Глава 1. Цифровые измерительные устройства.

1.2 ЦИФРОВОЙ МУЛЬТИМЕТР

Стрелочный авометр - измеритель напряжения, тока и сопротивления - много лет являлся основным прибором любого радиолюбителя. С появлением БИС КР572ПВ2 и КР572ПВ5 на смену ему пришел цифровой мультиметр, один из вариантов которого описывается ниже.

Основным отличием предлагаемого прибора от ранее описанного автором [2, 3] является малое потребление тока от батареи питания, что определяется использованием рассмотренной выше микросхемы КР572ПВ5 и жидкокристаллического индикатора. Кроме того, в нем расширен диапазон измеряемых сопротивлений до 19,99 МОм и возможен контроль р-n переходов различных полупроводниковых приборов, что не может обеспечить большинство других цифровых мультиметров.

Мультиметром можно измерять постоянное и переменное напряжения (в вольтах), ток (в миллиамперах), а также сопротивление (в килоомах) в пяти диапазонах с верхними пределами 0,1999, 1,999,

19,99, 199,9, 1999. При измерении сопротивлений возможно введение множителя "х10".

Погрешность измерения сопротивлений, постоянного напряжения и тока менее ±(0,2% +1 единица младшего разряда). При измерении переменного напряжения и тока в диапазоне частот 20 Гц... 5 кГц погрешность измерения менее ±(0,3%+1 единица младшего разряда) во всем диапазоне измеряемых напряжений. В диапазоне частот до 20 кГц при измерении в диапазоне от 0,1 предела измерения и выше погрешность не превышает 2,5% от измеряемой величины, на частоте 50 кГц - 10%.

Указанная точность для вольтметра переменных напряжений на частотах более 5 кГц гарантируется на диапазонах 0,1999, 1,999, 19,99 В. На диапазонах 199,9 и 1999 В погрешность на частотах более 5 кГц больше.

Входное сопротивление вольтметра - 11 МОм, емкость - 100 пФ, падение напряжения при измерении тока не превышает 0,2 В. Питание осуществляется от батареи 7Д-0,125Д, потребляемый ток не превышает 2 мА при измерении постоянных напряжений и токов и 7 мА при измерении сопротивлений и переменных напряжений и токов. Мультиметр работоспособен при разряде батареи до напряжения 7,5 В.

Схема коммутации цепей мультиметра приведена на рис. 7, за основу взята схема, описанная в [2, З]. При измерении постоянного напряжения оно через делитель R1 - R6 поступает на вход "+" аналого-цифрового преобразователя (АЦП), вход "-" АЦП подключен при этом к общему проводу. Сопротивления большинства резисторов делителя выбраны кратными 10, что облегчает их -подбор. Сопротивление нижнего плеча делителя в этом случае составляет 1,111 кОм, оно получается параллельным соединением резисторов 1,2 кОм и 15 кОм. При использовании резисторов делителя с допуском 0,1% никакого дополнительного подбора резисторов делителя не требуется.

При измерении постоянного тока АЦП подключен к одному из шунтов R7-R11, через которые пропускается измеряемый ток. Использование двух секций SA2.3 и SA2.4 переключателя пределов измерений для коммутации шунтов позволяет исключить влияние нестабильности сопротивления контактов переключателя на погрешность измерения и порчу прибора в момент переключения пределов.

Принцип работы омметра проиллюстрирован функциональной схемой на рис. 8. Измеряемое сопротивление включено в цепь обратной связи операционного усилителя DA2, входной ток которого задан резисторами R1 - R6, подключенными через переключатели SA2.2 и SA1.3 к источнику напряжения +1,111 В. Поскольку

сопротивления используемых резисторов R1 - R6, включенных последовательно, кратны 1,111кОм, ток, задаваемый ими, имеет значения, кратные 10, и падение напряжения на измеряемом сопротивлении с точностью до множителя 10° равно его величине. Это падение напряжения на основных диапазонах (множитель "х1") измеряется с помощью АЦП, подключенного непосредственно к измеряемому сопротивлению. При введении множителя "х10" падение напряжения на измеряемом резисторе с помощью делителя R16R17R18 перед подачей на АЦП уменьшается в 10 раз. Такое построение омметра позволяет использовать те же резисторы, что и в делителе вольтметра и исключает их подбор. Кроме того, дрейф нуля операционного усилителя не приводит к дрейфу нуля омметра на основных диапазонах и уменьшается в 10 раз при введении множителя "х10".

Измерение переменного напряжения и тока производится аналогично измерению постоянных напряжений и токов, но на вход АЦП включается преобразователь переменного напряжения в постоянное, обведенный на рис. 7 штрихпунктирной линией. Входной делитель и шунты использованы те же, что и при измерении постоянного напряжения и тока. Во входном делителе при измерении на переменном токе важную роль играют конденсаторы С2 - С8, обеспечивающие точность деления входного сигнала. Значение емкостей этих конденсаторов рассчитать затруднительно, так как неизвестна точная емкость монтажа. Поэтому конденсаторы нижних плеч делителя С7 и С8 рассчитаны на некоторую усредненную емкость монтажа, поскольку разброс ее мало влияет на точность деления при относительно большой емкости конденсатора С8. Верхние плечи делителя снабжены подстроенными конденсаторами для точной настройки делителя. Построение делителя в две ступени (С2, С4 -первая ступень, С5, С7, С8 - вторая) позволяет в 10 раз уменьшить емкости нижних плеч делителя. Относительно большая емкость С2 верхнего плеча делителя позволяет точно подстроить это плечо конденсатором С3 и уменьшить погрешность делителя из-за изменения емкости монтажа соединительных проводников. Нижнее низкоомное плечо делителя выполнено без конденсаторов.

Крайнее верхнее по схеме положение переключателя SA1 служит для контроля напряжения батареи питания. В этом случае АЦП подключен к среднему плечу делителя напряжения батареи R 13 - R 15. Ток делителя имитирует ток, потребляемый операционными усили-

телями при их включении во время измерения сопротивления, переменного тока или напряжения. Показания мультиметра в этом режиме не зависят от положения переключателя диапазонов SA2.

На рис. 9 приведена схема преобразователя переменного напряжения в постоянное, источника опорного напряжения, АЦП и подключения АЦП к индикатору.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное собран на операционном усилителе (ОУ) DA2, который также используется в омметре. Входное напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ. Усиленное напряжение полуволны положительной полярности выделяется на резисторе R39, а отрицательной - на резисторе R38. Между верхними по схеме выводами резисторов R39 и R38

формируется выпрямленное напряжение, которое через фильтрующие цепи R42C19 и R43C20 подается на вход АЦП.

На резисторах R40 и R41 выделяются обе полуволны усиливаемого напряжения, с них напряжение обратной связи по переменному току через конденсатор C18 поступает на инвертирующий вход ОУ, чем достигаются высокая точность и линейность преобразователя. Стабильность рабочей точки ОУ по постоянному току обеспечена за счет отрицательной обратной связи через резистор R37. Относительно большая величина сопротивления этого резистора выбрана потому, что он не должен шунтировать измерительную цепь VD1, VD2, R38, R39. Емкость конденсатора С18 также выбрана довольно большой, так как он с паразитной емкостью монтажа образует делитель входного сигнала, поступающего на инвертирующий вход ОУ. При меньшей емкости конденсатора С18 возникает заметная погрешность при измерении переменного напряжения на пределе 1999 В.

Резистор R35 служит для установки нуля ОУ DA1, конденсаторы С 11 и С 17 являются блокировочными, подстроечный резистор R41 служит для точной установки коэффициента передачи преобразователя переменного напряжения в постоянное. Цепи R32C12 и R33C13 обеспечивают защиту ОУ от перегрузок.

Конденсатор С25 и резисторы R45, R46 - задающие частоту элементы генератора микросхемы, генератор работает на частоте 50 кГц. Конденсатор С23 и резистор R44 - элементы интегратора. Конденсатор С24 работает в цепи автокоррекции, конденсатор С22 служит для запоминания образцового напряжения. Цепи R47C26 и R48C27 фильтруют входное напряжение АЦП и защищают его от случайных перегрузок. Конденсаторы С9 и С28 - блокировочные по цепям питания.

Напряжение 1,111 В для работы омметра формируется с помощью делителя R 19 - R22, для исключения зависимости этого напряжения от величины токозадающих резисторов R1 - R6 установлен буферный ОУ DA1.

Все напряжения на схеме указаны относительно плюса батареи питания (О В), за исключением 1,111 В, оно указано относительно общего провода.

Резисторы R1-R11.R13-R17 следует подобрать с погрешностью 0,1%, в крайнем случае - 0,2%. В описываемой конструкции в основном использованы резисторы типа С2-29В мощностью 0,125 Вт. Резистор R10 типа С2-1 0,25 Вт, резистор R11 составлен из десяти параллельно соединенных резисторов С2-29В 1 Ом 0,125 Вт. Резистор R1 состоит из 5 последовательно соединенных резисторов С2-29В 2 МОм 0,25 Вт.

Такую точность для остальных резисторов соблюдать не нужно, однако резисторы R19, R20, R22, R24, R25, R27, R38 - R40 должны быть стабильными, например С2-29В.

Резисторы R38 - R40 могут быть выбраны в диапазоне 3...5 кОм, но их сопротивления должны быть равны друг другу с точностью до 1%, а сопротивление резистора R41 - в 12... 16 раз превышать сопротивление R38 - R40. Подстроечные резисторы - СПЗ-19а.

Конденсатор С8 типа К73-9 с допуском 10% на рабочее напряжение 100 В, конденсатор С1 - К73-17 на напряжение 400 В, а С22 того же типа на напряжение 63 В. Допуск конденсатора С21 должен быть 5%, остальных - до 20%. Конденсаторы С23 и С24 типа К73-11 на напряжение 160 В. Возможно применение и других конденсаторов, обозначение которых начинается с К70. Их рабочее напряжение (кроме С1) может быть любым. Полярные конденсаторы, использованные в мультиметре, типа К53-4, остальные - КД, КМ-5 или КМ-6. С7 подбирают из конденсаторов с номинальной емкостью 1100 пФ. Его емкость должна составлять 0,109 от емкости С8 с погрешностью 0,2%.

Конденсаторы С4 и С7 должны иметь группу по ТКЕ не хуже М750. Подстроечные конденсаторы С3 и С6 - КТ4-216 на напряжение 250 В. Переключатели SA1 и SA2 - ПГ2-12-6П8Н, SA3 - ПР2-2П4Н. На принципиальной схеме дана нумерация контактов, указанная на переключателях.

Микросхему К1407УД2 возможно заменить ОУ, работоспособным при полном напряжении питания 7 В с входным током не более 150 нА (К140УД12, К140УД17, К574УДЗ). Можно применить ОУ и с большим входным током, пропорционально увеличив ток делителя R19 - R22. Микросхема КР574УДЗ уникальна для использования в данном устройстве, поскольку работает при полном напряжении питания 6 В, имеет полевые транзисторы на входе, обладает малым дрейфом нуля и достаточно высоким быстродействием. Ее можно заменить лишь на К574УДЗ при учете различия в цоколевке и КР544УД2 - при увеличении напряжения питания до 10 В. Микросхема К561ЛП2 заменима на КР1561ЛП14, а при изменении рисунка печатной платы - на 564ЛП2.

Все детали мультиметра, кроме батареи питания, расположены на двух печатных платах размерами 65х90 мм. На первой односторонней плате установлены все детали мультиметра, за исключением микросхем DD1, DD2, индикатора HG1 и непосредственно связанных с ними деталей - они расположены на второй плате. На рис. 10 приведено расположение проводников и деталей на первой плате со стороны, противоположной стороне установки элементов. Вторая плата - двусторонняя. На рис. 11,а показано расположение

деталей и проводников на стороне установки деталей, а на рис. 11,б -с противоположной стороны.

Следует иметь в виду, что на всей поверхности плат со стороны установки микросхем, за исключением мест расположения проводников, показанных на рис. 11,а, и под переключателем SA3 со стороны расположения проводников сохранен сплошной слой металлизации (фольги), выполняющей роль общего провода. Отверстия в печатных платах со стороны установки деталей раззенкованы. Места подпайки выводов к фольге общего провода на рис. 10 и 11,а помечены крестиками. Один из выводов конденсатора С20, стойки на обеих платах для подключения общего провода и проволочная скоба для соединения выводов резисторов R7 - R 11 подпаяны к фольге платы с обеих сторон. В этом случае соответствующие отверстия не зенкованы. На второй плате проводники, соединяющие резистор R44 и конденсаторы С23 и С24, с целью умень

шения. влияния паразитных емкостей на результат преобразования, окружены защитным проводником, соединенным с выводом 27 микросхемы. Для этой же цели фольга со стороны установки микросхем под указанными элементами отделена от общего провода и соединена с тем же выводом.

Вторая плата является законченным вольтметром постоянного тока с пределом измерения 199,9 мВ и может использоваться в других конструкциях измерительных приборов.

Переключатели SA1 и SA2 размещены на кронштейне из латуни толщиной 1 мм (рис. 12), который установлен в вырезе первой платы. Входные гнезда XS1 и XS2 для штырей диаметром 1,6 мм находятся на боковой стенке корпуса. Переключатели снабжены ручками - барабанами с гравировкой режимов и пределов измерений (рис. 13). Следует помнить, что ручки должны быть изолированы от осей переключателей. Переключатель SA3 закреплен на уголке из латуни той же толщины, его ось параллельна длинной стороне платы. Управляется переключатель рычагом, изготовленным из орга-

нического стекла толщиной 4,5 мм. Ось переключателя укорочена до 4,5 мм, лыска оси расширена до стопорной шайбы.

Платы скреплены между собой винтами М2,5, между платами установлен тонкий латунный экран, соединенный с общим проводом и оклеенный с обеих сторон самоклеющейся поливинилхлоридной пленкой, на винты с каждой стороны экрана одеты металлические дистанционные втулки высотой 2 мм.

Скрепленные между собой платы мультиметра установлены в пластмассовый корпус габаритами 116х72х34 мм. Платы крепят винтами М2,5 к четырем бобышкам из органического стекла. Напротив индикатора в корпусе прорезано окно 16х41 мм, в которое вклеена пластина из бесцветного прозрачного органического стекла.

Платы закрыты экранами в форме поддонов, изготовленными из латуни толщиной 0,3 мм и оклеенными изнутри самоклеющейся поливинилхлоридной пленкой. Экраны соединены с общим проводом. Напротив подстроечных конденсаторов С3 и C6 в одном из экранов пробиты отверстия.

Монтаж и настройку мультиметра рекомендуется проводить в следующей последовательности. Вначале следует собрать вторую плату, но вместо резистора R45 установить переменный резистор 47 кОм. Подключив частотомер к выводу 21 микросхемы DD2 и к плюсу батареи питания, переменным резистором установить частоту генератора 50 кГц (62,5 Гц по частотомеру). Впаять резистор, соответствующий сопротивлению введенной части переменного,

Соединив вход "-" АЦП с общим проводом, откалибровать АЦП с помощью подстроечного резистора R26, подав на его вход контролируемое точным вольтметром напряжение 0,18...0,19 В, при необходимости подобрать R25. Установив входное напряжение +0,199 В, нужно сменить его полярность: должен появиться знак "-".

Собрав на первой плате преобразователь переменного напряжения в постоянное, соединить его вход " + " с общим проводом, а вход "-" - с выходом ОС=. Входы АЦП подключить к выходу ОС= и общему проводу. Подстроечным резистором R35 установить нулевое напряжение на выходе DA2.

Далее нужно подключить выходы преобразователя переменного напряжения в постоянное к входам АЦП с соблюдением полярности. Выход ОС~ преобразователя следует соединить с его входом "-". Подав на вход "+" преобразователя напряжение 150...180 мВ с частотой 1000 Гц, резистором R41 устанавливают такое же показание на индикаторе. Уменьшая входное напряжение в 10 и 100 раз, следует проверить линейность работы преобразователя.

Такова методика предварительной настройки.

Теперь можно приступать к сборке первой платы. Рекомендуемый порядок проведения объемного монтажа цепей коммутации такой. Вначале переключатели SA1 и SA2 устанавливают на кронштейн и соединяют между собой их контакты в соответствии со схемой рис. 7. К контактам переключателей подпаять проводники МГТФ-0,14 с некоторым запасом по длине для соединения с печатными платами мультиметра и с переключателем SАЗ. Затем, установив кронштейн на плату, впаять проводники, идущие от переключателей, в соответствующие отверстия плат и подпаять переключатель SA3, установив его па плату. Провод от переключателя SA1.2 к скобе, соединяющей резисторы R7 - R 11, должен быть проложен отдельно от других цепей и подключен к концу скобы у резисторов R11. Шунты R9 - R11 подключают к секциям переключателя SA2.3 и SA2.4 двумя про-

водниками, каждый проводник к своей секции. У R10 и R11 для этого предусмотрено по два контакта. Поскольку почти все добавочные резисторы вольтметра и шунты миллиамперметра устанавливают перпендикулярно печатной плате, в большинстве случаев при отсутствии необходимого номинала их можно составлять из двух последовательно или параллельно включенных резисторов.

Окончательную настройку мультиметра производят в таком порядке. Мультиметр устанавливают в режим измерения постоянного напряжения и калибруют его, как описано выше, но подавая на его вход напряжение около 1,9 или 19 В. Работу вольтметра следует проверить и на других диапазонах.

Переключая мультиметр в режим измерения сопротивления, включают между входами мультиметра эталонный резистор с сопротивлением 15...19 или 150...190 кОм, величина которого известна с погрешностью не хуже 0,1%. Установив соответствующий предел измерения (без множителя "х10"), при котором индицируются все четыре знака, подстроечным резистором R21 добиваются показаний на индикаторе сопротивления эталонного резистора, при необходимости следует подобрать R 19.

Затем проверяют работу омметра на других диапазонах. На диапазоне 199,9 Ом показания могут быть завышены на 0,2...0,3 Ом за счет сопротивления соединительных проводников.

Проверить работу омметра в положении "х10" переключателя SA3, при необходимости подобрать резистор R18.

Установив мультиметр в режим измерения переменных напряжений, следует откалибровать его на частоте 50 Гц резистором R41 аналогично вольтметру постоянного напряжения.

Далее, установив смонтированную плату в корпус и закрепив экран, необходимо подстроить делитель конденсаторами С3 и С6. Возможно, что при этом придется подобрать конденсаторы С2 и С5. Рекомендуемый порядок здесь такой. Вначале следует подать на вход напряжение около 190 мВ с частотой 5 кГц и на пределе 0,1999 запомнить показания. Переключив вольтметр на следующий предел, увеличить входное напряжение в 10 раз и подстроечным конденсатором СЗ установить такие же показания. Далее необходимо переключить вольтметр на предел 19,99 В, увеличить входное напряжение еще в 10 раз и конденсатором С6 откалибровать вольтметр на этом пределе. Указанные операции по подстройке делителя необходимо повторить несколько раз, так как они оказывают влияние друг на Друга.

В режиме измерения постоянного и переменного токов мультиметр не требует калибровки.

В выключенном состоянии батарея,питания подключена к

входным гнездам, что позволяет контролировать ее напряжение и заряжать аккумуляторы.

При пользовании прибором нельзя переключать режим измерений при подключенном к контролируемой цепи .мультиметре. Постоянное и переменное напряжения, подаваемые на вход мультиметра, не должны превышать 500 В.

Несколько слов о контроле р-n переходов полупроводниковых приборов. В режиме омметра мультиметр измеряет падение напряжения на контролируемом сопротивлении (и р-n переходе) при заданном токе 1 мА, 100, 10, 1 и 0,1 мкА. На основных диапазонах омметра падение напряжения на проверяемом элементе не должно превышать 0,1999 В, поэтому контроль р-n переходов практически невозможен. При введении множителя "х10" падение напряжения может достигать 1,999 В, поэтому можно проверять р-n переходы всех полупроводниковых приборов, включая светодиоды. Мультиметр очень удобен для снятия вольт-амперных характеристик р-n переходов в логарифмическом масштабе, поскольку на табло при пяти значениях протекающего тока, различающихся максимально на четыре порядка, индицируется падение напряжения на р-n переходе в милливольтах.

Описанный выше мультиметр в режиме омметра позволяет измерять емкость конденсаторов. Рассмотрим упрощенную схему омметра мультиметра (рис. 14). Измеряемый резистор включен в цепь обратной связи операционного усилителя DA1, инвертирующий вход которого подключен к источнику стабильного напряжения Uст через токозадающий резистор R1. В результате на вольтметр PV1 поступает напряжение U, пропорциональное измеряемому сопротивлению Rx и определяемое по формуле:

U=RхI,гдеI=Ucт/Rl. Что произойдет, если вместо измеряемого сопротивления в цепи обратной связи подключить конденсатор (рис. 15)? В этом случае образуется хорошо известная схема интегратора. Напряжение, поступающее на вольтметр, линейно нарастает во времени. Чем больше

емкость конденсатора, тем медленнее нарастает напряжение. Через время Т оно достигает величины U:

U=TI/Cх,

Заметив показания вольтметра через некоторое время Т относительно момента подключения разряженного конденсатора, рассчитаем его емкость:

Сх = TI/U = T/Rx, поскольку I= U/Rx.

Емкости какой величины реально измерять мультиметром? При определении параметра Т по секундомеру удобно определять момент перегрузки омметра, т. е. когда его показания становятся равными предельному значению для данного диапазона измерения сопротивлений. Приемлемое время измерения составляет 10... 100 с, поэтому на пределе 20 МОм можно измерять емкости от 10/20=0,5 мкФ до 100/20=5 мкФ, на диапазонах 2 МОм, 200, 20, 2 кОм и 200 Ом -соответственно конденсаторы емкостью 5...50, 50...500, 500...5000, 5000...50000 и 50000... 500000 мкФ. Если время измерения увеличить до 400 с или отсчет времени производить в момент достижения показаний 50 Ом, можно измерять даже наибольшую емкость отечественного ионистора - 2 Ф.

Для достижения большей точности измерения можно увеличивать его время, но не более 400... 500 с для оксидных конденсаторов, поскольку при большем времени точность измерений уменьшается за счет утечек.

Перед проведением измерений предлагаемым способом давно не использовавшиеся оксидные конденсаторы необходимо отформовать - подавать на них в течение нескольких часов номинальное напряжение, а затем разрядить, замкнув выводы на несколько минут. Такая длительная разрядка необходима для уменьшения влияния абсорбции, проявляющейся в сохранении части заряда на конденсаторе и постепенного появления на выводах разряженного конденсатора напряжения небольшой величины после его кратковременной разрядки. Поэтому перед измерением емкости оксидного конденсатора следует тем же мультиметром проверить отсутствие напряжения на выводах.