Приставка к цифровому мультиметру для измерения емкости и индуктивности
Многие радиолюбители и специалисты широко используют в своей практике дешевые и удобные цифровые мультиметры южноазиатского производства. Приставки к мультиметрам значительно расширяют их возможности. Два таких несложных устройства описаны в статьях [1, 2]. Автор предлагает еще одну приставку для мультиметра М-832.
Cхема приставки основана на схеме хорошо зарекомендовавшего себя измерителя RCL [3, 4], повторенного многими радиолюбителями. Особенностью приставки является питание от батареи мультиметра и внутреннего источника опорного напряжения 3 В его микросхемы АЦП. Приставка имеет следующие диапазоны измерений: 200 пФ, мкГн, 2, 20, 200 нФ, мГн, 2, 20 мкФ, Гн. Погрешность измерений ± (1 % + 3 единицы младшего разряда) при измерении емкости и ± (3 % + 5 единиц младшего разряда) при измерении индуктивности. Приставка потребляет ток менее 10 мА и сохраняет свою точность при снижении напряжения батареи питания до 8 В.
Принцип измерений в описываемой приставке заключается в следующем. Напряжение треугольной формы прикладывается к измеряемой емкости, при этом ток через нее имеет форму меандра и его амплитуда пропорциональна измеряемой емкости. При измерении индуктивности через нее пропускается ток треугольной формы, падение напряжения на индуктивности имеет форму меандра и пропорционально ее величине. Измеряемая емкость и эталонные резисторы подключаются в соответствии с рис. 1, а, а измеряемая индуктивность — по схеме на рис. 1, б.
Для применения с приставкой мульти- метр должен быть доработан — из него следует вывести минус батареи питания. Проще всего для этой цели использовать одно из гнезд панельки для подключения проверяемых транзисторов, они, в основном, задублированы. Автор использовал гнездо «С NPN». Схема приставки приведена на рис. 2. Приставку подключают штырями Х1—Х4 к четырем гнездам мультиметра. Общий провод соединяется с гнездом «СОМ», при этом на гнезде «Е PNP» мультиметра присутствует напряжение +3 В относительно гнезда «СОМ», а на «С NPN» — напряжение -6 В относительно того же гнезда и общего провода. Все микросхемы приставки питаются от батареи GB1 непосредственно, т. е. от двуполярного источника +3/-6 В. Мультиметр используется в режиме измерения постоянного напряжения со шкалой 200 мВ.
Задающий генератор прибора собран на элементах DD1.1 и DD1.2 и работает на частоте 1 МГц. Цепочкой декадных делителей DD2—DD5 эта частота делится до 100 кГц... 100 Гц. Использованные в делителе микросхемы К176ИЕ4 при включении могут делить частоту с неправильным коэффициентом деления, поэтому для их начальной установки применена цепочка C1R1. Сигналы с выходов генератора и микросхем DD2—DD5 через переключатель SA1.1 подаются на микросхему DD6. В ней частота делится на 10, и с выхода Р сигнал в форме меандра с частотой 100 кГц...10 Гц поступает через повторитель на элементах DD1.3, DD7.1, DD7.2 на вход формирователя напряжения треугольной формы. Микросхема DD6 типа К561ИЕ8 имеет внутреннюю цепь коррекции, обеспечивающую правильный коэффициент деления, поэтому подача на него импульса начальной установки не требуется. Повторитель а ключах микросхемы К561КТЗ обладает существенно меньшим выходным сопротивлением по сравнению со стандартными выходами микросхем этой серии, что упрощает подбор входных резисторов формирователя напряжения треугольной формы.
Формирователь собран по схеме интегратора на ОУ DA1. На его неинвертиру- ющий вход подано напряжение +1,5 В с делителя R6R7, а на инвертирующий — меандр амплитудой 3 В с выхода повторителя через один из резисторов R3—R5 (Rинт). Сопротивления этих резисторов и емкости конденсаторов СЗ—С5 (Синт) выбраны так, чтобы амплитуда напряжения треугольной формы составляла 5 В от пика до пика, а наклон «пилы» dU/dt соответствовал значениям, приведенным в табл. 1. Для получения необходимого наклона емкость конденсатора С5 должна быть с точностью до степени десяти кратна напряжению на выходе опорного источника микросхемы АЦП мультиметра (в экземпляре автора — 3,1 В). Реально размах напряжения на выходе ОУ DA1 несколько меньше 5 В эа счет ограничения сверху в выходном каскаде ОУ. В результате вершины импульсов треугольной формы незначительно искажены, что не влияет на точность измерений, поскольку важной является их линейность только в средней части фронта нарастания «пилы».
Напряжение треугольной формы с выхода ОУ DA1 подается на измеряемую емкость Сх и эталонные резисторы R10, R11 (R3T(C)) или через разделительный конденсатор С12 и эталонные резисторы R8, R9 (R3T(L)) на измеряемую индуктивность Lx, в результате чего получается одна из схем, приведенных на рис. 1.
При измерении емкости напряжение на выходе цепи (рис. 1, а) на эталонных резисторах R10, R11) имеет форму меандра с относительно резким переходом от минуса к плюсу и ступенчатым в обратном направлении. При измерении индуктивности за счет всегда реально существующего активного сопротивления горизонтальные участки напряжения получают наклон (рис. 3, ограничение вершин треугольного напряжения и неидеальность переходов условно не показаны).
С резисторов R10, R11 или измеряемой индуктивности сигнал поступает на синхронный выпрямитель, собранный на ключе DD7.3, резисторе R12 и конденсаторе С16. Ключ управляется выходными импульсами счетчика DD6 и открывается на 1/10 периода сигнала в середине положительной полуволны меандра. Конденсатор С16 запоминает напряжение на время разомкнутого состояния ключа, с него сигнал подается на вход мультимет- ра «Vf2плА». Без диода VD1 прибор обладает не очень удобным свойством — при значительном превышении измеряемой величиной установленного диапазона, коротком замыкании контролируемого конденсатора или обрыве индуктивности он может показать некоторое конечное значение. Это происходит из-за того, что пики перегрузки на входе ключа приходятся на моменты, когда ключ закрыт. При установке диода и отсутствии перегрузки амплитуда переменного напряжения на входе ключа DD7.3 не превышает 200 мВ, диод VD1 закрыт. Если перегрузка невелика, она индицируется, как обычно, гашением всех разрядов, кроме старшего. При большой перегрузке пики напряжения через диод\Ю1 заряжают конденсатор С16 и происходит аналогичная индикация.
Цепь С13—C15VD2VD3 служит для компенсации неидеальности ключа DD7.3. Дело в том, что из-за емкостной связи между управляющей и коммутируемой цепями в момент закрывания ключа в коммутируемую цепь передается небольшой отрицательный заряд. Это эквивалентно подаче на выход приставки небольшого тока отрицательной полярности, пропорционального частоте. Указанный ток, в основном, компенсируется выходным током этой цепи. К сожалению, компенсацию не удается сделать полной сразу на всех диапазонах, что несколько увеличивает погрешность измерений. В прототипе [3, 4] применена симметричная схема синхронного детектора, и неидеальности ключей компенсируют друг друга.
Резисторы R6 и R7 служат также начальной нагрузкой внутреннего стабилизатора напряжения 3 В микросхемы АЦП мул ьти метра. Систематическая погрешность прибора при измерении емкостей, возникающая из-за того, что последовательно с измеряемым конденсатором включен эталонный резистор, ничтожна, поскольку к моменту открытия ключа DD7.3 процесс установления тока через конденсатор полностью заканчивается. При измерении индуктивностей собственное сопротивление катушек индуктивности играет двоякую роль. С одной стороны, оно несколько уменьшает показания прибора, поскольку включено последовательно с резисторами R8 или R9 и уменьшает силу тока треугольной формы, текущего через измеряемую индуктивность. С другой стороны, оно увеличивает показания за счет наклона горизонтальных участков сигнала на измеряемой индуктивности. Указанные эффекты не компенсируют друг друга и заметно снижают точность измерений. Резисторы R4—R11 следует подобрать с точностью 0,2 %. В описываемой конструкции использовались резисторы типа С2-29В мощностью 0,125 Вт, остальные резисторы — МЯТ. Номиналы резисторов R6, R7 можно выбрать в диапазоне 1...1,5 кОм, они должны быть стабильными и равны друг другу с точностью 0,5 %. Диоды могут быть использованы практически любые маломощные кремниевые.
Микросхемы серии К561 можно заменить на микросхемы серии КР1561, К561ИЕ8 и на К176ИЕ8, а при изменении рисунка печатной платы — на микросхемы серии К564, КР544УД2 — на К544УД2. Конденсатор С4 следует подобрать с ТКЕ не хуже М75, остальные керамические конденсаторы могут иметь больший ТКЕ, в основном применены КМ-5 и КМ-6. Конденсатор С5 должен быть термостабильным, например К73-9, К73-17. Оксидные конденсаторы — импортные аналоги К50-35, подстроечные СЗ и С15 — КТ4-21 б.
Все детали приставки смонтированы на печатной плате размерами 65x70 мм из двусторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. На рис. 4 приведен рисунок проводников, на рис. 5 — расстановка элементов приставки. При изготовлении платы следует обратить внимание на то, что, если печатный проводник проходит между выводами микросхемы, одна или две контактных площадки в этом месте отсутствуют. На стороне элементов фольга платы сохранена за исключением мест установки штырей Х1— ХЗ, Х5, Х6 и выполняет роль общего провода. Вокруг отверстий для этих штырей выполнены контактные площадки, изолированные от общего провода вытравленным кольцом. Монтажные отверстия со стороны установки элементов раззенко- ваны сверлом большего диаметра кроме отверстий, помеченных крестиками и служащих для подключения выводов СЮ, С11 и С16 к общему проводу. Места пайки выводов элементов к фольге общего провода, а также перемычки для подключения к нему вывода 11 DD7 помечены на рис. 4 и 5 также крестиками.
Переключатель SA1 (ПГ2-8-12П4Н) установлен над микросхемами DD1, DD7, DA1 на кронштейне, изготовленном из латуни толщиной 1 мм. Переключатель снабжен ручкой-барабаном, на гранях которой выгравированы пределы измерений.
Для подключения приставки к мульти- метру на плате гайками закреплены два разрезных штыря диаметром 4 мм от сетевой вилки, один из штырей использован еще и для крепления кронштейна переключателя. В качестве Х1 и Х2 впаяны латунные штырьки диаметром 0,8 мм, а для подключения измеряемых индуктивностей и конденсаторов — гнезда от разъемов 2РМ под штыри диаметром 1 мм. Фотография приставки приведена на первой странице обложки.
Приставку целесообразно собирать и настраивать в следующем порядке. Вначале на плату следует установить все детали, за исключением кронштейна с переключателем. Подать напряжение питания и подбором элементов R2 и С2 установить частоту генератора на элементах DD1.1 и DD1.2 равной 1 МГц с точностью не хуже 2 %. Частоту удобно контролировать на выходах счетчиков DD2—DD5. По осциллографу можно подогнать частоту генератора, добиваясь неподвижного изображения импульсов 100 Гц с выхода микросхемы DD5 при синхронизации развертки осциллографа от сети.
Установить кронштейн с переключателем SA1 и произвести весь проводной монтаж. Адреса у отверстий для впайки проводов на рис. 5 указывают, к какой секции переключателя SA1 (перед точкой) и к какому контакту секции (после точки) идет провод от этого отверстия. Подобрать конденсатор, емкость которого известна с точностью не хуже 0,2...0,5 % и с номиналом 0,15.-0,19 мкФ, и вставить его в гнезда Х5 и Х6. На диапазоне 200 нФ подбором конденсатора С5 добиться показаний мульти метра, соответствующих емкости конденсатора. Для облегчения этой операции на плате выполнено несколько пар контактных площадок, позволяющих установить несколько конденсаторов параллельно. Термостабильными должны быть только конденсаторы, вносящие основной вклад в емкость С5, например 0,022 мкФ + 8200 пФ.
Вывод 9 секции переключателя SA1.4 следует отключить от резистора R10 и подключить к резистору R11 Подстроить конденсатор СЗ так, чтобы показания при измерении эталонной емкости на диапазонах 200 нФ и 20 нФ (он превратился в 200 нФ) совпадали. Восстановить подключение вывода 9 переключателя. На пределе 200 пФ подстроечным конденсатором С15 добиться минимальных показаний мультиметра. Установив эталонный конденсатор емкостью 150...190 пФ в качестве измеряемого подобрать сопротивление резистора R3 для получения максимальной точности показаний на этом пределе
В режиме измерения индуктивностей в случае использования точных резисторов прибор настройки не требует. Приставку можно использовать в качестве генератора треугольных импульсов с частотой 10 Гц...100 кГц, снимая их с гнезд Х5 и Х7. Импульсы имеют размах примерно от +1,5 до -3 В. При измерении емкостей полярных конденсаторов плюс конденсатора следует подключать к гнезду Х6, минус — к Х5.
Сергей Бирюков,
Литература:
1. С. Бирюков. Приставка к мультимет- ру для измерения температуры. — Радио , 2002, № 1, с. 54, 55.
2. С. Бирюков. Приставка к мультимет- ру для измерения емкости конденсаторов. — Радио, 2002, № 2, с. 29, 30.
3. С. Бирюков. Цифровой измеритель RCL. — Радио, 1996, № 3, с. 38^1, № 7, с. 62, 1997, № 7, с. 32, 1998, № 5, с. 63, 2001, № 5, с. 44.
С. Бирюков. Устройства на микросхемах. Цифровые измерительные приборы, источники питания, любительские конструкции. — М.: Символ-Р, 1998.
