Материал: МРБ 1073.(1984).[doc]

Комбинированный цифровой прибор

Функциональное назначение данного прибора — измерять постоянные и переменные напряжения и токи, сопротивления и емкости, а также частоты электрических колебаний. Прибор может работать в режиме генератора. При этом он вырабатывает колебания только синусоидальной формы.

Технические характеристики:

Диапазоны измерений:

постоянного напряжения, мВ........ 1 — 2000

В........ 2 — 1000

переменного напряжения, мВ........ 5 — 2000

В........ 2 — 350

сопротивлений, Ом............ 0,1 — 2000

кОм............ 2 — 2000

емкостей, нФ............... 0,1- — 2000

_мкф.............. 2 — 2000

Входное сопротивление, МОм.......... 3

Выбор полярности............. автоматический

Погрешность измерения, %:

постоянных напряжений и сопротивлений .... 0,2

постоянных токов и емкостей ........ 0,3

переменных напряжений и токов....... 0,5

Входное сопротивление частотомера, МОм..... 1

Максимальная частота счета, МГц........ 20

Чувствительность, ,мВ............. 25

Число знаков отсчета ............. 5

Диапазон генерируемых частот, Гц...... 0,4 — 2-Ю⁵

Переключение поддиапазонов .......... ручное

Питание — сеть переменного тока напряжением, В . . 220 Мощность потребления, ВА.......... 5

В состав прибора входят следующие функциональные узлы: У1 и У2 — источники питания, УЗ — преобразователь напряжение — частота, У 5 — входное устройство вольтметра, У7 — входное устройство частотомера, У8 — -узел управления, У9 — счетчик частотомера, У10 — преобразователь RС-параметров в частоту, У11 — широкополосный усилитель.

Рис. 33. Принципиальная схема комбинированного цифрового прибора

Принципиальная схема прибора приведена на рис. 33 (УЗ, У5, У10) и 34 (У1, У2, У7 — У9, У11). Основа вольтамперметра и источников питания та же, что и в измерительном цифровом приборе. Поэтому, прежде чем приступить к изготовлению данного прибора, необходимо ознакомиться с принципиальной схемой, приведенной на рис. 32.

Особенность комбинированного прибора заключается в том, что измерение сопротивлений и емкостей производится не на постоянном, а на переменном токе. Это позволяет сместить диапазон измерения емкостей в сторону малых значений. Теперь емкость может быть измерена с разрешением 0,1 пФ. Верхний же предел измерения емкости ограничивается до 2 мкФ. Если возникает необходимость в измерении больших емкостей (до 2000 мкФ), то в прибор следует включить узел У6 — преобразователь сопротивлений и емкостей в частоту. Включение узла У6 позволит определять также статистический коэффициент передачи тока транзисторов h_21Эи измерять активное сопротивление резисторов. Измерительный интервал при измерении напряжений, токов, сопротивлений и емкостей постоянен и равен 0,2 с.

Нажатием кнопки «F*» прибор переводится в режим измерения внешней частоты. Измерительные интервалы при измерении частот равны 0,01; 0,1; 1 и 10 с. Емкость счетчика составляет 19999, что позволяет отображать на табло счетчика частоту до 20 МГц. Ручкой «Порог», отсекая положительную или отрицательную часть сигнала, выбирают порог срабатывания частотомера. В режиме работы «G» прибор вырабатывает сигналы синусоидальной формы, частота которых определяется собственным счетчиком.

Верхние пределы генерируемых частот первых четырех поддиапазонов, устанавливаемые переключателем S4, имеют следующие значения: 200 и 2000 Гц, 20 и 200 кГц. Исключение составляет пятый поддиапазон. Из-за инерционности примененных ОУ получить частоты до 2000 кГц не удается. Даже поддержание амплитуды выходного сигнала практически постоянной в диапазоне частот 100 — 200 кГц встречает определенные трудности. Лучшим средством преодоления их является выбор ОУ с возможно большей скоростью нарастания выходного напряжения (К544УД2, К140УД11). Свободный пятый поддиапазон целесообразно использовать для генерации низких частот, который иногда может понадобиться в практической работе. Поддиапазон частот в этом положении переключателя 0,4 — 20 Гц. Точного подбора емкостей конденсаторов С13 — С17 делать не требуется. Важно только, чтобы верхняя граница каждого поддиапазона генерируемых частот была перекрыта на 5 — 10%.

Рис. 34. Принципиальная схема комбинированного цифрового прибора (продолжение)

Измеритель амплитуды выходного сигнала в данном приборе отсутствует. Амплитуда сигнала определяется снятием сигнала с соответствующего гнезда Х24 — Х27 и плавной регулировкой переменного резистора R29 по механическому счетчику, закрепленному на его оси. Резистор R29 типа СП5 — 39В, десятиобо-ротный с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота движка. Шкала счетчика проградуирована в действующих значениях выходного напряжения (в данном случае используются только пять оборотов).

Число элементов входных делителей напряжения и тока, а также эталонных резисторов и конденсаторов в данном варианте прибора довольно велико, поэтому целесообразно распаять их на отдельной печатной плате, а для повышения надежности соединений и исключения переходных сопротивлений разъем в этом случае не применять.

Переключатель S1 типа П2К собран так, чтобы S1.1, S1.8 и S1.9 были с независимой, а S1.2 — S1.7 с зависимой фиксацией. Так как мощный усилитель узла У11 используется здесь только для усиления синусоидальных колебаний, а сам усилитель, собранный на ОУ А2, обладает достаточным коэффициентом усиления и без предварительного усиления, в схеме узла У11 маломощный усилитель ка ОУ А1 можно исключить. В этом случае на плату узла У11 не устанавливают следующие элементы: А1, VI, Cl, R1 — R7, а сопротивление резистора R11 увеличивают примерно до 7,5 кОм.

Градуировку шкалы счетчика резистора R29 «Амплитуда» производят следующим образом: устанавливают счетчик в положение «1 — 00», подключают к прямому выходу усилителя У11 (гнезду Х24 «Ослабление, 0 дБ») цифровой вольтметр переменного тока. Сигнал с выхода узла У10 (вывод 5) подают непосредственно на резистор R29. Поворотом движка подстроечного резистора R12 на плате У11 добиваются такого положения, при котором выходное напряжение равно 1В с точностью до трех-четырех знаков. Если пределов регулирования резистором R12 не хватает, уточняют сопротивление резистора R11.

Напряжения калибровки +1 и — 1 В, необходимые для контроля работы вольтметра, выставляют по цифровому вольтметру постоянного тока, подключенному к переключателю S1.8. Точные значения этих напряжений устанавливают резисторами R19 и R20, расположенными на плате У2 стабилизаторов напряжения.

Проверка работоспособности прибора в различных режимах производится -при нажатой кнопке S1.9 «Контр». При этом на счетчике отображается в режиме «U_x» + 1000 мВ или ~ 1000 мВ (в зависимости от положения переключателя S1.8), в режимах «Rх» — 1000 Ом, «С*» — 100,0 пФ, «Fх» — 1000 кГц.

В режиме измерения емкостей параллельно входным зажимам Х16 и Х17 подключают конденсаторы С18 и С19, суммарная емкость которых вместе с входной емкостью прибора составляет 100 пФ. В этом же положении производится измерение емкостей менее 100 пФ.

Рекомендации по изготовлению

Перед изготовлением приборов необходимо подробно ознакомиться с описанием узлов и приборов. Поскольку описания даны довольно сжато, по некоторым вопросам работы отдельных узлов рекомендуется обратиться к дополнительной литературе.

Далее необходимо определить наличие и возможность приобретения деталей, в первую очередь таких, как микросхемы, индикаторные лампы, разъемы, отсутствие или замена которых может привести к существенным изменениям чертежей печатных плат и конструкции прибора. В схемах функциональных узлов использованы в основном ОУ самого широкого применения — интегральные микросхемы серии К140. По конструктивным и присоединительным размерам корпуса эти микросхемы выпускают в двух типоразмерах: прямоугольном (КР140УД1) и круглом (К140УД1). Производство последних сокращается, поэтому чертежи печатных плат разработаны в основном для прямоугольного пластмассового корпуса. Однако, если у радиолюбителей есть достаточное число микросхем с круглым металлическим корпусом, то, учитывая некоторые изменения в обозначении выводов, их можно использовать.

При отсутствии разъемов МРН14-1, а замена их на другие вызывает большие трудности, прибор можно выполнить и без разъемных соединений плат. В этом случае ширину платы увеличивают до 65 мм. Платы устанавливают также вертикально. Крепление плат к шасси производят с помощью уголков. Монтажные провода подводят вдоль платы с одной стороны так, чтобы иметь возможность отвернуть плату на некоторый угол на монтажных проводах для удобства доступа к элементам, расположенным на плате.

Изготовление прибора начинают с работы над отдельными функциональными узлами, придерживаясь их нумерации. При этом следует уделить должное-внимание деталям, поскольку они в значительной мере определяют качественные показатели измерений. Важно не только выполнить, например, делитель с высокой точностью, но и выбрать такие типы элементов, которые имели бы минимальные температурные коэффициенты и токи утечки. К транзисторам и диодам особых требований не предъявляют, и они могут быть заменены другими, аналогичными по структуре, частоте и мощности, со статическими коэффициентами передачи тока, указанными к схемам.

Начертание рисунков печатных плат облегчает изготовление узлов, но только при наличии указанных на схеме деталей. Хорошо, если удается подобрать другие элементы с аналогичными электрическими параметрами и в таком же конструктивном исполнении. В противном случае схему и чертеж печатной платы приходится изменять.

Особое внимание следует уделить изготовлению первых узлов: источников питания, преобразователя напряжение — частота и счетчику преобразователя. По существу вместе с входным узлом вольтметра эти узлы образуют исходный вариант прибора. Остальные узлы лишь расширяют функциональные возможности.

Налаживание узлов не сложно, но требует большой аккуратности в работе. Обязательным прибором для настройки должен быть осциллограф, обладающий высокой чувствительностью - (около 10 мВ). С его помощью проверяют режим работы микросхем и транзисторов по постоянному току, а также форму сигналов в динамическом режиме.

Узлы просты и начинают работать сразу, требуется только уточнить режим их работы. У микросхем в первую очередь проверяют напряжение на выходе. Для балансировки выходного напряжения почти каждая микросхема имеет под-строечный резистор напряжения смещения.

Проверку работоспособности узла и совместную настройку нескольких узлов удобно производить на вспомогательном монтажном устройстве — макетни-це. В самом простом виде макетннца состоит из двух текстолитовых плат. скрепленных между собой по краям двумя плоскими металлическими стойками П-образной формы с лапками для устойчивости.

Расстояние между платами определяется посадочным размером разъемов, в которые вставляют узлы. Один конец разъема крепят к одной плате, второй — к другой. Таким образом, между платами устанавливают 4 — 6 разъемов. На платах делают ряд отверстий для установки переменных резисторов, переключателей, тумблеров, необходимых при предварительной настройке, а также несколько выводов и зажимов для подключения источников питания и внешних приборов. Все эти детали впоследствии могут быть перенесены в прибор. Плату счетчика устанавливают крайней, индикаторными лампами наружу.

После изготовления и предварительной настройки узлов приступают к конструктивной компановке прибора. Наиболее объемной частью прибора является выпрямительная часть источников питания. Располагают ее в задней части отсека прибора. Плату счетчика устанавливают первой от лицевой панели. Напротив индикаторных ламп на панели делают окно, обрамленное декоративной рамкой; его закрывают оргстеклом желтого или оранжевого цвета.

На передней панели устанавливают все органы управления: переключатели рода работы S1 и пределов измерения S2, выключатель «Сеть (S3)», кнопку «Измерение R_x, С_х, h_21э», ручки «Уст. О», «Порог», «Частота», «Амплитуда» и другие в зависимости от функциональных задач, которые решаются прибором. В постоянном изменении индикации нет необходимости, поэтому ручку «Время индикации» можно вынести на заднюю панель или вообще под шлиц.

Перебор кнопочного переключателя типа П2К. с зависимой и независимой фиксацией не вызывает трудностей. Планку зависимой фиксации располагают в средней части переднего корпуса переключателя, а переключатели с независимой фиксацией — по обе стороны от нее.

Рис. 35. Принципиальная схема вспомогательного уст ройства

Значительно упрощает окончательную настройку полностью изготовленного прибора наличие цифровых приборов: вольтметров постоянного и переменного токов, частотомера. Однако далеко не все радиолюбители имеют возможность работать с ними. Приходится изыскивать другие пути. Например, удобно воспользоваться для настройки высокостабильным источником постоянного тока — нормальным элементом. Это позволяет без применения цифрового вольтметра проще проверить настройку входного устройства вольтметра У5 и преобразователя напряжение — частота УЗ, уточнить установку калибровочных напряжений ± 1 В, подобрать номиналы сопротивлений входного делителя напряжения. Настройку прибора по нормальному элементу производят в следующей последовательности. Переводят прибор в режим измерения постоянного напряжения «U_х», устанавливают переключатель пределов S2 в положение «2000 мВ», ручкой «Уст. О» добиваются нулевого показания счетчика. Подключают ко входу «U_х» нормальный элемент. Меняя поочередно полярность подключения элемента, добиваются совпадения показаний счетчика с напряжением нормального элемента: при положительном входном сигнале регулировкой подстроечного резистора R8 узла УЗ, при отрицательном входном сигнале регулировкой резистора R22 узла У5. Затем нажимают .кнопку «Контр». С помощью резисторов R19 и R20, расположенных на плате узла У2, манипулируя переключателем «±1 В», устанавливают точные значения калибровочных напряжений. Отключают кнопку «Контр». При этом счетчик должен точно показывать напряжение нормального элемента как при положительном, так и при отрицательном сигнале. Операции «астройки повторяют несколько раз.

Автором был использован элемент с напряжением 1,0165 В. Следует иметь в виду, что этот элемент отдает очень малый ток и потому к нему можно подключать только высокоомную нагрузку не менее сотен килоом.

Если и нормальный элемент достать трудно, для настройки можно изготовить вспомогательное устройство, принципиальная схема которого приведена на рис. 35. Устройство состоит из эталонных резисторов сопротивлением 0,1; 1; 10; 100 и 1000 Ом, сдвоенного тумблера S2, переключением которого изменяют полярность выходного напряжения с точным сохранением его значения. К гнездам XI и Х2 подключается любой гальванический элемент напряжением 1,5 В.

В положении переключателя «1000 мВ» на выходных гнездах ХЗ и Х4 переменным резистором устанавливают с возможно большей точностью напряжение 1 В. Декадный шаг 100, 10 и 1 мВ обеспечивается эталонными резисторами. Настройку прибора с помощью вспомогательного устройства в режиме «U_х» производят так же, как было описано выше при работе с нормальным элементом. Отключив гальванический элемент, вспомогательное устройство можно использовать для настройки первых поддиапазонов прибора в режиме «R*». Для настройки остальных поддиапазонов декадный шаг резисторов следует продолжить набором резисторов с сопротивлением 10, 100 и 1000 кОм.

Желательно также дополнить устройство набором конденсаторов. Все эталонные элементы должны быть предварительно измерены с точностью не менее четырех знаков. Сделать это можно с помощью промышленных приборов путем отбора из нескольких элементов одного, с наиболее близкими к выбранному шагу параметрами. Результаты измерений сводятся в таблицу.

Кажущаяся сложность вспомогательного устройства окупается существенным сокращением времени настройки прибора в целом.

Широкодиапазонный генератор У12, схема которого приведена на рис. 28, нужен далеко не всем, поэтому он не включен в состав комбинированного цифрового прибора. Однако для тех радиолюбителей, которые занимаются импульсной техникой, такой генератор окажется очень полезным. В этом случае в прибор вводят дополнительно переключатель формы сигнала S5 и переменный резистор «Длительность».

Так как выходные сигналы, снимаемые с узлов У10 и У12, различны по амплитуде, перед тем как подать их на вход широкополосного усилителя У11, их предварительно приводят к одному уровню ±1,65 В. Делают это с помощью подстраиваемых делителей, общим нижним плечом которых является резистор R29. При настройке положению счетчика «10 — 00» должен соответствовать размах сигнала на прямом выходе узла У11 (гнездо Х24), равный ±10 В. Слабый синусоидальный сигнал с выхода узла У10 предварительно усиливают маломощным усилителем A1, расположенным на плате У11.