Мультиметр своими руками

Привет друзья! В данной статье я постараюсь как можно подробней описать и показать сборку очередного кит набора из Китая, а именно мультиметр. Собрав данный кит набор, вы получите не только бесценный опыт пайки, а ещё и очень нужный в хозяйстве мультиметр. Конечно, его точность будет уступать дорогим магазинным мультиметрам. Но для обычных хозяйских нужд его будет более чем достаточно. Данный кит набор можно приобрести, перейдя по этой ссылке.

В набор входит.
1- Коробка с набором.
2- Пластиковый корпус.
3- Щупы.
4- Набор резисторов с их номиналами.
5- Инструкция полностью на китайском языке.
6- Схема мультиметра.
7- Батарейка.
8- Печатная плата.
9- Пакетик с разными элементами.
10- Дисплей.
11- Наклейка на мультиметр.

Приступим к сборке данного кит набора

1- Для того чтобы собрать данный набор сначала нам стоить его приобрести. После того как мы его приобрели, видим что необычно для китайцев он запакован в собственную коробку.


2- Для начала возьмём печатную плату и установим на неё резисторы. Номиналы всех резисторов написаны на картонке, на которой они расположены и поставляться. Устанавливать резисторы следует вертикально, так как отверстия под ножки находятся очень близко друг от друга.

3- Примерно так должна будет расположена одна часть резисторов на печатной плате (смотреть фото ниже).

4- Припаиваем недавно установленные элементы к печатной плате.

5- После того как припаяли одну часть резисторов, вставляем другую часть резисторов.

6- И точно также припаиваем вторую часть резисторов к печатной плате.

7- Примерно так должная выглядеть печатная плата с установленными на неё резисторами.

8- В указанные места (смотреть фото ниже) устанавливаем три конденсатора из пакетика.

9- После чего установим на печатную плату регулируемый резистор.

10- И припаиваем все только что установленные элементы на печатную плату.

11- Вот так должна выглядеть печатная плата на данный этап (смотреть фото ниже).

12- После чего видим, в нижней части печатной платы есть два квадратика с контактами, на них нужно будет нанести флюс

13- После того как мы нанесли флюс на данные места их нужно будет залудить при помощи припоя.

14- После чего нам нужны скобы для предохранителя их нужно будет припаять на залуженные места.
Прикладываем их на нужное место печатной платы и прикладываем паяльник. Скобы нужно будет припаять параллельно друг другу.


15- Так должны выглядеть скобы для предохранителя после их установки на печатную плату (смотреть фото ниже).

16- Далее на печатную плату установим разъемы для щупов.

17- Нанесем флюс на место спайки разъёмов для щупов и печатной платы и припаяем их.

18- После чего установим и припаяем на печатную плату «шум».

19- Далее нам нужно будет установить колодку для транзисторов. Но перед установкой колодки на печатную плату
нужно будет установить печатную плату в корпус мультиметра. Все дело в том, что в корпусе есть направляющая и есть шанс установить её не правильно.

20- Только после того как установили печатную плату в корпус мультиметра. Через корпус установим колодку (смотреть фото ниже).

21- Затем вытаскиваем печатную плату из корпуса вместе с колодкой.

22- После чего припаиваем только что установленную колодку для транзисторов к самой печатной плате.

23- Далее установим на печатную плату пружинки из набора. Это контакты для батарейки формата крона.

24- И припаяем эти контакты к печатной плате перед этим, не забыв промазать место пайки флюсом.

25- После чего установим предохранитель в разъемы, которые мы до этого припаяли, вставлять нужно до
характерного щелчка.

26- Вот таким образом должен быть установлен предохранитель на своём месте (смотреть фото ниже).

27- Далее нам нужно будет собрать крутилку с помощью, которой мы будем выбирать режимы работы нашего мультиметра.


28- На данную крутилку нам нужно будет установить медные контакты.

29- Примерно так она должна выглядеть (смотреть фото ниже).

30- После чего переворачиваем переключатель, и с другой стороны в отверстия по бокам нам нужно будет
установить пружинки и шарики.

31- Далее кладем переключатель на какую-нибудь ровную поверхность.

32- Аккуратно прикладываем корпус мультиметра к переключателю (смотреть фото ниже).

33- После чего нам нужно будет приподнять переключатель, но делать это нужно будет делать очень аккуратно,
чтобы шарики, которые находятся на переключателе, не упали.

34- И переворачиваем корпус, придерживая переключатель.

35- После чего в корпус нужно будет установить дисплей, предварительно сняв с него защитную плёнку.

36- Прикладываем к дисплею мультиметра токопроводящую полоску, так как это изображено на фото ниже.

37- Затем одной рукой держим корпус мультиметра на весу, а другой прикладываем к корпусу печатную плату.

38- У вас должно получиться, так как это изображено на фото ниже.

39- Устанавливаем батарейку формата крона, которая идет в наборе. Дальний от нас контакт на печатной плате это минус, а ближний соответственно плюс.

40- Закрываем крышку корпуса и закручиваем винтики.

41- Затем наклеиваем красивую наклеечку со шкалами.

42- Готово.

Проверяем только что собранный мультиметр, подключив к нему блок питания и другой более качественный мультиметр, видим, что погрешность есть, но она не большая. Для хозяйства пойдет, двенадцать вольт от двадцати четырёх точно отличить сможете.


Ну, на этом все, спасибо за внимание надеюсь, данная статья поможет вам в сборке данного мультиметра. Также у вас есть замечательная возможность посмотреть видео сборку данного кит набора.


usamodelkina.ru

Какие возможности дает тестер из смартфона?

С помощью такого тестера можно:

  • — Прозвонить цепь на обрыв или короткое замыкание.
  • — Узнать приблизительное значение сопротивления (0-70 Ом).
  • — Смартфон издает звук, когда обнаружена целостность цепи.

Нам понадобиться: разъем от старой гарнитуры «джек» 3,5 мм, под ваш смартфон соответственно. Резистор на 2,2 кОм, но если нет можно взять другой, в промежутке 2 – 3 кОм, правда сопротивление будет мерить не так точно. И щупы самодельные или от сгоревшего тестера. Ну и соответственно телефон с системой ANDROID.

Схема переходника-приставки

Распиновка выводов разъема гарнитуры.

Мы будем подавать сигнал со щупов на микрофонный вход.

Все можно сделать навесным монтажом, припаяв резистор к штекеру, припаяв провода и залить все это дело горячим клеем. Либо сделать отдельный узел с раздвоением под щупы, одеть термоусадку и обдуть. В крайнем случае воспользоваться изолентой. 15 минут работы, не более…

Приложение для смартфона


После того, как переходник спаян, скачиваем приложение на Google Play (активная ссылка на приложение) и устанавливаем.
Запускаем приложение и подключаем переходник. Все должно работать. Если замкнуть щупы, то вы услышите звуковой сигнал, значит все нормально и можно пользоваться.
Изначально показываются нули:

А когда вы замкнете щупы между собой появиться вот такое слово и телефон пищит.

Предостережение при пользовании тестером

Этим тестером нельзя мерить цепи где есть напряжение! Так как ваш смартфон может выйти из строя. Так же учтите, что в некоторых схемах может присутствовать остаточное напряжение на конденсаторах устройства, что тоже будет опасно для смартфона.
Вещь порой очень нужная и в хозяйстве сгодиться.
Смартфоны давно уже вошли в нашу жизнь и находят все большее и большее применение.

sdelaysam-svoimirukami.ru

Категория измерений – важнейший фактор!

Категория измерений — чрезвычайно важное для понимания понятие, связанное с электробезопасностью. В соответствии со стандартами выделяются категории от 0 до IV, часто их обозначают как: CAT О, CAT II, CAT III и CAT IV.

При разделении системы распределения электроэнергии на категории подразумевается, что опасные переходы высокой мощности напряжения, такие как удар молнии, будут ослаблены или демпфированы по мере их прохождения через импеданс (сопротивление переменному току) системы.


Более высокий номер категории измерений CAT обозначает электрическую среду с более высоким значением доступной мощности и более высокими переходами мощности. Следовательно, мультиметр, разработанный по стандарту CAT III, выдерживает более высокие переходы мощности, чем мультиметр, разработанный по стандарту CAT II.

В пределах одной категории более высокое номинальное напряжение означает устойчивость к более высоким переходам; например, прибор категории CAT III 1000 В имеет более надёжную защиту по сравнению с прибором категории CAT III 600 В. Недоразумения возникают, когда пользователь выбирает прибор категории CAT II 1000 В, будучи убежденным, что он имеет лучшую защиту по сравнению с прибором категории CAT III 600 в,

Производитель может самостоятельно сертифицировать свой прибор по категории измерений без какой-либо независимой проверки.

Ищите на корпусе прибора символ и реестровый номер независимой испытательной лаборатории. Например: UL, CSA, T0V или другого агентства по аттестации. Этот символ может использоваться только в том случае, если прибор успешно прошёл испытания в соответствии со стандартом агентства, который основан на местных/международных стандартах.


Читайте также: Приборы и тестирование электропроводки своими руками





Категория превышения напряжения

Коротко

Примеры

Категория IV (CAT IV)

Точка соединения к трехфазной сети, любые наружные линии

Относится к «начальной точке»; т.е. к точке присоединения низковольтной сети к энерго- вводу.


Электросчетчики, первичное оборудование защиты от перегрузки по току.

Наружный и технологический вводы, технологический отвод от столба к зданию, шина между счетчиком и щитом.

Воздушная линия к отдельно стоящему зданию, подземная линия к насосу в колодце.

Категория III (CAT III)

Трехфазное энергоснабжение, в том числе однофазные линии освещения

Установочное оборудование наподобие коммутационного и трехфазных двигателей.

Шина и фидер на заводах.

Линии питания и короткие отводы, щитовые распределительные устройства.

Системы освещения в больших зданиях.

Розетки для бытовых электроприборов на небольшом расстоянии от технологического входа.

Категория II (САТИ)

Нагрузки, подключаемые к однофазным розеткам

Бытовые электроприборы, переносные инструменты и другие домашние и подобные им нагрузки.

Розетки и длинные отводы.

Розетки более чем в 10 метрах (30 футах) от источника категории III.

Розетки более чем в 10 метрах (30 футах) от источника категории IV.

Категория 1 (САП)

Электроника

Защищенное электронное оборудование.

Оборудование, присоединённое к (питающим) цепям, в которых введен контроль с целью ограничения переходных напряжений до сравнительно низкого уровня.

Любой высоковольтный маломощный источник, основанный на трансформаторе с высокоомной обмоткой, например высоковольтный блок копировального аппарата.

какой мультиметр выбрать

СОВЕТЫ ПРОФЕССИОНАЛА

Алексей Гранатов, электрик Выбрать мультиметр – легко Обратите внимание на функционал устройства.

Если вы будете использовать его в бытовых целях, то приобретать модель с передатчиком данных, записью показаний модели и сенсорным экраном не имеет смысла.

Также обратите внимание на форму прибора и качество исполнения его коммутационных устройств. На дешёвых приборах они выполнены из низкокачественного материала, который быстро выходит из строя.


ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ РАБОТ – СОВЕТЫ ПРОФЕССОНАЛОВ


Доверяй но проверяй

Без электрических сетей и электроприборов невозможно представить современную жизнь.

И потому необходимость определения наличия и параметров электрического тока возникает достаточно часто, прежде всего при строительстве или ремонте, когда требуется выполнение электротехнических работ. Однако и в процессе эксплуатации помещения нередко приходится выполнять те или иные электротехнические операции. какой инструмент может понадобиться при этом?

БЕЗ ЦВЕТА И ЗАПАХА

Для начала напомним, что такое электрический ток и какими величинами он характеризуется. Электрический ток – это направленное (упорядоченное) движение носителей электрического заряда (электронов и ионов).

Ток может быть постоянным и переменным. Характеризуется он несколькими величинами: напряжением, силой тока и, в случае переменного тока, частотой. Напряжение равно работе эффективного электрического поля, совершаемой при переносе единичного пробного заряда. Измеряют напряжение в вольтах (В). Сила тока равняется отношению количества заряда, прошедшего через некоторую поверхность за время, к величине этого промежутка времени.

Она измеряется в амперах (А). Кроме того, при электротехнических работах часто возникает необходимость определения сопротивления проводника. Оно равно отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему. Сопротивление измеряется в омах (Ом).

vybiraem-mul'timetr

ОТВЕРНУТЬ – ЗАВЕРНУТЬ

Самым элементарным прибором для электротехнических работ можно считать индикаторную отвертку. Она показывает только наличие тока. Простейшая индикаторная отвертка состоит из рабочей части (жала), корпуса, индикаторной лампы, пружины и сопротивления. Чтобы определить наличие тока (фазы), рабочую часть подносят к испытуемому проводнику. Ток протекает через сопротивление, понижается до безопасного уровня и вызывает свечение лампы. Безопасность такой отвертки низкая. Поэтому ее запрещено использовать при электротехнических работах с высоким напряжением. Сложнее устроена индикаторная отвертка с батареей и биполярным транзистором. Она выполняет те же функции, что и обычная индикаторная отвертка, но безопаснее в применении.

Более совершенным прибором является бесконтактный детектор напряжения. Принцип его действия схож с принципом действия индикаторной отвертки на биполярном транзисторе, но его конструкция сложнее. Так, помимо визуального сигнализатора (лампочки или светодиода) детектор может иметь и акустический.

vybiraem-multimetr

Примером такого детектора напряжения может служить testo 745. Это прибор с влагозащитным и пыленепроницаемым корпусом, в котором имеются акустический и визуальный сигнализаторы.

В отличие от обычной индикаторной отвертки рабочая часть testo 745 выполнена из пластика, что повышает комфорт и безопасность пользования детектором, в том числе при проверке влагозащищенных розеток и розеток с крышкой. С помощью клавиш на корпусе детектор можно настроить на разную чувствительность от 12 до 50 В и от 50 до 1000 В. Аналогичный прибор есть и в модельном ряду компании Fluke -индикатор напряжения LVD2. Он питается от батарей формата ААА и показывает наличие напряжения от 90 до 600 В. Индикация может осуществляться дистанционно – на расстоянии от 2,5 до 12,7 см от источника напряжения. В LVD2 также встроен яркий светодиодный фонарик.

Особое место среди электротехнических приборов занимает тестер напряжения.

В быту его еще называют пробником напряжения. Это узкоспециализированный инструмент – он предназначен только для измерения напряжения. К числу таких приборов можно отнести testo 750 – тестер с оригинальным разъемным дизайном, светодиодным экраном, устройством защитного отключения и встроенной подсветкой места замера, который также может определить направление вращающегося поля, проверить однополюсную фазу и обрыв цепи.

МУЛЬТИМЕТРЫ

Наиболее популярным прибором для электротехнических работ является мультиметр (электрики нередко называют его тестером). Он объединяет в себе несколько электроизмерительных приборов: вольтметр, амперметр и омметр. С его помощью можно измерять напряжение и силу постоянного и переменного тока, частоту переменного тока и сопротивление. Кроме того, мультиметр можно использовать для определения разрыва цепи (так называемая прозвонка).

Современный цифровой мультиметр имеет небольшие габариты и достаточно консервативный дизайн: на корпусе выполнены разъемы для щупов, имеется индикатор и поворотный переключатель. Общий принцип работы с мультиметром достаточно прост: включая щупы в разные разъемы, можно выполнять возложенные на прибор задачи – измерять напряжение, силу тока, сопротивление и выполнять прозвонку. Стандартный набор операций, достаточный для большинства пользователей.

Между тем на рынке присутствует большое разнообразие мультиметров. Чем отличается профессиональный прибор от дешевого? Профессиональный тестер имеет высокий уровень точности и злектробезопасности, а также внушительный список выполняемых измерений. Например, помимо напряжения можно определить температуру, проводимость, частоту. Кроме того, профессиональный прибор имеет встроенные фильтры и способен выполнять измерение истинного среднеквадратического значения – ИСКЗ (англ. TRMS – True Root Mean Square). Этот термин стоит объяснить. Большинство людей с минимальным знанием физики и электротехники полагают, что форма сигнала переменного тока представляет собой синусоиду. Однако в современной технике достаточно часто встречается переменный ток с несинусоидальной формой сигнала. Например, такой сигнал имеют многие источники бесперебойного питания с аппроксимированной синусоидой.

Если такой сигнал измерять обычным мультиметром, то прибор покажет неверные значения, в то время как профессиональный тестер позволит сделать безошибочные измерения. Стоит отметить еще один важный параметр профессиональных мультиметров: полосу пропускания. Она показывает, в каких диапазонах частот прибор может определять амплитудно-частотные характеристики.

У профессиональных приборов полоса пропускания может быть широкой (20 и даже 100 кГц).

Достоинством профессиональной техники является и внушительный список дополнительных принадлежностей, например магнитный подвес, с помощью которого можно закрепить мультиметр на металлической поверхности, сменные зажимы, кабели, удлинители и щупы.

В нашей стране наибольшее распространение получили профессиональные мультиметры Fluke и testo. К достоинству приборов первой компании можно отнести широкий модельный ряд. Fluke выпускает приборы и для сложной промышленной среды, жестких условий работы, специализированных задач (в частности, авторемонтных предприятий) и проч.

Модельный ряд приборов testo несколько уже. Но приборы этого производителя имеют более доступную цену, оригинальную эргономику и управление. На последнем стоит остановиться подробнее. Как правило, измерения мультиметрами разных фирм выполняются по стандартной схеме: в разъем на лицевой панели прибора вставляются щупы, поворотный переключатель приводится в положение, обеспечивающее необходимое измерение, и с экрана считываются показания измеренной величины.

Стандартная схема, пришедшая еще с аналоговых приборов. Но именно в ней и таится подвох – возможность ошибки из-за неправильной установки поворотного переключателя. Такую ошибку совершают и новички, которые редко пользуются прибором, и профессионалы, которые в день выполняют много разных замеров. Чтобы ее исключить, в модели testo 760 из прибора убран поворотный переключатель.

Теперь сам мультиметр автоматически выбирает и измеряемые параметры, и диапазон измерений, а занимаемое поворотным переключателем место отдали крупному дисплею с большими цифрами. Подобное управление упрощает работу не только профессиональным пользователям, но и тем, кому мультиметр нужен от случая к случаю. Оригинальные решения есть и у приборов Fluke. Так, у цифрового мультиметра Fluke 233 дисплей выполнен съемным. Зто позволяет использовать прибор в местах, где точка замера удалена от органов управления или имеется опасность для оператора. Например, в местах с движущимися механизмами или элементами конструкций, а также на объектах с опасными условиями. Другой цифровой мультиметр Fluke 18В имеет функцию быстрой проверки светодиодов. Параметры светодиодов (как и назначение выводов диодов) определяются за одно измерение. Кроме того, прибор может определить прямое напряжение светодиода.

БОГАТСТВО ВЫБОРА

Было бы неправильно рекомендовать радиолюбителю или человеку, который обслуживает слаботочные сети, дорогой профессиональный мультиметр с широчайшим диапазоном измерений, мотивируя это высокой точностью и универсальностью прибора. Ведь оборотной стороной указанных качеств является высокая цена – особенность всей профессиональной техники. Поэтому необходимо понимать, для каких целей приобретается прибор, что и в каких диапазонах будет измеряться. Зто и должно стать отправной точкой для выбора.

Перед приобретением прибора обязательно необходимо учитывать рабочий диапазон измерений. Он должен перекрывать измеряемые величины. Например, для дома необходимо, чтобы прибор смог определять параметры как электрической сети переменного тока (220 В), так и основных бытовых приборов, питающихся от аккумуляторов (1,5-12 В). Если же речь идет о мультиметрах, например, для авторемонтных работ, то требуется схожий диапазон измерений, но притом необходима возможность измерения специфических величин, в частности, ширины импульса для топливной форсунки во время работы.

Важными характеристиками, которые следует учитывать при выборе, являются точность измерений и разрядность дисплея. Точность показывает, с какой погрешностью выполняются измерения.

Она может составлять от десятых долей процента до нескольких процентов. Для бытовой техники высокая точность необязательна, а для электроники необходима. Разрядность же определяется тем, сколько значащих цифр после запятой будет отображено на дисплее. Если разрядность мультиметра составляет 2,5, то на дисплее будут сотые доли измеряемой величины. При разрядности 3,5 прибор сможет показать тысячные доли.

КОММЕНТАРИЙ СПЕЦИАЛИСТА

ВИКТОР ЛОШКАРЕВ

«Точное измерение при электротехнических работах – залог правильного, безопасного и экономически обоснованного ремонта. Кроме того, выполнение измерений должно быть удобным. Поэтому эргономика измерительного прибора является одним из самых важных параметров при его выборе. Размер цифр, расположение клавиш и переключателей – все должно обеспечивать комфорт и безопасность работы.

Добавлю, что для профессионального применения необходимо, чтобы прибор был внесен в Государственный реестр средств измерений. Выбор мультиметра или индикаторной отвертки – задача непростая. Ведь необходимо, чтобы в приборе сочетались довольно непростые требования. На наш взгляд, наиболее полно им соответствуют профессиональные модели, поскольку в их активе – высокие безопасность и надежность, а также эргономика, позволяющая избежать досадных ошибок при выполнении измерений».


© Автор: Михаил Лежнев

ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ МАСТЕРОВ И МАСТЕРИЦ, И ТОВАРЫ ДЛЯ ДОМА ОЧЕНЬ ДЕШЕВО. БЕСПЛАТНАЯ ДОСТАВКА. РЕКОМЕНДУЕМ — ПРОВЕРЕНО 100% ЕСТЬ ОТЗЫВЫ.

Ниже другие записи по теме «Как сделать своими руками — домохозяину!»

  • Как при помощи подручных средств можно отмерить необходимое количество удобрения Памятка для садовода – масса…
  • Растворы для обработки и опрыскивания рассады своими руками Как приготовить растворы для рассады…
  • Сидераты от вредителей – какие от каких? Таблица-памятка ПОСЕВ СИДЕРАТОВ ОСЕНЬЮ – ОТ…
  • Укладка лаг для пола – таблица расчета Как рассчитать толщину досок и…
  • Обработка сада весной – таблица работ Весна: календарь защиты сада Мечтаете, чтобы…
  • Современные источники света вместо лампочек Чем осветить дом вместо лампочек…
  • Лесная земля – заготовка и смеси своими руками Как приготовить листовую землю +…

    Подпишитесь на обновления в наших группах.

    vk ok Cвоими руками в Facebook

    Будем друзьями!

    kak-svoimi-rukami.com

    Введение
    В радиолюбительском хобби 99% практических задач, связанных с измерениями силы тока, напряжения и сопротивления, решаются простыми и доступными карманными мультиметрами с разрешением 3-4 десятичных разряда. Из оставшихся задач 0,9% связаны, как правило, с наблюдением малых изменений на фоне больших постоянных величин. В таких условиях мультиметрам уже не хватает динамического диапазона, а на помощь приходит альтернативное решение в виде распространённого низковольтного 16…24-разрядного АЦП с каким-либо контроллером в придачу. И лишь в 0,1% случаев требуется полноценный прецизионный мультиметр с 5…7 десятичными разрядами шкалы результатов измерений, обладающий к тому же входным сопротивлением свыше 10 ГОм при напряжении до 12…20 В, входным током не более 100 пА, температурным коэффициентом 1…2 ppm/C и нелинейностью такого же порядка.
    Конечно, если позволяет бюджет, то и эти 0,1% проблемой не являются. Тем более, что выбор прецизионных мультиметров сейчас весьма широк (http://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=10&t=103615). Но мы же не ищем лёгких путей, правда? Почему бы не потратить с пользой немного времени и не смастерить какую-никакую, а собственную конструкцию, которая бы с одной стороны удовлетворяла всем требованиям, а с другой – не содержала ничего лишнего? Если ответ положительный, тогда за работу!
    Первым делом посмотрим на типичную структурную схемы мультиметра, хотя бы на примере отечественного В7-64:

    Изображение

    Что является в ней самым важным узлом? Конечно же аналого-цифровой преобразователь. Именно АЦП своими метрологическими характеристиками определяет и лимитирует характеристики прибора в целом. Иными словами, долгосрочная стабильность, НЧ шум, температурный коэффициент и прочие показатели в различных режимах и на различных пределах измерения мультиметра могут быть хуже, чем у АЦП, но никак не лучше их. С этим обстоятельством связан один распространённый рекламный жаргонизм «базовая погрешность», под которой обычно понимается предел допускаемой относительной погрешности измерения в наиболее благоприятных для рекламодателя условиях. Последние как раз соответствуют таким режимам и пределам измерения, когда различного рода функциональные преобразователи – надстройки над АЦП – привносят наименьший вклад в ухудшение метрологических характеристик оного.
    Анализ схемотехники «взрослых» мультиметров позволяет разделить их на две большие группы. В первую попадают приборы, в которых АЦП реализован на дискретных компонентах и работает, как правило, по сложному запатентованному алгоритму. Повторение таких АЦП в любительских условиях сродни экстремальным видам спорта: очень увлекательно, но результат не всегда положительный. Их мы рассматривать не будем.
    Ко второй группе относятся мультиметры, в которых за основу взят какой-либо из серийных АЦП, а остальные узлы адаптированы к характеристикам выбранного чипа. Адаптация в первую очередь связана с тем, что 20…28-разрядных интегрирующих АЦП с диапазоном входных напряжений +/– 12…20 В просто не существует в природе. Тоже самое относится и к напряжению ИОН, которое для отработанных и наиболее стабильных схем источников составляет от 7 В и более. Другие показатели АЦП, такие, как шум, дифференциальная нелинейность и температурный коэффициент, не столь критичны и могут быть при необходимости программно скорректированы за счёт алгоритмов фильтрации результатов преобразования и введения поправок.
    Номенклатура типов АЦП для некоторых моделей мультиметров приведена в таблице:

    Изображение

    Что ж, основная идея понятна: первым делом выбрать АЦП исходя из сформулированных технических требований к прибору, далее выбрать и согласовать по уровню источник опорного напряжения, в последнюю очередь придётся спроектировать входной масштабирующий или буферный усилитель для АЦП. Всё остальное – это функциональные преобразователи (RMS вычислитель, источник тока и т.д.) состав которых зависит от решаемой с помощью проектируемого мультиметра задачи. В крайнем случае их может не быть вообще, при этом мультиметр вырождается в многопредельный (или даже однопредельный) широкодиапазонный вольтметр постоянного тока. Как раз с последнего варианта я и предлагаю начать.
    Теперь несколько слов о техническом задании на проектирование. Поскольку сам по себе вольтметр (и уж тем более мультиметр) мне не требовался, задание формулировалось исключительно с позиций спортивного интереса. В первом приближении оно звучало так: разработать конструкцию простого вольтметра постоянного тока с пределом измерения +/– 12…20 В и метрологическими характеристиками, не уступающими соответствующим характеристикам аналогичного предела измерения 7,5-разрядных мультиметров среднего уровня Keithley 2001 и Keithley 2010. Численные значения приведены в соответствующих спецификациях мультиметров, а порядок их величин указан в первом абзаце статьи.
    После расчётов и моделирования узлов ИОН и входного усилителя, я набросал в PCAD’е принципиальную схему базового блока мультиметра (по сути вольтметра), провёл выбор и характеристические испытания наиболее ответственных компонентов, оттрассировал и изготовил печатную плату. Что получилось в конечном итоге, видно из следующих иллюстраций.

    Компоновка узлов на печатной плате:

    Изображение
    1 – входной усилитель (в режиме повторителя); 2 – вспомогательный усилитель защиты; 3 – делитель 1:10; 4 – разъём дочерней платы и буферы АЦП; 5 – АЦП; 6 – изолированный интерфейс АЦП; 7 – ИОН; 8 – источник потенциала виртуальной земли АЦП; 9 – стабилизаторы питания

    Внешний вид конструкции:

    Изображение Изображение Изображение

    Изображение Изображение Изображение

    Изображение Изображение Изображение

    Описание конструкции
    В качестве АЦП рассматривались два варианта: ADS1282 и ADS1256. Выбран был первый. Не самый дешёвый, но у него было одно важное преимущество – он был в наличии, что согласитесь для маленького городка с одним единственным магазином радиотоваров немаловажный фактор :) ADS1282 позволяет использовать внешний ИОН с выходным напряжением до 5 В и имеет дифференциальные входы обоих каналов. Последнее – настоящая головная боль, т.к. для вольтметра не даёт ровным счётом ничего, кроме сложностей согласования с входным усилителем. В конце концов от дифференциального режима АЦП пришлось отказаться, а для питания всей аналоговой части использовать отдельную обмотку трансформатора и организовать виртуальную землю на U26 с потенциалом, равным середине диапазона рабочих напряжений по входам АЦП. Чем аукнулось такое «упрощение» – об этом будет сказано ниже, при анализе результатов тестирования.
    ИОН собран по классической схеме компенсационного стабилизатора напряжения. Опорным элементом в нём является термокомпенсированный стабилитрон 1N829, оставшийся среди запчастей 8,5-разрядного Solartron 7081 после модернизации. В обратной связи ОУ включен статистический делитель в виде тонкоплёночной резисторной сборки U1 типа КМ308НР1 первой группы точности (хотя последнее и вовсе не нужно). Опорное напряжение снимается непосредственно со стабилитрона и масштабируется резисторным делителем R6 — R8 до уровня 4,9 В. Фольговые резисторы в делитель проходили предварительное испытание в термокамере и подбирались по минимальному результирующему температурному коэффициенту деления.
    Входной усилитель 7,5-разрядного вольтметра – наиболее сложный и ответственный узел. Если попытаться подобрать для этого узла эквивалент среди интегральных операционных усилителей, то к последним будут предъявляться прямо-таки невероятные требования: входной ток при комнатной температуре до 100 пА, температурный коэффициент напряжения смещения < 1 мкВ/С, двойная амплитуда НЧ шумов < 1 мкВ, размах входного напряжения до 30…45 В, гарантированный коэффициент подавления синфазной составляющей > 130 дБ. Вместе с тем, в приборах такого типа давно используется известный схемотехнический приём, позволяющий ослабить критерии выбора ОУ – усилитель со «следящими» источниками питания [1, с. 17]. Простейший вариант его реализации представлен на фрагменте принципиальной схемы калибратора Valhalla 2720GS:

    Изображение

    На этой схеме основной ОУ IC4 питается от вспомогательного источника питания в виде двуполярного стабилизатора IC2 и IC3, потенциал общей шины которого определяется величиной напряжения на выходе буферного повторителя IC1 с полевыми транзисторами на входе. Таким образом обеспечивается расширенный диапазон входных напряжений и близкое к нулю значение синфазной составляющей сигнала.
    В предлагаемой схеме основной усилитель работает в режиме повторителя и собран на чоппер-ОУ U6 типа LTC1052. Следящее питание для него обеспечивается U4 LF355 с параметрическими стабилизаторами на выходе. U4 в данном случае работает сразу на 3 фронта: как формирователь потенциала на защитных дорожках вокруг высокоимпедансных входных цепей, как источник «следящего» питания для самого себя и U6, как формирователь потенциалов для работы схем компенсации входного тока R12, R14, R24, R25 и защиты входа от перенапряжения U10-U13, R15. При необходимости может быть добавлена ещё одна профессия – задатчик следящего потенциала затворов ключей на полевых транзисторах для коммутации выхода усилителя на какие-либо другие функциональные узлы (преобразователи).
    Пару слов о защите входа. В те моменты, когда входное напряжение не превышает порога защиты (т.е. менее 17 В), разность потенциалов на транзисторах U10 и U11 в диодном включении не превышает несколько десятков милливольт, а сила тока через них – несколько пикоампер. Таким образом в штатном режиме работы вольтметра U10 и U11 не создают дополнительную нагрузку на вход. За неимением указанных на схеме транзисторов PN(2N)4117 я использовал отечественную сборку КПС104, которая оказалась даже лучше: ток утечки < 1 пА при напряжении Uзи=0,1 В.
    Нагрузкой входного усилителя служит делитель напряжения 1:10 на резисторах R9 и R10. Именно таким образом масштабируется диапазон входных напряжений вольтметра к диапазону входных напряжений выбранного АЦП в квазидифференциальном включении. К подбору резисторов в делителе предъявляются ещё более высокие требования, чем в узле ИОН. Мало получить долговременную стабильность и температурный коэффициент деления не хуже 1 ppm/C, важно минимизировать нелинейность коэффициента деления и его дрейф в силу эффекта саморазогрева от протекающего рабочего тока делителя. Оптимальным вариантом был бы малогабаритный микропроволочный или фольговый делитель из резисторов с одним основании и в одном корпусе. К сожалению такого у меня не нашлось, поэтому пришлось подбирать индивидуальные резисторы в пары по близкому ТКС. Первый блин (пара резисторов) оказался комом. Они оба имели ТКС –3,3 ppm/C в диапазоне рабочих температур, но я совершенно не учёл в расчётах величину теплового сопротивления и изменение температурного режима из-за саморазогрева. В результате при скачкообразном изменении входного напряжения от 0 до 10 В установление показаний с допуском 1 ppm происходило несколько минут, что уж говорить про интегральную нелинейность. Уменьшить рассеиваемую мощность я не мог, поскольку ограничен в бОльших номиналах резисторов, да и место на плате есть только на 2 корпуса. Поэтому принял временные полумеры в виде замены R9 и R10 на резисторы такого же номинала, но нулевым ТКС верхнего плеча делителя и в 2 раза меньшим ТКС нижнего плеча.
    Далее по схеме перед входом АЦП установлены два ОУ U7:A и U7:B (по одному на каждый канал АЦП), совмещающие функции буфера и фильтра, отсекающего высокочастотную часть спектра входного сигнала. Требования к этим ОУ ещё более жёсткие. Показатели температурного и временного дрейфов, амплитуда НЧ шумов – всё это становится в 10 раз важнее, т.к. во столько же раз уменьшается диапазон рабочих напряжений по сравнению со входом вольтметра. Лишь одно требование более не является критичным – напряжение питания.
    Входы буферов выведены на разъём P1, который позволяет либо подключить дочернюю плату с функциональными преобразователями, либо с помощью перемычек вручную назначить источник сигнала для каждого входа. Это может быть выход делителя 1:10, вход делителя 1:10 (для реализации предела измерения +/–2 В), выход датчика температуры LM35, расположенного в непосредственной близости опорного стабилитрона, или сигнальный ноль.
    Питание аналоговых и цифровых цепей осуществляется от двух независимых обмоток трансформатора. Третья обмотка (на схеме не показана) служит для питания гальванически изолированных от основного блока вольтметра микроконтроллера ATmega103 с индикатором.
    Поскольку передо мной не стояло задачи создать законченное устройство, штатный микроконтроллер я не задействовал, а подключил вольтметр на время тестирования к одноплатному промышленному микрокомпьютеру через интерфейс Centronics. Программа на скорую руку написана на жуткой смеси ассемблера с паскалем и работает в жёстком реальном времени. К сожалению мне не удалось понять причины, по которой теряется (в виде фантомного) каждое второе прерывание по готовности результатов преобразования. Из-за этого фактическое быстродействие вольтметра снижено в 2 раза.

    Результаты испытаний
    Скажу заранее, что цель проекта была достигнута в полном объёме. Характеристики прототипа вольтметра с хорошим запасом вписываются в рамки Keithley 2001 и Keithley 2010. При этом стоит заметить, что особых мер по экранированию, минимизации термоЭДС, защите от конвекционных потоков не предпринималось. К тому же настройка рабочего режима стабилитрона в ИОН не проводилась (хотя она и предусмотрена), а средства для внутренней самокалибровки вольтметра просто отсутствуют.

    Входной ток рассчитывался путём замыкания входа предварительно прогретого вольтметра (после калибровки нуля) прецизионным резистором с номиналом 1 МОм. Показания прибора в мкВ численно равны величине входного тока в пА. Полученное значение 60…70 пА несколько больше ожидаемого, к тому же оказалось, что его невозможно скомпенсировать, т. к. потенциометр R25 уже находится в крайнем положении.
    Входное сопротивление определялось по результатам расчёта падения напряжения на резисторе номиналом 1 МОм, включенным в цепь между калибратором Datron 4000A и вольтметром.
    Приведённая дифференциальная нелинейность рассчитывалась как нормированная на напряжение 10 В величина отклонения показаний вольтметра от теоретического значения. Последнее определялось с помощью уравнения линейной регрессии, коэффициенты которого получены методом наименьших квадратов по всем экспериментальным точкам (отсчётам) в пределах от минус до плюс 16 В.
    Самое большое разочарование принёс график дифференциальной нелинейности, на форму которого наложились сразу два фактора: нелинейность делителя R9-R10 и квазидифференциальное включение АЦП, при котором отлична от нуля синфазная составляющая на входах. Минимизировать нелинейность до величины 1 ppm в пределах +/–10 В получилось путём введения программной поправки. Для этого была получена матрица из 41-й пары значений напряжения на входе вольтметра и разности между ним и результатом измерения в кодах АЦП. Далее с помощью небольшой программы в MathCAD’е были вычислены параметры сглаживающего сплайна – коэффициенты кубических полиномов на каждом из 40 отрезков шкалы. Результат получился вполне удовлетворительным, хотя его стабильность в рабочем диапазоне температур ещё нужно подтвердить.
    RMS и пиковая амплитуда шумов вычислялись для разного значения времени интегрирования сигнала (100, 10 и 1 PLC, т.е. периодов сетевого напряжения) и для двух условий: 1) при короткозамкнутом входе, когда влияние нестабильности ИОН вольтметра минимально; 2) при подаче на вход напряжения с лабораторного эталона 10 В. К слову, показатели шума во всех без исключения спецификациях промышленных мультиметров приводятся именно для первого случая.

    Приведенная дифференциальная нелинейность, входное сопротивление, температурный коэффициент:

    Изображение Изображение Изображение

    RMS шумов при короткозамкнутом входе:

    Изображение Изображение Изображение

    RMS шумов при подключенном ко входу 10 В ИОН на базе LTZ1000:

    Изображение Изображение Изображение

    Измерение выходного напряжения ИОН 10 В (PLC=2,5):

    http://www.youtube.com/embed/cp_0NKvAzLg

    Литература
    1. Щербаков В. И. Электронные схемы на операционных усилителях, 1983.

    www.radiokot.ru


  • Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

    Adblock
    detector