Основной и наиболее широко применяемый прибор для исследования формы напряжения - электронный осциллограф. Для того чтобы не только визуально наблюдать электрические сигналы, но и измерять их параметры, осциллографы калибруют с помощью калибраторов. Калибратор амплитуды предназначен для градуировки или проверки точности градуировки вертикальной оси экрана осциллографа в единицах напряжения, а калибратор длительности соответственно для горизонтальной оси в единицах времени.
У многих радиолюбителей находятся в эксплуатации множество осциллографов, произведённых ещё в СССР, причём давным-давно не поверявшихся. Некоторые из них не имеют встроенного генератора эталонного сигнала. У других моделей он есть, но спустя десятилетия доверять ему можно лишь с большой осторожностью. Например, в имеющемся в моём распоряжении осциллографе С1-5 (СИ-1) есть встроенный калибратор амплитуды. Но, во-первых, он формирует синусоидальный сигнал частотой 50 Гц, а во-вторых, даже во времена его "детства" погрешность измерения амплитуды сигналов на участке шкалы 0,2...1,2 В была ±10%, что по современным меркам слишком много.
Вниманию радиолюбителей, имеющих подобные приборы, предлагается калибратор для осциллографа с погрешностью измерений, определяемой лишь возможностями имеющихся в распоряжении радиолюбителей измерительных приборов, в моём случае - цифрового мультиметра M890G, основная погрешность измерения которого - погрешность меры. Устройство формирует сигнал прямоугольной формы (меандр) размахом 2 В, частотой 1 и 20 кГц. Это позволяет использовать калибратор, например, при настройке компенсации высокочастотного щупа осциллографа или для проверки динамических параметров усилителей мощности звуковой частоты.
Как было сказано выше, для налаживания (а затем и для периодической поверки) калибратора используется цифровой мультиметр M890G. Относительная погрешность измерения постоянного напряжения мультиметром M890G, согласно паспортным данным, равна ±0,5 % от измеряемого значения плюс/минус единица младшего разряда, а измерения частоты - ±1 % от измеряемого значения плюс/ минус единица младшего разряда с дискретностью 10 Гц. При измерении максимального напряжения на пределе 2 В абсолютная погрешность равна ±11 мВ при дискретности 1 мВ, измерения частоты 10ОО Гц - ±20 Гц, а частоты 20 кГц - ±210 Гц. К сожалению, индикатор мультиметра M890G, как и большинства других, позволяет отобразить всего лишь 3,5 разряда. Поэтому можно гарантировать только следующие технические характеристики калибратора: амплитуда выходного сигнала 1,999 В ±11 мВ, частота выходного сигнала 1 кГц ±20 Гци 19,99 кГц ±210 Гц.
Рис. 1. Схема калибратора
Схема калибратора показана на рис. 1. Источник прецизионного напряжения 1,999 В (калибратор амплитуды) собран на регулируемом стабилизаторе напряжения LM317T (DA1). У этой микросхемы между выходом и управляющим выводом с высокой точностью поддерживается стабильное образцовое напряжение 1,25 В. Поскольку вывод управления потребляет очень небольшой ток, выходное напряжение Uвых=1,25(1±R3/R4). Обычно сопротивление резистора R4 выбирают равным 240 Ом. Но в нашем случае для того, чтобы не учитывать ток через управляющий вывод и сделать его независимым от изменений на входе и в нагрузке, от выхода стабилизатора через резисторы R3, R4 должен отбираться ток, равный начальному току нагрузки (он должен быть больше 10 мА, поскольку таймер DA2 при напряжении питания 2 В потребляет ток не более 60 мкА). Если нагрузка недостаточна, напряжение на выходе увеличится [1].
Калибратор длительности собран на интегральном таймере ICM7555IN (DA2). Он выполнен по технологии КМОП, поэтому напряжение на его выходе (выводе 3) может изменяться от нуля до напряжения питания. Кроме того, эта микросхема работает и при напряжении питания 2 В. Таймер включён по типовой схеме генератора. Времязадающие цепи R1C1 и R2C1 подключены к выходу таймера. Этим обеспечивается высокая точность формирования меандра, поскольку зарядка и разрядка конденсатора С1 происходят через один и тот же резистор (либо R1, либо R2). Частоту генерируемых импульсов можно рассчитать по формуле f=0,7215/(R1•C1) [2]. Резистор R6 предохраняет таймер от замыкания выхода. Учитывая, что подавляющее большинство осциллографов имеют входное сопротивление не менее 1 МОм, это практически не сказывается на точности калибровки. Резистор R5 вместе с внутренним разрядным транзистором таймера образует дополнительный высокоомный выход прямоугольного сигнала. Конденсаторы С2 и С3 сглаживают всплески выходного напряжения стабилизатора DA1 в моменты переключения таймера DA2.
Рис. 2. Чертёж платы колибратора
Калибратор собран на печатной плате из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной 2 мм, чертёж которой приведён на рис. 2. При повторении конструкции особых требований к элементам не предъявляется. Главное, чтобы резистор R3 был многооборотным (в авторском варианте - СП5-2). Вместо импортного можно применить отечественный таймер КР1441ВИ1. Конденсатор С1 - СГМЭ-А с допуском ±1 %, но возможно применение и других конденсаторов с другими номиналами и с минимальным ТКЕ, тем более, что калиброванная частота выходных импульсов устанавливается подборкой резисторов R1 и R2. В авторском варианте каждый составлен из двух резисторов МЛТ-0,25 с допуском ±5 %, соединённых последовательно. Место на печатной плате для этого предусмотрено. Конденсатор С2 - любой керамический, СЗ - К53-1А или импортный, подходящий по размерам. Перемычка S1 применена от устройства СВП телевизора ЗУСЦТ.
Налаживают устройство так. Подают напряжение питания и подстроенным резистором R3 на выходе стабилизатора напряжения устанавливают напряжение 1,999 В, контролируя его мультиметром M890G на пределе 2 В. Эта операция очень кропотливая. Сопротивление подстроенного резистора следует медленно увеличивать от минимума до получения необходимого напряжения. Затем мультиметр переключают на измерение частоты и подбором резисторов R1 и R2 устанавливают выходную частоту 1 и 19,99 кГц. При налаживании удобно пользоваться многооборотным резистором СП5-1ВА сопротивлением 10 кОм, последовательно включённым с постоянным резистором 5,1 кОм, для частоты 20 кГц и многооборотным резистором СП3-36 сопротивлением 100 кОм (от СВП телевизора 3УСЦТ) с последовательно включённым постоянным резистором 180 кОм для частоты 1 кГц.
Работоспособность калибратора сохраняется при снижении напряжения батареи GB1 (G6F22) до 5 В. Учитывая, что потребляемый нагрузкой ток чуть больше 10 мА, а калибратор используется лишь периодически, её ёмкости хватает надолго.
Литература
1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники, т. 3. - М.: Мир, 1993.
2. Алексенко А. Г., Коломбет Е. А., Стародуб Г. И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Радио и связь, 1985.
Автор: С. Семихатский, г. Ейск Краснодарского края