Глава 1. Цифровые измерительные устройства.

1.5 ШИРОКОДИАПАЗОННЫЕ ЦИФРОВЫЕ ОММЕТРЫ

Цифровой мультиметр, описанный выше, не может измерять сопротивления выше 20 МОм. Однако в радиолюбительской практике потребность в этом время от времени возникает. Нередко и точность измерения малых сопротивлений также недостаточна. Поэтому в лаборатории радиолюбителя желательно иметь прибор с более широким диапазоном измерения сопротивлений. Два варианта таких омметров и описано в этом разделе.

Первым прибором можно измерять сопротивления на пределах 200 Ом, 2, 20, 200 кОм, 2, 20, 200 МОм с погрешностью ±(0,3%+ 1 единица младшего разряда) и вдвое большей на диапазоне 2 ГОм. Омметр питается от аккумуляторной батареи 7Д-0,125 и потребляет ток не более 3 мА.

На первых четырех диапазонах принцип работы прибора следующий. Относительно стабильный ток, заданный одним из резисторов R17-R20, протекает через соответствующий образцовый резистор (R9 - R12) и контролируемое сопротивление Rx (рис. 25,а). Отношение падений напряжения на контролируемом и образцовом резисторах измеряется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) на микросхеме КР572ПВ5 и индицируется на жидкокристаллическом индикаторе.

На четырех других диапазонах принцип работы мегомметра иной. На измерительный вход АЦП с делителя R1R2 подается относительно стабильное напряжение - около 60 мВ (рис. 25,6). На образцовый вход АЦП напряжение подается с делителя, образованного контролируемым резистором Rx и одним из образцовых

резисторов R21 - R24. При изменении контролируемого сопротивления от максимальной для данного диапазона величины до 0,1 от максимальной падение напряжения на образцовом резисторе изменяется от 30 до 285 мВ. За счет падения напряжения на компенсационных резисторах R 13 - R 16 напряжение, подаваемое на измерительный вход АЦП, уменьшается на величину 0,3...3 мВ, в результате чего отношение напряжений

на измерительном и образцовом входах АЦП оказывается строго пропорциональным измеряемому сопротивлению.

Полярность напряжения, прикладываемого к измерительному входу АЦП в схемах рис. 25,а и б, различная, но это роли не играет.

Схема омметра приведена на рис. 26. Измерительные цепи (см. рис. 25) питаются от разности напряжений батареи питания и

внутреннего стабилизатора -3 В микросхемы АЦП. Нагрузочная способность этого стабилизатора для вытекающего тока невысока, и она увеличена за счет подключения к его выходу резистора R3. Нестабильность этого напряжения не играет никакой роли, поскольку АЦП измеряет отношение напряжений, а не их абсолютную величину. Исходная частота работы АЦП выбрана равной 50 кГц.

Управление запятыми и индикация разряда батареи в приборе выполнены аналогично предыдущим конструкциям.

Омметр имеет отдельные входы для подключения низкоомных (до 200 кОм) и высокоомных (более 200 кОм) резисторов. Включение прибора кнопкой SB1 рекомендуется производить при подключенном к омметру измеряемом резисторе, при другом порядке измерения резко увеличивается время установления показаний.

В приборе в качестве Rl, R2, R9 - R 12, R21 - R24 следует использовать точные резисторы с допуском 0,1...0,2%, например С2-29В. Резистор Rl составлен из точного 10 кОм и подключенного параллельно ему резистора типа МЛТ-0,125 сопротивлением 820 кОм ±10%. Резисторы R9 - R 12 полезно уменьшить на 0,1...0,2% относительно "круглых" величин, указанных на схеме, для этого параллельно R9 и R 10 подключить резисторы 75 и 750 кОм соответственно, а резисторы R11 и R12 составить каждый из двух одинаковых с номиналами 4,99 и 49,9 кОм соответственно. Необходимая поправка на диапазонах 2 МОм - 2 ГОм учтена при выборе номинала резистора Rl. К точности остальных резисторов высоких требований не предъявляется, они могут быть использованы с допуском 10%.

Конденсаторы С6 и С9 должны быть с высококачественным диэлектриком (лучше пленочные групп К72 или К73). Автором использованы конденсаторы К73-16 и К73-17. Конденсаторы С1 и С4 - К53-18 или любого другого типа, остальные конденсаторы КМ-5 и КМ-6.

Печатная плата прибора разработана на основе платы описанного выше мультиметра (рис. 11), из которой использован рисунок соединений микросхем DD1, DD2, индикатора HG1 и подключения резисторов и конденсаторов, необходимых для функционирования микросхемы DD2. Переключатель SA1 типа ПГ2-7-12ПЗН установлен на плату на кронштейне, изготовленном из латуни толщиной 1 мм, со стороны, противоположной стороне установки микросхем. Резисторы Rl - R3, RIO - R24 установлены частично на плате, частично на выводах переключателя.

Арматуру переключателя, а также его неиспользуемые контакты следует соединить с общим проводом (цепь -3 В). При монтаже цепей переключателя в качестве SA1.1 лучше использовать максимально

удаленную от ручки секцию, в качестве SA1.2 - среднюю, в качестве SA1.3 - ближнюю к ручке.

При использовании рекомендованных типов резисторов настройка прибора заключается в подборе резистора R27 для Остановки частоты генератора, равной 50 кГц, и подборе резисторов R4, R8 для включения запятой Н4 при снижении напряжения питания до 7,5...7,8 В.

Недостатком прибора является большое время установления показаний на диапазоне 2 ГОм, достигающее 20 с. Уменьшить время установления можно, если цепь зарядки конденсатора образцового

напряжения микросхемы АЦП дополнить операционным усилителем 140УД24 [5] с транзисторами МОП на входе, самостабилизированным прерыванием, как показано на рис. 27.

Как расширить пределы измерений в сторону малых сопротивлений? Казалось бы очень просто - добавить два положения переключателя пределов измерения SA1 и установить в 10 и 100 раз меньшие по сопротивлению эталонные и токозадающие резисторы, нежели на диапазоне 200 Ом. Однако сопротивление соединительных проводов, нестабильное сопротивление контактов переключателей и зажимов, при помощи которых будет подключаться измеряемый резистивный элемент, не позволят реализовать необходимую точность.

На помощь приходит четырехзажимный метод измерения сопротивлений (рис. 28). Через измеряемое сопротивление при помощи одной пары зажимов

пропускается относительно стабильный ток, задаваемый источником питания и одним из резисторов R31, R32. Падение напряжения на контролируемом сопротивлении снимается при помощи второй пары зажимов и подается на измерительный вход АЦП. При такой схеме измерений падение напряжения на контактах переключателей, зажимах и проводах не влияет на результат. Поскольку АЦП измеряет отношение напряжений на контролируемом сопротивлении и образцовом (одно из R29, R30), не оказывает влияния и точность задания тока в цепи.

Схема коммутации цепей омметра приведена на рис. 29, нумерация вновь введенных элементов продолжает имеющуюся на рис. 26. Измерительные цепи этого варианта омметра также питаются от разности напряжений батареи питания и внутреннего стабилизатора -3 В микросхемы КР572ПВ5. Нагрузочная способность этого стабилизатора для вытекающего тока увеличена за счет подключения к его выходу эмиттерного повторителя на транзисторе VT1.

Дополнительная секция SA1.4 исключает суммирование сопротивления контактов переключателя с сопротивлением эталонных резисторов R29, R30.

Резисторы R2 и R33 шунтируют зажимы 1 и 4, 3 и 5 соответственно. Это никак не отражается на точности, поскольку их сопротивление намного больше, чем контактов и проводов, но существенно упрощает коммутацию. Кроме того, наличие этих резисторов позволяет проводить измерения на диапазонах 2, 20, 200 кОм используя только два зажима, подключенные к гнездам 4 и 5 разъема XS1.

Соединение контакта 2 розетки XS2, расположенного между контактами 1, 4 и 3, 5 и "экранирующего" их по постоянному току, со входом + Uобр АЦП уменьшает влияние токов утечки разъема на точность измерения на высокоомных пределах.

Как указывалось выше, эталонные резисторы диапазонов <200 кОм полезно уменьшить на 0,1...0,2% относительно круглых величин, указанных на схеме. Для этого параллельно резисторам R29 и R30 (их допуск должен быть не хуже 0,1...0,2%) следует подключить резисторы 750 Ом и 7,5 кОм соответственно.

Переключатель SA1 - типа ПГ2-8-12П4Н. Транзистор VT1 -любой структуры n-р-n с мощностью рассеяния не менее 350 мВт и коэффициентом передачи тока базы h21э не менее 100 при токе коллектора 100 мА.

В связи с большим потреблением тока (до 100 мА) целесообразно в качестве источника питания омметра использовать сетевой стабилизированный напряжением 9...10 В. Можно воспользоваться адаптером 12 В 300 мА, дополнив его стабилизатором на микросхеме КР142ЕН8А(Г) и двух керамических конденсаторах емкостью 1 мкф, расположенных рядом с ней.

Рекомендации по выбору элементов, рисунку печатной платы, конструктивному оформлению, налаживанию - те же, что и для описанного ранее варианта прибора. В качестве XS1 и XS2 можно использовать стандартные звукотехнические разъемы ОНЦ-ВГ, имеющие соответствующее число гнезд. К четырем контактам ответной вилки следует подпаять разноцветные провода с зажимами "крокодил" на концах.

При измерении на диапазонах до 2, 20, 200 Ом вилку включают в розетку XS1, контролируемый резистор подключают четырьмя зажимами. На пределах 2, 20 и 200 кОм используют два зажима, подключенные к контактам 2 и 3. На диапазонах 2 МОм - 2 ГОм вилку переключают в розетку XS2 и используют зажимы, подключенные к контактам 1 и 4. Источник питания лучше включать после подсоединения контролируемого резистора - это уменьшит время установления показаний.

Повысить удобство пользования прибором можно, изготовив зажимы с изолированными губками. Для этого у одной из губок "крокодила" спилить зубья и на их место напаять пластинку из двустороннего фольгированного стеклотекстолита. Роль одного из зажимов будет выполнять губка, оставшаяся с зубьями, роль второго - поверхность пластинки. Оставшиеся зубья следует подровнять так, чтобы при измерениях они не касались вставки. Такими зажимами можно пользоваться на всех пределах измерений.

При использовании сетевого источника питания необходимо (а при батарейном питании - очень желательно), защитить входы микросхемы DD2 (выводы 30, 31, 35, 36) как указано в конце первого раздела этой главы.