність власного джерела живлення, підвищена надійність (за рахунок передбачених у пристрої елементів захисту, що не впливають на точність вимірювань), можливість регулювання зони "розтягування" шкали - відмінні риси даного приладу. Виконаний він на базі операційного підсилювача і є вимірювачем різниці напруг.
Технічні характеристики вольтметра
- Діапазон вимірюваної напруги, Ст . . від 10 до 15
Досяжна похибка вимірювань при температурі 20±5°С, не гірша, % ...0,5
Дискретність, Ст . . 0,05
Вхідний опір, щонайменше, ком. . . 0,75
Діапазон робочих температур, °С. . . від -10 до +35
Габарити (з мікроамперметром М906), мм. . . 65х105х120
Живиться вольтметр безпосередньо від об'єкта виміру. Початкове зміщення, щодо якого проводиться вимірювання, встановлюється опором ланцюжка резисторів R3, R4 (див. принципову схему рис.1), а величина зворотного зв'язку (визначає коефіцієнт посилення ОУDA1 і, відповідно, ступінь розтягування діапазону) задається опором ланцюжка резисторів R5, R6.
Джерело опорної напруги на стабілітроні VD3 забезпечує також зміщення потенціалу на неінвертуючому вході DA на величину, що дорівнює приблизно половині вимірюваного падіння напруги, що необхідно для роботи ОУ з однополярним живленням.
Опір резистора R7 залежить від чутливості мікроамперметра РА та величини максимальної вихідної напруги операційного підсилювача щодо катода стабілітрона VD3.
Діоди VD1, VD2 забезпечують захист ОУ, a VD4, VD5 - мікроамперметра від навантаження струмом. VD1 забороняє проходження струму негативної полярності через резистор R1 та операційний підсилювач. Можливе проходження струму через стабілітрон VD3, зміщений у прямому напрямку, діод VD2 та резистори R2-R4. Тим самим між входами DA (висновки 3,2) встановиться різниця потенціалів не більше 0,7 В. Аналогічне падіння напруги буде на виводі 3 щодо 4 виведення ОУ.
Таким чином, забезпечується надійний захист ОУ від помилки при підключенні полярності.
У вольтметрі застосовані постійні резистори типу МЛТ, як підлаштовані бажано використовувати багатообортні типу СП5-2, СП5-3, СП5-14. Допустимо використовувати інші типи ОУ, наприклад, К140УД7 або К140УД1А, К553УД1 з відповідними ланцюгами корекції. Діоди – будь-які малопотужні кремнієві. Стабілітрон КС147А можна замінити на КС156А, але, ймовірно, тоді погіршиться температурна стабільність вольтметра і потрібно уточнити номінали резисторів R1-R3. Мікроамперметр - М906 або М24 зі струмом повного відхилення 50 мкА та шкалою, що відповідає обраній зоні вимірювання. Можливе застосування інших стрілочних приладів зі струмом повного відхилення до 1 мА, але в цьому випадку необхідно підібрати величину резистора R5, виходячи з обраного значення падіння напруги на ньому (близько 1,5 В). Можна також використовувати авометр у режимі мікроамперметра. Тоді цей пристрій буде виконано у вигляді приставки до тестера.
За відсутності дефектних елементів та помилок у монтажі налагодження вольтметра зводиться до його калібрування. Дану операцію виконують за допомогою регульованого джерела живлення з вихідною напругою 9-16 і зразкового вольтметра, бажано цифрового, наприклад В7-16, ФЗО, ВР-11.
Підстроювальні резистори встановлюють в середнє положення і на вхід вольтметра подають напругу 12-13, контролюючи його за зразковим приладом. Стрілка вольтметра, що налагоджується, повинна відхилитися від нульового значення. Потім на виході джерела живлення встановлюють напругу 10 (±0,05) і резистором R4 переводять стрілку вольтметра на нульове розподіл шкали. Після чого, збільшивши вимірювану напругу до 15 ± 0,05, резистором R6 встановлюють стрілку на кінцевий поділ шкали. Повторивши зазначені операції для 10 і 15, домагаються найбільш точної настройки вольтметра в робочому діапазоні 13-14,5 В.
Під час налагодження реле-регулятора напруга вимірюють безпосередньо на клемах акумулятора.
На рис.2 наведено друковану плату зі схемою розташування елементів. Плата встановлюється на контактні болти мікроамперметра М906 та поміщається разом з ним у коробку.
Мал. 2
В. Баканов, Е. Качанов, м. Чернівці, Моделіст-Конструктор №12, 1990 р., стор.27
Список радіоелементів
| Позначення | Тип | Номінал | Кількість | Примітка | Магазин | Мій блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DA | ОУ | К140УД6 | 1 | К140УД7, К140УД1А, К553УД1 | До блокноту | |
| VD1, VD2, VD4, VD5 | Діод | КД521В | 4 | До блокноту | ||
| VD3 | Стабілітрон | КС147А | 1 | До блокноту | ||
| C1 | Електролітичний конденсатор | 4.7 мкФ 20 В | 1 | До блокноту | ||
| C2 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 1 | До блокноту | ||
| R1 | Резистор | 510 Ом | 1 | До блокноту | ||
| R2 | Резистор | 15 ком | 1 | До блокноту | ||
| R3 | Резистор | 8.2 ком | 1 | МЛТ, підбір | До блокноту | |
| R4 | Підстроювальний резистор | 4.7 ком | 1 |
Щось часто мені стали ставити запитання щодо аналогової електроніки. Чи сесія студентів за яци взяла? ;) Гаразд, давно настав час рушити невеликий лікбезик. Зокрема щодо роботи операційних підсилювачів. Що це з чим це їдять і як це обраховувати.
Що це
Операційний підсилювач це підсилок з двома входами, нев'є… гхм… великим коефіцієнтом посилення сигналу та одним виходом. Тобто. у нас U вих = K * U вх а К в ідеалі дорівнює нескінченності. На практиці, звичайно, там числа скромніші. Скажімо, 1000000. Але навіть такі числа підривають мозок при спробі їх застосувати безпосередньо. Тому, як у дитячому садку, одна ялинка, дві, три, багато ялинок — у нас тут багато посилення;) І точка.
А входу два. І один із них прямий, а інший інверсний.
Більше того, входи високоомні. Тобто. їх вхідний опір дорівнює нескінченності в ідеальному випадку і дуже багато в реальному. Рахунок там йде на сотні мегаом, а то і на гігаоми. Тобто. воно заміряє напругу на вході, але впливає мінімально. І можна вважати, що струм у ОУ не тече.
Напруга на виході в такому випадку обчислюється як:
U out =(U 2 -U 1)*K
Очевидно, що якщо на прямому вході напруга більша ніж на інверсному, то на виході плюс нескінченність. А в протилежному випадку буде мінус нескінченність.
Зрозуміло в реальній схемі плюс і мінус нескінченності не буде, а їх замінювати буде максимально висока і низька напруга живлення підсилювача. І в нас вийде:
Компаратор
Пристрій дозволяє порівнювати два аналогові сигнали і виносити вердикт - який із сигналів більше. Вже цікаво. Застосувань йому можна вигадати масу. До речі, той же компаратор вбудований у більшість мікроконтролерів і як ним скористатися я показував на прикладі AVR в статтях і про створення. Також компаратор чудово використовується для створення.
Але одним компаратором справа не обмежується, адже якщо запровадити зворотний зв'язок, то з ОУ можна зробити дуже багато.
Зворотній зв'язок
Якщо сигнал візьмемо з виходу і відправимо прямо на вхід, то виникне зворотний зв'язок.
Позитивний зворотний зв'язок
Візьмемо і заженемо у прямий вхід сигнал відразу з виходу.
- Напруга U1 більша за нуль — на виході -15 вольт
- Напруга U1 менша за нуль — на виході +15 вольт
А що буде якщо напруга дорівнюватиме нулю? За ідеєю на виході має бути нуль. Але насправді напруга НІКОЛИ не дорівнюватиме нулю. Адже навіть якщо на один електрон заряд правого переважить заряд лівого, то цього вже достатньо, щоб на нескінченному посиленні вкотити потенціал на вихід. І на виході почнеться формене пекло — стрибки сигналу туди, то сюди зі швидкістю випадкових обурень, що наводяться на входи компаратора.
Для вирішення цієї проблеми вводять гістерезис. Тобто. свого роду зазор між перемиканнями з одного стану до іншого. Для цього вводять позитивний зворотний зв'язок, так:
 |
Вважаємо, що на інверсному вході зараз +10 вольт. На виході із ЗУ мінус 15 вольт. На прямому вході вже не нуль, а невелика частина вихідної напруги з дільника. Тепер, поки напруга на інверсному вході не знизиться нижче -1.4 вольта вихід ОУ не змінить своєї напруги. А як тільки напруга стане нижче -1.4, то вихід ОУ різко перекинеться +15 і на прямому вході буде вже зміщення +1.4 вольта.
І для того, щоб змінити напругу на виході компаратора сигналу U1 треба буде збільшитися на 2.8 вольта, щоб дістатися верхньої планки +1.4.
Виникає своєрідний зазор де немає чутливості між 1.4 і -1.4 вольтами. Ширина зазору регулюється співвідношеннями резисторів R1 і R2. Порогова напруга обчислюється як Uout/(R1+R2) * R1 Скажемо 1 до 100 дасть вже +/-0.14 вольт.
Але все ж таки ОУ частіше використовують у режимі з негативним зворотним зв'язком.
Негативний зворотний зв'язок
Окей, застромимо інакше:
 |
У разі негативного зворотного зв'язку у ЗУ виникає цікава властивість. Він завжди намагатиметься так підігнати свою вихідну напругу, щоб напруги на входах були рівні, в результаті даючи нульову різницю.
Поки я у великій книзі від товаришів Хоровиця та Хілла це не прочитав, ніяк не міг в'їхати в роботу ОУ. А виявилось усе просто.
Повторювач
І вийшов у нас повторювач. Тобто. на вході U 1 на інверсному вході U out = U 1 . Ну і виходить, що U out = U1.
Постає питання нам таке щастя? Можна ж було прямо кинути провід і не потрібен буде ніякий ОУ!
Можна, але не завжди. Уявімо таку ситуацію, є датчик виконаний у вигляді резистивного дільника:
 |
Нижній опір змінює своє значення, змінюється розклад напруги виходу з дільника. А нам треба зняти з нього свідчення вольтметром. Але у вольтметра є свій внутрішній опір, нехай велике, але воно змінюватиме показання з датчика. Більше того, якщо ми не хочемо вольтметр, а хочемо, щоб лампочка змінювала яскравість? Лампочку то сюди не підключити вже! Тому вихід буферизуємо операційним підсилювачем. Його той вхідний опір величезний і впливатиме він мінімально, а вихід може забезпечити цілком відчутний струм (десятки міліампер, а то й сотні), чого цілком вистачить для роботи лампочки.
Загалом, застосувань для повторювача можна знайти. Особливо у прецезійних аналогових схемах. Або там, де схемотехніка одного каскаду може впливати на роботу іншого, щоб розділити їх.
Підсилювач
А тепер зробимо фінт вухами - візьмемо наш зворотний зв'язок і через дільник напруги підсадимо на землю:
 |
Тепер на інверсний вхід подається половина вихідної напруги. А підсилювачу як і раніше треба зрівняти напруги на своїх входах. Що йому доведеться зробити? Правильно — підняти напругу на своєму виході вдвічі вище за колишнє, щоб компенсувати дільник, що виник.
Тепер буде U1 на прямому. На інверсному U out /2 = U 1 або U out = 2 * U 1 .
Поставимо дільник з іншим співвідношенням – ситуація зміниться у тому ж ключі. Щоб тобі не крутити в умі формулу дільника напруги, я її відразу і дам:
U out = U 1 *(1+R 1 /R 2)
Мнемонічно запам'ятовується що ділиться дуже просто:
При цьому виходить, що вхідний сигнал йде ланцюгом резисторів R 2 , R 1 U out . При цьому прямий вхід підсилювача засаджений на нуль. Згадуємо звички ОУ — він намагатиметься будь-якими правдами і неправдами зробити так, щоб на його інверсному вході утворилася напруга, що дорівнює прямому входу. Тобто. нуль. Єдиний варіант це зробити - опустити вихідну напругу нижче за нуль настільки, щоб у точці 1 виник нуль.
Отже. Уявімо, що U out =0. Поки що дорівнює нулю. А напруга на вході, наприклад, 10 вольт щодо U out . Дільник з R 1 і R 2 поділить його навпіл. Таким чином, у точці 1 п'ять вольт.
П'ять вольт не дорівнює нулю і ОУ опускає свій вихід доти, поки в точці 1 не буде нуля. Для цього на виході має стати (-10) вольт. При цьому щодо входу різниця буде 20 вольт, а дільник забезпечить нам рівно 0 у точці 1. Отримали інвертор.
Але ж можна й інші резистори підібрати, щоб наш дільник видавав інші коефіцієнти!
Загалом формула коефіцієнта посилення для такого підсилювання буде наступною:
U out = - U in * R 1 / R 2
Ну і мнемонічна картинка для швидкого запам'ятовування Ху з Ху.
Допустимо U 2 і U 1 буде по 10 вольт. Тоді на 2-й точці буде 5 вольт. А вихід має стати таким, щоб на 1й точці стало теж 5 вольт. Тобто банкрутом. Ось і виходить, що 10 вольт мінус 10 вольт дорівнює нулю. Все вірно:)
Якщо U 1 стане 20 вольт, вихід буде опуститися до -10 вольт.
Самі порахуйте – різниця між U 1 та U out стане 30 вольт. Струм через резистор R4 буде при цьому (U 1 -U out)/(R 3 +R 4) = 30/20000 = 0.0015А, а падіння напруги на резисторі R 4 складе R 4 *I 4 = 10000*0.0015 = 15 вольт . Віднімемо падіння 15 вольт з вхідних 20 і отримаємо 5 вольт.
Таким чином, наш ОУ вирішував арифметичну задачу з 10 віднімав 20, отримавши -10 вольт.
Понад те, завдання є коефіцієнти, зумовлені резисторами. Просто у мене, для простоти, резистори обрані однакового номіналу і тому всі коефіцієнти дорівнюють одиниці. А насправді, якщо взяти довільні резистори, то залежність виходу від входу буде такою:
U out = U 2 * K 2 - U 1 * K 1
K 2 = ((R 3 +R 4) * R 6) / (R 6 +R 5)*R 4
K 1 = R 3 / R 4
Мнемотехніка для запам'ятовування формули розрахунку коефіцієнтів така:
Прям за схемою. Чисельник у дробі зверху тому складаємо верхні резистори в ланцюзі протікання струму і множимо на нижній. Знаменник унизу, тому складаємо нижні резистори і множимо на верхній.
Тут усе просто. Т.к. точка 1 у нас постійно приводиться до 0, то можна вважати, що струми, що втікають в неї, завжди рівні U/R, а входять у вузол номер 1 струми сумуються. Співвідношення вхідного резистора та резистора у зворотному зв'язку визначає вагу вхідного струму.
Гілок може бути скільки завгодно, я ж намалював лише дві.
U out = -1 (R 3 * U 1 / R 1 + R 3 * U 2 / R 2)
Резистори на вході (R 1 R 2) визначають величину струму, а значить загальна вага вхідного сигналу. Якщо зробити всі резистори рівними, як у мене, то вага буде однаковим, а коефіцієнт множення кожного доданку дорівнюватиме 1. І U out = -1(U 1 +U 2)
Суматор неінвертуючий
Тут все трохи складніше, але схоже.
 |
Uout = U 1 * K 1 + U 2 * K 2
K 1 = R 5 / R 1
K 2 = R 5 / R 2
Причому резистори у зворотному зв'язку повинні бути такими, щоб дотримувалися рівняння R 3 /R 4 = K 1 +K 2
Загалом, на операційних підсилювачах можна творити будь-яку математку, складати, множити, ділити, рахувати похідні та інтеграли. Причому майже миттєво. На ОУ виготовляють аналогові обчислювальні машини. Одну таку я навіть бачив на п'ятому поверсі ЮУрГУ — дурниця розміром на пів кімнати. Декілька металевих шаф. Програма набирається з'єднанням різних блоків проводками:)
Ця стаття присвячена двом вольтметрам, реалізованим на мікроконтролері PIC16F676. Один вольтметр має діапазон вимірюваної напруги від 0,001 до 1,023 вольта, інший, з відповідним резистивним дільником 1:10, може вимірювати напруги від 0,01 до 10,02 вольта. Струм споживання всього пристрою при вихідному напрузі стабілізатора +5 вольт становить приблизно 13,7 мА. Схема вольтметра зображено малюнку 1.
Два вольтметри схема
Цифровий вольтметр, робота схеми
Для реалізації двох вольтметрів використано два виведення мікроконтролера, налаштованих на вхід для модуля цифрового перетворення. Вхід RA2 використовується для вимірювання малої напруги, в районі вольта, а до входу RA0 підключений дільник напруги 1:10, що складається з резисторів R1 і R2, що дозволяє вимірювати напругу до 10 вольт. У цьому мікроконтролері використовується десятирозрядний модуль АЦПі щоб реалізувати вимірювання напруги з точністю до 0,001 вольта для діапазону 1, довелося застосувати зовнішнє опорне напруга від ІОН мікросхеми DA1 К157ХП2. Оскільки потужність ІОНмікросхеми дуже маленька, і щоб унеможливити вплив зовнішніх ланцюгів на цей ІОН, в схему введено буферний ОУ на мікросхемі DA2.1 LM358N. Це неінвертуючий повторювач напруги, що має стовідсотковий негативний зворотний зв'язок - ООС. Вихід цього ОУ навантажений на навантаження, що складається з резисторів R4 та R5. З движка підстроювального резистора R4, опорна напруга величиною 1,024 подається на висновок 12 мікроконтролера DD1, сконфігурованого, як вхід опорної напруги для роботи модуля АЦП. При такій напрузі кожен розряд оцифрованого сигналу дорівнюватиме 0,001 В. Щоб зменшити вплив шумів, при вимірюванні малих величин напруги застосований ще один повторювач напруги, реалізований на другому мікросхеми ОУ DA2. ООС цього підсилювача різко зменшує шумову складову вимірюваної величини напруги. Також зменшується напруга імпульсних перешкод вимірюваної напруги.
Для виведення інформації про вимірювані величини застосований дворядковий РКІ, хоча для цієї конструкції вистачило б і одного рядка. Але мати в запасі можливість виведення ще якоїсь інформації, теж не погано. Яскравість підсвічування індикатора регулюється резистором R6, контрастність символів залежить від величини резисторів дільника напруги R7 і R8. Живиться пристрій від стабілізатора напруги, зібраного на мікросхемі DA1. Вихідна напруга +5 Встановлюється резистором R3. Для зменшення загального струму споживання, напруга живлення самого контролера можна зменшити до величини, коли б зберігалася працездатність контролера індикатора. Під час перевірки даної схеми індикатор стійко працював при напрузі живлення мікроконтролера 3,3 вольта.
Налаштування вольтметра
Для налаштування даного вольтметра необхідний, як мінімум, цифровий мультиметр, здатний вимірювати напругу 1,023 вольта, для налаштування опорної напруги ІОН. І так, за допомогою контрольного вольтметра виставляємо на виведенні 12 мікросхеми DD1 напруга завбільшки 1,024 вольта. Потім на вхід ОУ DA2.2, 5 висновок подаємо напругу відомої величини, наприклад 1,000 вольт. Якщо показання контрольного і вольтметрів, що налаштовується, не збігаються, то підстроювальним резистором R4, змінюючи величину опорної напруги, домагаються рівнозначних показань. Потім на вхід U2 подають контрольну напругу відомої величини, наприклад 10,00 вольт і добіркою величини опору резистора R1, можна і R2, а можна тим і іншим домагаються рівнозначних показань обох вольтметрів. У цьому регулювання закінчується.
Компаратори
Якщо використовувати операційний підсилювач без негативного зворотного зв'язку (ООС), однозначно можна говорити, що вийде . Для того, щоб розібратися як він працює, можна зробити кілька простих, але наочних дослідів. Для цього знадобиться небагато: власне операційний підсилювач, блок живлення з напругою 9…25В, кілька резисторів, пара світлодіодів та вольтметр ().
Зі світлодіодів і резисторів збирається найпростіший логічний пробник, як показано на малюнку 1.
При подачі на вхід пробника позитивної напруги (можна навіть подати +U) світиться червоний світлодіод, а якщо вхід з'єднати із загальним дротом, то запалиться зелений. За допомогою такого пробника стан виходу операційного підсилювача, що випробовується, стає наочним і зрозумілим.
Як піддослідний «кролик» підійде будь-який, не особливо якісний і дорогий, наприклад КР140УД608(708) у пластмасових корпусах або К140УД6(7) у круглих металевих.
Рисунок 1. Схема простого логічного пробника
Слід зазначити, що незважаючи на різні корпуси, цоколівка цих мікросхем однакова і відповідає показаній на схемах нижче. Найчастіше трапляється, що цоколівка пластмасових і металевих корпусів не збігається, хоча насправді це однакові мікросхеми. Зараз більшість операційних підсилювачів, особливо імпортних, випускаються в пластмасових корпусах, і все працює добре і прекрасно, і ніякої плутанини з цоколівками. А раніше такі «пластмасові» мікросхеми у фахівців зневажливо називалися «ширвжитківськими».
Рисунок 2. Схема на операційному підсилювачі
Для перших дослідів зберемо схему, показану на малюнку 2. Тут зроблено не так вже й багато: до однополярного джерела живлення підключений власне операційний підсилювач і показаний на малюнку 1 логічний пробник. Напруга живлення +U однополярна величиною 9…30В. Величина напруги у наших дослідах особливого значення не має.
Ось тут може виникнути цілком законне питання: «Чому пробник логічний, адже операційний підсилювач аналоговий елемент?». Так, але в даному випадку операційний підсилювач працює не в режимі посилення, а в режимі компаратора, і на виході має два рівні. Напруга близька до 0В, називається логічним нулем, а напруга близька до U логічної одиницею. У разі двополярного живлення логічному нулю відповідає напруга близька до -U.
При подачі напруги живлення один із світлодіодів обов'язково має засвітитися. На питання який, червоний чи зелений відповісти не можна, оскільки все залежить від параметрів конкретного операційного підсилювача та зовнішніх умов, наприклад від мережевих наведень. Якщо взяти кілька однотипних ОУ, то результати будуть різні.
Напруга на виході операційного підсилювача контролюється вольтметром: якщо світиться червоний світлодіод, то вольтметр покаже напругу близьку до +U, а у разі світіння зеленого світлодіода напруга буде майже нульовою.
Тепер можна спробувати подати на входи якісь напруги і подивитися по індикаторах і вольтметру як поводитиметься операційний підсилювач. Найпростіше подати напруги, торкнувшись одним пальцем по черзі кожного входу операційного підсилювача, а іншим одного з висновків живлення. При цьому має змінитися свічення пробника та показання вольтметра. Але цих змін може й не статися.
Вся справа в тому, що деякі операційні підсилювачі розраховані на те, що напруга на входах знаходиться в певних межах: дещо вище, ніж напруга на виведенні 4 і трохи нижче, ніж напруга живлення на виведенні 7. Це трохи нижче, вище 1 …2в. Щоб продовжити досліди, виконавши зазначену умову, доведеться зібрати більш складну схему, показану на малюнку 3.
Малюнок 3.
Тепер напруга на входи подається за допомогою змінних резисторів R1, R2, движки яких слід перед початком вимірювань встановити поблизу середнього положення. Вольтметр тепер перемістився в інше місце: він показуватиме різницю напруг між прямим та інверсним входами.
Краще, якщо цей вольтметр буде цифровим: полярність напруги може змінюватися, на індикаторі цифрового приладу з'явиться знак "мінус", а стрілочний прилад просто "зашкалить" у зворотний бік. (Можна застосувати стрілочний вольтметр із середньою точкою шкали.) До того ж вхідний опір цифрового вольтметра набагато вищий, ніж у стрілочного, тому результати вимірювань вийдуть точнішими. Стан виходу будемо визначити за світлодіодним індикатором.
Тут доречно дати таку пораду: краще ці прості досліди зробити своїми руками, а не просто прочитати і вирішити, що все просто і зрозуміло. Це як прочитати самовчитель гри на гітарі, при цьому гітару не взявши жодного разу до рук. Тож почнемо.
Перше, що треба зробити, це встановити двигуни змінних резисторів приблизно в середнє положення, при цьому напруга на входах операційного підсилювача близько до половини напруги живлення. Чутливість вольтметра слід зробити максимальною, але можливо не відразу, а поступово, щоб не спалити прилад.
Припустимо, що на виході операційного підсилювача низький рівень світиться зелений світлодіод. Якщо це не так, то такого стану можна досягти, обертаючи змінний резистор R1 таким чином, щоб двигун переміщався вниз за схемою можна практично до 0В.
Тепер за допомогою змінного резистора R1 почнемо додавати напругу прямому вході операційного підсилювача (висновок 3), спостерігаючи за показаннями вольтметра. Як тільки вольтметр покаже позитивну напругу (напруга на прямому вході (висновок 3) більше, ніж на інверсному (висновок 2)) запалиться червоний світлодіод. Отже напруга на виході операційного підсилювача висока або, як раніше, логічна одиниця.
Невелика довідка
Точніше навіть не логічна одиниця, а високий рівень: логічна одиниця означає істинність сигналу, мовляв, подія сталася. Але це істинність, ця логічна одиниця то, можливо виражена і низьким рівнем. Як приклад можна згадати інтерфейс RS-232, в якому логічній одиниці відповідає негативна напруга, тоді як логічний нуль має позитивну напругу. Хоча в інших схемах логічна одиниця найчастіше виражається високим рівнем.
Продовжимо науковий досвід. Почнемо обережно і повільно обертати резистор R1 у зворотний бік, стежачи за показаннями вольтметра. У певний момент він покаже нуль, але червоний світлодіод ще світитиметься. Спіймати становище у якому обидва світлодіоди погашені навряд чи вдасться.
При подальшому обертанні резистора полярність показань вольтметра також зміниться негативну. Це свідчить, що напруга на інверсному вході (2) за абсолютним значенням вище, ніж прямому вході (3). Засвітиться зелений світлодіод, що говорить про низький рівень на виході операційного підсилювача. Після цього можна продовжувати обертати резистор R1 в тому ж напрямку, але змін ніяких не станеться: зелений світлодіод не згасне і навіть не змінить яскравість.
Таке явище має місце коли операційний підсилювач працює як компаратора, тобто. без негативного зворотний зв'язок (іноді навіть із ПОС). Якщо ж ОУ працює в лінійному режимі, охоплений негативним зворотним зв'язком (ООС), то при обертанні двигуна резистора R1 напруга на виході змінюється пропорційно куту повороту, читай різниці напруги на входах, а зовсім не сходинкою. У цьому випадку яскравість світлодіода можна плавно змінювати.
З усього сказаного можна дійти невтішного висновку: напруга на виході операційного підсилювача залежить від різниці напруг на входах. У разі коли напруга на прямому вході вище, ніж на інверсному, вихідна напруга має високий рівень. В іншому випадку (напруга на інверсному вище, ніж на прямому) на виході рівень логічного нуля.
На початку цього експерименту було рекомендовано встановити двигуни резисторів R1, R2 приблизно в середнє положення. А що буде, якщо спочатку встановити їх на третину обігу або на дві третини? Та власне нічого не зміниться, все працюватиме також, як було описано вище. З цього можна зробити висновок, що сигнал на виході операційного підсилювача не залежить від абсолютного значення напруги на прямому та інверсному входах. А залежить лише від різниці напруги.
З усього сказаного можна зробити ще один важливий висновок: операційний підсилювач без зворотного зв'язку є компаратором - порівнюючий пристрій. У такому разі на один вхід подається опорна або зразкова напруга, а на інший напруга, величину якої треба контролювати. На який вхід подавати опорну напругу вирішується у процесі розробки схеми.
Як приклад на малюнку 4 показана схема , на вході якого є відразу два внутрішніх компаратора DA1 і DA2.
Малюнок 4. Схема інтегрального таймера NE555
Їх призначення - управління внутрішнім. Логіка керування досить проста: логічна одиниця з виходу компаратора DA2 встановлює тригер в одиницю, а логічна одиниця з виходу компаратора DA1 скидає тригер.
На резисторах R1 ... R3 зібраний дільник, що подає опорні напруги на входи компараторів. Всі три резистори мають однакові опори (5Ком), що формують напруги 2/3 і 1/3 напруги живлення, які подані відповідно на інвертуючий вхід DA1 і на неінвертуючий вхід DA2.
У плані того, що було написано вище, виходить, що логічна одиниця на виході компаратора DA1 вийде в тому випадку, якщо вхідна напруга на прямому вході перевищить опорну інверсному (2/3Uпит.), тригер скинеться в нуль.
Для того, щоб встановити тригер 1, потрібно отримати високий рівень на виході внутрішнього компаратора DA2. Такий стан буде досягнуто коли рівень напруги на інверсному вході DA2 буде меншим за 1/3Uпіт. Саме таку опорну напругу подано на прямий вхід компаратора DA2.
Тут не ставиться мета опису інтегрального таймера NE555, просто як приклад використання ОУ показані вхідні компаратори, заховані всередині мікросхеми. Для тих, кому цікаво застосування таймера 555, можна рекомендувати для прочитання статті.
ВЧ вольтметр з лінійною шкалою
Роберт АКОПОВ (UN7RX), м. Жезказган Карагандинської обл., Казахстан
Одним із необхідних приладів в арсеналі радіоаматора-короткохвильовика, безумовно, є високочастотний вольтметр. На відміну від НЧ мультиметра або, наприклад, компактного ЖК осцилографа, такий прилад у продажу зустрічається рідко, та й вартість нового фірмового досить висока. Тому, коли назріла необхідність у такому приладі, він був побудований, причому зі стрілочним міліамперметром як індикатор, який, на відміну від цифрового, дозволяє легко та наочно оцінювати зміни показань кількісно, а не шляхом порівняння результатів. Це особливо важливо при налагодженні пристроїв, де амплітуда вимірюваного сигналу постійно змінюється. У той самий час точність виміру приладу під час використання певної схемотехніки виходить цілком прийнятною.
На схемі в журналі друкарська помилка: R9 повинен бути опором 4,7 МОм
ВЧ вольтметри можна поділити на три групи. Перші побудовані з урахуванням широкосмугового підсилювача з включенням діодного випрямляча в ланцюг негативної ОС. Підсилювач забезпечує роботу елемента випрямлення на лінійній ділянці ВАХ. У приладах другої групи застосовують найпростіший детектор із високоомним підсилювачем постійного струму (УПТ). Шкала такого ВЧ вольтметра на нижніх межах вимірів нелінійна, що вимагає застосування спеціальних градуювальних таблиць або індивідуального калібрування приладу. Спроба певною мірою лінеаризувати шкалу і зрушити поріг чутливості вниз шляхом пропускання невеликого струму через діод проблему не вирішує. До початку лінійної ділянки ВАХ ці вольтметри є, власне, індикаторами . Проте такі прилади, як у вигляді закінчених конструкцій, так і до цифрових мультиметрів, дуже популярні, про що свідчать численні публікації в журналах і мережі Інтернет.
Третя група приладів використовує лінеаризацію шкали, коли лінеаризуючий елемент включений до ланцюга ОС УПТ для забезпечення необхідної зміни посилення в залежності від амплітуди вхідного сигналу. Подібні рішення нерідко використовують у вузлах професійної апаратури, наприклад, у широкосмугових високолінійних вимірювальних підсилювачах з АРУ або вузлах АРУ широкосмугових ВЧ генераторів. Саме на такому принципі побудований описуваний прилад, схема якого з незначними змінами запозичена з .
При всій очевидній простоті вольтметр ВЧ має дуже непогані параметри і, природно, лінійну шкалу, що позбавляє проблем з градуюванням.
Діапазон вимірюваної напруги - від 10 мВ до 20 В. Робоча частотна смуга - 100 Гц ... 75 МГц. Вхідний опір - не менше 1 МОм при вхідній ємності не більше кількох пикофарад, яка визначається конструкцією детекторної головки. Похибка вимірювань — не гірша за 5 %.
Лінеарізуючий вузол виконаний на мікросхемі DA1. Діод VD2 у ланцюгу негативної ОС сприяє підвищенню посилення цього ступеня УПТ при малих значеннях вхідної напруги. Зниження вихідної напруги детектора компенсується, в результаті показання приладу набувають лінійної залежності. Конденсатори С4, С5 запобігають самозбудженню УПТ та зменшують можливі наведення. Змінний резистор R10 служить для встановлення стрілки вимірювального приладу РА1 на відмітку нульової шкали перед проведенням вимірювань. При цьому вхід детекторної головки має бути замкнутий. харчування приладу особливостей немає. Він виконаний на двох стабілізаторах і забезпечує двополярну напругу 2×12 для живлення операційних підсилювачів (мережевий трансформатор на схемі умовно не показаний, але входить до складу набору для складання).
Всі деталі приладу, крім деталей вимірювального щупа, змонтовані на двох друкованих платах з однобічно фольгованого склотекстоліту. Нижче наведено фотографію плати УПТ, плати а живлення та вимірювального щупа.
Мілліамперметр РА1 - М42100, зі струмом повного відхилення стрілки 1 мА. Перемикач SA1 - ПГЗ-8ПЗН. Змінний резистор R10 - СП2-2, всі підстроювальні резистори - імпортні багатооборотні, наприклад 3296W. Резистори нестандартних номіналів R2, R5 та R11 можуть бути складені з двох, включених послідовно. Операційні підсилювачі можна замінити на інші, з високим вхідним опором і бажано з внутрішньою корекцією (щоб не ускладнювати схему). Усі постійні конденсатори – керамічні. Конденсатор СЗ змонтований безпосередньо на вхідному роз'єм XW1.
Діод Д311А в ВЧ випрямлячі обраний з міркування оптимальності максимально допустимого ВЧ напруги та ефективності випрямлення на верхній частотній межі, що вимірюється.
Декілька слів про конструкцію вимірювального щупа приладу. Корпус щупа виготовлений зі склотекстоліту у вигляді трубки, поверх якої одягнений екран із мідної фольги.
Усередині корпусу розміщена плата із фольгованого склотекстоліту, на якій змонтовані деталі щупа. Кільце зі смужки лудженої фольги приблизно посередині корпусу призначене для забезпечення контакту із загальним проводом знімного дільника, який можна нагвинтити замість наконечника щупа.
Налагодження приладу починають із балансування ОУ DA2. Для цього перемикач SA1 встановлюють у положення «5», замикають вхід вимірювального щупа і резистором підлаштування R13 встановлюють стрілку приладу РА1 на нульову позначку шкали. Потім перемикають прилад у положення «10 мВ», на його вхід подають таку ж напругу, і резистором R16 встановлюють стрілку приладу РА1 на останній поділ шкали. Далі на вхід вольтметра подають напругу 5 мВ, стрілка приладу має бути приблизно на середині шкали. Лінійності показань досягають вибіркою резистора R3. Ще кращої лінійності можна досягти добіркою резистора R12, проте слід пам'ятати, що це вплине коефіцієнт посилення УПТ. Далі калібрують прилад на всіх піддіапазон відповідними підстроювальними резисторами. Як а зразкової напруги при градуювання вольтметра автор використовував генератор Agilent 8648A (з підключеним до його виходу еквівалентом навантаження опором 50 Ом), що має цифровий вимірювач рівня вихідного сигналу.
Всю статтю з журналу Радіо №2, 2011 можна завантажити звідси
ЛІТЕРАТУРА:
1. Прокоф'єв І., Міллівольтметр-Q-метр. - Радіо, 1982, № 7, с. 31.
2. Степанов Б., ВЧ головка до цифрового мультиметра. - Радіо, 2006, № 8, с. 58, 59.
3. Степанов Б., ВЧ вольтметр на діоді Шоттки. - Радіо, 2008, № 1, с. 61, 62.
4. Пугач А., Високочастотний мілівольтметр з лінійною шкалою. - Радіо, 1992, № 7, с. 39.
Вартість друкованих плат (щупа, основної плати та плати БП) з маскою та маркуванням: 80 грн.
