Материал: МРБ 1073.(1984).[doc]

Глава третья Цифровые приборы с автономным питанием

Большинство цифровых измерительных приборов работает от сети переменного тока и имеет большие габаритные размеры и массу. В ряде случаев это создает определенные неудобства в работе. Поэтому понятен интерес радиолюбителей к созданию легких портативных цифровых измерительных приборов с автономным питанием.

Для увеличения длительности работы прибора с автономным питанием основной задачей, которую приходится решать при разработке такого прибора,является экономичность питания. Именно с этой точки зрения необходимо производить выбор активных элементов, в первую очередь таких, как устройства индикации, интегральные логические и аналоговые микросхемы.

В настоящее время выпускается большое количество разнообразных по принципу действия индикаторных устройств. Это вакуумные накальные и газоразрядные лампы, электролюминесцентные приборы, светоизлучающие диоды. Вакуумные накальные индикаторные лампы, например, ИВ-9, у которых нить накаливания одного сегмента потребляет ток около 20 мА при напряжении 3,15 В, просто не приемлемы для прибора с батарейным питанием. Основным недостатком электролюминесцентных и газоразрядных знаковых индикаторов являются высокие рабочие напряжения (около 200 — 250 В переменного напряжения для люминесцентных и 140 — 190 В постоянного напряжения для газоразрядных индикаторов). Эти напряжения слишком велики для непосредственного применения интегральных микросхем и требуют специальных переходных схем коммутации, а также громоздких преобразователей для получения высокого напряжения.

Вакуумные люминесцентные индикаторы типа ИВ-3 работают при более низком напряжении (20 — 25 В), но требуют второго источника для питания на-кальной нити напряжением 0,8 В с током 50 мА для одной лампы.

Современные светоизлучающие диоды, эффективно преобразующие электрическую энергию в световую, отличаются меньшим потреблением энергии: 5 — 10 мА на сегмент при напряжении 1,5 — 2 В. Их можно использовать в батарейном приборе, например, в таком режиме, когда индикация производится кратковременным нажатием кнопки, только на момент снятия результата, как это делают в некоторых электронных часах.

Однако в настоящее время все больший интерес специалистов привлекают жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ). Все перечисленные выше индикаторные приборы, кроме ЖКИ, преобразуют поступающий электрический сигнал в видимое свечение и являются активными излучателями света, а ЖКИ являются его пассивными отражателями. Кроме того, они потребляют малый ток (доли микроампер на знак) и требуют низкого напряжения возбуждения (5 — 10 В). Жидкокристаллические индикаторы можно использовать при самом ярком внешнем освещении, вплоть до прямого солнечного света, причем чем ярче свет, тем отчетливее изображение, в то время как все светоизлучающие индикаторы, наоборот, требуют ограничения внешней освещенности. К достоинствам ЖКИ следует также отнести малый объем плоской конструкции, который определяется в основном размерами индицируемых знаков; низкую стоимость; значительный срок службы, достигающий более 10000 ч. Все это делает применение ЖКИ особенно перспективным в цифровых приборах с батарейным питанием.

Работают ЖКИ при воздействии на них переменных напряжений. Возможна подача на электроды и постоянного напряжения, однако при этом значительно сокращается срок службы индикатора (примерно в 10 раз). Снижение срока службы при работе на постоянном токе происходит из-за деградации жидкокристаллического вещества, в результате падает контрастность, а для ее восстановления приходится увеличивать напряжение возбуждения. Поэтому в настоящее время в основном применяется возбуждение ЖКИ переменным током.

Для управления ЖКИ необходимо правильно прикладывать выбранные переменные напряжения к включенным и выключенным сегментам. Эти напряжения должны быть прямоугольной формы и сдвинуты по фазе на 180°. Выключенные сегменты соединяют с общим электродом. Частоту переключения выбирают не менее 25 Гц, чтобы предотвратить мигание изображения, но не более 200 Гц (чем выше частота, тем больше потребление мощности от источника питания).

При выборе логических интегральных микросхем из-за большой мощности потребления приходится ограничивать применение микросхем серии К155. Лучшими здесь следует признать интегральные микросхемы на КМОП транзисторах серий К176, К561, которые потребляют микроваттную мощность. Для аналоговой части прибора следует выбирать ОУ с током потребления 1,54-2,5 мА (К140УД7, К140УД6, К553УД2, К153УД4, К153УД5), снизив напряжение их питания до 6 — 9 В.

Мультиметр с автономным питанием

Мультиметр, описание которого дано ниже, представляет собой комбинированный цифровой измерительный прибор, предназначенный для измерения напряжений, постоянного и переменного токов, активных сопротивлений, частоты электрических колебаний, а также статического коэффициента передачи тока транзисторов. Напряжение питания подается от гальванических батарей.

Технические характеристики:

Верхние пределы поддиапазонов измеряемых величин:

постоянного и переменного тока, мА...... 20 и 2000

сопротивлений, кОм............ 20 и 2000

постоянного напряжения, В......... 20 и 2000

переменного напряжения, В......... 20 и 350

частоты, кГц............... 100 и 1000

коэффициента h_21Э............. 1000

Младший разряд измеряемой величины, мВ, Ом, мкА,

Гц................... 10

Входное сопротивление вольтметра, МОм..... 3

Входное сопротивление частотомера, МОм..... 1

Чувствительность частотомера, мВ........ 10 — 30

Число знаков отсчета............. 4

Погрешность измерений, %:

постоянных напряжений и сопротивлений .... 0,2

постоянных токов............. 0,3

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

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

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

Режим работы............... периодический запуск

Напряжение питания, В............ +9. — 9, +4,5

Мощность потребления, мВт.......... 350

в режиме частотомера........... 550

Прибор состоит в основном из двух частей: аналоговой (различных преобразователей) и цифровой (частотомера).

Принципиальная схема аналоговой части приведена на рис. 36. В ее состав входят следующие каскады: входное устройство, усилитель на микросхеме А1, определитель полярности на микросхеме А2, формирователь модуля входного сигнала, преобразователь переменного напряжения в постоянное на микросхемах A3 и А4, преобразователь постоянного напряжения в частоту на микросхеме А5, преобразователь сопротивления в частоту, который используется также при измерении коэффициента h_21Эна микросхемах А6 и А7.

При измерении напряжений (нажата кнопка S1.1 «В») входной сигнал с XI поступает на входной делитель напряжения R40 — R42. С делителя сигнал идет на входной каскад на микросхеме А1. В режиме измерения напряжений этот каскад работает как повторитель, охваченный 100 %-ной обратной связью.

При коэффициенте усиления микросхемы более 20 000 повторитель имеет достаточно высокое входное сопротивление (десятки мегаом) и потому совсем не обязательно использовать здесь ОУ с полевыми транзисторами -«а входе, у которых на порядок больше напряжение смещения и температурный дрейф, что важно для входного каскада цифрового измерительного прибора.

В режиме измерения токов (нажата кнопка S1.3 «,иЛ») входной сигнал с XI и Х2 подключается к входным резисторам R43 и R44. Падение напряжения на этих резисторах на верхних пределах измерения составляет 200 мВ. В этом случае входной каскад на микросхеме А1 работает как усилитель с коэффициентом усиления К-10, который определяется отношением сопротивлений резисторов R3 и R4 к R2.

Установка нуля прибора производится резистором R46, ручка которого вынесена на переднюю панель.

Для более четкого выявления знака полярности при измерении малого входного сигнала применен усилитель на микросхеме А2, к выходу которого подключены светодиоды. Полярность положительного входного сигнала индицируется диодом V8 (свечением красного цвета), отрицательного — диодом V9 (свечением зеленого цвета), входное переменное напряжение — свечением обоих свето-диодов.

Формирователь модуля входного сигнала состоит из линейного выпрямителя на микросхеме A3 и сумматора на микросхеме А4. Преобразователь напряжение — частота построен на основе емкостного интегратора с дискретной обратной связью. Интегратор выполнен на микросхеме А5, управляющие ключи — на транзисторах V6 и V7, пороговое устройство — на элементах D6.1, делитель — на микросхемах D7.1 и D8. Последние два каскада расположены в цифровой части. Переключатель S1.5.2 служит для корректировки показаний прибора в зависимости от формы кривой переменного напряжения.

Принципиальные схемы входного устройства и преобразователя напряжение — частота аналогичны схемам, описанным в узлах У5 и УЗ соответственно.

Рис. 36. Принципиальная схема аналоговой части мультиметра

Рис. 37. Принципиальная схема цифровой части мультиметра

В режиме измерения сопротивлений (нажата кнопка S1.2 «кОм») измеряемый резистор подключается к XI и Х2. Преобразователь сопротивлений в частоту выполнен на микросхемах А6 и А7. Микросхема А6 — источник постоянного тока, А7 — высокоом-ный повторитель напряжения. Более подробное рассмотрение преобразователя сопротивление — частота дано при описании узла У6. Измеряемый транзистор подключается к КЗ. Измерение коэффициента h_21Э производится при фиксированном токе базы 0,1 мА. Измерение сопротивлений и коэффициента h_21Э производится при нажатом положении кнопки S3 «Измерение КОМ. U21_a»-tf

Принципиальная схема цифровой части прибора приведена на рис. 37. По существу это цифровой частотомер. Перевод прибора в этот режим производится нажатием кнопки S1.4 «.кГц-». Для постоянной составляющей вход частотомера закрыт конденсатором С1. Элементы R1, VI, V2 служат для защиты входа от перегрузок большими входными сигналами.

Рис. 38. Временные диаграммы мультиметра

Применение в первом каскаде входного устройства полевого транзистора V3 обеспечивает высокое входное сопротивление. Высокая чувствительность в широком частотном диапазоне достигается использованием микросхемы D1 серии К155. На элементе D1.1 собран усилитель, на D1.2, D1.3 — триггер, формирующий при медленных входных сигналах перепады напряжения с крутыми фронтами. С выхода элемента D1.3 сформированный сигнал поступает на делитель с коэффициентом деления 5 (микросхема D2). Далее следуют два делителя с общим коэффициентом деления 100 (микросхемы D3 и D4). Элементы D6.1, D7.1 и D8 работают совместно с аналоговой частью.

Рис. 39. Принципиальная схема источников питания мультиметра

Кварцевый генератор выполнен на входной части микросхемы D5, остальная часть микросхемы D5 (двоичные ячейки) использована в качестве делителя. На выходах микросхемы D5 (выводы 4 и 5) и триггера D7.2 вырабатываются последовательности импульсов с периодом следования 0,5; 1 и 2 с. Из этих последовательностей элементами D6.2, D9.2 и D9.3 формируется импульс сброса (0,25 с), а элементом D9.1 — измерительный интервал (0,5 с). Ключевой элемент, разрешающий прохождение измеряемой частоты в счетчик в течение измерительного интервала, собран на D6.3.

Рис. 40. Печатная плата аналоговой части мультиметра

Временные диаграммы напряжений мультиметра в характерных точках приведены на рис. 38.

Рис. 41. Печатная плата цифровой части мультиметра

Счетчик 4-й декады выполнен на микросхемах D10 — D13. В качестве индикатора в данном приборе применен ЖКИ — четырехзначное табло ИЖКЦ-4/8. К общему электроду ЖКИ (выводам 1 и 35) и погашенным точкам (выводам 21, 29), а также выводам 6 «Синхронизация» микросхем D10 — D13 прикладывается переменное напряжение прямоугольной формы, которое снимается с вывода 1 микросхемы D5. Частота его переключения в данном случае равна 64 Гц.

Для включения и выключения задействованной запятой фаза переменного напряжения выбирается переключателем S2.2 путем снятия сигнала с выхода или входа инвертора D6.4.

Питается прибор от встроенных гальванических батарей: двух батарей 3336 (GB1 и GB2) и одной — «Крона» (GB3).

Для повышения точностных характеристик при разряде батарей аналоговая часть прибора питается стабилизированными напряжениями +6 и — 6 В. Принципиальная схема стабилизаторов напряжения дана на рис. 39.

В источнике опорных напряжений вместо стабилитронов использованы об-ратносмещенные эмиттерные переходы транзисторов микросборки А1. Транзисторы V1, V3 и V2, V4 — стабилизаторы постоянного тока; V5, V7 и V6, V8 — усилители мощности. Точная установка опорных напряжений ±1 В производится резисторами R5 и R6 при подключении нагрузки 1 кОм.

Детали. Резисторы типа С2-29В, МЛТ, подстроечные — СПЗ-16, СПЗ-13а. Конденсаторы К22-У, электролитические К50-6. Переключатели типа П2К. Особых требований к транзисторам и диодам нет.

Чертежи печатных плат основных частей прибора и расположение на них деталей даны на рис. 40 и 41. Монтаж двухсторонний. Отверстия плат желательно металлизировать.

Микросхемы К140УД7 можно заменить на К140УД6 без какой-либо переделки. Аналоговую часть можно выполнить и на других ОУ, например, К153УД2, К553УД2, К153УД4, К153УД5. Однако различие в обозначении выводов микросхем приведет к таким большим изменениям монтажной платы, что ее придется переделать заново.

Печатные платы одинаковы по размерам (100X70 мм). Расстояние между платами задается втулками, надетыми на крепежные винты.

Настройка прибора начинается с проверки источников питания. Токи нагрузки составляют: по шине +9 В 20 мА, по шине — 9 В 12 мА, по шине +4,5 В 40-45 мА.

Нажатием кнопки S1.4 прибор переводится в режим частотомера. При ис-правных деталях собранный без ошибок частотомер начинает работать сразу. С помощью подстроечного конденсатора С8 по внешнему цифровому частотомеру, подключенному к выводу 11 или 12 микросхемы D5, уточняют частоту кварцевого генератора, которая должна быть равна 32768 Гц. Устанавливают движок резистора R8 в верхнее (по схеме) положение. Подают на вход цифровой части сигнал прямоугольной или синусоидальной формы с частотой 10 — 100 кГц и амплитудой 1 В. Сравнивают значение входной частоты с показанием на табло.

При нажатии и отжатии кнопки S2 цифровое значение на табло должно изменяться в 100 раз. Медленно поворачивая движок резистора R8, добиваются такого положения, когда счет прекращается. Затем возвращают движок обратно, оставляя в положении, близком к срыву. При разряде батарей до 3,8 — 3,9 В положение уточняют еще раз. В заключение проверяют работу частотомера на максимальной частоте 10 МГц.