Возможность преждевременного выхода из строя дорогостоящего аккумулятора вынуждает автолюбителя тщательно следить за работой реле-регулятора напряжения и состоянием бортовой электросети автомобиля. Напряжение в ней не должно отличаться более ±3% от оптимальной величины, которая определяется для данных условий эксплуатации аккумуляторной батареи и зависит от климатической зоны, места установки аккумулятора и его технического состояния, режима эксплуатации автомобиля. Чем точнее будет поддерживаться оптимальное напряжение при подзарядке аккумуляторной батареи, тем дольше она прослужит.
Большое значение имеет правильная работа автомобильного генератора. При повышении напряжения генератора выше оптимального на 10-12% (около 0,15 В) срок службы аккумуляторной батареи и электроламп сокращается в 2-2,5 раза.
Чтобы точно выполнять все необходимые регулировки, нужен специальный вольтметр, измеряющий напряжение в диапазоне 13-15 В с точностью до 0,1 В. Купить такой прибор трудно, но изготовить подобный с растянутой в диапазоне 10-15 В шкалой смогут многие. Повышенная точность измерений, линейная шкала во всем диапазоне измерений, отсутствие собственного источника питания, повышенная надежность (за счет предусмотренных в устройстве элементов зашиты, не влияющих на точность измерений), возможность регулирования зоны "растяжки" шкалы - отличительные особенности данного прибора. Выполнен он на базе операционного усилителя и представляет собой измеритель разности напряжений.
Технические характеристики вольтметра
- Диапазон измеряемых напряжений, В. . . от 10 до 15
Достижимая погрешность измерений при температуре 20±5°С, не хуже, % ...0,5
Дискретность, В. . . 0,05
Входное сопротивление, не менее, кОм. . . 0,75
Диапазон рабочих температур, °С. . . от -10 до +35
Габариты (с микроамперметром М906), мм. . . 65х105х120
Питается вольтметр непосредственно от объекта измерения. Начальное смещение, относительно которого производится измерение, устанавливается сопротивлением цепочки резисторов R3, R4 (см. принципиальную схему рис.1), а величина обратной связи (определяющая коэффициент усиления ОУDA1 и, соответственно, степень "растяжки" диапазона) задается сопротивлением цепочки резисторов R5, R6.
Источник опорного напряжения на стабилитроне VD3 обеспечивает также смещение потенциала на неинвертнрующем входе DA на величину, равную приблизительно половине измеряемого падения напряжения, что необходимо для работы ОУ с однополярным питанием.
Сопротивление резистора R7 зависит от чувствительности микроамперметра РА и величины максимального выходного напряжения операционного усилителя относительно катода стабилитрона VD3.
Диоды VD1, VD2 обеспечивают защиту ОУ, a VD4, VD5 - микроамперметра от перегрузки по току. VD1 запрещает прохождение тока отрицательной полярности через резистор R1 и операционный усилитель. Возможно прохождение тока через стабилитрон VD3, смещенный в прямом направлении, диод VD2 и резисторы R2-R4. Тем самым между входами DA (выводы 3,2) установится разность потенциалов не более 0,7 В. Аналогичное падение напряжения будет на выводе 3 относительно вывода 4 ОУ.
Таким образом обеспечивается надежная защита ОУ от ошибки при подключении полярности.
В вольтметре применены постоянные резисторы типа МЛТ, в качестве подстроенных желательно использовать многообортные типа СП5-2, СП5-3, СП5-14. Допустимо использовать и другие типы ОУ, например, К140УД7 или К140УД1А, К553УД1 с соответствующими цепями коррекции. Диоды - любые маломощные кремниевые. Стабилитрон КС147А можно заменить на КС156А, но, вероятно, тогда ухудшится температурная стабильность вольтметра и потребуется уточнить номиналы резисторов R1-R3. Микроамперметр - М906 или М24 с током полного отклонения 50 мкА и шкалой, соответствующей выбранной зоне измерения. Возможно применение и других стрелочных приборов с током полного отклонения до 1 мА, но в этом случае необходимо подобрать величину резистора R5, исходя из выбранного значения падения напряжения на нем (около 1,5 В). Можно также использовать авометр в режиме микроамперметра. Тогда данное устройство будет выполнено в виде приставки к тестеру.
При отсутствии дефектных элементов и ошибок в монтаже налаживание вольтметра сводится к его калибровке. Данную операцию выполняют с помощью регулируемого источника питания с выходным напряжением 9-16 В и образцового вольтметра, желательно цифрового, например В7-16, ФЗО, ВР-11.
Подстроечные резисторы устанавливают в среднее положение и на вход вольтметра подают напряжение 12-13 В, контролируя его по образцовому прибору. Стрелка налаживаемого вольтметра должна отклониться от нулевого значения. Затем на выходе источника питания устанавливают напряжение 10 В (±0,05 В) и резистором R4 переводят стрелку вольтметра на нулевое деление шкалы. После чего, увеличив измеряемое напряжение до 15 ± 0,05 В, резистором R6 устанавливают стрелку на конечное деление шкалы. Повторив указанные операции для 10 В и 15 В, добиваются наиболее точной настройки вольтметра в рабочем диапазоне 13-14,5 В.
Во время налаживания реле-регулятора напряжение измеряют непосредственно на клеммах аккумулятора.
На рис.2 приведена печатная плата со схемой расположения элементов. Плата устанавливается на контактные болты микроамперметра М906 и помещается вместе с ним в коробку.
Рис. 2
В. Баканов, Э. Качанов, г. Черновцы, Моделист-Конструктор №12, 1990 г., стр.27
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DA | ОУ | К140УД6 | 1 | К140УД7, К140УД1А, К553УД1 | В блокнот | |
| VD1, VD2, VD4, VD5 | Диод | КД521В | 4 | В блокнот | ||
| VD3 | Стабилитрон | КС147А | 1 | В блокнот | ||
| C1 | Электролитический конденсатор | 4.7 мкФ 20 В | 1 | В блокнот | ||
| C2 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| R1 | Резистор | 510 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R2 | Резистор | 15 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R3 | Резистор | 8.2 кОм | 1 | МЛТ, подбор | В блокнот | |
| R4 | Подстроечный резистор | 4.7 кОм | 1 |
Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? ;) Ладно, давно пора двинуть небольшой ликбезик. В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать.
Что это
Операционный усилитель это усилок с двумя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. Т.е. у нас U вых = K*U вх а К в идеале равно бесконечности. На практике, конечно, там числа поскромней. Скажем 1000000. Но даже такие числа взрывают мозг при попытке их применить напрямую. Поэтому, как в детском саду, одна елочка, две, три, много елочек — у нас тут много усиления;) И баста.
А входа два. И один из них прямой, а другой инверсный.
Более того, входы высокоомные. Т.е. их входное сопротивление равно бесконечности в идеальном случае и ОЧЕНЬ много в реальном. Счет там идет на сотни МегаОм, а то и на гигаомы. Т.е. оно замеряет напряжение на входе, но на него влияет минимально. И можно считать, что ток в ОУ не течет.
Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:
U out =(U 2 -U 1)*K
Очевидно, что если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе плюс бесконечность. А в обратном случае будет минус бесконечность.
Разумеется в реальной схеме плюс и минус бесконечности не будет, а их замещать будет максимально высокое и максимально низкое напряжение питания усилителя. И у нас получится:
Компаратор
Устройство позволяющее сравнивать два аналоговых сигнала и выносить вердикт — какой из сигналов больше. Уже интересно. Применений ему можно придумать массу. Кстати, тот же компаратор встроен в большую часть микроконтроллеров и как им пользоваться я показывал на примере AVR в статьях и про создание . Также компаратор замечательно используется для создания .
Но одним компаратором дело не ограничивается, ведь если ввести обратную связь, то из ОУ можно сделать очень многое.
Обратная связь
Если мы сигнал возьмем со выхода и отправим прямиком на вход, то возникнет обратная связь.
Положительная обратная связь
Возьмем и загоним в прямой вход сигнал сразу с выхода.
- Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт
- Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт
А что будет если напряжение будет равно нулю? По идее на выходе должен быть ноль. Но в реальности напряжение НИКОГДА не будет равно нулю. Ведь даже если на один электрон заряд правого перевесит заряд левого, то уже этого достаточно, чтобы на бесконечном усилении вкатить потенциал на выход. И на выходе начнется форменный ад — скачки сигнала то туда, то сюда со скоростью случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.
Для решения этой проблемы вводят гистерезис. Т.е. своего рода зазор между переключениями из одного состояния в другое. Для этого вводят положительную обратную связь, вот так:
 |
Считаем, что на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а небольшая часть выходного напряжения с делителя. Примерно -1.4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1.4 вольта.
И для того, чтобы сменить напряжение на выходе компаратора сигналу U1 надо будет увеличиться на целых 2.8 вольта, чтобы добраться до верхней планки в +1.4.
Возникает своеобразный зазор где нет чувствительности, между 1.4 и -1.4 вольтами. Ширина зазора регулируется соотношениями резисторов в R1 и R2. Пороговое напряжение высчитывается как Uout/(R1+R2) * R1 Скажем 1 к 100 даст уже +/-0.14 вольт.
Но все же ОУ чаще используют в режиме с отрицательной обратной связью.
Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:
 |
В случае отрицательной обратной связи у ОУ появляется интересное свойство. Он всегда будет пытаться так подогнать свое выходное напряжение, чтобы напряжения на входах были равны, в результате давая нулевую разность.
Пока я в великой книге от товарищей Хоровица и Хилла это не прочитал никак не мог вьехать в работу ОУ. А оказалось все просто.
Повторитель
И получился у нас повторитель. Т.е. на входе U 1 , на инверсном входе U out = U 1 . Ну и получается, что U out = U 1 .
Спрашивается нафига нам такое счастье? Можно же было напрямую кинуть провод и не нужен будет никакой ОУ!
Можно, но далеко не всегда. Представим себе такую ситуацию, есть датчик выполненный в виде резистивного делителя:
 |
Нижнее сопротивление меняет свое значение, меняется расклад напряжений выхода с делителя. А нам надо снять с него показания вольтметром. Но у вольтметра есть свое внутреннее сопротивление, пусть большое, но оно будет менять показания с датчика. Более того, если мы не хотим вольтметр, а хотим чтобы лампочка меняла яркость? Лампочку то сюда никак не подключить уже! Поэтому выход буфферизируем операционным усилителем. Его то входное сопротивление огромно и влиять он будет минимально, а выход может обеспечить вполне ощутимый ток (десятки миллиампер, а то и сотни), чего вполне хватит для работы лампочки.
В общем, применений для повторителя найти можно. Особенно в прецезионных аналоговых схемах. Или там где схемотехника одного каскада может влиять на работу другого, чтобы разделить их.
Усилитель
А теперь сделаем финт ушами — возьмем нашу обратную связь и через делитель напряжения подсадим на землю:
 |
Теперь на инверсный вход подается половина выходного напряжения. А усилителю то по прежнему надо уравнять напряжения на своих входах. Что ему придется сделать? Правильно — поднять напряжение на своем выходе вдвое выше прежнего, чтобы компенсировать возникший делитель.
Теперь будет U 1 на прямом. На инверсном U out /2 = U 1 или U out = 2*U 1 .
Поставим делитель с другим соотношением — ситуация изменится в том же ключе. Чтобы тебе не вертеть в уме формулу делителя напряжения я ее сразу и дам:
U out = U 1 *(1+R 1 /R 2)
Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:
При этом получается, что входной сигнал идет по цепи резисторов R 2 , R 1 в U out . При этом прямой вход усилителя засажен на нуль. Вспоминаем повадки ОУ — он постарается любыми правдами и неправдами сделать так, чтобы на его инверсном входе образовалось напряжение равное прямому входу. Т.е. нуль. Единственный вариант это сделать — опустить выходное напряжение ниже нуля настолько, чтобы в точке 1 возник нуль.
Итак. Представим, что U out =0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно U out . Делитель из R 1 и R 2 поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт.
Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает свой выход до тех пор, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт. При этом относительно входа разность будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1. Получили инвертор.
Но можно же и другие резисторы подобрать, чтобы наш делитель выдавал другие коэффициенты!
В общем, формула коэффициента усиления для такого усилка будет следующей:
U out = — U in * R 1 /R 2
Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.
Допустим U 2 и U 1 будет по 10 вольт. Тогда на 2й точке будет 5 вольт. А выход должен будет стать таким, чтобы на 1й точке стало тоже 5 вольт. То есть нулем. Вот и получается, что 10 вольт минус 10 вольт равняется нуль. Все верно:)
Если U 1 станет 20 вольт, то выход должен будет опуститься до -10 вольт.
Сами посчитайте — разница между U 1 и U out станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U 1 -U out)/(R 3 +R 4) = 30/20000 = 0.0015А, а падение напряжения на резисторе R 4 составит R 4 *I 4 = 10000*0.0015 = 15 вольт. Вычтем падение в 15 вольт из входных 20 и получим 5 вольт.
Таким образом, наш ОУ прорешал арифметическую задачку из 10 вычел 20, получив -10 вольт.
Более того, в задачке есть коэффициенты, определяемые резисторами. Просто у меня, для простоты, резисторы выбраны одинакового номинала и поэтому все коэффициенты равны единице. А на самом деле, если взять произвольные резисторы, то зависимость выхода от входа будет такой:
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
Мнемотехника для запоминания формулы расчета коэффициентов такова:
Прям по схеме. Числитель у дроби вверху поэтому складываем верхние резисторы в цепи протекания тока и множим на нижний. Знаменатель внизу, поэтому складываем нижние резисторы и множим на верхний.
Тут все просто. Т.к. точка 1 у нас постоянно приводится к 0, то можно считать, что втекающие в нее токи всегда равны U/R, а входящие в узел номер 1 токи суммируются. Соотношение входного резистора и резистора в обратной связи определяет вес входящего тока.
Ветвей может быть сколько угодно, я же нарисовал всего две.
U out = -1(R 3 *U 1 /R 1 + R 3 *U 2 /R 2)
Резисторы на входе (R 1 , R 2) определяют величину тока, а значит общий вес входящего сигнала. Если сделать все резисторы равными, как у меня, то вес будет одинаковым, а коэффициент умножения каждого слагаемого будет равен 1. И U out = -1(U 1 +U 2)
Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.
 |
Uout = U 1 *K 1 + U 2 *K 2
K 1 = R 5 /R 1
K 2 = R 5 /R 2
Причем резисторы в обратной связи должны быть такими, чтобы соблюдалось уравнение R 3 /R 4 = K 1 +K 2
В общем, на операционных усилителях можно творить любую математку, складывать, умножать, делить, считать производные и интегралы. Причем практически мгновенно. На ОУ делают аналоговые вычислительные машины. Одну такую я даже видел на пятом этаже ЮУрГУ — дура размером в пол комнаты. Несколько металлических шкафов. Программа набирается соединением разных блоков проводочками:)
Эта статья посвящена двум вольтметрам, реализованных на микроконтроллере PIC16F676. Один вольтметр имеет диапазон измеряемых напряжений от 0,001 до 1,023 вольта, другой, с соответствующим резистивным делителем 1:10, может измерять напряжения от 0,01 до 10,02 вольта. Ток потребления всего устройства при выходном напряжении стабилизатора +5 вольт составляет примерно 13,7 мА. Схема вольтметра изображена на рисунке 1.
Два вольтметра схема
Цифровой вольтметр, работа схемы
Для реализации двух вольтметров использованы два вывода микроконтроллера, сконфигурированных на вход для модуля цифрового преобразования. Вход RA2 используется для измерения малых напряжений, в районе вольта, а к входу RA0 подключен делитель напряжения 1:10, состоящий из резисторов R1 и R2, позволяющий измерять напряжение до 10 вольт. В данном микроконтроллере используется десятиразрядный модуль АЦП и чтобы реализовать измерение напряжения с точностью до 0,001 вольта для диапазона 1 В, пришлось применить внешнее опорное напряжение от ИОН микросхемы DA1 К157ХП2. Так как мощность ИОН микросхемы очень маленькая, и чтобы исключить влияние внешних цепей на этот ИОН, в схему введен буферный ОУ на микросхеме DA2.1 LM358N . Это неинвертирующий повторитель напряжения, имеющий стопроцентную отрицательную обратную связь — ООС. Выход этого ОУ нагружен на нагрузку, состоящую из резисторов R4 и R5. С движка подстроечного резистора R4, опорное напряжение величиной 1,024 В подается на вывод 12 микроконтроллера DD1, сконфигурированного, как вход опорного напряжения для работы модуля АЦП . При таком напряжении каждый разряд оцифрованного сигнала будет равен 0,001 В. Чтобы уменьшить влияние шумов, при измерении малых величин напряжения применен еще один повторитель напряжения, реализованный на втором ОУ микросхемы DA2. ООС этого усилителя резко уменьшает шумовую составляющую измеряемой величины напряжения. Так же уменьшается напряжение импульсных помех измеряемого напряжения.
Для вывода информации об измеряемых величинах применен двухстрочный ЖКИ, хотя для этой конструкции хватило бы и одной строки. Но иметь в запасе возможность вывода еще какой ни будь информации, тоже не плохо. Яркость подсветки индикатора регулируется резистором R6, контрастность выводимых символов зависит от величины резисторов делителя напряжения R7 и R8. Питается устройство от стабилизатора напряжения собранного на микросхеме DA1. Выходное напряжение +5 В устанавливается резистором R3. Для уменьшения общего тока потребления, напряжение питания самого контроллера можно уменьшить до величины, при которой сохранялась бы работоспособность контроллера индикатора. При проверке данной схемы индикатор устойчиво работал при напряжении питания микроконтроллера 3,3 вольта.
Настройка вольтметра
Для настрой данного вольтметра необходим, как минимум цифровой мультиметр, способный измерять напряжение 1,023 вольта, для настройки опорного напряжения ИОН. И так, с помощью контрольного вольтметра выставляем на выводе 12 микросхемы DD1 напряжение величиной 1,024 вольта. Затем на вход ОУ DA2.2, вывод 5 подаем напряжение известной величины, например 1,000 вольт. Если показания контрольного и настраиваемого вольтметров не совпадают, то подстроечным резистором R4, изменяя величину опорного напряжения, добиваются равнозначных показаний. Затем на вход U2 подают контрольное напряжение известной величины, например 10,00 вольт и подборкой величины сопротивления резистора R1, можно и R2, а можно и тем и другим добиваются равнозначных показаний обоих вольтметров. На этом регулировка заканчивается.
Компараторы
Если использовать операционный усилитель без отрицательной обратной связи (ООС), то однозначно можно говорить о том, что получится . Для того, чтобы разобраться как же он работает, можно проделать несколько простых, но наглядных опытов. Для этого понадобится немного: собственно операционный усилитель, блок питания с напряжением 9…25В, несколько резисторов, пара светодиодов и вольтметр ().
Из светодиодов и резисторов собирается простейший логический пробник, как показано на рисунке 1.
При подаче на вход пробника положительного напряжения (можно даже подать +U) светится красный светодиод, а если вход соединить с общим проводом, то зажжется зеленый. С помощью такого пробника состояние выхода испытываемого операционного усилителя становится наглядным и понятным.
В качестве подопытного «кролика» подойдет любой, не особо качественный и дорогой , например КР140УД608(708) в пластмассовых корпусах либо К140УД6(7) в круглых металлических.
Рисунок 1. Схема простого логического пробника
Следует при этом отметить, что несмотря на разные корпуса, цоколевка этих микросхем одинакова и соответствует показанной на схемах ниже. Чаще случается, что цоколевка пластмассовых и металлических корпусов не совпадает, хотя по сути дела это одинаковые микросхемы. Сейчас большая часть операционных усилителей, особенно импортных, выпускаются в пластмассовых корпусах, и все работает хорошо и прекрасно, и никакой путаницы с цоколевками. А раньше такие «пластмассовые» микросхемы у специалистов презрительно назывались «ширпотребовскими».
Рисунок 2. Схема на операционном усилителе
Для первых опытов соберем схему, показанную на рисунке 2. Здесь сделано не так уж много: к однополярному источнику питания подключен собственно операционный усилитель и показанный на рисунке 1 логический пробник. Напряжение питания +U однополярное величиной 9…30В. Величина напряжения в наших опытах особого значения не имеет.
Вот тут может возникнуть вполне законный вопрос: «Почему же пробник логический, ведь операционный усилитель аналоговый элемент?». Да, но в данном случае операционный усилитель работает не в режиме усиления, а в режиме компаратора, и на выходе имеет всего два уровня. Напряжение близкое к 0В, называется логическим нулем, а напряжение близкое к +U логической единицей. В случае двухполярного питания логическому нулю соответствует напряжение близкое к -U.
При подаче напряжения питания один из светодиодов обязательно должен засветиться. На вопрос какой, красный или зеленый ответить нельзя, поскольку все зависит от параметров конкретного операционного усилителя и от внешних условий, например от сетевых наводок. Если взять несколько однотипных ОУ, то результаты будут самые различные.
Напряжение на выходе операционного усилителя контролируется вольтметром: если светится красный светодиод, то вольтметр покажет напряжение близкое к +U, а в случае свечения зеленого светодиода напряжение будет почти нулевое.
Теперь можно попробовать подать на входы какие-нибудь напряжения и посмотреть по индикаторам и вольтметру как будет вести себя операционный усилитель. Проще всего подать напряжения коснувшись одним пальцем по очереди каждого входа операционного усилителя, а другим одного из выводов питания. При этом должно измениться свечение пробника и показания вольтметра. Но этих изменений может и не произойти.
Все дело в том, что некоторые операционные усилители рассчитаны на то, что напряжение на входах находится в определенных пределах: несколько выше, чем напряжение на выводе 4 и несколько ниже, чем напряжение питания на выводе 7. Это «несколько ниже, выше» составляет 1…2В. Чтобы продолжить опыты, выполнив указанное условие, придется собрать чуть более сложную схему, показанную на рисунке 3.
Рисунок 3.
Теперь напряжение на входы подается с помощью переменных резисторов R1, R2, движки которых следует перед началом измерений установить вблизи среднего положения. Вольтметр теперь переместился в другое место: он будет показывать разность напряжений между прямым и инверсным входами.
Лучше, если этот вольтметр будет цифровой: полярность напряжения может изменяться, на индикаторе цифрового прибора покажется знак «минус», а стрелочный прибор просто «зашкалит» в обратную сторону. (Можно применить стрелочный вольтметр со средней точкой шкалы.) К тому же входное сопротивление цифрового вольтметра намного выше, чем у стрелочного, следовательно результаты измерений получатся точнее. Состояние выхода будем определить по светодиодному индикатору.
Здесь уместно дать такой совет: лучше эти простые опыты проделать своими руками, а не просто прочитать и решить, что все просто и понятно. Это как прочитать самоучитель игры на гитаре, при этом гитару не взяв ни разу в руки. Итак, начнем.
Первое, что надо сделать это установить движки переменных резисторов примерно в среднее положение, при этом напряжение на входах операционного усилителя близко к половине напряжения питания. Чувствительность вольтметра следует сделать максимальной, но, возможно, не сразу, а постепенно, чтобы не спалить прибор.
Предположим, что на выходе операционного усилителя низкий уровень, светится зеленый светодиод. Если это не так, то такого состояния можно добиться, вращая переменный резистор R1 таким образом, чтобы движок перемещался вниз по схеме - можно практически до 0В.
Теперь с помощью переменного резистора R1 начнем прибавлять напряжение на прямом входе операционного усилителя (вывод 3), наблюдая за показаниями вольтметра. Как только вольтметр покажет положительное напряжение (напряжение на прямом входе (вывод 3) больше, чем на инверсном (вывод 2)) зажжется красный светодиод. Следовательно напряжение на выходе операционного усилителя высокое или, как условились ранее, логическая единица.
Небольшая справка
Точнее даже не логическая единица, а высокий уровень: логическая единица обозначает истинность сигнала, мол, событие произошло. Но эта истинность, эта логическая единица может быть выражена и низким уровнем. В качестве примера можно вспомнить интерфейс RS-232, в котором логической единице соответствует отрицательное напряжение, в то время как логический ноль имеет положительное напряжение. Хотя в других схемах логическая единица чаще всего выражается высоким уровнем.
Продолжим научный опыт. Начнем осторожно и медленно вращать резистор R1 в обратную сторону, следя за показаниями вольтметра. В определенный момент он покажет ноль, но красный светодиод еще будет светиться. Поймать положение в котором оба светодиода погашены вряд ли удастся.
При дальнейшем вращении резистора полярность показаний вольтметра также изменится на отрицательную. Это говорит о том, что напряжение на инверсном входе (2) по абсолютному значению выше, чем на прямом входе (3). Зажжется зеленый светодиод, что говорит о низком уровне на выходе операционного усилителя. После этого можно продолжать вращать резистор R1 в том же направлении, но изменений никаких не произойдет: зеленый светодиод не погаснет и даже нисколько не изменит яркость.
Такое явление имеет место когда операционный усилитель работает в режиме компаратора, т.е. без отрицательной обратной связи (иногда даже с ПОС). Если же ОУ работает в линейном режиме, охвачен отрицательной обратной связью (ООС), то при вращении движка резистора R1 напряжение на выходе меняется пропорционально углу поворота, читай разности напряжений на входах, а вовсе не ступенькой. В этом случае яркость светодиода можно изменять плавно.
Из всего сказанного можно сделать вывод: напряжение на выходе операционного усилителя зависит от разницы напряжений на входах. В случае, когда напряжение на прямом входе выше, чем на инверсном, выходное напряжение имеет высокий уровень. В противном случае (напряжение на инверсном выше, чем на прямом) на выходе уровень логического нуля.
В самом начале этого эксперимента было рекомендовано установить движки резисторов R1, R2 приблизительно в среднее положение. А что будет, если первоначально установить их на третью часть оборота или на две трети? Да собственно ничего не изменится, все будет работать также, как было описано выше. Из этого можно сделать вывод, что сигнал на выходе операционного усилителя не зависит от абсолютного значения напряжений на прямом и инверсном входах. А зависит только от разницы напряжений.
Из всего сказанного можно сделать еще один важный вывод: операционный усилитель без обратной связи представляет собой компаратор - сравнивающее устройство. В таком случае на один вход подается опорное или образцовое напряжение, а на другой напряжение, величину которого надо контролировать. На какой вход подавать опорное напряжение решается в процессе разработки схемы.
В качестве примера на рисунке 4 показана схема , на входе которого имеются сразу 2 внутренних компаратора DA1 и DA2.
Рисунок 4. Схема интегрального таймера NE555
Их назначение - управление внутренним . Логика управления достаточно проста: логическая единица с выхода компаратора DA2 устанавливает триггер в единицу, а логическая единица с выхода компаратора DA1 сбрасывает триггер.
На резисторах R1…R3 собран делитель, подающий опорные напряжения на входы компараторов. Все три резистора имеют одинаковые сопротивления (5Ком), формирующие напряжения 2/3 и 1/3 напряжения питания, которые поданы, соответственно, на инвертирующий вход DA1 и на неинвертирующий вход DA2.
В плане того, что было написано выше, получается, что логическая единица на выходе компаратора DA1 получится в том случае, если входное напряжение на прямом входе превысит опорное на инверсном (2/3Uпит.), триггер сбросится в ноль.
Для того, чтобы установить триггер в 1, требуется получить высокий уровень на выходе внутреннего компаратора DA2. Такое состояние будет достигнуто когда уровень напряжения на инверсном входе DA2 будет меньше 1/3Uпит. Именно такое опорное напряжения подано на прямой вход компаратора DA2.
Здесь не ставится цель описания интегрального таймера NE555, просто в качестве примера использования ОУ показаны входные компараторы, спрятанный внутри микросхемы. Для тех, кому интересно применение таймера 555, можно рекомендовать для прочтения статью .
ВЧ вольтметр с линейной шкалой
Роберт АКОПОВ (UN7RX), г. Жезказган Карагандинской обл., Казахстан
Одним из необходимых приборов в арсенале радиолюбителя-коротковолновика, безусловно, является высокочастотный вольтметр. В отличие от НЧ мультиметра или, например, компактного ЖК осциллографа, такой прибор в продаже встречается редко, да и стоимость нового фирменного довольно высока. Посему, когда назрела необходимость в таком приборе, он был построен, причем со стрелочным миллиамперметром в качестве индикатора, который, в отличие от цифрового, позволяет легко и наглядно оценивать изменения показаний количественно, а не путем сравнения результатов. Это особенно важно при налаживании устройств, где амплитуда измеряемого сигнала постоянно меняется. В то же время точность измерения прибора при использовании определенной схемотехники получается вполне приемлемой.
На схеме в журнале опечатка: R9 должен быть сопротивлением 4,7 МОм
ВЧ вольтметры можно разделить на три группы. Первые построены на базе широкополосного усилителя с включением диодного выпрямителя в цепь отрицательной ОС . Усилитель обеспечивает работу выпрямительного элемента на линейном участке ВАХ. В приборах второй группы применяют простейший детектор с высокоомным усилителем постоянного тока (УПТ). Шкала такого ВЧ вольтметра на нижних пределах измерений нелинейна, что требует применения специальных градуировочных таблиц либо индивидуальной калибровки прибора . Попытка в какой-то мере линеаризировать шкалу и сдвинуть порог чувствительности вниз путем пропускания небольшого тока через диод проблему не решает. До начала линейного участка ВАХ эти вольтметры являются, по сути, индикаторами . Тем не менее такие приборы, как в виде законченных конструкций, так и приставок к цифровым мультиметрам, весьма популярны, о чем свидетельствуют многочисленные публикации в журналах и сети Интернет.
Третья группа приборов использует линеаризацию шкалы, когда линеаризирующий элемент включен в цепь ОС УПТ для обеспечения необходимого изменения усиления в зависимости от амплитуды входного сигнала. Подобные решения нередко используют в узлах профессиональной аппаратуры, например, в широкополосных высоколинейных измерительных усилителях с АРУ, либо узлах АРУ широкополосных ВЧ генераторов. Именно на таком принципе построен описываемый прибор, схема которого с незначительными изменениями заимствована из .
При всей очевидной простоте ВЧ вольтметр имеет очень неплохие параметры и, естественно, линейную шкалу, избавляющую от проблем с градуировкой.
Диапазон измеряемого напряжения — от 10 мВ до 20 В. Рабочая частотная полоса — 100 Гц…75 МГц. Входное сопротивление — не менее 1 МОм при входной емкости не более нескольких пикофарад, которая определяется конструкцией детекторной головки. Погрешность измерений — не хуже 5 %.
Линеаризирующий узел выполнен на микросхеме DA1. Диод VD2 в цепи отрицательной ОС способствует повышению усиления этой ступени УПТ при малых значениях входного напряжения. Снижение выходного напряжения детектора компенсируется, в результате показания прибора приобретают линейную зависимость. Конденсаторы С4, С5 предотвращают самовозбуждение УПТ и уменьшают возможные наводки. Переменный резистор R10 служит для установки стрелки измерительного прибора РА1 на нулевую отметку шкалы перед проведением измерений. При этом вход детекторной головки должен быть замкнут. питания прибора особенностей не имеет. Он выполнен на двух стабилизаторах и обеспечивает двуполярное напряжение 2×12 В для питания операционных усилителей (сетевой трансформатор на схеме условно не показан, но входит в состав набора для сборки).
Все детали прибора, за исключением деталей измерительного щупа, смонтированы на двух печатных платах из односторонне фольгированного стеклотекстолита. Ниже приведена фотография платы УПТ, платы а питания и измерительного щупа.
Миллиамперметр РА1 — М42100, с током полного отклонения стрелки 1 мА. Переключатель SA1 — ПГЗ-8ПЗН. Переменный резистор R10 — СП2-2, все подстроечные резисторы — импортные многооборотные, например 3296W. Резисторы нестандартных номиналов R2, R5 и R11 могут быть составлены из двух, включенных последовательно. Операционные усилители можно заменить другими, с высоким входным сопротивлением и желательно с внутренней коррекцией (чтобы не усложнять схему). Все постоянные конденсаторы — керамические. Конденсатор СЗ смонтирован непосредственно на входном разъеме XW1.
Диод Д311А в ВЧ выпрямителе выбран из соображения оптимальности максимально допустимого ВЧ напряжения и эффективности выпрямления на верхней измеряемой частотной границе.
Несколько слов о конструкции измерительного щупа прибора. Корпус щупа изготовлен из стеклотекстолита в виде трубки, поверх которой надет экран из медной фольги.
Внутри корпуса размещена плата из фольгированного стеклотекстолита, на которой смонтированы детали щупа. Кольцо из полоски луженой фольги примерно посредине корпуса предназначено для обеспечения контакта с общим проводом съемного делителя, который можно навинтить вместо наконечника щупа.
Налаживание прибора начинают с балансировки ОУ DA2. Для этого переключатель SA1 устанавливают в положение «5 В», замыкают вход измерительного щупа и подстроечным резистором R13 устанавливают стрелку прибора РА1 на нулевую отметку шкалы. Затем переключают прибор в положение «10 мВ», на его вход подают такое же напряжение, и резистором R16 устанавливают стрелку прибора РА1 на последнее деление шкалы. Далее на вход вольтметра подают напряжение 5 мВ, стрелка прибора должна быть примерно на середине шкалы. Линейности показаний добиваются подборкой резистора R3. Ещё лучшей линейности можно добиться подборкой резистора R12, однако следует иметь в виду, что это повлияет на коэффициент усиления УПТ. Далее калибруют прибор на всех поддиапазонах соответствующими подстроечными резисторами. В качестве а образцового напряжения при градуировке вольтметра автор использовал генератор Agilent 8648A (с подключенным к его выходу эквивалентом нагрузки сопротивлением 50 Ом), имеющий цифровой измеритель уровня выходного сигнала.
Всю статью из журнала Радио №2, 2011 можно загрузить отсюда
ЛИТЕРАТУРА:
1. Прокофьев И., Милливольтметр-Q-метр. — Радио, 1982, №7, с. 31.
2. Степанов Б., ВЧ головка к цифровому мультиметру. — Радио, 2006, № 8, с. 58, 59.
3. Степанов Б., ВЧ вольтметр на диоде Шоттки. — Радио, 2008, № 1, с. 61, 62.
4. Пугач А., Высокочастотный милливольтметр с линейной шкалой. — Радио, 1992, № 7, с. 39.
Стоимость печатных плат (щупа, основной платы и платы БП) с маской и маркировкой: 80 грн.
