Entwurf eines analogen Breitband-Spannungs- und Strommessgeräts

Es mag überraschend sein, ein rein analoges Messgerät anzubieten, wenn digitale Messgeräte mittlerweile so weit verbreitet sind. Es ist jedoch nicht bekannt, dass digitale Messgeräte über analoge Schaltkreise verfügen, die dem Analog-Digital-Wandler (ADC) vorgeschaltet sind. Breitband-Analogvoltmeter mit Frequenzen von unter 20 Hz bis 200 kHz waren in der Vergangenheit weit verbreitet und sind immer noch sehr nützlich.

Mit modernen Operationsverstärkern (Op-Amps) lässt sich der Aufbau unserer analogen Messgeräte stark vereinfachen. Dieses Design bietet eine flache Bandbreite von 20 Hz bis 1 MHz (-1 dB bei 10 Hz) unter Verwendung preisgünstiger Komponenten.

Es ist nicht schwierig, die Möglichkeit zur Messung von Strömen in Stromkreisen hinzuzufügen, in denen das Einfügen eines Widerstands von 0,1 Ω am geerdeten Ende den Strom nicht wesentlich verringert. Wenn das Messgerät batteriebetrieben ist oder der Sicherheitsklasse 2 entspricht, muss es sich bei der geerdeten Verbindung nicht um eine tatsächliche Erdung handeln.

Die sechs Spannungsbereiche sind 1, 10, 100 mV und 1, 10, 100 V Vollausschlag, während die vier Strombereiche 10, 100 mA und 1, 10 A Vollausschlag sind. Das Design beinhaltet einen Breitband-Spitzendetektor, dessen Empfindlichkeit umgeschaltet werden kann, um die Spitzenspannung oder die quadratische Mittelwertspannung (RMS) eines Sinuswellensignals zu lesen.

Es besteht die Möglichkeit, externe Filter einzufügen, um spezielle Frequenzgänge bereitzustellen. Diese Funktion ermöglicht auch die Verwendung des Messgeräts als zwei separate Verstärker mit geschalteter variabler Verstärkung.

Das Instrument wird mit zwei 9-V-Batterien oder einem 9-0-9-V-Netzteil betrieben. Der Stromverbrauch liegt für jede Batterie unter 25 mA (ohne LED-Anzeigen), sodass eine lange Lebensdauer vorhergesagt werden kann.

Das Blockdiagramm des Instruments ist in Abbildung 1 dargestellt.

Der Eingangsdämpfungs-/Strommoduswähler ist erforderlich, da wir Spannungen bis zu 100 V messen möchten und diese nicht direkt an den Verstärker angelegt werden können. Der Strommodus ist so gewählt, dass kein Schaltkontakt in Reihe mit dem Strommesswiderstand liegt und somit eine potenzielle Fehlerquelle ausgeschlossen ist. Der geringe Preis besteht darin, dass für den Betrieb im Strommodus ein separater Anschluss erforderlich ist.

Der Verstärker benötigt eine Verstärkung von etwa 1000 (60 dB), um einen vollständigen Messwert für einen 1-mV-Eingang zu liefern. Dies wird durch die Verwendung der beiden Operationsverstärker im LM4562 mit einer Verstärkung von jeweils 31,62 erreicht. Der LM4562 ist eigentlich für Hi-Fi-Vorverstärker gedacht und weist daher ein geringes Rauschen und eine geringe Verzerrung sowie eine große Bandbreite auf. Bei der Offset-Spannung ist es nicht so heiß, aber das kann in dieser Anwendung behoben werden.

Da es sich um zwei Verstärkerstufen handelt, ist es einfach, Anschlüsse und Schaltungen bereitzustellen, so dass andere Schaltkreise zwischen den beiden Verstärkern eingefügt werden können, und sie können auch als unabhängige Verstärker verwendet werden, wenn ein weiterer Anschluss am Ausgang des zweiten Verstärkers hinzugefügt wird.

Es muss eine wichtige Entscheidung hinsichtlich der Art des Detektors getroffen werden, der das verstärkte Signal in Gleichstrom umwandelt, um entweder eine Digitalanzeige oder ein Zeigerinstrument zu betreiben. Der einfachste Detektor ist ein Halbwellen-Mittelwertdetektor, der uns wenig über das Signal verrät und eine erhebliche Spannungsabweichung in der nicht erkannten Halbwelle verbergen kann.

Am anderen Ende der Komplexitätsskala befindet sich der „True-RMS“-Detektor, der mit „true“ gekennzeichnet ist, um ihn von einem durchschnittlichen Detektor zu unterscheiden, dessen Verstärkung so angepasst wurde, dass er den RMS-Wert eines Wellensignals, jedoch nicht aller anderen, misst. Das ist gut, wenn man den RMS-Wert des Signals wissen möchte, aber das einzige preisgünstige Gerät ist der AD736, der auf 200 kHz begrenzt ist, während der Verstärker bis 1 MHz und darüber hinaus arbeitet.

Der dritte Detektortyp ist der Vollwellen-Peak-Detektor, der zu einem vernünftigen Preis gebaut werden kann. Es kommt sehr häufig vor, dass der Spitzenwert eines Signals gemessen werden muss, da dies darauf hindeuten kann, dass etwas in der Signalkette überlastet und der Spitzenwert begrenzt ist. Der Effektivwert eines Sinuswellensignals lässt sich auch leicht ermitteln (sogar mit bis zu etwa 10 % Verzerrung), indem man den Spitzenwert durch 1,4 dividiert oder mit 0,7 multipliziert, solange die Wellenform nicht wesentlich abgeschnitten wird. Dies ist einfach zu bewerkstelligen, da hierfür ein 3-dB-Dämpfer zugeschaltet werden muss.

Ein weiterer einfacher Abschwächer interpoliert zwischen den 20-dB-Schritten (10-fach) des Bereichsschalters, wodurch alle Anzeigen über 0,5 mV auf einem Zeigerinstrument in der oberen Hälfte der Skala liegen. Beide Dämpfungsglieder können angewendet werden.

Die Suche nach veröffentlichten Vollwellen-Spitzendetektoren, die bis zu 1 MHz arbeiten, erwies sich als erfolglos, aber durch die Kombination von Techniken zweier ungeeigneter Detektoren wurde eine Lösung gefunden, die einen weiteren LM4562 und zwei HF-Bipolartransistoren BF140 verwendet. Natürlich können auch andere Transistoren mit ähnlichen oder besseren Eigenschaften verwendet werden, Allzwecktransistoren wie BC547/847 sind jedoch nicht geeignet.

Für dieses Experiment werden die Blöcke einzeln mit ihren Schaltplänen beschrieben (mit Ausnahme der Verstärker), die einen doppelten Operationsverstärker und einen zweipoligen Schalter verwenden, daher wäre eine Trennung verwirrend. Der gesamte Schaltplan ist zu groß, um auf einer einzigen Seite lesbar zu sein. Die Stromversorgungsanschlüsse an den Operationsverstärkern werden nur als V+ und V– und im Stromversorgungsblock angezeigt, um zu viele lange Kabel zu vermeiden.

Das Schema für den Eingangsdämpfer und den Strommodusschalter ist in Abbildung 2 dargestellt.

Der Schalter wird in der höchsten Empfindlichkeitsposition angezeigt. Beginnend in der unteren Position und im Uhrzeigersinn sind die Schaltstufen Strommodus (10 mA), 100 V, 10 V und 1 V.

Der Stromsensorwiderstand (und alle im Projekt verwendeten Widerstände, sofern nicht anders angegeben) sollte eine Toleranz von ±1 % haben, es handelt sich also nicht um eine billige, sondern um eine erschwingliche Komponente. Eine Alternative besteht darin, einen 0,15-Ω-Widerstand mit einem anderen Wert parallel zu verwenden, der so gewählt wird, dass er etwa 0,1 Ω ergibt. Es sollte nicht drahtgewickelt sein, es sei denn, es hat ein Metallgehäuse, da sonst die Induktivität bei hohen Frequenzen zu Fehlern führen könnte: 100 nH sind 628 mΩ bei 1 MHz.

Beachten Sie, dass der Strommesswiderstand so nah wie möglich am Eingangsanschluss angeschlossen ist, um keinen zusätzlichen Widerstand zu erzeugen. Aus dem gleichen Grund ist auch kein DC-Sperrkondensator in Reihe geschaltet. Wenn eine Komponente mit einer Nennleistung von 1 W oder mehr verwendet wird, sollte eine Gleichstromkomponente mit weniger als 10 A kein Problem darstellen.

C2 sollte ein Polyesterfolienkondensator mit einer Nennleistung von 250 V oder höher sein, wenn Sie höhere Gleichspannungen verwenden.

Der Trimmerkondensator dient dazu, die Dämpfungen bei hohen Frequenzen korrekt einzustellen. Diese Werte haben bei mir funktioniert, aber die Kapazitäten sind sehr konstruktionsabhängig, sodass Sie möglicherweise andere Werte oder Konfigurationen benötigen.

Das Schema ist in Abbildung 3 dargestellt.

Die Schaltung ist so angeordnet, dass keine ungenutzten Widerstände an den Signalkreis angeschlossen sind. sie sind am Boden befestigt. Die Umschaltung für die 3/10/13-dB-Dämpfungsglieder und den „Externen Filter“ wird im nächsten Abschnitt behandelt.

Die Schalter sind in der 1-V-Position dargestellt. Jeder Schritt ändert die Verstärkung an jedem Schalterpol um 10 dB, was 20-dB-Schritte (10-mal) ergibt.

Der niedrige Wert der Rückkopplungswiderstände R10 und R16 ist der Schlüssel zu einer großen Bandbreite. Sie müssen möglichst nahe bei 2,2 kΩ liegen, was die Auswahl mehrerer Komponenten erfordern kann.

R5 und R10 könnten einen E96-Serienwert von 71,5 Ω oder 82 Ω || haben 560 Ω (|| bedeutet „parallel“). R6 und R11 betragen 180 Ω || 3,3 kΩ. R7 und R12 betragen 820 Ω || 10 kΩ. Andere Kombinationen sind selbstverständlich möglich. Zusätzlich können R8 und R13 220 kΩ betragen.

Es ist notwendig, den erforderlichen Werten so nahe wie möglich zu kommen, da die Genauigkeit des Instruments davon abhängt. Voreingestellte Widerstände sollten nach Möglichkeit vermieden werden bzw. auf hochwertige Bauteile zurückgegriffen werden; andernfalls leidet die Kalibrierungsstabilität.

Beachten Sie, dass die Verwendung der 2,2-kΩ- und 220-kΩ-Widerstände zur Einstellung der Rückkopplungsverstärkung einen nichtinvertierenden Verstärker mit einer Verstärkung von 1,01 (0,086 dB) erzeugt, was nahe genug an 1 liegt.

Die 3 dB (Spitze-zu-RMS-Sinuswelle) und 10 dB (Skalenlupe) Dämpfungsglieder sowie die externen Filterschalter sind in Abbildung 4 dargestellt.

Wie zuvor ist es notwendig, die Widerstände zu messen und diejenigen auszuwählen, die den erforderlichen Werten am nächsten kommen. Es hilft, dass in diesem Fall die E12-Vorzugswerte auf Kosten eines zusätzlichen Widerstands für das -13-dB-Netzwerk verwendet werden können.

Es ist sinnvoll zu untersuchen, wie gut die E12-Serienwiderstände die erforderliche Dämpfung bewirken. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse.

DämpfungdB

Dämpfungsverhältnis

Oberarmwiderstand

Unterarmwiderstand

RatioLower / (unten + oben)

Durch die Verwendung von Messwertwiderständen kann der Fehler minimiert werden, indem ein Widerstand mit niedrigem Wert in Reihe mit dem Widerstand geschaltet wird, der zu niedrig ist. Wenn beispielsweise die Widerstände für 3 dB genau 3,3 kΩ und 8,2 kΩ betragen würden, könnte der Fehler behoben werden, indem 82 Ω in Reihe mit den 3,3 kΩ geschaltet werden.

Es ist recht praktisch, in diesem Netzwerk Kippschalter zu verwenden, aber natürlich könnten auch Schiebe- oder Drehschalter verwendet werden.

Der Spitzendetektor ist in Abbildung 5 dargestellt.

Es verfügt über drei Funktionen, die eine große Bandbreite sichern:

Die BAT54-Dioden können durch BAT85 ersetzt werden. D3 schützt das Messgerät vor übermäßigem Strom, wenn der Bereichsschalter falsch eingestellt ist.

Die im Prototyp verwendeten BF240-Geräte könnten durch andere Geräte mit sehr ähnlichen Eigenschaften ersetzt werden. Obwohl es sich um ein altes Gerät handelt, ist es immer noch verfügbar und wurde für UKW-Radio-HF-Bühnen verwendet, sodass möglicherweise andere Geräte für denselben Dienst geeignet sind. Beachten Sie, dass Allzweckgeräte wie BC547 und 2N3904 nicht geeignet sind.

Darüber hinaus könnten R23 und R26 aus zwei 1k-Widerständen hergestellt werden, und R32 kann auch aus 10k- und 56k-Widerständen parallel hergestellt werden. Sein Wert ist so gewählt, dass der voreingestellte Widerstand, der auf dem Messgerät auf 1 V eingestellt ist, mit 1 V RMS-Eingang bei 1 kHz und dem angelegten 3-dB-Dämpfer, etwa in der Mitte seiner Spur liegen sollte.

Anstelle von R32, RV1 und dem Messgerät M kann eine Digitalanzeige angeschlossen werden.

Die Stromversorgungsschaltung ist in Abbildung 6 dargestellt.

Die 100-nF-Kondensatoren sollten so nah wie möglich an den IC-Pins auf der Versorgungsseite der Leiterbahn montiert werden. Wenn die Leiterbahn zuerst zum IC-Pin und dann zum Kondensator führen würde, gäbe es eine unerwünschte Induktivität in Reihe mit dem Kondensator, und es ist nicht viel Induktivität erforderlich, um mit einem 100-nF-Kondensator in Resonanz zu treten.

Sofern nicht näher angegeben (z. B. durch „abhängig vom Layout“), basieren die Zahlen auf gemessenen Werten des Prototyps.

Sie können 1 A erzeugen, indem Sie einen Audioverstärker mit einem 8 Ω ±1 %-Widerstand (der nur 0,125 W verbraucht, also ist ein ½ W-Anteil in Ordnung) in Reihe mit dem Ausgang und dem Stromeingang verwenden. Passen Sie den Eingangssignalpegel an, um 8 V RMS über den 8-Ω-Widerstand zu erhalten.

Die Frequenzgänge bei jeder Bereichseinstellung sind in den Abbildungen 7, 8, 9 und 10 dargestellt.

Die Reaktionen bei 1,2 MHz liegen außerhalb der Reichweite des Kehrgeräts und wurden daher mit einem Signalgenerator gemessen. In diesem Bereich ist aufgrund des geringen Eingangs und der hohen Verstärkung mit einem geringen Rauschen auf der Leiterbahn zu rechnen. Abbildung 11 zeigt die Reaktion des Strommessers bei 100 mA.

Externe Filter sollten einen Eingangswiderstand von 10 kΩ oder mehr und einen Ausgangswiderstand von 1 kΩ oder weniger haben.

Um unerwünschte HF-Emissionen vom Messgerät fernzuhalten, ist ein Gehäuse aus Metall oder leitfähigem Kunststoff erforderlich. Es kann erforderlich sein, an allen Ein- und Ausgängen Ferritperlen so nah wie möglich am Stecker anzubringen. Zwischen den Eingängen jedes Operationsverstärkers ist möglicherweise ein Kondensator mit sehr geringem Wert, z. B. 10 pF, erforderlich.

Zu diesem Design könnten mehrere interessante Erweiterungen hinzugefügt werden, um zusätzliche Funktionen bereitzustellen, darunter: