Цифровой вольтомметр

Е. Ломтев, Радио №3/1965, ст. 51

Измерительные приборы с цифровым отсчетом полу­чают все более ши­рокое распростра­нение. Принцип их действия чаще всего основан на компенсационном методе измерения, то есть измеряемое напряжение сравнивается с известным (компенсирую­щим) напряжением.

Сравнивающее устройство определяет знак разности между обоими напряжениями. Это разностное напряже­ние управляет работой исполнительного устройства. Последнее, в свою очередь, воздействует на источник компенсирующего напряжения, вызывая увеличение или уменьшение этого напряжения до тех пор, пока оно не станет равным измеряемому. В момент равен­ства напряжений индикатор фиксирует величину ком­пенсационного, а следовательно и измеряемого напря­жения.

Цифровые вольтметры делятся на электронные и электромеханические. В первом случае изменение ком­пенсирующего напряжения достигается электронными средствами, во втором — электромеханическими (реле, шаговые искатели, электродвигатели).

Преимуществом электронных приборов перед элект­ромеханическими является их быстродействие, зато последние более точные (0,01—0,05°/₀). Погрешность цифровых вольтметров зависит от точности подбора компенсирующего напряжения и чувствительности срав­нивающего устройства.

Регулировка компенсирующего напряжения может быть плавной или ступенчатой. Большей точностью от­личаются приборы со ступенчатой регулировкой.

Описываемый цифровой вольтметр электромехани­ческого типа. В нем использованы шаговые искатели. Компенсирующее напряжение изменяется ступенями: через 1 в и через 0,1 в. Кроме постоянного напряжения, прибор может измерять и сопротивление постоянному току. Прибор сравнительно прост по схеме, его изготов­ление доступно радиолюбителю средней квалификации.

Вольтомметр с цифровой индикацией, внешний вид ко­торого и схема приведены на стр. 1 вкладки, имеет три предела измерения постоянного напряжения: 0—9,9 в, 0—99 в, 0—990 в. Основная погрешность измерения при этом составляет ±,1,5%. Величины сопротивлений из­меряются в пределах: 0—99 ком, 0—9,9 ком,0—99 ком, 0—990 ком при основной погрешности измерения ±5%. Таким образом с помощью вольтомметра можно изме­рять напряжения практически от 100 мв до 990 в и соп­ротивления от 10 ом до 990 ком. Время одного измере­ния во всех случаях не превышает 2 сек. Мощность, потребляемая прибором от сети, 35 вт.

На рис. 1 показана блок-схема прибора. С помощью входного делителя напряжения устанавливают нужный предел измерения. Компенсационное устройство яв­ляется источником напряжения U_K, предназначенного для сравнения с величиной измеряемого напряжения U_x. Сравнивающее устройство определяет знак разно­сти U_x—U_K или фиксирует момент их равенства и уп­равляет работой шаговых искателей.

Блок управления (шаговые искатели) переключает компенсационное устройство так, что эталонное на­пряжение меняется ступенями через 1 в ичерез0,1в. Одновременно он служит и для переключений в блоке цифрового отсчета. Блок цифрового отсчета предна­значен для индикации результата измерения.

Стабилизатор тока используется при измерении соп­ротивлений. Стабилизированный ток I_ст определенной величины протекает по измеряемому сопротивлению R_х, создавая падение напряжения I_ст R_x, измеряемое вольтметром. Чтобы избежать дополнительных перерас­четов, величины I_ст выбираются кратными десяти. На­пример, ток I_ст=1 ма, а сопротивление R_x =5,1 ком, напряжение в этом случае будет 0,001 а-5100 ом=5,1 в.

Принципиальная схема. Цифровой вольтомметр пред­ставляет собой автоматический компенсатор. Компен­сирующее напряжение создается на одном из сопротив­лений последовательного делителя напряжения (в за­висимости от положения шагового искателя), состоя­щего из двух декад проволочных сопротивлений R₄—R₂₃. С сопротивлений R₄—R₁₃ снимается компенсирующее напряжение по 1 в, ас R₁₄—R₂з— ^по 0,1 в. Источником этого напряжения является стабилизированный выпря­митель Д10—Д12 (рис. 2).

Сопротивления делителя компенсационного устрой­ства переключаются шаговыми искателями ШИ₁ и ШИ2. Эти же искатели поочередно подключают питаю­щее напряжение к лампам блока цифровой индикации. Шаговый искатель ШИ₁ переключает лампы Л0—Л9, которые подсвечивают цифры в первом разряде блока цифровой индикации, а шаговый искатель ШИ₂ —лам­пы Л₁₀—Л₁₉, подсвечивающие цифры во втором разряде блока индикации. Компенсирующее напряжение U_K противоположно по знаку измеряемому напряжению, так что на входе сравнивающего устройства образуется разность U_x—U_K. Сравнивающее устройство собрано по мостовой схе­ме на лампе 6Н2П. В диагональ моста включено поляризованное ре­ле Р₁ (типа РП-5), управляющее работой шаговых искателей. Но так как токи, протекающие по обмоткам искателей, больше тока, на который рассчитаны контакты реле P₁ то по­следнее управляет работой искателей через усилитель постоянного тока, вы­полненный на транзисторах Т₂—Т₅. Контактами ШИ1/1 и ШИ1/2 включается самоход шаговых искателей. Контакты ШИ2/1 и ШИ²_/2 служат для установки шаговых искателей в исходное положение по окончании измерения. Контакты кнопки Кн₁ переключают прибор в режим измерения или сброса. При сбросе показаний на­пряжение с сопротивления R36 через замкнутые контакты кнопки Кн₁ 2 и 3 и контакты искателей ШИ²/1 и ШИ₂/2 поступает на базы транзисторов Т₂, T4 которые открываются и открывают мощные транзисто­ры Т₃, Т₅, в коллекторные цепи которых включены об­мотки шаговых искателей. Контакты ШИ1/1 и ШИ1/2 за­мыкаются, транзисторы Т₂, Т4 вследствие этого запи­раются, а названные контакты возвращаются в пер­воначальное положение. Транзисторы T2, T4 опять открыты. Это продолжается до тех пор, пока с сопро­тивления R₃₆ на базы транзисторов T₂, T4 подается нап­ряжение. Как только шаговые искатели окажутся в ис­ходном состоянии, контакты ШИ2/1 и ШИ²_/2 размыкаются, напряжение с баз транзисторов Т₂, T4 снимается.

Стабилизатор тока работает на транзисторе T1. Пе­реключением сопротивлений R₂₉—R32 задают опреде­ленный режим работы стабилизатора в соответствии с пределом измерения сопротивлений, на который вклю­чен прибор. Для улучшения стабилизации напряжение на базе транзистора Т₁ стабилизировано кремниевым стабилитроном Д₁.

Вольтметр работает следующим образом. Пусть из­меряемое напряжение U_Х=6,4 в. Положение пере­ключателя входного делителя соответствует пределу измерения 10 в, то есть в исходном положении (перед измерением) U_К=9 в. К левой (по схеме) сетке лампы Л_2о приложена разность между измеряе­мым и компенсирующим напряжениями U_Х—U_K= 6,4в—9 в=—2,6 в. Электронный мост разбалансиро­ван. Ток по обмотке реле течет слева направо. Контакты Р²_/1 и Р3/1 замыкаются. Если теперь нажать кнопку Кн1, напряжение с сопротивления R₃₈ через замкнутые контакты Кн₁1 и 2, Р²/1, Р3/1 и ШИ3/₂ поступает на базу транзистора Т₂. Таким образом в работу вклю­чается шаговый искатель ШИ₁. В процессе работы он переключает первую декаду делителя компенсацион­ного устройства R₄—R₁₃ и первый ряд ламп цифрового индикатора. Компенсирующее напряжение U_K с каж­дым шагом искателя уменьшается на 1 в до тех пор, пока разность U_Х—U_K не станет равной нулю или изме­нит знак на обратный. В нашем случае это произойдет через три шага искателя 6,4в—6в~ 0,4в. Так как разность изменила знак, то мост снова раз­балансирован, но теперь ток в обмотке реле меняет направление, контакты реле Р₁ переключаются, в результате чего ШИ₁ останавливается. На блоке ин­дикации загорается лампа в первом ряду под цифрой 6 (Л6). Через контакты 1 и 2 реле Р₁ напряжение с сопро­тивления R₃₈ поступит на базу транзистора Т₄, и в ра­боту включится шаговый искатель ШИ₂. Он переклю­чает вторую декаду делителя компенсационного устрой­ства и второй ряд ламп блока цифровой индикации. Компенсирующее напряжение теперь увеличивается ступенями через 0,1 в до тех пор, пока разность Ux—U_K не станет равной нулю или изменит знак. В нашем слу­чае это произойдет через четыре шага искателя ШИ₂. Так как Ux— U_K, то обмотка реле обесточивается, и контакты реле Р₁ размыкаются. Шаговый искатель ШИ₂ остановлен. В блоке индикации горит лампа, освещая цифру 4 второго разряда. Таким образом, измерение закончено, и на цифровом индикаторе светятся цифры 6 и 4, что соответствует измеряемому напряжению 6,4 в.

Контактная пара ШИ3/2 служит для того, чтобы исклю­чить возможность запуска искателя ШИ₁ после работы искателя ШИ₂. Контакты ШИ3/2 размыкаются после первого шага ШИ₂, этим исключается возможность за­пуска ШИ₁.

Измеряемое сопротивление подключается, к входным зажимам прибора. Переключатель П₂ устанавливают в положение «R». По измеряемому сопротивлению R_х через замкнутые контакты переключателя П_2а проте­кает стабилизированный ток. Одновременно контакты П₂б отключают входной делитель от компенсационного устройства. На измеряемом сопротивлении создается падение напряжения, которое измеряется, как было опи­сано выше.

Конструкция и детали. Вольтомметр собран на Г-об- разном шасси из алюминия толщиной 2 мм. Размеры передней панели 235 X 100 X 90 мм. Расположение основных деталей показано на вкладке. Располагать детали можно и по-другому, не опасаясь ухудшения ра­боты прибора. Величины сопротивлений входного де­лителя подобраны с точностью до 1%. Сопротивления делителя компенсационного устройства намотаны манга­ниновым проводом диаметром 0,1—0,15 мм на двух гетинаксовых или текстолитовых планках размерами 80 X 15 X 2 мм. Величины этих сопротивлений сле­дует подбирать с помощью моста постоянного тока с точностью до 0,5%.

Примененное в приборе поляризованное реле типа РП-5 имеет паспорт РС4. 52006. Можно использовать и другие поляризованные реле, например РП-4 или РП-7, при этом необходимо, чтобы число витков на обмотках было примерно 6000—12000. Под панель реле надо подложить амортизатор из губчатой резины. Ша­говые искатели типа ШИ-11, использованные в при­боре, можно заменить любыми телефонными иска­телями, предварительно перемотав обмотку электро­магнита искателя проводом диаметром 0,12—0,14 мм так, чтобы сопротивление постоянному току было 70— 90 ом. Контакты самохода ШИ1/1 и ШИ1/2 как правило, имеются на всех шаговых искателях, а контакты сбро­са ШИ²/1 и ШИ2/₂ можно изготовить из контактных пла­стин каких-либо электромагнитных реле. Их устанавли­вают на шаговых искателях так, чтобы при исходном положении щеток искателей они были разомкнуты

Контакты ШИ₂ устанавливают только на втором шаго­вом искателе и так, чтобы они размыкались при первом же шаге искателя от исходного положения. Транзисто­ры T3, Т₅ укрепляют на прямоугольных радиаторах размерами 40 X 90 мм, изготовленных из алюминия толщиной 1,5—2 мм.

Транзистор Т1 должен иметь коэффициент усиления по току В=80—100 при обратном токе Iкоб⁼1 —1,5 мка.

Для удобства кнопка служащая для переклю­чения прибора с режима измерения на сброс результата измерения, расположена в одном из щупов прибора и подключается через разъем, находящийся на передней панели прибора. Ее подключают так, что нажатие соот­ветствует измерению, а отпускание сбросу.

В блоке цифрового отсчета применены лампы 6,3 в X X 0,28 а. Они подсвечивают цифры, нарисованные на бумаге тушью и закрытые матовым стеклом. Чтобы лампы не подсвечивали соседние цифры, их помещают в отверстиях гетинаксовой или текстолитовой пластины толщиной 10 мм (рис. 3). Для уменьшения габаритов цифрового индикатора провода припаяны непосред­ственно к цоколям ламп (без патрона). Силовой трансформатор блока питания (рис. 2) взят от радиоприемника «Рекорд-53 М». Сердечник трансфор­матора набран из пластин Ш-20, толщина набора 37мм.

Обмотка, намотанная проводом           диаметром

0,87 мм, снята и вместо нее намотаны две другие обмотки. Обмотка I со­держит 665+72+ 583 вит­ков провода ПЭВ 0,25, обмотка II — 1250 вит­ков провода ПЭЛ 0,15, обмотка III—42 витка провода ПЭЛ 0,51, об­мотка IV—150 витков провода ПЭЛ 0,12, об­мотка V — 120 витков провода ПЭЛ 0,51, обмот­ка VI —100 витков про­вода ПЭЛ 0,1.

Налаживание вольтом- метра. Для налаживания вольтомметра необходи­мы авометр и миллиам­перметр класса 0,5 с пре­делом измерения 1—Зма. Вначале проверяют пра­вильность монтажа по принципиальной схеме. Затем проверяют работу блока питания, для чего прибор включают в сеть через ЛАТР. Изменяя напряжение в пределах от 190 до 230 в, измеряют напряжение на выходе стабилизированного выпрямителя. Напряжение не должно заметно меняться. В противном случае под­бором сопротивлений R₃₉, R₄₀ изменяют токи, проте­кающие через стабилитроны Д₁₀—Д₁₂. Напряжения на выходе остальных выпрямителей не должны отличаться от указанных на схеме величин более, чем на 20%. После этого переменным сопротивлением R₂₅ баланси­руют мост, для чего между анодами лампы Л₂₀ вклю­чают вольтметр и устанавливают напряжение, равное нулю. Далее следует уточнить рабочий ток в компен­сационном устройстве. Для этого в его цепь питания включают миллиамперметр класса 0,5 и сопротивле­нием R₃₈ добиваются тока, равного 1 ма. Сопротивле­ние R₃₆ подбирают таким образом, чтобы скорость пе­реключения шаговых искателей достигала 10 шагов в секунду. Чем больше величина этого сопротивления, тем медленнее скорость переключений искателей

После этого проверяют работу блока управления. Контакты ШИ3/₂ временно перемыкают. В сеточную цепь левой половины лампы Л₂₀ от какого-либо источника постоянного тока подают напряжение около 0,1 в. Если подключить источник к сеточной цепи отрицатель­ным полюсом и нажать кнопку то должен работать шаговый искатель ШИ₁. Искатель работает, пока на­жата кнопка. Если изменить полярность напряжения на управляющей сетке лампы Л₂₀, то первый искатель останавливается, а второй начинает работать. Если работа искателей происходит в другой последователь­ности, следует поменять местами провода, идущие к об­мотке реле. Подбором сопротивлений К₂₉—К₃₂ уточня­ют величину тока стабилизации стабилизатора. Для этого переключатель П₂ переводят в положение «R». К входным зажимам прибора подключают миллиам­перметр через переменное сопротивление R_х. На пер­вом пределе измерения подбором сопротивления R₂₉ устанавливают I_ст= 10 ма. Сопротивление R_х на входе прибора должно быть в пределах от 10 ом до 1 ком. На втором пределе сопротивлением R₃₂ устанавливают I_ст~1 ма (R_х=100 ом — 10 ком); на третьем сопротив­лением R₃₁—I_ст = 100 мка (R_х=1 ком — 100 ком); на четвертом пределе сопротивлением R₃₂—I_сг=10 мка (R_х=10 ком—1 Мом). На каждом пределе следует про­верять стабилизацию тока, изменяя сопротивление R_х в указанном выше диапазоне. В случае, если ток I_ст изменяется, следует подобрать транзистор T1. На этом налаживание прибора заканчивается. В дальнейшем никаких регулировок не требуется.