Цифровой мультиметр

Прибор предназначен для измерения постоянных и переменных напряжений и токов, сопротивления, емкости и частоты. Результаты измерений отображаются на четырехразрядном цифровом табло. Прибор достаточно прост в налаживании и удобен в работе. Определение полярности измеряемого напряжения или тока производится автоматически. Коммутация измеряемых величин и пределов измерений осуществляется вручную с помощью кнопочных переключателей. При переполнении счетчиков зажигается индикатор Перегрузка.

В основу работы прибора положен метод время импульсного кодирования. Прибор состоит из аналогового преобразователя и блока индикации (рис. 1).

Аналоговый преобразователь содержит входные делители напряжения и тока Rl—R10, стабилизатор тока V18 с делителями R11—R15 для измерения сопротивлений, линейный детектор А2, входной усилитель А1, компараторы + (A3) и — (А4), индикаторы полярности _(V9—V12), генераторы линейно-возрастающих напряжений положительной (V40—V44) и отрицательной полярности (V25—V29), электронные ключи (V21, V22, V37, преобразователь уровня (V7, V8), усилитель (V31, V32) с триггером Шмитта (V35, V36) для измерения частоте.

Блок индикации состоит из генератора эталонной частоты 1 МГц (Zl, D1), делителей частоты (D3—D8), триггера индикация — измерение D9.1, счетчиков с дешифраторами (D10—D17) цифровых индикаторов (H1— Н4)у устройства установки нуля V14, триггера переполнения счетчика D9.2, индикатора перегрузки (D2.2, V13).

Измеряемое напряжение через разъем X1 и переключатель входов поступает на частотно-компенсированный высокоомный входной делитель R2—R5, С1—С4, служащий для расширения пределов измерений. С делителя напряжение поступает на входной усилитель аналогового преобразователя, выполненный на операционном усилителе А1. Усилитель имеет высокое входное сопротивление и малый дрейф нуля. Наличие глубокой обратной связи улучшает стабильность коэффициента передачи. Балансировку нуля усилителя осуществляют подстроечным резистором R27. Степень обратной связи регулируют резистором R23. Наличие конденсатора С6 в цепи обратной связи улучшает помехозащищенность. Коэффициент усиления усилителя равен 10.

На входе усилителя включены защитные диоды V1 и V2. Они должны иметь малый ток утечки.

При измерении токов используют низкоомный делитель R6—R10, падение напряжения на котором составляет 100 мВ.

При измерении сопротивлений от стабилизатора тока V18 с делителем R11—R15 по измеряемому резистору проходит ток, создающий падение напряжения, которое поступает на входной усилитель, собранный на ОУ А1.

Чтобы измерять переменные напряжения и токи переключателем S2, к входному усилителю подключают линейный детектор на операционном усилителе А2. Линейный детектор имеет высокое входное сопротивление и охвачен 100%-ной отрицательной обратной связью с выхода на неинвертирующий вход. Балансировку нуля производят подстроечным резистором R44. Конденсатор С9 играет роль фильтра. Резистором R48 устанавливают выходное напряжение, равное 0,7 U. В свою очередь U = 1,41 UBx. Следовательно, при измерении переменных напряжений на отсчетном устройстве получают действующие значения для синусоидальной формы кривой. Диоды V15 и V16 являются защитными.

Выходной сигнал с усилителя на ОУ А1 поступает на входы компараторов + и —. Компараторы выполнены на операционных усилителях A3 и А4. Отрицательная обратная связь на резисторах, соответственно R28 и R31, R29 и R32, подобрана так, что коэффициент усиления компараторов равен 10 000. Поэтому, используя их совместно с усилителем А1, оказалось возможным получить разрешающую способность прибора около 100 мкВ при малом дрейфе нуля и обеспечить указанный выше класс точности.

Одновременно на другие входы компараторов поступает линейно-возрастающее опорное напряжение, вырабатываемое генераторами на транзисторах У40 и V43, V44 и V25, V26 и V29. Разрешение на запуск генераторов с триггера D9.1 индикация—измерение поступает через ключевое устройство V21, V22, V37. Напряжение положительной полярности формируется генератором V40, V41, V44, а отрицательное — генератором У 25, У 26, V29. Максимальная амплитуда напряжения составляет 1 В. Скорость нарастания напряжения, т. е. скорость зарядки конденсаторов С12 и С16, подбирают подстроечными резисторами R51 и R69 так, чтобы за 0,01 с напряжение на конденсаторе достигло максимума (1 В). Таким образом, ток зарядки составляет около 300 мкА. Стабилизация тока осуществляется транзисторами V26 и V43. Качество стабилизации улучшено за счет использования эмиттерных переходов транзисторов V29 и V44 как температурных компенсаторов. Диоды V27, V28 и V41, V42 служат для защиты входов соответствующих компараторов. Последовательно включенные диоды V23, V24 и V38, V39 создают опорное напряжение на коллекторах электронных ключей V22 и V37.

В тот момент, когда измеряемое напряжение и линей-но-возрастающее напряжение сравняются, оба компаратора из нулевого состояния перейдут в рабочее, и на их выходах появятся напряжения противоположных знаков. В зависимости от этого триггер V11, У12 индикатора полярности меняет свое состояние и загорается соответственно один из светодиодов V9 или V10. Последние имеют разный цвет свечения. Так автоматически определяется полярность измеряемого постоянного напряжения или тока. Мигание обоих светодиодов означает, что .отсутствует постоянная составляющая в измеряемом напряжении или токе и, следовательно, необходимо нажать на кнопку S2.

Длительность разрешающего импульса, формирующего линейно-возрастающее напряжение, составляет 0,01 с, по истечение этого времени открываются транзисторы V25 и V40. Происходит разрядка конденсаторов С12 и С16.

Сигналы с выходов компараторов через диоды V3 и V5 поступают на преобразователь уровня на транзисторах V7 и V8. Преобразователь уровня необходим для согласования элементов аналогового преобразователя с логическими элементами серии К155 блока индикации.

Источником напряжения образцовой частоты является генератор на микросхеме D1. Генератор выполнен по схеме мультивибратора, в цепь обратной связи которого включен кварцевый резонатор Z1. Устойчивость генерации определяется величиной емкости конденсатора С19, Импульсы частотой 1 МГц с выхода генератора поступают на делители частоты D3—D8 и на вход 14 счетчика D10 через элемент D2.1. Разрешение на счет поступает с элемента D9.1. Общий коэффициент пересчета делителей частоты составляет 106. С выхода элемента D6 снимаются импульсы 0,01 с, а с выхода элемента D8 — 1 с. Двоично-десятичные четырехразрядные счетчики выполнены на элементах D10—D13. При переполнении счетчиков, т. е. при 104 импульсов, через триггер переполнения D9.2 и элемент D2.2 происходит индикация перегрузки — зажигается светодиод V13.

Установка нуля счетчиков производится секундными импульсами, поступающими с выхода D8 через конденсатор С20 на базу транзистора V14. Сигнал, снимаемый с коллектора У14, ставит в состояние логического нуля пересчетные декады и счетчики. Для управления цифровыми индикаторами H1—Н4 используют дешифраторы D14— D17. Коммутацию запятой на индикаторах H1—Н4 в зависимости от выбранного предела измерений производят переключателем S1.

Рассмотрим работу прибора с нулевого момента, когда произошел сброс счетчиков. Когда на входы компараторов A3 и А4 с входного усилителя А1 поступило измеряемое напряжение, элемент D2.1 разрешает счет, а с элемента D9.1 поступает импульс на ключевые устройства V21, V22 и V37, разрешающие зарядку конденсаторов С12 и С16, Происходит линейное нарастание напряжения на конденсаторах и в тот момент, когда это напряжение сравняется с измеряемым, на выходах компараторов появятся напряжения противоположных знаков. Через преобразователь уровня V7, V8 элемент D2.1 запрещает счет, и на счетчиках формируется число импульсов, равное цифро вому значению измеряемой величины. Одновременно прекращается зарядка конденсаторов С12 и С16, а триггер Vll , V 12 индикатора полярности устанавливается в соответствующее состояние. Загорается один из светодиодов — V 9 или V 10.

Сброс показаний произойдет через 1 с, когда триггер D 9.1 перейдет в состояние измерение и процесс повторится. Если измеряемое напряжение по величине больше, чем сформированное на конденсаторах, то через 0,01 с счетчик будет переполнен. Триггер D 9.2 включит индикатор перегрузки на светодиоде V 13.

Нажатием на кнопку С переключателя входов S3 прибор переводится в режим измерения емкости. При этом на вход усилителя А1 с делителя R 21—R 22 подается напряжение +0,1 В. Вместо конденсатора С16 в генераторе линейно-возрастающего напряжения положительной полярности подключается измеряемая емкость. Вместо резисторов R 69 и R 70, определяющих силу тока зарядки,, подключается набор резисторов R 13—R 19. Это дает возможность расширить пределы измерений. Скорость нарастания заряда измеряемого конденсатора, т. е. крутизна линейно-возрастающего напряжения, обратно пропорциональна измеряемой емкости. Чем больше емкость, тем дольше длится счет импульсов до .полного заряда конденсатора напряжением 1 В. Счет импульсов прекращается, когда напряжения на входах компараторов A3 и А4 будут равны.

При нажатии кнопки f переключателя 53 аналоговый преобразователь полностью отключается, а входной разъем XI соединяется с усилителем V31, V32. Усилитель содержит полевой транзистор V31, включенный по схеме истокового повторителя, и имеет высокое входное сопротивление. Диоды V33 и V34 выполняют функцию защиты по. входу. На транзисторах V35 и V36 выполнен триггер Шмитта, преобразующий переменное напряжение измеряемой частоты в импульсы. Генератор на 1 МГц (D1) отключается от элемента D2.1 (вход 4), а вместо него подключается триггер Шмитта, т. е. поступают импульсы измеряемой частоты. В зависимости от выбора диапазона измерений происходит подсчет числа импульсов за интервалы времени 0,001, 0,01, 0,1 с. Величина интервала бремени задается на делителях частоты- D3—D8 переключателем S1.

Блок питания (рис. 2) мультиметра содержит три источника напряжения: жестко стабилизированный выпрямитель для питания операционных усилителей, обеспечивающий напряжение ±15 В, выпрямитель с простейшим последовательным стабилизатором для питания цифровых микросхем напряжением +5 В и выпрямитель на +200 В для питания анодов индикаторных ламп. В источнике напряжения ±15 В транзистор V14 служит для стабилизации тока через стабилитрон V15, сопротивление резистора R2 должно быть таким, чтобы ток через стабилитрон был равен 10 мА. На транзисторах V16 и V17 собран дифференциальный каскад, сравнивающий опорное напряжение и напряжение в средней точке делителя R6—R8. Регулирующим является транзистор V18. На микросхеме А1 и транзисторах V19—V21 собран делитель напряжения, обеспечивающий получение двуполярного напряжения ±15 В.

Трансформатор питания T1 следует тщательно экранировать. Экран лучше изготовить из мягкой стали толщиной не менее 1 мм. При намотке трансформатора необходимо сделать из медной фольги два экрана, один из них наложить поверх обмоток / и II, другой — после обмотки III.

В трансформаторе использован сердечник ШЛ16Х32, обмотка I имеет 1270 витков провода ПЭВ-1 0,2, II — 930 витков ПЭВ-1 0,12; III — 300 витков ПЭВ-1 0,3; IV — 80 витков ПЭВ-1 0,8; У— 1450 витков ПЭВ-1 0,1.

От качества изготовления трансформатора во многом зависит точность показаний прибора.

Транзисторы V18 и V23 через слюдяные прокладки установлены на корпусе прибора.

Налаживание блока питания проводят без нагрузки в следующем порядке: подбирая резистор R2, добиваются тока через стабилитрон V15, равного 10 мА. Резистором R8 устанавливают суммарное напряжение на выходе ста-билизатора, равное 30 В. Коллекторный ток транзистора V20 резистором R10 подбирают равным 10—15 мА. Резистором R9 добиваются одинакового значения разнополяр-ных напряжений. Источники напряжения +5 В и +200 В особенностей в наладке не имеют.

Конструкция и детали. Мультиметр собран в металлическом корпусе. На передней панели находятся кнопочные переключатели S1—S3, выключатель сети, индикаторные лампы, светодиоды определения полярности и перегрузки и разъем X1. Общий провод источников питания с корпусом не соединяется. При работе прибор заземляется. Монтаж выполнен на семи печатных платах. В мультиметре в качестве переключателей S1 и S3 использованы кнопочные переключатели П2К с зависимой фиксацией и S2 — с невзаимной фиксацией. Резисторы входных делителей и шунтов должны быть подобраны с погрешностью, не превышающей 0,5%. Резисторы R11—R19, R73 и R74 типов БЛП или ПТМН. Подстроечные резисторы СПО-0,4 и СП5-2. Все остальные резисторы МЛТ. Конденсаторы С12 и С16 — К73-3 или К.76-1. Электролитические конденсаторы К53-1. Транзисторы V26 и V29, V43 и V44 в генераторах линейно-возрастающих напряжений подбираются попарно и должны иметь возможно малые начальные токи. Вместо транзисторов КТ326 можно применить КТ3107, вместо КТ342 — КТ306, КТ3102.

Налаживание начинают с цифровой части устройства. Для этого вход 4 элемента D2.1 отсоединяют от генератора D1 (нажатием кнопки f на переключателе 53) и подают сюда сигнал частотой 100 кГц с выхода пересчетной декады D3. На индикаторе должно появиться показание 1000 и каждую секунду мигать. Если отжать кнопку f, то на табло появляется 0000 и зажигается индикатор переполнения.

Затем приступают к налаживанию аналогового преобразователя. Вначале балансируют все операционные усилители с помощью нуль-индикатора. Ключи при этом замыкают накоротко. Первым балансируется детектор А2, затем усилитель А1 и компараторы A3 и А4. Подстроечным резистором R23 устанавливают коэффициент усиления, равный 10, у входного усилителя, а резистором R22 — напряжение 0,1 В. Перемычки с ключей убирают и на вход прибора в режиме измерения напряжения подают определенное значение напряжения от образцового источника. Меняя полярность источника, подстроечными резисторами R51 и R69 добиваются правильных и одинаковых показаний. На переключение полярности должны реагировать светодиоды V9 и V10.

Для получения правильных показаний в режимах изменения сопротивления и емкости возможно потребуется подбор резисторов R11—R15 и R16—R19. В режиме измерения переменных напряжений и токов действующие значения измеряемых величин устанавливаются резистором R48.