Приставка расширяет возможности цифровых мультиметров серии 83х, она позволяет измерять среднеквадратичные значения переменного напряжения различной формы, а с дополнительным шунтом - и тока. Питается приставка от внутреннего стабилизатора АЦП мультиметра, не требует налаживания, проста в повторении и обеспечивает высокую точность измерений.
Об измерении среднеквадратичных (другие названия - действующее, эффективное, а в английской аббревиатуре - RMS) значений напряжения и тока в радиотехнической литературе разговор шёл не раз. Поэтому для тех радиолюбителей, у кого такой измерительный прибор отсутствует и нет возможности его приобрести, может представлять интерес сделать его самостоятельно для домашней лаборатории. Задача упрощается, если выполнить подобный прибор на основе специализированной микросхемы AD736 в виде приставки к цифровому мультиметру с питанием от его внутреннего стабилизатора. Схема такой приставки для измерения среднеквадратичного значения переменного напряжения различной формы приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема приставки для измерения среднеквадратичного значения переменного напряжения различной формы
Основные технические характеристики
Пределы измерения, В.............. 0,2; 2; 20
Диапазон частот при измерении напряжения в интервале 0,1....1 максимального значения для каждого предела измерения, Гц, не менее.......... 50...10000
Погрешность измерения напряжения в указанном выше интервале и диапазоне частот, %, не более ......... 2
Входное сопротивление, МОм ...... 1
Потребляемый ток, мА, не более ........................ 0,8
С более подробными возможностями и особенностями, определяющими характеристики вольтметров, собранных на основе микросхемы AD736, которая применена в приставке, можно ознакомиться в [2].
Измеряемое переменное напряжение поступает на гнёзда "Uвх" и через разделительный конденсатор С1 - на резистивный делитель R1 -R3, с помощью которого задают предел измерения выбором соответствующего положения переключателя SA1. С его подвижного контакта оно поступает на вход микросхемы DA1 AD736JN. Резистор R4 и диоды VD1, VD2 - защитные. Они защищают микросхему DA1 от выхода из строя от повышенного напряжения, которое может появиться на её входе при ошибочном выборе предела измерения. Ёмкости конденсаторов С2 и СЗ выбраны согласно рекомендациям по применению микросхемы и могут быть изменены в зависимости от специфики применения приставки: аудиовольтметр, вольтметр средних значений и т. п. Сигнал с выхода микросхемы DA1 в виде постоянного напряжения положительной полярности поступает на вход "VΩmA" мультиметра для последующего измерения.
Микросхема AD736 требует для питания двухполярный источник напряжения. Минимальные требования к напряжению питания - +2,8 В и -3,2 В. Поэтому для питания приставки от встроенного стабилизатора АЦП мультиметра +3 В применён преобразователь отрицательного напряжения с высоким КПД, собранный на микросхеме DA2, описание которого приведено в [3]. Преобразователь обеспечивает питание микросхемы напряжением -5,5 В.
Приставка собрана на плате из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита. Чертёж печатной платы и расположение на ней элементов показаны на рис. 2. Фотография собранной приставки представлена на рис. 3. На плате установлены три перемычки из лужёного провода. Их запаивают до монтажа остальных элементов. Микросхемы DA1 и DA2 - в корпусе DIP8. Конденсаторы С1, С4 - выводные керамические, импортные аналоги К10-17Б. Оксидные конденсаторы - импортные выводные (в исполнении mini). Резисторы - выводные мощностью 0,125 или 0,25 Вт. Штырь ХР1 "NPNc" - подходящий от разъёма или отрезок лужёного провода подходящего диаметра. Отверстие под него в плате сверлят "по месту" после установки штырей ХР2, ХР3. Штыри ХР2 "VΩmA" и ХР3 "СОМ" - от щупов для мультиметра. Входные гнёзда XS1, XS2 "Uвх" - клеммник винтовой 350-02-021-12 серии 350 фирм DINKLE, DEGSON. Переключатель SA1 - движковый серий MSS, MS, IS, например, MSS-23D19 (MS-23D18).
Рис. 2. Чертёж печатной платы и расположение на ней элементов
Рис. 3. Собранная приставка
Приставка не требует налаживания. При работе с ней переключатель рода работ мультиметра устанавливают в положение измерения постоянного напряжения на пределе 200 мВ. Для указанной выше точности измерения сопротивления резисторов R1, R2 в делителе можно выбрать из номинального ряда Е12 (10%) или Е24 (5%) следующим образом. Во-первых, выборкой 900 и 90 кОм из резисторов с номинальными сопротивлениями 910 и 91 кОм соответственно. Во-вторых, резистор R1 можно установить сопротивлением 1 МОм, R2 - 100 кОм, R3 - 11,1 кОм, отобрав из резисторов 11 кОм. Впрочем, вариаций здесь много с учётом "все чуть больше" или "все чуть меньше". Перед подключением приставки к мультиметру следует проконтролировать потребляемый ею ток от другого источника питания напряжением 3 В, имеющего защиту по току, чтобы не вывести из строя встроенный маломощный стабилизатор напряжения питания АЦП в случае неисправности какого-либо элемента или случайного замыкания токоведущих дорожек платы.
Входное сопротивление приставки можно увеличить до 10 МОм. Для этого достаточно все сопротивления резисторов входного делителя R1-R3 увеличить в десять раз. Сохранения частотного диапазона, если это необходимо, добиваются, делая делитель частотнонезависимым. В этом случае, как известно, параллельно каждому резистору делителя необходимо подключить конденсатор соответствующей ёмкости. На плате со стороны печатных проводников для этих конденсаторов предусмотрены соответствующие контактные площадки. Эти конденсаторы - поверхностно монтируемые, типоразмеров 0805, 1206. Ориентировочно постоянная времени каждой такой RC-цепи равна 100 мкс и подбирается по известной методике налаживания входных делителей измерительных приборов.
Наличие обратного тока защитных диодов VD1, VD2 (1N4148) может внести дополнительную погрешность в измерения. Для её исключения необходимо применить диоды с обратным током не более 1...2 нА при обратном напряжении 5 В, например, FDLL300A или отобрать из имеющихся. Измерить обратный ток можно любым мультиметром на пределе 200 мВ с входным сопротивлением 1 МОм. Катод диода подключают к плюсу источника питания, а анод - последовательно со щупами мультиметра к минусу. Показания в милливольтах будут численно равны обратному току в наноамперах. При входном сопротивлении прибора, равном 10 МОм, показания следует разделить на десять.
Для измерения среднеквадратичных значений переменного тока, например, тока холостого хода сетевых трансформаторов, блоков питания на их основе, импульсных источников питания и других подобных устройств, приставку полезно дополнить измерительным шунтом с зажимами. Для этого необходимо подключить к клеммам "Uвх" резистор сопротивлением 1 Ом с двумя проводами в изоляции, к противоположным концам которых припаивают зажимы, например, "крокодил". Если установить резистор мощностью 2 Вт, можно проводить измерения переменного тока на пределах 200 мА и 2 А, что будет соответствовать положениям переключателя SA1 "200 мВ" и "2 В". Авторский вариант приставки с таким шунтом, подключённой к мультиметру, показан на рис. 4.
Рис. 4. Авторский вариант приставки с шунтом, подключённой к мультиметру
При проверке авторской приставки на точность измерения напряжений треугольной и прямоугольной форм (меандр) частотой 10, 50, 500 и 5000 Гц показания мультиметра отличались от показаний образцового вольтметра не более 1 % в интервале 0,1...1 максимального значения на каждом пределе измерения.
Литература
1. Долгий А. Что показывает вольтметр переменного тока? - Радио, 2006, № 6, с. 23-27.
2. AD736 Low Cost, Low Power, True RMS-to-DC Converter. - URL: http://www.analog. com/static/imported-files/data_sheets/ AD736.pdf (1.02.2015).
3. Глибин С. Получение удвоенных двухполярных напряжений в преобразователе на микросхемах серии ICL7660. - Радио, 2015, № 3, с. 35.
Автор: С. Глибин, г. Москва