Измерительная техника
Нашли ошибку? Сообщите нам ...Комментировать: Широкополосный щуп — приставка к мультиметру для измерения переменного напряженияРаспечатать: Широкополосный щуп — приставка к мультиметру для измерения переменного напряжения

Широкополосный щуп — приставка к мультиметру для измерения переменного напряжения



Цифровые мультиметры широко применяются в радиолюбительской практике и помогают решать большинство задач по проведению измерений. Однако при измерении переменного напряжения зачастую возникают большие проблемы. Хотя большинство мультиметров и имеют такую функцию, диапазон частот у них, как правило, ограничен частотой несколько сот герц или единицами килогерц.

Для устранения такого "пробела" предлагается снабдить мультиметр выносным щупом-приставкой, который преобразует переменное напряжение (в том числе и высокочастотное) в постоянное. Самый простой вариант такого щупа - детекторная головка на основе чувствительного германиевого диода или диода Шоттки [1, 2].

Применив специализированные микросхемы, можно сделать щуп [3] с большим частотным (до 500 МГц) и динамическим диапазонами и обеспечивающий индикацию напряжения в децибелах относительно 1 В (дБВ).

Самый простой и доступный вариант - это, конечно, щуп с детектором (выпрямителем). Описание такого щупа в виде приставки к мультиметру приводится далее. За основу была взята конструкция ВЧ-пробников, описания которых приведены в [4, 5].

Щуп для мультиметра с входным сопротивлением 10 МОм

Схема щупа показана на рис. 1. Он предназначен для совместной работы с мультиметром, у которого входное сопротивление не менее 10 МОм и который включён в режим измерения постоянного напряжения. Для повышения удобства измерений он должен иметь автоматический переключатель пределов измерения. В наличии был мультиметр APPA 61, который отвечает этим требованиям и у которого минимальная единица измерения 1 мВ и высокая точность.

Схема щупа

Рис. 1. Схема щупа

Щуп собран на одном германиевом диоде VD1, который и определяет основные параметры, в первую очередь чувствительность. Максимальная амплитуда входного напряжения ограничена значением допустимого обратного напряжения применённого детекторного диода. Для диода КД507А это напряжение - 20 В, поэтому амплитуда входного напряжения не должна превышать 10 В. Для развязки мультиметра от измеряемой цепи установлены резисторы R1 и R2. Поскольку они установлены в каждый из проводов, последние оказываются развязанными от контролируемой цепи, что позволяет измерять переменное напряжение не только относительного общего провода, но и на отдельном элементе. Подстроечный резистор R3 - калибровочный. Конденсатор С1 обеспечивает развязку по постоянному току, а его ёмкость задаёт нижнюю граничную частоту. Верхняя граничная частота определяется, в первую очередь, параметрами диода. В отличие от пробников [4, 5], ёмкость разделительного конденсатора увеличена, что обеспечило нижнюю граничную частоту около 100 Гц. Но пробник можно сделать чисто высокочастотным, для этого ёмкость конденсатора С1 должна быть 300...500 пФ.

Для выравнивания передаточной характеристики применена цепь из резистора R4 и коллекторного перехода транзистора VT1. При входном напряжении до 0,3...0,5 В эта цепь практически не влияет на выходное напряжение щупа. С ростом входного напряжения p-n переход открывается и совместно с резистором R4 шунтирует вход мультиметра, уменьшая его показания. В схеме пробника [3] для этой цели использован кремниевый диод, но в предлагаемой конструкции лучшие результаты получены с коллекторным переходом кремниевого маломощного транзистора, поскольку прямое напряжение у него оказалось больше.

Коэффициент передачи щупа - 1, это означает, что при подаче на вход переменного напряжения с действующим значением 1 В мультиметр будет индицировать постоянное напряжение 1 В. Вблизи этого напряжения рекомендуется проводить калибровку.

В щупе применены постоянные резисторы Р1-4, С2-23, МЛТ, подстроечный резистор - СП3-19а, конденсатор - К10-17 или импортный, диод - высокочастотный германиевый, транзистор - кремниевый маломощный. Для корпуса щупа был использован пластмассовый корпус от авторучки. Чтобы все применённые элементы разместились в нём, внутренний диаметр корпуса должен быть не менее 8 мм. Чертёж двухсторонней печатной платы из стеклотекстолита толщиной 1 мм для этого варианта показан на рис. 2. Все элементы размещены на отрезке платы длиной 80 мм, но её общая длина может быть больше, в зависимости от корпуса и желания радиолюбителя.

Чертёж двухсторонней печатной платы и элементы на ней

Рис. 2. Чертёж двухсторонней печатной платы и элементы на ней

Штырь ХP1 - припаянная к печатной площадке швейная игла или отрезок жёсткой металлической проволоки. Штырь XP2 - это отрезок лужёного провода, который выведен через боковое отверстие в корпусе щупа и который можно снабдить каким-либо разъёмом, например, зажимом "крокодил" или металлическим штырём. Чем выше желаемая частота работы щупа, тем короче должны быть все соединения и разъёмы.

Внешний вид смонтированной платы и элементов корпуса до сборки показан на рис. 3. Для подключения к мультиметру применён тонкий гибкий двухпроводный кабель, снабжённый на концах вилками XP3 и XP4. В данном случае подошли вилки ШП-4. Соединительный кабель размещён со стороны установки элементов и припаян к печатным проводникам на плате. После этого он закреплён на ней с помощью термоклея. Для возможности периодической калибровки щупа в корпусе, напротив движка подстроечного резистора, сделано отверстие диаметром 3...3,5 мм, которое можно заклеить отрезком липкой ленты (скотча). Вид смонтированного щупа показан на рис. 4.

Внешний вид смонтированной платы и элементов корпуса до сборки

Рис. 3. Внешний вид смонтированной платы и элементов корпуса до сборки

Вид смонтированного щупа

Рис. 4. Вид смонтированного щупа

Следует отметить, что для другого экземпляра диода VD1, возможно, потребуется замена транзистора VT1 кремниевым маломощным диодом. Поэтому перед сборкой щупа следует провести предварительный подбор этих элементов, проводя калибровку и снимая при каждой замене амплитудную характеристику. Сделать это можно на низкой частоте.

Зависимость отклонений показаний системы щуп-мультиметр от входного напряжения показана на рис. 5. Калибровка проводилась на частоте 1 МГц при напряжении 2 В. В зависимости от наиболее часто используемого интервала измеряемых напряжений, калибровку можно проводить и при другом напряжении. Следует учесть, что эти отклонения складываются или вычитаются с погрешностью установки выходного напряжения генератора. Входное сопротивление этого щупа - около мега-ома, входная ёмкость зависит от ёмкости диода и конструктивной ёмкости.

Зависимость отклонений показаний системы щуп-мультиметр от входного напряжения

Рис. 5. Зависимость отклонений показаний системы щуп-мультиметр от входного напряжения

Для повышения точности измерений можно сделать корректировочную таблицу или график и периодически проводить калибровку щупа. При частом использовании можно просто запомнить значения погрешности в процентах и корректировать показания в уме. Точно определить верхнюю граничную частоту не удалось, но до частоты 300 МГц отклонения показаний не превышали нескольких процентов.

Щуп для мультиметра с входным сопротивлением 1 МОм

Щуп можно сделать и для мультиметров серий DT-83x, М830х и аналогичных. Поскольку у них при измерении напряжения входное сопротивление около 1 МОм, номиналы элементов требуется изменить в сторону уменьшения. Соответственно уменьшится и входное сопротивление щупа. Схема щупа для этого случая показана на рис. 6. Если не требуется высокой верхней граничной частоты, в качестве детектора можно применить германиевые диоды серии Д9. Если планируется измерять переменное напряжение до 20 В, предпочтение следует отдать диодам с допустимым обратным напряжением не менее 50 В.

Схема щупа для мультиметра с входным сопротивлением 1 МОм

Рис. 6. Схема щупа для мультиметра с входным сопротивлением 1 МОм

Для корпуса щупа был применён пластмассовый корпус от фломастера меньшего диаметра, поэтому часть элементов - для поверхностного монтажа. Чертёж печатной платы этого варианта показан на рис. 7. Она - двухсторонняя, и её максимальная длина может быть любой подходящей для установки в корпусе, но не менее 60 мм. Крепление платы, проводов аналогично описанному в [6]. Применены конденсатор К10-17в и постоянные резисторы типоразмера 0805 или 1206, подстроечный резистор - PVZ3A, транзистор - любой маломощный кремниевый, в том числе и для поверхностного монтажа, например, серии КТ3130. Внешний вид смонтированной платы показан на рис. 8, а щупа в сборе - на рис. 9.

Чертёж печатной платы щупа для мультиметра с входным сопротивлением 1 МОм

Рис. 7. Чертёж печатной платы щупа для мультиметра с входным сопротивлением 1 МОм

Внешний вид смонтированной платы

Рис. 8. Внешний вид смонтированной платы

Внешний вид щупа в сборе

Рис. 9. Внешний вид щупа в сборе

Коллекторный p-n переход транзистора в этих щупах можно заменить кремниевым диодом. Для примера взамен транзисторного перехода был установлен диод КД522Б (выделен на рис. 6 цветом), что, конечно, привело к изменению передаточной характеристики. Зависимости отклонений показаний системы щуп-мультиметр от входного напряжения для транзистора и диода показаны на рис. 10. Видно, что положение точек перегиба характеристик различаются. Верхняя частота щупа с указанным на схеме детекторным диодом - около 50 МГц. Входное сопротивление этого щупа - несколько сотен килоом, входная ёмкость зависит от ёмкости диода и конструктивной ёмкости.

Зависимости отклонений показаний системы щуп-мультиметр от входного напряжения для транзистора и диода

Рис. 10. Зависимости отклонений показаний системы щуп-мультиметр от входного напряжения для транзистора и диода

Проводя эксперименты с различными типами и экземплярами детекторного и выравнивающего диода (или двух, соединённых последовательно) и подбирая резисторы, можно добиться повышения точности измерения. Кроме того, следует учесть, что при замене мультиметра на аналогичный рекомендуется провести калибровку и снять передаточную характеристику.

Чтобы сделать один из проводов общим для мультиметра и измеряемой цепи, взамен резистора R2 устанавливают проволочную перемычку, а сопротивление резистора R1 увеличивают в два раза. Полярность подключения щупа в этом случае будет иметь значение.

Налаживание и калибровку проводят вместе с тем мультиметром, с которым планируется эксплуатировать щуп. Их проводят в соответствии с рис. 11 на частоте, превышающей нижнюю частоту в несколько раз. Для этого потребуются генератор с нормированным выходным напряжением (или поверенный высокоомный ВЧ-вольтметр), ВЧ-кабель или его отрезок с волновым сопротивлением, соответствующим выходному сопротивлению генератора (как правило, 50 Ом), и проходная согласованная нагрузка (или безындукционный резистор R1 соответствующего сопротивления).

Налаживание и калибровка устройства

Рис. 11. Налаживание и калибровка устройства

Подключая щуп к выходу проходной нагрузки (резистору R1) и установив желаемое выходное напряжение, например 1 В, подстроечным резистором устанавливают показания мультиметра - 1 В. Затем, изменяя выходное напряжение, снимают передаточную характеристику и при необходимости подбирают резисторы для её корректировки. Если установлены резисторы R1 и R2, полярность подключения щупа не имеет значения, просто в одном из вариантов на табло мультиметра будет индицироваться знак минус. В авторском варианте калибровка и измерение основных параметров щупа проводились с помощью ВЧ-генератора Г4-153 (максимальное выходное напряжение - 11 В) и проходной нагрузки 50 Ом.

В заключение следует отметить, что хотя предложенные щупы и не претендуют на высокую точность измерений, они просты в изготовлении и с их помощью можно существенно расширить функциональные возможности мультиметра.

Чертежи печатных плат в формате Sprint-Layout и литературные источники [4, 5] имеются здесь.

Литература

1. Степанов Б. ВЧ головка к цифровому мультиметру. - Радио, 2006, № 8, с. 58, 59.

2. Степанов Б. ВЧ вольтметр на диоде Шотки. - Радио, 2008, № 1, с. 61, 62.

3. Нечаев И. Высокочастотный щуп-приставка к цифровому мультиметру. - Радио, 2004, № 11, с. 24, 25.

4. Instruction Sheet 85RF. - URL: http:// elcodis.com/parts/885531/85RF_dt1344-35.html#datasheet (23.04.19).

5. 85RF II High Frequency Probe Instruction Sheet. - URL: https://www.instrumart.com/ assets/85RF-II-manual.pdf (23.04.19).

6. Нечаев И. Высокоомный щуп для осциллографа с входным сопротивлением 50 Ом. - Радио, 2019, № 7, с. 9-11.

Автор: И. Нечаев, г. Москва


Дата публикации: 12.08.2019

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.


Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:








 



RadioRadar.net - datasheet, service manuals, схемы, электроника, компоненты, semiconductor,САПР, CAD, electronics