В радиолюбительской практике иногда возникают задачи, для эффективного решения которых требуется наличие более совершенного (и зачастую дорогостоящего) оборудования, нежели может себе позволить радиолюбитель. К таковым можно отнести разработку, ремонт или настройку измерительных приборов и источников питания, оценку временной и температурной стабильности характеристик деталей и узлов, изготовление шунтов, подбор резисторов и т. п.
В плане универсальных цифровых вольтметров советское приборостроение (а оно, как мне кажется, так и застыло на уровне конца 80-х годов, достаточно посмотреть на отпечатанные на пишущей машинке формуляры последних разработок), рядовых радиолюбителей не баловало и выпускало, в основном, приборы с весьма посредственной точностью (класса 0,5 и хуже), невысокой чувствительностью и малым диапазоном (3,5 десятичных разрядов). Стоило чуть повысить требования, как сразу же мы оказывались среди монструозных 4,5 и 5,5 разрядных агрегатов типа В7-34, 40, 46, занимающих половину стола, массой не меньше пуда и имеющих кучу бесполезных для любителя возможностей, типа дистанционного управления или вывода на экзотическое алфавитно-цифровое печатающее устройство.
Белой вороной среди таких приборов выглядит универсальный вольтметр В7-38. Его разработчики (в Сети бытует мнение, что это студенческий проект), по-видимому, приложили немало усилий, чтобы с одной стороны прибор не потерял своих достоинств (малые габариты и вес, 4,5 разрядный дисплей, базовая погрешность < 0,1%), с другой стороны остался доступен по цене. Мне повстречалось два поколения этой модели, датированные 87-м и 89-м годами. Внешне одинаковые, но последняя имела множество схемотехнических улучшений и кардинально переработанную разводку платы.
"Сердцем" данного вольтметра является классический АЦП двойного интегрирования с циклом коррекции нуля. В зависимости от предела измерения выбирается один из двух диапазонов АЦП (0,2 В или 2 В), что позволило упростить входные аттенюаторы для режимов измерения напряжения постоянного и переменного тока. В качестве источника опорного напряжения (ИОН) АЦП использован параметрический стабилизатор на прецизионном стабилитроне КС191У с тонкоплёночным резистивным делителем в нагрузке. Величина тока через стабилитрон задаётся одним резистором 280 Ом +/- 1%. Питается параметрический стабилизатор от общего канала питания "-12 В" вольтметра.
Коммутация аналоговых низкоомных и высокопотенциальных цепей выполняется с помощью 3-х электромагнитных реле, а всех остальных - с помощью простейших ключей на полевых транзисторах с изолированным затвором 2П301Б. Последние управляются непосредственно от выходов КМОП логики серии К561 благодаря необычному "плавающему" питанию цифровых микросхем: +2 В (высокий потенциал) и - 12 В (низкий потенциал).
Работая с этим вольтметром я не раз обращал внимание на следующие положительные моменты: 1) большой запас по точности на большинстве пределов измерения, кроме самых крайних; 2) практическое отсутствие шума в младшем разряде; 3) превосходная долговременная стабильность, когда прибор 20-ти летней давности без какой-либо калибровки демонстрирует результаты измерения однозначной меры сопротивления 1000 Ом класса 0,01 (%), как 999,9 Ом. Всё это навело меня на мысль о том, что можно попытаться использовать "скрытые" резервы прибора, повысив его чувствительность и разрешение как минимум на порядок.
Изменения, выполненные в ходе экспериментов с вольтметром, коснулись многих его узлов, но, как впоследствии оказалось, можно было ограничиться и гораздо меньшим. По сути можно проигнорировать всё, кроме пунктов 4 и 5.
1) Вместо штатного пластмассового корпуса (весьма некачественного) изготовлен металлический, из дюралюминиевого листа. Корпус изолирован от всех цепей вольтметра и соединён с выведенной на переднюю панель клеммой (средняя на рис. 2). Как и в оригинале, между платой и нижней частью корпуса установлен экран в виде пластины фольгированного стеклотекстолита размером с весь аналоговый блок вольтметра (белый прямоугольник на рис. 1). Сверху блок так же закрыт коробчатым экраном. Оба экрана соединены с предусмотренной на плате контактной площадкой.
2) Силовой трансформатор блока питания экранирован стальным кожухом, поскольку он находится слишком близко к ОУ интегратора АЦП и входному коммутатору вольтметра. Кожух соединён с той же клеммой, что и весь корпус.
3) Коммутатор входов из 3-х кнопок П2К, славящихся своей ненадёжностью, демонтирован и заменён на поворотный переключатель 3П4Н пылезащищённого закрытого исполнения. Предварительно было проконтролировано сопротивление замкнутых контактов, составившее всего 2 мОм. Входные клеммы расположены на передней панели непосредственно рядом с переключателем. Все сигнальные проводники (U=, U~ и пара R) от платы до коммутатора заменены на экранированные с фторопластовой изоляцией.
4) Вместо задающего генератора на 200 кГц подключен внешний на 2 МГц, смонтированный на отдельной плате. Для этого из платы вольтметра выпаяны кварц, конденсаторы C34 и R63; выводы 8 и 9 микросхемы МС6-2 соединены с выводом питания 7, выход генератора подключен к освободившемуся входу 5 МС6-3. Генератор собран на 3-х элементах 2И-НЕ К561ЛА7 по классической схеме с кварцевым резонатором на 2 МГц.
5) Добавлена ещё одна пересчётная декада (К176ИЕ2, К176ИД2, ИВ-3А) в разрыв проводника, идущего на вывод 2 микросхемы К176ИЕ2 младшей декады ДК1. Для корректной индикации запятой в режиме "20 МОм" вывод 11 индикатора декады ДК1 соединён с выходом 6 дешифратора МС16 К561ИД1.
6) Полностью демонтированы элементы стабилизаторов, за исключением диодных мостов. Электролитические конденсаторы C38 и C39 были заменены на более ёмкие. Все стабилизаторы были выполнены на более современной элементной базе (использованы ИС КР142ЕН22А, ЕН18, ЕН12А и ЕН5) и смонтированы на отдельной небольшой плате, которая с помощью стоек крепится над освобождённым участком платы вольтметра.
7) Нулевой (общий) печатный проводник цепей питания аналоговой части вольтметра был пропаян лужёным медным проводом. Цепи "+12 В", "-12 В" и "+2 В" были дополнены блокировочными конденсаторами, равномерно распределёнными по всем узлам вольтметра. Над цифровыми микросхемами для этого пришлось дополнительно пропустить толстый медный проводник, подпаянный к "0" источника питания.
Поскольку при проектировании печатной платы не было предпринято практически никаких мер по уменьшению утечек и наводок в высокоомных аналоговых цепях, пришлось это сделать самостоятельно. В разрыв печатных проводников, идущих к затворам ключей A3 - A5, были впаяны RC фильтры из резистора 10 кОм и конденсатора (на общий провод) в 1 мкФ. После этого заметно снизился шум на входе АЦП, связанный с высокочастотными помехами на затворах ключей. Выводы транзисторов Т33, Т23, Т24, вывод 3 ОУ МС4 и правый по схеме вывод конденсатора С21 были оторваны от печатного проводника и соединены между собой с помощью изолированного во фторопластовой трубке медного проводника, распаянного между фторопластовыми стойками. Аналогичная операция была проделана и для высокоомных прецизионных резисторов R40 - R43.
9) В источнике опорного напряжения стабилитрон КС191У был заменён на более стабильный КС191Ф с последующей калибровкой ИОН резисторами R28, R29, R39. Для грубой компенсации разброса напряжения стабилизации потребовалась коммутация перемычек 7, 8, 9.
10) ОУ МС2, МС4 и МС7 заменены на аналогичные, но отобранные по наименьшему напряжению смещения нуля (до 1 мВ). Хотя для данного АЦП это должно быть не актуально, но практика показывает, что у автокоррекции нуля возможности не безграничны.
11) Подстроечные резисторы, ответственные за калибровку ИОН (R28, R29, R39), преобразователя R U (R26, R35, R45, R49) и балансировку АЦП (R100), заменены на проволочные 40-оборотные типа СП5. За исключением R39 и R100 они были сгруппированы на отдельной пластинке фольгированного стеклотекстолита и закреплены на краю платы. Однооборотный переменный резистор R16 компенсации входного тока АЦП (т.е. установки "нуля" при замкнутых щупах) был заменён на более удобный двухдиапазонный СП5-39 с точной подстройкой и вынесен на переднюю панель вольтметра.
12) После нескольких экспериментов было решено заменить в АЦП ОУ КР140УД5Б на более широкополосный. Доступными оказались только два ОУ К154УД3 со скоростью нарастания 60 МВ/с. По аналогии со схемотехникой старых цифровых вольтметров Fluke и Philips один из ОУ был использован как неинвертирующий предусилитель с КУ>20, второй - как инвертирующий компаратор. Для уменьшения наводок от расположенного рядом входного аттенюатора блок АЦП закрыт латунным экраном.
После сборки и тестирования вольтметра была проведена его калибровка. Сначала в режиме измерения постоянного напряжения при замкнутых щупах выставлены показания, близкие к нулевым. Затем подстроены напряжения ИОН по показаниям вольтметра на пределах измерения 2 В и 0,2 В и выполнена балансировка АЦП. В заключении по набору точных резисторов подстроен преобразователь R/U на пределах измерения сопротивления 2 кОм, 200 кОм, 2 МОм и 20 МОм.
Впрочем, даже у модифицированного В7-38 недостатки никуда не исчезли, поскольку они заложены в схемные решения и полностью устранить их невозможно. Лучше подумать о приобретении другого прибора. К таковым недостаткам можно отнести:
1) Невозможность получить стабильные нулевые показания на индикаторе в любом режиме измерения. Вблизи нуля младший разряд будет хаотично меняться на 2-3 единицы как в плюс, так и в минус. Это связано с конечным быстродействием компаратора в составе АЦП и наблюдается только в модифицированной версии вольтметра с повышенным разрешением. Частично устранить данную проблему можно введением дополнительного резистора (20-150 Ом) последовательно с конденсатором интегратора. Более подробно можно посмотреть в Application Note AN017 фирмы Intersil.
2) Низкое входное сопротивление (10 МОм) в режиме измерения напряжения постоянного тока. Объясняется тем, что делитель напряжения не отключается от входа даже тогда, когда он не используется, т. е. на пределах 0,2 и 2 В.
3) Нелинейность преобразователя R/U на крайних пределах 0,2 кОм и 20 МОм. Причинами являются наличие сухого контакта переключателя режимов в цепи измерительного тока и 2-х проводная схема измерения сопротивления, неудачная компоновка узла преобразователя, утечки в цепи обратной связи и большие входные токи ОУ.
4) Температурный и временной дрейф показаний. Является следствием множества различных факторов, среди которых можно выделить: а) использование вместо бистабильных поляризованных реле обычных электромагнитных. Последние, как известно, требуют постоянного тока удержания якоря, а он, в свою очередь, приводит к нагреву контактной группы реле и возникновению паразитной термоЭДС в несколько десятков микровольт; б) крайне упрощённый источник опорного напряжения, стабильность которого зависит преимущественно от характеристик стабилизатора "-12 В" и его нагрузки; в) полное отсутствие защиты от утечек в высокоомных цепях АЦП; г) "инжекция заряда" в аналоговых ключах.
Что получилось в конечном итоге, можно увидеть на рис. 2. Оба прибора, что на фото, находятся в режиме измерения сопротивления, к клеммам подключены прецизионные особостабильные резисторы С5-27 100 кОм +/- 0,01% 8 ppm/C. Для оценки дрейфа показаний аналогичные эксперименты проводились в течение недели. Каждый раз показания модифицированного прибора были равны 100,006 и 100,009 кОм, соответственно, сразу при включении и после 10 минутного прогрева, что в общем-то неплохо. Не следует, однако, забывать, что класс точности прибора не изменился, а лишь увеличилось его разрешение и чувствительность. Кстати, подобный подход используется во многих отечественных и зарубежных мультиметрах, даже в упомянутых советских вольтметрах В7-34, В7-46 и т. п.
Название темы изменено в соответствии с содержимым. Сэр Мурр
Последний раз редактировалось
Mickle Пн авг 08, 2011 13:45:11, всего редактировалось 3 раз(а).