Расширение функциональных возможностей мультиметра

ВР-11 Успех творческой деятельности радиолюбителя во многом определяется возможностями его измерительной аппаратуры. В этом плане несомненными достоинствами, обладают цифровые мультйметры, позволяющие при малых габаритах достичь высокой точности и оперативности измерения различных электрических параметров. К числу таких приборов относится и мультиметр ВР-11, пользующийся у радиолюбителей большой популярностью. Длительный опыт работы с мультиметром ВР-11 позволил выявить некоторые его эксплуатационные недостатки и предложить технические решения, способствующие значительному расширению функциональных возможностей этого измерительного прибора.

Для настройки усилительных, импульсных и других устройств электроники, как правило, необходимы специальные генераторы сигналов. Очень удобными для этих целей являются функциональные генераторы, формирующие сигналы различной формы в достаточно широком диапазоне частот. Несмотря на то, что создание такого генератора [1, 2, 3] в домашних условиях не представляет особого труда, конструктивное его решение с учетом требований малых габаритов и высоких метрологических характеристик может вызвать затруднение.

Весьма удачным решением этой проблемы может быть конструктивное совмещение функционального генератора с мультиметром ВР-11. Примером реализации такого комплекса служит прибор, внешний вид которого показан на рис. 1. Его генератор выполнен на базе набора деталей радиоконструктора Старт-7218. Функциональный генератор, встречающегося в свободной продаже в магазинах радиотоваров. Плата генератора закреплена на верхней крышке мультиметра и закрыта защитным кожухом. На лицевую панель генератора выведены кнопки выбора частотного поддиапазона и формы выходного сигнала, регуляторы выходных значений

частоты сигнала и его амплитуды, а также кнопка включения генератора со светодиодным индикатором.

Учитывая то обстоятельство, что штатный блок питания мультиметра предназначен в основном для обеспечения работы микросхем КМОП-серий, а также слаботочных источников опорных напряжений, он доработан с учетом питания микросхем, используемых в генераторе. С этой целью поверх первичной обмотки его сетевого трансформатора Тр 1 (здесь и далее при ссылках на схему мультиметра ВР-11 использованы принятые в ней обозначения элементов) намотана дополнительная обмотка, содержащая 300 витков провода ПЭВ-2 0,23, которая нагружена простым стабилизатором напряжения (рис. 2), питающим генератор.

Функциональная схема соединений генератора с мультиметром приведена на рис. 3. Для удобства работы с мультиметром при его настройке и, ремонте электрическое соединение генератора с цепями мультиметра целесообразно сделать разъемным. Поскольку соединение осуществляется только по четырем линиям, оно может быть выполнено как с помощью малогабаритного разъема, так и отдельными проводниками разных цветов, заканчивающимися разъемными парами штырь-гнездо. На гнездовую часть надевают с натягом хлорвиниловые трубки, выступающие над торцом на 3...5 мм.

После сочленения такой разъем полностью электрически изолируют.

Кнопочный включатель SB1 замыкает цепь питания функционального генератора (ФГ), о чем свидетельствует свечение светодиода VD.1. Переключатель SA1 позволяет подать выходной сигнал ФГ непосредственно на вход мультиметра (положение 1), что дает возможность с высокой точностью установить параметры сигнала. В положении 2 переключателя SA1 мультиметр переводится в штатный режим работы.

Следующее усовершенствование касается возможностей мультиметра в режиме измерения частоты. Ограниченность разрядности индикатора тремя цифрами (t;i исключением значений параметров 1 в старшем разряде) является препятствием для точного измерения частоты. Причем с повышением предела измерения потеря информации становится ощутимей. Так, например, при настройке частотных компараторов, генераторов, музыкальных синтезаторов, телевизионной, и другой аппаратуры разрешающая способность частотомера должна быть не ниже 1 Гц. В то же время частоту сигнала генератора, стабилизированного кварцевым резонатором, например, на уровне 32768 Гц, мультиметр ВР-11 не позволяет измерить точней 32,7 кГц. Очевидно, что полное отсутствие информации об изменении частоты в диапазоне 0...99 Гц во многих случаях неприемлемо. И, наконец, на определенном этапе настройки аппаратуры важно знание не абсолютного значения частоты, а тенденций ее изменения (больше, меньше) под действием внешних факторов, таких, как температура, свет, давление и т. д. Решение этой задачи возможно лишь при наличии шкалы младших разрядов, чего нет в мультиметре ВР-11.

На рис. 4 приведена схема устройства, устраняющего этот недостаток мультиметра ВР-11 и позволяющего измерять недостающую часть информации в диапазоне частот 1...999 Гц на любом пределе измерений. Устройство формирует с высокой точностью секундный измерительный интервал времени и организует работу мультиметра для решения новой задачи в режиме измерения частоты. На микросхеме DD1 собран генератор секундных импульсов, стабилизированный кварцевым резонатором ZQ1 на частоте 32768 Гц. Для получения измерительного интервала времени выходной сигнал генератора дифференцируется цепочкой C1R1 и после преобразования транзистором VT1 и элементами DD2.1, DD2.2 поступает на. тактовый вход С триггера DD3.1.

С прямого выхода этого триггера сигнал типа, меандр с полупериодом, равным секунде, поступает к мульти-метру для управления процессами счета и индикации результата измерения, а с инверсного — на вход 8 элемента DD2.3 для формирования импульса сброса счетчиков- перед началом очередного цикла измерения. Временные диаграммы,, поясняющие работу уст.ройства, приведены на рис. 5.

Сброс счетчиков в нулевое состояние и синхронизация работы частотомера мультиметра должны осуществляться в конце режима индикации. Поэтому измерительный секундный интервал формируется по спаду дифференцированного (элементами C1R1) импульса. Однако сигнал, снимаемый с коллектора транзистора VT1 и кажущийся естественным для переключения триггера DD3.1, неизбежно приводит к состязательности сигналов на входе элемента DD2.3, когда один из них (рис. 5, г) не успевает перейти в нулевое состояние к моменту достижения другим сигналом, (рис. 5, з) единичного уровня. В результате создаются предпосылки для формирования ложного импульса сброса перед Началом фазы индикации. Недостаток устраняется полностью путем введения дополнительного инвертора DD2.2, задерживающего на время переходных процессов в нем момент- формирования секундного интервала триггером. DD3.1. В итоге взаимодействия сигналов (рис. 5, г, в) на входе элемента DD2.3 (рис. А), на его выходе в конце фазы индикации формируются импульсы сброса (рис. 5, и), поступающие с коллектора транзистора VT2 через переключатель SB 1.3, установленный в разрыв штатной перемычки 3—4, в цепь общей синхронизации. Сигнал с прямого выхода триггера DD3.1. через контакты переключателя SB 1.6 поступает в систему управления режима счета и индикации, обеспечивая продолжительность каждого из них, равную 1 с.

Учитывая тот факт, что в мультиметре при измерении частоты входной сигнал после усилителя-ограничителя на транзисторе Т6 (рис. 6) делится счетчиком МС 3 на 2, эту микросхему при работе в предлагаемом режиме необходимо исключить. С этой целью в. прибор введены элементы коммутации SB1.4 и SB1.5, дополненные инвертором-формирователем DD2.4. И, наконец, с коллектора транзистора Т9 через контакты переключателя SB 1.1 импульсы поступают непосредственно на вход, счетчиков дешифратора младшего разряда индикатора МС11. В принципе рассмотренные выше изменения в мультиметре совместно с предлагаемым устройством (рис. 4) обеспечивают функционирование мультиметра в новом режиме. Однако для повышения удобств в работе с прибором в нем предусмотрены некоторые сервисные решения. Так, в общую цепь питания индикаторных точек среднего и младшего разрядов мультиметра введен переключатель SB 1.8 (рис. 7, а), позволяющий, во-первых, ввести сигнализацию работы частотомера в режиме Гц с помощью светодиода HL1, и, во-вторых, при переходе в этот режим с любого ранее установленного предела обеспечить свечение только точки старшего разряда tкрайней слева). Это позволяет весь диапазон индикации в пределах 1—999 мнемонически воспринимать как Герцы. Кроме того, для исключения периодического мигания знака минус в старшем разряде, что предопределено в мультиметре, и индикации выхода за пределы 999 Гц контактами переключателя SB 1.7 зашунтирован эмиттерный р-n переход транзистора Т14 мультиметра (рис. 7, б), а в его коллекторную цепь вводится сигнал с прямого выхода триггера DD3.2. Вход С этого триггера переключателем SB 1.2 подключается к счетному триггеру МС8-1 мультиметра, выходной сигнал которого при появлении первого тысячного и.мпульса в процессе счета переводит триггер DD3.2 в единичное состояние, высвечивая знак минус в индикаторе старшего разряда.

путем замены его однополупериодного выпрямителя на МС1 прецизионным активным двухполупериодным выпрямителем [4], схема которого приведена на рис. 8. Здесь операционные усилители DA1 и DA2 охвачены общей обратной связью (ОС) по цепи, образованной резисторами Rl, R2, R7, R9. Кроме того, учитывая неидентичность сигналов на входе усилителя DA1 при измерении постоянного и переменного напряжений и необходимость получения на выходе устройства, действующего значения переменного напряжения, усилитель DA1 имеет индивидуальные цепи ОС для каждого из указанных режимов. Под действием входного напряжения усилитель DA1 изменяет электропроводимость диодных ключей VD3 и VD4, которые, в свою очередь, обеспечивают такой режим работы усилителю DA2, при котором на его выходе всегда формируется напряжение только положительной полярности. Это напряжение может быть измерено мультиметром. Выходное напряжение усилителя DA1 сохраняет полярность входного сигнала и .через резистор R6 поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя МС1 мультиметра, включенного компаратором. При измерении напряжения отрицательной полярности выходной сигнал компаратора того же знака поступает на базу p-n-р транзистора Т14 (рис. 7, б) и, открывая его, вызывает свечение знака минус в старшем разряде индикатора.

Это неудобство может быть устранено установкой самофиксирующейся кнопки QB1 (рис. 2) в цепь первичной обмотки трансформатора Tpl. Эту цепь также желательно дополнить предохранителем FU1.

Техническая реализация предложенных решений во многом определяется смекалкой и возможностями радиолюбителя. Авторский вариант законченной конструкции иллюстрирует рис. 1, 9. Стабилизатор напряжения блока питания функционального генератора (рис. 2) и устройство управления частотомером (рис. 4) смонтированы на платах, установленных на двух стойках каждая. Функцию коммутатора SB 1 выполняет кнопочный переключатель П2К. с самофиксацией, имеющий 8 контактных групп. Нумерация групп контактов, обозначенная на принципиальной схеме, ведется по часовой стрелке, начиная с левой, ближайшей к лицевой

панели, группы.

Монтажная схема распайки переключателя SB1 (рис. 4..,7.) приведена на рис. 9. Кнопку, включения питания мультиметра удобно разместить рядом с сетевым трансформатором Tpl.

Для проверки правильности показаний частотомера с выхода К (вывод 14) микросхемы DD1 (рис. 4) сигнал частотой 32768 Гц подают на контактный винт, установленный на перемычке между входными гнездами мультиметра. Для улучшения параметров входной цепи частотомера мультиметра его входная емкость (блок конденсаторов С6 — С8) увеличена до 6,8 мкФ, а сопротивление резистора R24— до 12 кОм. Подключение контактных групп переключателя SB1 к цепям мультиметра выполнено проводниками, которые припаяны к токонесущим дорожкам на верхней стороне платы; в местах, указанных на принципиальной схеме, в дорожках сделаны разрезы.

Выпрямительный мост КЦ402Е блока питания ФГ (рис. 2) можно заменить на КЦ407А с меньшим рабочим током. Микросхему К176ИЕ12 можно заменить на К176ИЕ8,или К.176ИЕ18. Операционные усилители К140УД8 (DA1 и DA2) могут быть заменены любыми другими с цепями балансировки, но первый из них обязательно должен иметь входные каскады на полевых транзисторах, иначе по мере уменьшения предела измерения будет- возрастать нелинейность преобразования напряжения из-за шунтирования входного делителя мультиметра.

Настройку частотомера начинают с подгонки конденсатором С4 частоты кварцевого генератора. Затем убеждаются в работоспособности устройства, контролируя формирование меандра (рис. 5, ж) на прямом выходе триггера DD3.1 и импульса синхронизации на коллекторе транзистора VT2. Далее сигнал частотой 32768 Гц, снимаемый с контрольной точки Гц, подают на вход мультиметра. В этом режиме работы, частотомера (кнопка SB 1 Гц отжата) на индикаторе должны отображаться цифры 3.27 (для определения частоты показания умножают на 10). После нажатия кнопки Гц на индикаторе должно высвечиваться число —.768. Знак —указывает на наличие тысяч в значении измеряемой частоты. Переключение пределов измерения не должно вызывать никаких изменений в наблюдаемом на экране прибора изображении.

следует начать

с контрольного измерения постоянного образцового напряжения, например, одиночного гальванического элемента на самом малом пределе измерения 2. Это позволит, во-первых, задействовать все четыре разряда индикатора и, во-вторых, проверить самый сложный в смысле условий согласования с внешними элементами режим работы входного делителя. Для этой цели в муль-тиметре временно восстанавливают связь между резистором R21 и конденсатором С14, отпаивают провод, идущий к цепочке C25R45, и фиксируют результат измерений. 3атем прибор приводят в исходное состояние и на вход мультиметра подают образцовое напряжение в обратной полярности. На индикаторе должно отобразиться, некоторое число со знаком —. Переменным резистором R9 и подбором резистора R4 (рис. 8) устанавливают показания, равные контрольным. : Затем изменяют полярность подключения источника образцового напряжения на прямую и переменным резистором R2 доводят показания до контрольного. Знак — должен исчезнуть. На этом настройку" канала измерения постоянного: напряжения можно считать законченной.

Переменное напряжение измеряют при нажатой кнопке. Резистором R5 устанавливают такой коэффициент усиления операционного усилителя DA1, при котором напряжение на выходе DA2 составит 0,7UllKC, измеренного осциллографом. Подстроенными резисторами R3 и R10 балансируют операционные усилители при отсутствии входного сигнала.

На этом настройка мультиметра в целом завершается, и он готов к работе с использованием новых для него функций.