Проектирование широкополосного аналогового измерителя напряжения и тока

Может показаться удивительным предлагать чисто аналоговый счетчик, когда цифровые счетчики сейчас так широко используются. Однако малоизвестно, что цифровые счетчики имеют аналоговые схемы, предшествующие аналого-цифровому преобразователю (АЦП). Широкополосные аналоговые вольтметры с частотами от 20 Гц до 200 кГц широко использовались в прошлом и до сих пор очень полезны.

Благодаря современным операционным усилителям (ОУ) конструкция нашего аналогового измерителя может быть значительно упрощена. Эта конструкция обеспечивает плоскую полосу пропускания от 20 Гц до 1 МГц (-1 дБ при 10 Гц) с использованием недорогих компонентов.

Нетрудно добавить возможность измерения токов в цепях, в которых введение сопротивления 0,1 Ом на заземлённом конце не приводит к значительному уменьшению тока. Если счетчик работает от батареи или имеет конструкцию класса безопасности 2, заземленное соединение не обязательно должно быть реальным заземлением.

Шесть диапазонов напряжения составляют 1, 10, 100 мВ и 1, 10, 100 В полной шкалы, а четыре диапазона тока — 10, 100 мА и 1, 10 А полной шкалы. В конструкцию входит широкополосный пиковый детектор, чувствительность которого можно переключать для считывания пикового напряжения или среднеквадратического (RMS) напряжения синусоидального сигнала.

Предусмотрена возможность установки внешних фильтров для обеспечения особых частотных характеристик. Эта функция также позволяет использовать измеритель как два отдельных усилителя с переключаемым регулируемым коэффициентом усиления.

Прибор работает от двух батареек напряжением 9 В или от блока питания 9-0-9 В. Потребляемый ток составляет менее 25 мА для каждой батареи (без каких-либо светодиодных индикаторов), поэтому можно прогнозировать длительный срок службы.

Структурная схема прибора представлена ​​на рисунке 1.

Входной аттенюатор/переключатель режима тока необходим, поскольку мы хотим измерять напряжения до 100 В, а их нельзя подать непосредственно на усилитель. Режим тока выбирается таким образом, чтобы контакт переключателя не включался последовательно с токочувствительным резистором, что исключает потенциальный источник ошибки. Небольшая цена заключается в том, что для работы в режиме тока требуется отдельный разъем.

Усилителю требуется коэффициент усиления около 1000 (60 дБ), чтобы обеспечить полномасштабное показание для входного напряжения 1 мВ. Это достигается за счет использования двух операционных усилителей в LM4562 с коэффициентом усиления 31,62 каждый. LM4562 на самом деле предназначен для предусилителей класса Hi-Fi, поэтому он имеет низкий уровень шума и искажений, а также широкую полосу пропускания. С напряжением смещения не так уж и жарко, но в этом приложении это можно преодолеть.

Поскольку имеется два каскада усилителя, можно легко предусмотреть разъемы и коммутацию, чтобы между двумя усилителями можно было вставить другие схемы, а также их можно использовать как независимые усилители, если на выходе второго усилителя добавить дополнительный разъем.

Необходимо принять важное решение относительно типа детектора, предназначенного для преобразования усиленного сигнала в постоянный ток для работы либо с цифровым дисплеем, либо с указателем. Самый простой детектор — это усредняющий полуволновой детектор, который мало что говорит нам о сигнале и может скрыть значительный скачок напряжения в необнаруженном полупериоде.

На другом конце шкалы сложности находится детектор «истинного среднеквадратичного значения», помеченный как «истинный», чтобы отличать его от детектора среднего значения, коэффициент усиления которого был настроен для считывания среднеквадратического значения волнового сигнала, но не всех остальных. Это хорошо, если вы хотите узнать среднеквадратичное значение сигнала, но единственным устройством по разумной цене является AD736, который ограничен частотой 200 кГц, тогда как усилитель работает до 1 МГц и выше.

Третий тип детектора — это полноволновой пиковый детектор, который можно сконструировать по разумной цене. Очень часто необходимо измерить пиковое значение сигнала, поскольку это может указывать на то, что что-то в цепи сигнала перегружено и пиковое значение ограничено. Также легко найти среднеквадратичное значение синусоидального сигнала (даже с искажениями примерно до 10 %), разделив пиковое значение на 1,4 или умножив на 0,7, при условии, что форма сигнала существенно не обрезана. Это легко организовать, поскольку для этого требуется включить аттенюатор на 3 дБ.