В серии статей В.Литовченко Измерительный комплекс (Радиохобби, №№ 2/98, 3/98, 4/98, 5/98, 6/98) была опубликована схема и описание измерительного комплекса состоящего из двух узлов: генератора синусоидальных сигналов и универсального вольтметра постоянного и переменного тока. При этом данный комплекс имеет широких круг применения и возможностей. Кроме того, комплекс не требует в своем составе частотометра, поскольку эту функцию может успешно выполнять встроенный вольтметр.
Ниже приведу схематику и краткое описание работы базовых схем комплекса:
Генератор синусоидальных сигналов
Генератор построен на основе управляемых фазовращателей (DA1-DA2) и позволяет обеспечить высокое качество выходного сигнала. Резистор R2.1 и R2.2 не обязательно должен быть сдвоенным, частоту можно регулировать и одним, правда в неполном поддиапазоне. Зато применение 2-х раздельных резисторов позволяет более точно настраивать частоту генерации. На DA3 выполнен инвертор, на DA4 — выходной усилитель. Все ОУ умощнены с помощью параллельных усилителей на транзисторах для возможности работы на низкоомную нагрузку. На переключателе SA2 и резисторе R28 выполнен аттенюатор, резистор R27 — защита от КЗ в нагрузке.
Резисторы R27, R32-R35, R29-R31 должны быть с минимальным отклонением. Для уменьшения искажений следует также подобрать очень точно пары резисторов R1=R2, R7=R8. Конденсатор С9 должен быть с минимальным ТКЕ.
Применяемый ОУ должен быть с большим коэффициентом усиления, с минимальными входными токами и минимальным начальным смещением нуля. При наличии технической возможности (измерителя гармоник или анализатора спектра) необходимо оптимизировать ток через токозадающий резистор R14 по минимальному коэффициенту гармоник на выходе.
Пары транзисторов VT13, VT16 и VT14, VT15 устанавливаются на радиатор в непосредственной близости. Лампочка накаливания с номинальным напряжением 12-24В.
Универсальный вольтметр
На DA5 собран инвертирующий усилитель (К=3), а на втором ОУ (DA6) собран инвертирующий усилитель с диодным мостом в цепи ООС. Такое построение вольтметра позволяет полностью использовать частотные свойства DA6 и добиться хорошей температурной стабильности (за счет равенства R42=R43). Чувствительность вольтметра 30 мВ устанавливается резистором R40, балансировка «0» — R41. Цепочка R38, VD5, VD6 — выполняет защиту ОУ, R44 — защита PA. Конденсатор С18 должен быть с минимальными токами утечки (К-21, СКМ).
В вольтметре используется измерительная головка M24 класса точности 1 с током полного отклонения 100 мкА и имеющая две шкалы: 0-10 и 0-30.
Использование комплекса:
Измерение переменного напряжения, ёмкости конденсаторов, индуктивности катушек и сопротивления резисторов производится в положении переключателя SA4 — «U~».
Измерение постоянных напряжений и параметров транзисторов производится в положении SA4 — «U=». Параметры транзисторов малой и средней мощности могут быть измерены при токах коллектора от 30 мкА до 100 мА. Величина h21 измеряется в режиме «сильного сигнала» h21=Iк/Iб.
Измерение частоты генератора в положении SA4 — «fген«.
Измерение АЧХ
При работе с генератором ЗЧ следует использовать рабочий выход XW1. Частота устанавливается в положении SA4 — «fген» по шкале вольтметра «0-10». Для подачи малых напряжений необходимо выполнить делитель кратный 1/10 непосредственно на входе исследуемого устройства (для минимизации паразитных наводок).
При переводе переключателя в положение «U~», производится измерение переменных напряжений, входное сопротивление — 50 кОм (из-за выбора типа делителя на R50-R56. Если необходим высокоомный выход, то можно собрать истоковый повторитель по приведенной ниже схеме (напряжение отсечки ПТ не менее 8 В):
Измерение ёмкости конденсаторов
Измерение производится в положении переключателя SA4 в положении — «U~» при выходном напряжении 3 В. Конденсатор подключают к клеммам «Сх» и «И». Калибровка переключателя SA5 выполнена в нФ для частоты 1 кГц. При увеличении частоты в 10 и в 100 раз, пределы измерений уменьшаются во столько же раз, а при уменьшении — увеличиваются. Весь диапазон измерения ёмкости составляет 3 пФ..3мкФ (10 Гц — 100 кГц).
Измерение индуктивности
Измерение производится в положении переключателя SA4 в положении — «U~» при выходном напряжении 3 В. Переключатель SA8 переводят в положение «ВКЛ» только после подключения катушки к измерительным клеммам «Lx,Rx» и «И». Калибровка SA5 выполнена в мГн для частоты 160 Гц. При установке 1,6 кГц и 16 кГц пределы измерения уменьшаются в 10 и 100 раз, при уменьшении до 16 Гц — увеличиваются в 10 раз. Полный диапазон — 1 мкГн..10 Гн. При измерении возможна значительная погрешность, обусловленная плохим качеством самой катушки, когда ее индуктивное и активное сопротивление соизмеримы. Для проверки правильности измерений частоту увеличивают в 2 раза и производят отсчет. Если показания прибора тоже возросли в 2 раза — измерение верно. В противном случае следует увеличить частоту измерений в 10/100 раз. При измерении малых индуктивностей (1..5 мкГн) погрешность складывается из собственной индуктивности монтажа и переключателя SA5.
Измерение активных сопротивлений
Измерения осуществляются аналогично измерению индуктивности, частоту при этом устанавливают минимальной — 10-20 Гц.
Измерение ёмкости варикапов, кремниевых диодов и транзисторов
Схема измерения ёмкости p-n перехода (диода или транзистора) показана на рисунке:
Устанавливается следующий режим: fген = 10 кГц, SA5 — «0,1», SA2 — «х0,1» (соответствует измерению ёмкости на пределе 100 пФ). Выходное напряжение генератора уменьшено переключателем SA2 до 0,3 В.
Схема подключения варикапной матрицы показана ниже:
Измерение выходного сопротивления различных каскадов
Если тестируемый выходной каскад выполнен с двухполярным питанием и не имеет постоянной составляющей на выходе, измерение производят обычным способом в режиме «Rx». Устройства с однополярным питанием подключают к клемме «И» через разделительный конденсатор:
Сопротивление конденсатора С1 на частоте 10Гц составляет примерно 0,8 Ом, поэтому измерения на этой частоте можно считать точными до Rвых > 10 Ом. При меньшем выходном сопротивлении (УМЗЧ, БП) следует применить следующую схему:
Измерительный ток задается резистором R27, а вольтметр на пределе «30мВ» подключен непосредственно к выходу измеряемого устройства. Схема обеспечивает предел измерения выходного сопротивления «0,1 Ом» для любой частоты. Измерение следует начинать с самого большого предела «1000 Ом» и следить, чтобы ток не превысил допустимого значения.
Измерение коэффициента стабилизации стабилизатором напряжения
- Вольтметром переменного тока измеряются уровни пульсаций на входе и на выходе на холостом ходу: ΔU’вх, ΔU’вых. (Для стабилизаторов высокого качества ΔU’вых = 0).
- Стабилизатор нагружается резистивной нагрузкой близко к номинальному току и производятся повторные замеры: ΔU»вх, ΔU»вых.
- Вычисляются ΔUвх, ΔUвых. Поскольку вольтметр измеряет средневыпрямленное значение, а не среднеквадратичное, делоется это простым вычитанием: ΔUвх = ΔU»вх—ΔU’вх, ΔUвых = ΔU»вых—ΔU’вых.
- Коэффициент стабилизации вычисляется по формуле: Кст=(ΔUвх/Uвх)/( ΔUвых/Uвых).
Примечание: Близкие значения означают насыщение силового транзистора и прямо указывают на недостаточную мощность силового трансформатора или малую емкость фильтра.
Измерение параметров транзисторов
Упрощенная схема измерения h21 транзисторов малой и средней мощности показана на рисунке.:
Выбрана некоторая константа Io=100 мА, относительно которой ток с помощью резисторов R66-R75 уменьшается ступенчато с шагом 10 дБ. Пределы измерения коллекторного тока изменяются с шагом 20 дБ. Теперь для любого выбранного предела коллекторного тока можно установить базовый ток, уменьшенный на …30, 40, 50, 60…дБ, что дает линейную шкалу для измерения h21 соответственно: …30, 100, 300, 1000… h21 в этом случае измеряется в режиме «сильного сигнала»: h21=Iк/Iб. Величина базового тока выражается формулой: Iб=(Eп-Uбэ)/(R57%R60), где Eп = 5,1 В, Uбэ — напряжение база-эмиттер измеряемого транзистора, для кремния ~0,65 В. Поэтому напряжение питания выбрано 5,75 В
Измерение добротности колебательных контуров
Данным методом и описанным выше прибором можно измерить добротность колебательного контура с точностью не хуже 5%.
Обобщенная резонансная кривая колебательного контура выражается уравнением:
Где Uо — напряжение на контуре при резонансе, U — напряжение при расстройке, f0 — резонансная частота, f — текущая частота. При Q>10 и f=2f0 уравнение приобретает вид:
Q=0.667 Uо/U2, где U2 — напряжение на контуре при частоте 2f0. Таким образом проводится два измерения на частотах f0 и 2f0, после чего и рассчитывается добротность. Чтобы входное сопротивление вольтметра не шунтировало контур, необходимо воспользоваться вышеописанным истоковым повторителем.
Точная подборка резисторов и конденсаторов
Метод позволяет подбирать пары резисторов и конденсаторов с точностью не хуже 0,2%, причем точность определяется только субъективной оценкой оператора и не зависит от точности измерительных приборов.
В цепь базового резистора Rб (либо конденсатора) включается тестер в режиме измерения постоянного тока. Предел измерения выбирается из условия Rб>>Ri. Напряжение питание подбирается так, чтобы стрелка измерительного прибора оказалась точно на отметке в конце шкалы. Далее, меняя Rб подбирают резисторы с минимальным отклонением сопротивления от базового резистора. Аналогично подбирают конденсаторы, питание в этом случае выбирают от генератора.