МИЛЛИВОЛЬТМЕТР ПОСТОЯННОГО ТОКА

Р. Чернышев, Радио №5/1965, ст. 57

Милливольтметр постоянного тока, схема которого изображена на рис. 1, измеряет постоянные напря­жения от 100 мкв до 10 В. В соответ­ствии с этим делитель входного напряжения имеет шесть ступеней деления 1:1, 1 : 10, 1 : 10², 1 : 10³, 1 : 10⁴, 1 : 10⁵.

Входное сопротивление прибора 20 Мом. Погрешность милливольтмет­ра не превышает 0,2—0,3%. Такой точности можно достичь только при использовании стрелочного индика­тора соответствующего класса точ­ности, подключаемого к гнездам «выход». Для удобства эксплуатации прибор снабжен микроамперметром М-24 на 100 мка класса точности точности имеет шкалы 100 мкв, 300 мкв, 1 мв, 3 мв, 10 мв, 30 мв, 100 мв, 300 мв, 1 В, 3 В, 10 В.

Основным элементом, полностью определяющим характеристики мил­ливольтметра, является измеритель­ный усилитель постоянного тока.

Принципиальная схема Чтобы по­строить усилитель постоянного тока (УПТ) повышенной стабильности, необходимо решить две основные задачи. Во-первых, необходимо со­здать входное устройство, облада­ющее малым дрейфом нуля. Под напряжением дрейфа нуля УПТ под­разумевается напряжение, которое необходимо подать на его вход, чтобы скомпенсировать самопроиз­вольное изменение выходного на­пряжения за определенный период времени. Напряжение дрейфа менее 1 мкв/час можно получить только, применяя систему преобразования входного сигнала (система модуля­ции-демодуляции). Входное посто­янное напряжение преобразуется (мо­дулируется) в переменное, амплитуда которого пропорциональна входно­му. Это переменное напряжение уси­ливается усилителем переменного тока на лампах Л₁, Л₂, у которого принципиально отсутствует эффект дрейфа входного напряжения. На выходе синхронного демодулятора (Дз, Д₄, R₃₇, R₃₅, R39) получается усиленное входное напряжение.

На вход усилителя помимо на­пряжения полезного сигнала всегда попадает паразитное напряжение ча­стоты сети. Оно также усиливается и может вывести рабочую точку выходного каскада из линейной об­ласти. В результате этого реальный коэффициент усиления снижается. Не всегда можно включать на входе КС-фильтр, так как увеличение со­противления фильтра вызывает уве­личение дрейфа, а применение кон­денсатора большой емкости связано со значительным увеличением габа­ритов. В рассматриваемом случае применено трансформаторное вход­ное устройство с вибратором ВП-19. Контакты вибропреобразователя по­очередно подключают к концам а и б первичной обмотки измеряемое вход­ное напряжение, в результате чего на вторичной обмотке появляется переменное напряжение частоты пре­образования. Спектр преобразован­ного паразитного напряжения содер­жит только четные гармоники ча­стоты 50 гц.

Поскольку резонансная частота первичной обмотки трансформатора совпадает с частотой преобразования, то при R₂ = 3 ком паразитный сигнал частоты 50 гц ослабляется примерно в 3 раза. В случае применения обыч­ного RС-фильтра для аналогичного ослабления потребовалась бы ем­кость 30 мкф.

Во-вторых, необходимо построить усилитель переменного тока с коэф­фициентом усиления более 10⁵. Изме­ряемое постоянное напряжение, пре­образованное в переменное, со вто­ричной обмотки трансформатора Т р₁ подается на трехкаскадный усили­тель переменного тока. Первый кас­кад собран на лампе Л₁. Режим его выбран таким образом, что его усиление по напряжению не изменяется при смене ламп. Второй и третий каскады выполнены на двой­ном триоде Л₂ с фиксированным смещением. Напряжения смещения подаются на сетки триодов лампы Л₂ с отдельных делителей (R₁₂, R15 и R₁₃, R₁₆), причем эти напряжения стабилизированы кремниевым дио­дом Д₁. Необходимость стабилизации вызвана тем, что усилитель обладает большим коэффициентом усиления на низких частотах, и поэтому даже при незначительных колебаниях пи­тающего напряжения рабочая точка лампы выходного каскада может выйти из линейной области.

Переменное напряжение с выхода усилителя подается на фазочувстви­тельный выпрямитель (демодулятор) ДзД4R35R39. Переменное сопротив­ление R37 служит для балансировки демодулятора при отсутствии сиг­нала.

Максимальный коэффициент пере­дачи должен быть равен 10⁵. Но важно не только получить высокий коэффициент усиления в 10⁵, но и достичь высокой стабильности этой величины. Для этой цели усилитель охвачен глубокой отрицательной об­ратной связью с выхода на вход.

Постоянное напряжение с выхода измерительного усилителя подается на переключаемый делитель обратной связи (R₃—R₈). Тип сопротивлений применяемых в делителе, опреде­ляется требованиями, предъявляе­мыми к коэффициенту передачи. Чтобы погрешность величины коэф­фициента передач не превышала 0,1%, необходимо применять про­волочные сопротивления с допуском не более чем ± 0,05%.

Высокая точность усилителя воз­можна только при условии, что все каскады работают в линейной об­ласти, то есть не перегружены на­пряжением входного сигнала или помехи. Индикатором перегрузок является неоновая лампа Л₄, ко­торая подключена к аноду выход­ного каскада. При появлении в анодной цепи переменного напряже­ния более 40—60 в лампа заго­рается. Это означает, что усилитель перегружен.

Сопротивление R₁₁ служит для регулировки нулевого уровня в пре­делах ±5 мкв. Это необходимо только тогда, когда используются шкалы 100 мкв и 300 мкв.

Каждой ступени деления соответ­ствуют два значения чувствитель­ности стрелочного прибора, кратных 0,3 и 1, за исключением деления 1 : 10⁵, которому соответствует толь­ко одно значение чувствительности, кратное 1. Чтобы микроамперметр не вышел из строя при перегрузках, введены два ограничителя на диодах Д5~Д6. Полярность микроампер­метра можно переключать тумблером П₂.

Источник питания. Милливольт­метр питается от трех стабилизиро­ванных источников +300 в, + 150 в и —150 в. Напряжения +300 в и +150 в снимаются с одного вы­прямителя на диодах Д₁₇—Д₂₀. Ста­билизатор напряжения +300 в вы­полнен на лампе Л₅, а напряжения —15 в — на лампе Л₆. Напряжение + 150 в стабилизировано газовым стабилизатором Л₇. Выпрямитель на­кала ламп Л₁ и Л₂ собран на диодах Д₂₈—Д31 Для сглаживания пульса­ций выпрямленного напряжения при­менен эмиттерный повторитель на транзисторе T1 работой которого управляет другой эмиттерный по­вторитель (Т₂). Применение двух­каскадного эмиттерного повторителя позволило снизить напряжение пуль­саций до 50 мв эфф при номинальной нагрузке.

Описание конструкции. Милли­вольтметр выполнен вместе с источ­ником питания в виде одного блока размерами 315X220X 180 мм.- На лицевую панель выведены гнезда «вход» и «выход», переключатель диапазонов, ручка установки нуля (R₁₁), индикатор перегрузки Л₄, шкала микроамперметра и переклю­чатель П₂. Усилитель и источник питания со стороны монтажа раз­делены электростатическим экраном. Расположение элементов измеритель­ного усилителя показано на рис 2 и 3.

Сердечник силового трансформа­тора набран из пластин Ш-20, толщина набора 30 мм. Намоточные данные приведены в табл. 1. Обмотки входного трансформатора (табл. 2) намотаны на пермаллоевом сердеч­нике сечением 0,8 мм²~.

Вибропреобразователь можно за­менить поляризованным реле РП-4 с сопротивлением обмотки 100—300 ом, однако это вызовет некоторое уве­личение напряжения дрейфа. Концы обмотки возбуждения реле надо вы­вести через крышку корпуса с про­тивоположной стороны от разъема. В противном случае, уровень на­водок из цепи возбуждения будет много выше допустимого.

Сопротивление R₂ должно быть типа ВС. Термоэдс, возникающая в месте соединения R₂ с монтажным проводом, может оказаться сравни­мой с измеряемым напряжением. Поэтому применяют сопротивление ВС, имеющее малую термоэдс от­носительно меди.

Особенности монтажа и настройки. Монтаж входной части должен быть выполнен таким образом, чтобы по входным проводам не протекал ни­какой другой ток, кроме тока по­лезного сигнала. Провода, идущие от вторичной обмотки входного транс­форматора, следует присоединить не­посредственно к выводу сетки и к катодному сопротивлению лампы Л₁. Все соединения входной части уси­лителя выполняют экранированным проводом. Необходимо тщательно экранировать цепь возбуждения виб­ропреобразователя. Экраны прово­дов, соединяющих контакты виб­ропреобразователя с первичной об­моткой входного трансформатора, надо изолировать от шасси и под­ключить к средней точке трансфор­матора Tp₁. Последний необходимо тщательно экранировать от внешних магнитных полей. В данном случае применен двойной пермаллоевый эк­ран.

Настройку измерительного уси­лителя удобно начинать с усилителя переменного тока. При этом прове­ряют режимы по постоянному току и коэффициенты усиления каждой лампы в отдельности. Величины коэффициентов усиления (на частоте 50 гц) и режимы ламп приведены в табл. 3. Значения для коэффициентов усиления приведены с учетом под­грузки измерительным прибором (ЭО-7).

Убедившись в нормальной работе каждого каскада, проверяют уси­литель в целом. Измеряют напряже­ния помех на выходе усилителя (оно должно быть менее 10 б) и общий коэффициент усиления на частоте 50 гц. Величина коэффициента уси­ления лежит в пределах (0,7—1)*10⁶ при положении переключателя П1, указанном в принципиальной схеме.

Как уже упоминалось, резонанс­ная частота вторичной обмотки трансформатора равна частоте пре­образования. Чтобы добиться этого, необходимо отключить вибропреобра­зователь, среднюю точку трансфор­матора соединить с общим проводом и на одну из первичных обмоток через сопротивление 10—20 ком подать переменное напряжение ча­стоты 50 гц. Положение резонанса отмечают по фазовой характеристике. Фазовый сдвиг определяют по фи­гурам Лиссажу, подключив электрон­ный осциллограф ЭО-7. Напряжение на вход осциллографа подается с анода лампы второго каскада. По­добрав емкость конденсатора С1, следует убедиться, что фазовый сдвиг преобразованного постоянного на­пряжения относительно напряжения возбуждения не более 5—10°.

С помощью переменного сопро­тивления R37 при отключенных лам­пах Л₁ и Л₂ добиваются баланса демодулятора. Выходное напряжение контролируют высокоомным вольт­метром в точке г относительно шины —150 в. Показания вольтметра дол­жны лежать в интервале —1—+1 в.

Фаза работы демодулятора должна быть такой, чтобы полярности вход­ного и выходного напряжения сов­падали (в точке г относительно шины —150 в).

Работу выходного каскада Л₃ проверяют, удалив лампу Л₁ и подключив конденсатор С₁₃ между точкой г и шиной —150 в. При этом напряжение на выходе должно быть в пределах —20—+20 в. Величина | выходного напряжения должна ре­гулироваться с помощью сопротивле­ния R₃₇.

Только после настройки и про­верки отдельных узлов можно вклю­чить милливольтметр в целом.