Основной узел любого цифрового измерительного устройства — аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Существует несколько способов преобразования измеряемой величины из аналоговой формы в цифровую, и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. В описываемом приборе применен АЦП, работающий по принципу так называемого двойного интегрирования, наиболее часто используемого в цифровых вольтметрах.

Суть этого способа преобразования сигнала поясняют функциональная схема и временная диаграмма, изображенные на рис. 1 и 2. На первой стадии под действием устройства управления электронный ключ А1 замкнут, а А2 — разомкнут. При этом в течение всего заданного интервала времени t_з интегрирующий конденсатор С_инт заряжается током, пропорциональным измеряемому напряжению U_вх через интегратор DA1 и резистор R_инт.

Рис. 1. Функциональная схема АЦП.

Рис. 2. Временная диаграмма работы АЦП.

На второй стадии, наоборот, ключ А1 разомкнут, а А2 — замкнут. Интегрирующий конденсатор разряжается через компаратор DA2 постоянным током, пропорциональным образцовому напряжению. Продолжительность этой стадии (t_pl и t_p2) пропорциональна измеряемому напряжению (U_вxl и U_вx2соответственно). Именно в этом интервале времени счетчик подсчитывает импульсы со стабильной частотой повторения, формируемые тактовым генератором. Дешифратор преобразует информацию счетчика в сигналы, необходимые для управления индикатором.

Достоинство способа двойного интегрирования в том, что тактовая частота и постоянная времени интегрирования (R_интC_инт) не влияют на результат измерения (важно лишь, чтобы первая была постоянной в интервале времени t₃+t_p). Дрейф уровня сравнения компаратора также сказывается незначительно, так как он (уровень) и при прямом, и при обратном интегрировании один и тот же. Однако для получения приемлемой точности преобразования необходима высокая стабильность разрядного тока и “нуля” интегратора. Постоянство первого легко обеспечивается стабилизатором, смещение второго устраняется устройством автоматической коррекции. С этой целью в цикл измерения вводится третья стадия — коррекция нуля, для чего устройство дополняется электронными ключами A3, А4 и конденсатором С_к (показаны штриховыми линиями) при отключенном общем проводе от неинвертирующего входа интегратора DA1.

На третьей стадии ключи A3 и А4 замкнуты, а А1 и А2 — разомкнуты. В этом случае интегратор и компаратор образуют повторитель, выходное напряжение которого равно напряжению смещения, заряжающему конденсатор С_к. При измерении входного напряжения электронные ключи A3 и А4 размыкаются, а ключи А1 и А2 поочередно замыкаются. Так как в течение времени t₃+t_p напряжение на конденсаторе С_к изменяется незначительно, то этим обеспечивается постоянство нуля интегратора. Возможны и другие варианты корректировки нуля, один из которых будет описан ниже.

Следует заметить, что результат измерения представляет собой не мгновенное значение входной величины, а усредненное в интервале t₃. Поэтому паразитное переменное напряжение, наведенное на входе, ослабляется пропорционально его частоте. Колебания, период которых кратен интервалу t₃, подавляются полностью. Метод двойного интегрирования позволяет сравнительно легко получить точность измерения порядка 0,01 %. Указанные преимущества и обусловили его широкое использование в цифровых вольтметрах.

АЦП можно выполнить на аналоговых и цифровых микросхемах небольшой степени интеграции. Однако устройство в этом случае получится громоздким, сложным в изготовлении И налаживании. Всех указанных трудностей можно избежать, воспользовавшись интегральными АЦП серии К572ПВ2 (в керамическом корпусе) или КР572ПВ2 (в пластмассовом). Это — микросхемы большой степени интеграции (БИС) структуры КМОП, работающие по принципу двойного интегрирования, на 3,5 десятичных разряда с выходом для управления семисегментными светодиодными индикаторами. Они подробно описаны в брошюре Б. Г. Федоркова, В. А. Телеца, В. П. Дегтяренко “Микроэлектроиные цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи” (М.: Радио и связь, 1984, Массовая библиотека инженера, “Электроника”, выпуск 41).

Рис. 3. Функциональная схема АЦП серии К572ПВ2 (КР572ПВ2).

Функциональная схема АЦП названных серий приведена на рис. 3, а временная диаграмма работы — на рис. 4. Цикл измерения также состоит из трех стадий: интегрирования сигнала (ИНТ), разрядки интегрирующего конденсатора (РИ) и автоматической коррекции нуля (АК). Каждой стадии соответствует определенное соединение элементов микросхемы, выполняемое логическим устройством с помощью ключей на транзисторах структуры МОП. Длительности стадий (рис. 4) пропорциональны периоду тактовых импульсов и точно заданы счетчиком БИС.

Рис. 4. Длительности стадий цикла измерения.

Микросхема имеет дифференциальные входы для измеряемого и образцового напряжений. Это позволяет измерять “плавающие” напряжения и подавлять синфазные помехи, возникающие в цепях входного сигнала и образцового источника. Входное сопротивление АЦП для дифференциального и синфазного сигналов практически определяется только токами утечки через элементы монтажа и корпус и составляет около 20 МОм.

На стадии ИНТ электронные ключи А1, А2, А5, А10 замкнуты, остальные — разомкнуты. Входной сигнал через буферный каскад на ОУ DA1 поступает на вход интегратора DA2, и интегрирующий конденсатор С_инт начинает заряжаться. Напряжение на выходе ОУ DA2 изменяется с постоянной скоростью пропорционально амплитуде и в соответствии с полярностью входного сигнала. Так как входной ток интегратора мал, напряжение на конденсаторе С_АКпрактически не изменяется, и он не влияет на процесс интегрирования. Образцовый конденсатор С_о6р заряжается до напряжения U_обр. В конце стадии компаратор DA3 определяет полярность входного сигнала по напряжению на выходе интегратора. Чувствительность компаратора такова, что обеспечивает эту операцию, даже если входной сигнал не превышает долей единицы отсчета.

При работе БИС в следующей стадии электронные ключи А8, А7 или А6, А9 (в зависимости от полярности сигнала) и А4 замкнуты. Конденсатор С_о6р подключен к входу интегратора таким образом, что конденсатор С_инт разряжается. В момент, когда напряжение на нем уменьшается до нуля, срабатывает компаратор и логическое устройство прекращает стадию РИ. Время разрядки конденсатора С_ннт, выраженное числом периодов тактовых импульсов, и есть результат измерения, записанный в счетчике. Его состояние переписывается в устройство промежуточной памяти, а затем преобразуется в сигналы семи-сегментного кода, которые поступают на индикатор.

Стадия АК начинается с прекращением работы счетчика, когда логическое устройство включает электронные ключи A3, А4 и А11. Образовавшаяся при этом следящая система обеспечивает зарядку конденсаторов С_АК и С_инт до напряжения, компенсирующего смещение нуля аналоговых устройств. Оно остается неизменным в течение последующих стадий ИНТ и РИ. В результате приведенная к входу погрешность измеречия из-за смещения нуля и его температурного дрейфа у БИС указанных серий не превышает 10 мкВ.

На ОУ DA4 выполнен внутренний источник напряжения. Его выход подключен к выводу 32 — общему проводу БИС, который используется для подсоединения к общему проводу контролируемого устройства. При питании АЦП от незаземленного источника (например, батареи) и в тех случаях, когда не предъявляется жестких требований к точности измерений, внутренний источник напряжения БИС можно использовать вместо образцового.

В состав БИС входит также тактовый генератор. Частота следования его импульсов определяется внешними элементами R_тг и С_тг. Для максимального подавления сетевых помех (с частотами, кратными 50 Гц) частота повторения тактовых импульсов f_т также должна быть кратна 50 Гц и выбрана из типового ряда значений 40, 50, 100, 200 кГц. Номиналы частотозадающих элементов тактового генератора рассчитывают по формуле C_тг=0,45/f_тR_тг. Для повышения стабильности частоты между выводами 39 и 40 может быть включен кварцевый резонатор (при этом элементы R_тг и С_тг не подключают). При работе БИС от внешнего генератора тактовые импульсы подают на вывод 40 (выводы 38 и 39 оставляют свободными).

Диапазон входных напряжений зависит от внешнего образцового и определяется соотношением U_вx.max = ±1,999 U_o6p. Текущие показания светового табло выражаются числом, равным 1000 U_вx/U_o6p. При использовании БИС необходимо, чтобы амплитуда выходного напряжения буферного усилителя и интегратора не превышала граничного напряжения линейного участка DU_{инт max}, равного 2 В при незаземленном или 3...4 В при заземленном источнике питания. Поскольку приращение напряжения на выходе интегратора описывается формулой DU_инт=U_вхt_нит/R_интС_инт, а U_вх max»2U_обр, параметры элементов интегрирования находят из соотношения: R_интС_инт³t_инт2U_обр/DU_{инт max}. В процессе производства параметры БИС контролируют при образцовом напряжении U_o6p, равном 1 и 0,1 В. Емкость конденсатора С_обр для этих случаев должна быть равна 0,1 и 1 мкФ соответственно.

При расчете частотозадающей цепи тактового генератора задаются частотой f_т и сопротивлением резистора R_тг.

Например, при f_т=50 кГц и R_тг =470 кОм получаем емкость конденсатора С_тг=100 пФ. Рекомендуемые техническими условиями номиналы элементов входного фильтра — R_ф = 1 МОм, С_ф=0,01 мкФ; С_инт=0,1 мкФ, R_инт=470 кОм при U_обр = 1 В (в этом случае С_АК=0,047 мкФ) и R_инт=47 кОм при U_o6p=0,l В (С_АК=0,47 мкФ). Допускаемое отклонение от номиналов всех элементов — не более ±5 %, за исключением элементов фильтра R_ф и С_ф, для которых допускается отклонение ±20 %. В качестве конденсаторов С_о6р, С_АК, С_инт необходимо использовать конденсаторы с малым коэффициентом абсорбции (К71-5, К72-9, К73-16 и т. п.).

Максимальный ток, потребляемый БИС серии КР572ПВ2 от обоих источников питания,— не более 1,8 мА, выходной ток старшего разряда — не менее 10 мА, остальных — не менее 5 мА. Коэффициент ослабления синфазного сигнала АЦП достигает 100 дБ, погрешность преобразования не превышает 1, 3 и 5 единиц счета соответственно для КР572ПВ2А, КР572ПВ2Б и КР572ПВ2В. Указанные параметры гарантируются при температуре 25±10 С и питающих напряжениях +5 (U_пит 1) и —5 В (U_пит 2) с нестабильностью ±1 %. Нестабильность образцового напряжения должна быть не хуже ±2,5*10^-3 при U_о6р=1 В и ±0,25*10^-3 при U_o6p=0,l В. Напряжение питания U_пит 1 может быть в пределах от +4,5 до +5,5 В, U_пит 2— от —8 до —4,5 В. Входное и образцовое напряжения не должны превышать напряжений источников питания.

Во избежание выхода БИС из строя при экспериментах ее вначале соединяют с общим проводом (выводы 21 и 32), затем подают на нее напряжения питания (выводы 1 и 26), образцовое (выводы 35 и 36) и, наконец, входное (выводы 30 и 31) напряжения. Снимают напряжения в обратном порядке. При преобразовании входного сигнала, измеряемого относительно общего провода, выводы 30, 32 и 35 микросхемы соединяют с общим проводом.

Принципиальная схема 3,5-декадного цифрового мультиметра, состоящего из аналогового преобразователя (АП), измерительного устройства (ИУ), выполненного на основе БИС рассматриваемой серии, и блока питания (БП), изображена на рис. 5—7 соответственно. Прибор обеспечивает измерение постоянного и переменного напряжения (в вольтах) и тока (в миллиамперах), в также сопротивления (в килоомах) в пяти диапазонах с верхними пределами 0,2; 2, 20, 200 и 2000 (фактические значения — 0,1999; 1,999; 19,99; 199,9 и 1999; следует помнить, что на пределах 0,2 и 2 цифра 0 в старшем разряде не индицируется). Во избежание выхода прибора из строя максимальное измеряемое напряжение на пределе “2000” не должно превышать 500 В; переключать пределы измерения при таком напряжении недопустимо. Частота измеряемого переменного напряжения и тока — от 30 Гц до 100 кГц. Входное сопротивление прибора — 10 МОм. Максимальное падение напряжения на входе при измерении тока и сопротивления — 0,2 В. Питается мультиметр от встроенной аккумуляторной батареи или внешнего источника напряжением 4,5 В.

Рис. 5. Аналоговый преобразователь (АП).

АП мультиметра (рис. 5) содержит входной частотно-компенсированный делитель напряжения Rl—R5C1—С4, универсальный шунт из резисторов R6—R10, стабилизатор тока на транзисторе VT1 с набором резисторов в цепи истока Rll—R15, устройство защиты на элементах R17—R19, VD1—VD4 и детектор на ОУ DA1.

Измеряемый сигнал подают на гнезда XS1 и XS2. Переключателем режима SB2 подключают гнездо XS1 к делителю напряжения, универсальному шунту или источнику тока, а их выходы через устройство защиты и переключатель рода тока и напряжения SB1 — к входу ИУ или детектора. Если ни одна из кнопок SB2.1 — SB2. 3 не нажата, гнездо XSI ни с чем не соединено, а вход устройства защиты соединен с общим проводом. Пределы измерения и “запятые” индикаторов переключают кнопками SB3—SB7.

Собственно устройство защиты прибора от перегрузок образовано резистором R17 и диодами VD1, VD3. Резисторы R18, R19 с диодами VD2, VD4 обеспечивают его пороговыми напряжениями.

Детектор среднего значения (DA1) выполнен по схеме двухполупериодного выпрямителя. Резистор R22 обеспечивает 100 %-ную отрицательную обратную связь по постоянному току (она стабилизирует “нуль” на выходе), конденсатор С7 — по переменному. Резистором R21 балансируют ОУ, резистором R23 регулируют чувствительность детектора. При измерении постоянного тока неинвертирующий вход ОУ DA1 (через контакты кнопки SB1), а также отрицательный вход БИС в ИУ (через резисторы R23, R25, R26) соединены с общим проводом.

Выходной сигнал детектора снимается с резисторов R29, R25 и поступает на дифференциальные входы ИУ (рис. 6). Присутствующая в сигнале паразитная синфазная составляющая ослабляется в БИС DD1, а пульсации — фильтром R2C3 на ее входе.

Рис. 6. Измерительное устройство (ИУ).

ИУ мультиметра, кроме АЦП DD1 (в скобках указаны номера выводов БИС К572ПВ2А—К572ПВ2В), включает в себя цифровые индикаторы HG1—HG4 и источник образцового напряжения на транзисторе VTI. ИУ представляет собой цифровой вольтметр с максимальным входным напряжением 200 мВ. Образцовое напряжение 100 мВ устанавливают подстроеч-ным резистором R4. Резистор R6 подобран таким образом, что транзистор VT1 работает в термостабильной точке. Поскольку индикаторы HG1 — HG4 и БИС питаются от разных источников, в ИУ предусмотрен узел защиты на элементах R7, С6, VD1, который задерживает подачу напряжения на индикаторы, пока не появится напряжение пи-" тания БИС. В качестве “запятой” перед цифрой “1” на пределе измерения “0,2” использован элемент d (вывод 7) индикатора HG4 (он закрашен так, чтобы получилась точка).

В БП прибора (рис. 7) элементы С1, R2, VD1—VD4 образуют выпрямитель для зарядки аккумуляторной батареи GB1, двухцветный светодиод VD6 служит индикатором ее состояния. В показанном положении переключателя SB8 и включенной в сеть вилке ХР1 зарядный ток протекает через батарею и зеленый светодиод (выводы 3 и 1). Стабилитрон VD5 закрыт, так как напряжение на батарее недостаточно для его пробоя. Как только оно становится больше 5,6 В, стабилитрон пробивается, ток зарядки падает, зеленый светодиод начинает светиться заметно слабее, а красный (выводы 2 и 1) загорается. Гнездо XS2 позволяет подключить внешний источник, а гнездо XS1 — контролировать напряжение питания.

Рис. 7. Схема блока питания.

Двуполярный источник выполнен по схеме однотактного преобразователя с двумя параметрическими стабилизаторами напряжения. На транзисторе VT1 собран входной стабилизатор, на VT2 преобразователь. Когда транзистор VT2 открыт, энергия накапливается в магни-топроводе трансформатора, а когда закрыт через диоды VD7 и VD8 поступает в нагрузку. Порции энергии, поступающие на выход за один период колебаний, мало зависят от питающего напряжения и определяются в основном размерами магнитопровода. Частота преобразования зависит от тока базы транзистора VT2, т. е. тока через транзистор VT1 (чем он больше, тем выше частота и тем больше выходное напряжение). При понижении напряжения питания ток через транзистор VT1 увеличивается из-за уменьшения падения напряжения на резисторе R2 делителя R2R3. При указанных на схеме номиналах элементов уменьшение напряжения питания с 4,5 до 3 В практически не сказывается на выходном. Преобразователь имеет большое выходное сопротивление, поэтому для ослабления зависимости выходного напряжения от нагрузки включен стабилитрон VD9, который его дополнительно стабилизирует. Частота преобразователя — около 15 кГц. Дроссель L1 и конденсаторы Cl, C2 образуют фильтр в цепи его питания.

В мультиметре использованы подстроечные резисторы СП5-2. Резистор R10 в АП (см. рис. 5) — отрезок манганинового провода диаметром 0,5 мм, все остальные - С2-29, МЛТ или МТ. Конденсаторы С7 (см. рис. 5), С1 и С2 (см. рис. 6) — К73-16В, С2, С4—С6 (см. рис. 7) — К53-1 (можно использовать и К50-6, К50-16), С1 и С6 (см. рис. 6) — соответственно МБГП-1 и К50-6, остальные — КМ. Кнопочные переключатели — П2К. Дроссель L1 (см. рис. 7) — ДМ-0,1.

Трансформатор Т1 намотан в броневом магнитопроводе Б-14. Обмотки I, III и IV содержат по 51 витку, а II — 10 витков провода ПЭШО 0,12.

Для питания прибора использованы три серебряно-цинковых дисковых аккумулятора венгерского производства на ток нагрузки до 300 мА. Их можно заменить четырьмя отечественными Д-0,25, однако при этом вместо стабилитрона КС156Г (VD5 на рис. 7) необходимо установить стабилитрон с напряжением стабилизации около 6,8 В.

Внешний вид и конструкция мультиметра показаны на рис. 8 и рис. 9 соответственно.

Рис. 8. Внешний вид прибора.

Рис. 9. Конструкция мультиметра.

Размеры передней панели — 140X45 мм. Почти все детали прибора размещены на монтажной плате, изображенной на рис. 10.

Рис. 10. Монтажная плата.

Штрих-пуиктирной линией на ней обведены элементы, входящие в узлы АП, ИУ и БП (см. рис. 5—7). На вспомогательной плате (ее чертеж не приводится), Прикрепленной с помощью уголков к основной, размещены цифровые индикаторы HG1—HG4 и светодиод VD6. Резисторы Rl —R16, конденсаторы Cl — C4 и транзистор VT1 узла АП припаяны непосредственно к выводам кнопочных переключателей

SB3--SB7, резисторы R17 -R19, диоды VD1-VD4 и конденсатор С5 — к выводам переключателя SB1. Платы изготовлены из фольгйрованного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. В местах расположения деталей фольга удалена. Детали соединены тонким одножильным проводом.

К монтажной плате также с помощью уголков прикреплены передняя и задняя панели (рис. 11), гнезда XS1 и XS2 АП, разъем XI и гнезда XS1, XS2 БП.

Рис. 11. Способ крепления передней и задней панелей к монтажной плате.

Корпус прибора состоит из одинаковых верхней и нижней крышек. На последней закреплены переносная ручка-подставка и ножки. При монтаже необходимо следить, чтобы корпус прибора не оказался соединенным с общим проводом через уголки.

Налаживание мультиметра начинают с БП (см. рис. 7). Сначала отключают стабилитрон VD9 и нагрузку (АП и ИУ) и, подключив вместо них эквивалент-резистор сопротивлением 1,8 кОм, подают питание между гнездом XS1 и общим проводом. Для этого лучше всего использовать регулируемый внешний источник с максимальным током около 200 мА. При напряжении питания 4,5 В напряжение на эквиваленте нагрузки должно быть не менее 10 В. Если это не так, уменьшают сопротивление резистора R2. Затем снижают напряжение питания до 3 В. Если при этом выходное напряжение понизится более чем на 0,5 В, уменьшают сопротивление резисторов R3 и R2 одновременно. После этого удаляют эквивалент нагрузки и вновь подключают стабилитрон VD9 и узлы мультиметра.

Для проверки зарядного устройства подключают прибор к сети, но кнопку SB8 не нажимают. При подсоединенной батарее GB1 светодиод VD6 должен светиться зеленым цветом, а при отключении ее — красным (напряжение на стабилитроне VD5 в последнем случае должно быть в пределах 5...6,2 В).

Далее включают питание кнопкой SB8 (все остальные должны остаться в положениях, показанных на схемах) и убеждаются в том. что появившееся на табло число “000” или “—000” сменяется показанием “—1888” при подаче напряжения +5 В на вывод 37 БИС DD1 (см. рис. 6). Переключением кнопок SB3—SB7 проверяют правильность высвечивания “запятых”.

Для установки чувствительности прибор переводят в режим измерения постоянного напряжения на пределе “0,2” (нажимают кнопки SB2.1 и SB3). Подав на вход калиброванное постоянное напряжение 100 мВ, подстроенным резистором R4 (см. рис. 6) устанавливают на табло показание “1000”. Чувствительность на переменном токе (нажата кнопка SB1) регулируют, предварительно добившись нулевого напряжения на выводе 6 ОУ DA1 (см. рис. 5) подстроечным резистором R21. Впрочем, нужный результат можно получить и с помощью одного постоянного резистора, подключаемого к выводам 1 и 7 или 5 и 7 (номинал и цепь, в которую его необходимо включить, устанавливают экспериментально), как сделано в данном мультиметре. Сбалансировав ОУ, на вход подают напряжение 100 мВ частотой около 1 кГц и подстроечным резистором R23 устанавливают на табло то же число (“1000”).

Резисторы R11—R15 подбирают при подключенных к входу образцовых резисторах сопротивлением 100 Ом, 10, 100 кОм и 1 МОм.

В заключение следует отметить, что погрешность прибора в основном определяется точностью калибровки постоянного и переменного напряжения 100 мВ и точностью подбора резисторов входного делителя и универсального шунта. Для частотной коррекции универсального делителя на пределах “2”, “20” и “200” подбирают конденсаторы С2—С4, добиваясь одинаковых показаний на частотах 100 Гц и 100 кГц.

Л. АНУФРИЕВ

РАДИО № 4, 1986 г., с. 35-39