wzmacniacz pomiarowy,
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Płytka wielofunkcyjna
Niniejszy artykuł jest kolejnym projektem w serii realizowanej na płytce wielofunkcyjnej PW−03. Opisuje układ wzmacniacza pomia−
rowego prądu zmiennego. Jest to przystawka do multimetru, pozwalająca mierzyć małe napięcia zmienne, w tym przebiegi o częstotli−
wościach akustycznych.
Na płytce wielofunkcyjnej można też zrealizować dziesiątki innych interesujących i pożytecznych układów, na przykład: selektor
rytmu, wzmacniacz mocy audio – megafon, mikser audio, wyłącznik zmierzchowy, niskoszumny przedwzmacniacz mikrofonowy, regulator
poziomu cieczy, uniwersalny odstraszasz szkodników, korektor RIAA, syrenę alarmową, migacz dużej mocy, przełącznik sterowany pilotem
i wiele innych. Niektóre z nich zostaną zaprezentowane jako projekty w następnych numerach EdW, wiele innych można z powodzeniem
zrealizować we własnym zakresie, korzystając z wyczerpującego opisu płytki i wskazówek zamieszczonych w EdW 6/2004 na stronach 18...20.
Rewelacyjnie prosta przystawka,
genialnie rozszerza możliwości popularnego multimetru.
Mierzy małe i bardzo małe napięcia zmienne.
Znakomity układ do pomiaru sygnałów audio.
Trzy zakresy pomiarowe napięcia zmiennego:
0,1mV…2V (x1)
10uV…0,2V (x10)
1uV…20mV (x100)
Pokazuje wartość szczytową przebiegów, a opcjonalnie
wartość skuteczną przebiegu sinusoidalnego.
Współpracuje z dowolnym woltomierzem prądu stałego.
Zakres napięć zasilania 9…25V.
Pobór prądu modelu poniżej 10mA.
Przystawka znajdzie zastosowanie przy
pomiarach wszelkich urządzeń audio. Należy
podkreślić, że w wersji podstawowej jest to
miliwoltomierz wartości
szczytowej
. Wartość
szczytową przebiegu sinusoidalnego można
łatwo przeliczyć na wartość skuteczną, dzie−
ląc wskazanie przez 1,41. Opcjonalnie można
też zmienić wartość wzmocnienia, by bezpo−
średnio uzyskać wskazanie w wartości sku−
tecznej przebiegu sinusoidalnego.
1
Prezentowany układ to wzmacniacz
pomiarowy prądu zmiennego z pros−
townikiem. Do wyjścia podłączony
jest dowolny woltomierz napięcia sta−
łego, który pokazuje wartość szczyto−
wą mierzonych napięć zmiennych.
Przystawka ma trzy zakresy pomiaro−
we, pozwalające mierzyć nawet zni−
kome napięcia zmienne o amplitu−
dach rzędu mikrowoltów.
Zastosowany układ scalony po−
zwala mierzyć przebiegi w pełnym
zakresie częstotliwości akustycznych.
1
Płytka wielofunkcyjna
Schemat ideowy wzmacniacza pomia−
rowego pokazany jest na
rysunku 1
, przy
czym kolorami niebieskim i zielonym
zaznaczone są elementy montowane niety−
powo. Układ zasilany jest pojedynczym
napięciem, a elementy R13, R14 i C6 two−
rzą obwód sztucznej masy – napięcia spo−
czynkowe na wejściach wzmacniaczy są
więc równe połowie napięcia zasilania. Do
obwodu sztucznej masy jest też dołączony
ujemny biegun współpracującego wolto−
mierza.
W przystawce pracuje popularny
wzmacniacz operacyjny NE5532. Układ
U1A jest typowym prostownikiem aktyw−
nym z obwodem filtrującym, dającym na
wyjściu napięcie stałe odpowiadające war−
tości szczytowej prostowanego przebiegu.
Przy jednakowych wartościach R15 i R17
wzmocnienie prostownika jest równe jed−
ności, czyli dołączony woltomierz napięcia
stałego pokazuje wartość szczytową prze−
biegu z wyjścia wzmacniacza U1B. Układ
U1B jest nieodwracającym wzmacniaczem
przebiegów zmiennych o wzmocnieniu
ustalanym za pomocą zwór. Gdy żadna ze
zwór nie jest założona, wzmocnienie
wynosi 10 i wynika ze stosunku rezystancji
R10 (90kΩ) i R7 (10kΩ). Gdy zwarta jest
zwora w miejscu R9, wzmocnienie jest równe
jedności. Natomiast gdy zwarta jest zwora
w miejscu R7, wzmocnienie wynosi 100.
Trzecia zwora w miejscu R4 nie jest podłą−
czona i nie wpływa na układ. Dodana jest
celowo, żeby jednoznacznie określić zakres
pomiarowy i wzmocnienie – chodzi o to, żeby
przy wzmocnieniu 10 też była zwarta jakaś
zwora – właśnie ta „ślepa” w miejscu R4.
Dolna częstotliwość graniczna wyznaczo−
na jest głównie przez kondensator wmonto−
wany w miejsce R12 i przez współpracujący
rezystor R15. Wynosi poniżej 20Hz przy
spadku o 3dB. Górna częstotliwość graniczna
zależy od parametrów zastosowanego
wzmacniacza operacyjnego – kostka NE5532
nawet przy wzmocnieniu 100x zapewnia
pomiary w zakresie całego pasma akustycz−
nego. Wprawdzie na krańcach pasma charak−
terystyka nieco opada, ale w tak prostym
przyrządzie jest to jak najbardziej dopusz−
czalne.
W układzie podstawowym przewidziano
rezystory precyzyjne o tolerancji 1%, ale
w praktyce śmiało można zastosować zwykłe
rezystory 5−procentowe, przy czym jako R10
należy wlutować rezystor o nominale 91kΩ.
Rezystory R15, R17 nie muszą mieć wartoś−
ci 10kΩ, można zastosować jakiekolwiek
dwa jednakowe rezystory o wartości
7,5…15kΩ (w modelu pracują rezystory
11,5kΩ 1%).
Układ przewidziany jest zasadniczo do
współpracy z multimetrem cyfrowym na
zakresie 2V napięcia stałego. Nic nie stoi na
przeszkodzie, żeby współpracował z dowol−
2
nym innym woltomierzem, nawet wskazów−
kowym i to na zakresie np. 5V. Maksymalne
napięcie wyjściowe na wyjściu prostownika
zależy od napięcia zasilania modułu. Przy zasi−
laniu napięciem 12V sięga ponad 4V. Kto chce
zwiększyć zakres napięcia wyjściowego, może
zwiększyć R13 do 15kΩ, a nawet do 18kΩ, co
obniży potencjał obwodu sztucznej masy.
Po skontrolowaniu poprawności montażu
należy dołączyć zasilacz stabilizowany, najle−
piej o napięciu 9…24V, ewentualnie alkalicz−
ną baterię 9−woltową. Układ zmontowany
prawidłowo ze sprawnych elementów od razu
będzie pracował poprawnie i nie wymaga żad−
nej regulacji ani uruchamiania.
Do wyjścia należy dołączyć woltomierz
napięcia stałego (DC) na zakresie 2V, a na
wejście podać mierzony sygnał. Wskazanie
woltomierza należy podzielić przez współ−
Montaż
Na początek w płytkę należy wlutować jedy−
ną zworę z kawałka drutu. Nietypowo łączy
ona punkt EN ze „środkowym” punktem R17.
W miejsce R17 i R7 należy wlutować szere−
gowo dwa elementy, a w miejsce R10 – dwa
rezystory równolegle. Na płytce do zmiany
wzmocnienia przewidziano trzy pary kołków
− goldpinów (w miejsce R9, R4 i R7), które
będą alternatywnie zwierane jedną zworą
wykonaną z kawałka drutu i dwóch nasadek
(gniazd−nasadek – odwrotności goldpinów).
Pomocą w montażu będzie
rysunek 2
(płytka
z zaznaczonymi zworami, diodą i rezystorem
w miejscu R10) oraz fotografie modelu.
Zalecana kolejność montażu podzespołów
takich jak w modelu podana jest w wykazie
elementów. Podczas montażu należy zwracać
szczególną uwagę na sposób wlutowania ele−
mentów biegunowych: kondensatorów elek−
trolitycznych, diod oraz układu scalonego,
którego wycięcie w obudowie musi odpowia−
dać rysunkowi na płytce drukowanej.
Po zmontowaniu układu trzeba bardzo sta−
rannie skontrolować, czy elementy nie zosta−
ły wlutowane w niewłaściwym kierunku lub
w niewłaściwe miejsca oraz czy podczas luto−
wania nie powstały zwarcia punktów lutowni−
czych.
3
Płytka wielofunkcyjna
czynnik wzmocnienia przystawki, zależnie
od ustawienia zwory – tu pomocą będzie
rysunek 3
.
Prezentowany prosty układ nie ma wpraw−
dzie profesjonalnych parametrów, niemniej na
najczulszym zakresie ma rozdzielczość sięga−
jącą 1uV, co pozwala mierzyć napięcia zmien−
ne na poziomie szumów termicznych, przy−
najmniej teoretycznie. Należy jednak pamię−
tać, że układ ma duże wzmocnienie i zmonto−
wany na dość dużej płytce może zbierać roz−
maite „śmieci”, w postaci brumu sieciowego
i innych zakłóceń. Aby zmniejszyć czułość na
takie „śmieci” moduł warto umieścić w meta−
lowej obudowie i połączyć obudowę z masą.
(w kolejności lutowania)
1
zwora między punktem
EN i „środkowym” punktem R17
16
dwie szpilki goldpin
w miejsce R4 wg rysunku 2
2
w miejsce R18 wlutować diodę
1N4148
17
dwie szpilki goldpin
w miejsce R7 wg rysunku 2
3
w miejsce R17 wlutować diodę
1N4148 wg rysunku 2
18
R7– 1kΩ 1%
nietypowo wg rysunku 2
4
R10 – 10MΩ
wg rysunku 2
19
R17– 10kΩ 1%
nietypowo wg rysunku 2
5
R10 – 90,9kΩ wg rysunku 2
20
w miejsce R12
– kondensator 1uF stały
6
R13 – 10kΩ
7
R14 – 10kΩ
21
C5 – 100uF/16V
8
R15 – 10kΩ 1%
22
w miejsce R20
– kondensator 100uF/16V
Możliwości zmian
Układ można modyfikować na wiele sposo−
bów. Na przykład można dodać dzielnik wej−
ściowy R2/R3 wg
rysunku 4
, co pozwoli
uzyskać zakres do 20V i do 200V. Wprawdzie
takie zakresy ma multimetr, ale większość
popularnych multimetrów nie mierzy prawid−
łowo przebiegów w zakresie całego pasma
akustycznego, a jedynie częstotliwości w za−
kresie od 50Hz do co najwyżej 1kHz.
Rezystory R2, R3 takiego dzielnika należy
dobrać, uwzględniając oporność wejściową
przystawki dla przebiegów zmiennych.
A oporność ta jest praktycznie równa rezys−
tancji R99, czyli 100kΩ, bo ogromną impe−
dancję wejściową scalonego wtórnika U1B
można pominąć. „Górny” rezystor tłumika
(R2) nie powinien mieć zbyt dużej wartości –
oporność 100kΩ wydaje się optymalna. Na
rysunku podane są proponowane wartości ele−
mentów dla dzielników 1/10 i 1/100.
9
R99 – 100kΩ 5%
nietypowo wg rysunku 2
23
C6 – 220uF/16V
10
R7 – 10kΩ 1%
nietypowo wg rysunku 2
24
C3 – 470uF/25V
25
włożyć na kołki zworę
ustalającą wzmocnienie
11
podstawka 8−pin
pod układ scalony U1
26
w miejsce R3 dołączyć
przewód wejściowy
12
C1 – 100nF
(może być oznaczony 104)
27
do otworów R16, R20 dołączyć
woltomierz wg rysunku 2
13
D11 – dioda 1A
(np. 1N4001, 1N5817)
28
U1 – włożyć układ scalony
TL082 do podstawki
14
C8 – 470uF
15
dwie szpilki goldpin
w miejsce R9 wg rysunku 2
29
do punktów PLUS, MINUS
dołączyć zasilanie
!!
"##$%"&'()!!
Kto chce, może też zmienić rezystancję wej−
ściową samej przystawki, zmieniając R99,
przy czym w przypadku zmniejszania rezys−
tancji R99 trzeba zwiększyć wartość C8
Należy jednak mieć świadomość, że
zwiększenie R99 zwiększy spadek napięcia na
tym rezystorze, wynikający z przepływu
prądu polaryzacji wejścia wzmacniacza ope−
racyjnego i wzmacniania tego napięcia.
W układzie podstawowym jest to w dużej
części skompensowane przez rezystancję R10
(dla pełnej kompensacji R99 powinien mieć
wartość dokładnie taką jak R10). Problem
prądu wejściowego można łatwo wyelimino−
wać, stosując wzmacniacz operacyjny
TL072, który ma prądy polaryzacji wejść
radykalnie mniejsze niż NE5532. Wzmac−
niacz TL072 ma jednak nieco gorsze para−
metry częstotliwościowe, co zmniejszy
pasmo przenoszenia i dokładność przy
pomiarze częstotliwości w pobliżu górnej
granicy pasma akustycznego.
Jak wiadomo, wszystkie proste mierniki
przebiegów zmiennych błędnie mierzą prze−
biegi o kształcie różniącym się od sinusoidy.
Należy wyraźnie podkreślić, że już w założe−
niu przystawka miała być jak najprostsza
i przy podanych wartościach elementów
pokazuje wartość szczytową mierzonego
przebiegu
. Aby obliczyć wartość skuteczną
przebiegu sinusoidalnego, należy odczytaną
wartość podzielić przez 1,41 (pierwiastek
z dwóch). Kto chciałby od razu uzyskiwać na
dołączonym woltomierzu takie wartości sku−
teczne (dla sinusoidy), powinien zmniejszyć
wzmocnienie U1A przez zastosowanie takich
wartości rezystorów, żeby stosunek R15/R17
wynosił 1,41.
4
Piotr Górecki
[ Pobierz całość w formacie PDF ]