Каталог радиолюбительских схем

Каталог радиолюбительских схем ВОЛЬТОММЕТР НА ОУ

ВОЛЬТОММЕТР НА ОУ

Операционный усилитель К140УД8А с полевыми транзисторами на входе позволяет создать простой по схеме и конструкции вольтомметр постоянного тока с высоким входным сопротивлением и малой погрешностью измерения.

Принципиальная схема прибора приведена на рис. 1.а.

Вольтомметром можно измерять постоянные напряжения от 1 мВ до 1000 В и активные сопротивления от 1. Ом до 10 МОм.

Вид измерения выбирают переключателем S2. На рис. 1, а он изображен в положении измерения напряжений. Входное сопротивление прибора 22 МОм. Диапазон измеряемых напряжений разбит на пять поддиапазонов:

0…100 мВ; 0…300 мВ; 0…1 В; 0…3 В и 0…10 В. Входной делитель (R1, R2), с коэффициентом деления 1:100, позволяет получить еще пять поддиапазонов: 0…10 В; О…30 В; 0…100 В; 0…300 В и 0…1000 В.

Наличие двух одинаковых поддиапазонов (О… 10 В) в разных положениях переключателя SI позволяет точно подстроить коэффициент деления входного делителя при налаживании прибора.

Диапазон измеряемых сопротивлений разбит также на пять поддиапазонов с верхними пределами: 1 кОм, 10 кОм, 100 кОм, 1 МОм и 10 МОм. Шкала омметра, благодаря большому коэффициенту усиления ОУ — линейна.

В поддиапазонах 100 мВ и 10 В прибор можно использовать как индикатор нуля. Для этого стрелку прибора нужно установить на середину шкалы переменным резистором R10, ручка которого выведена на переднюю панель.

Вольтомметр может быть выполнен как самостоятельный прибор пли в виде приставки к низкоомному вольтметру (гнездо ХЗ).

При измерении напряжений ОУ охвачен 100%-ной отрицательной обратной связью (ООС) и представляет собой повторитель напряжения с коэффициентом передачи, равным 1.

Упрощенная схема измерения сопротивлений показана на рис. 1,6. При введении достаточно глубокой ООС операционный усилитель стремится поддерживать напряжение на инвертирующем входе, равным напряжению на неинвертирующем входе. Измеряемый резистор Rx, включен в плечо делителя в цепи ООС. Если Rx, равен одному из резисторов R5—R9, то коэффициент деления равен 1:2. Поэтому напряжение на выходе ОУ будет равно удвоенному напряжению на неинвертирующем входе.

Разность напряжений между выходом ОУ и неинвертирующем входом с большой точностью равна напряжению стабилизации стабилитрона V1.

Сопротивление резисторов R11+R12 выбрано так, чтобы стрелка прибора РА1 находилась на конечной отметке шкалы при равенстве сопротивления резистора R. сопротивлению одного из резисторов R5—R9.

При Rx=0 потенциалы обоих входов и выхода ОУ равны друг другу и стрелка омметра автоматически устанавливается на нулевую отметку шкалы.

Если же Rx=Ґ, цепь ООС оказывается разорванной и на выходе ОУ будет максимальное выходное напряжение, которое почти равно напряжению источника питания. Это напряжение может вывести стрелочный прибор из строя. Чтобы этого не случилось, измерение Rx нужно производить только после подключения резистора к входным зажимам и перевода переключателя S2 в положение “Rx” (см.

рис. 1, а). С этой же целью стрелочный прибор шунтирован кремниевыми диодами.

Конденсатор С) защищает ОУ и стрелочный прибор от перегрузки во время коммутации контактов переключателя S2 из одного положения в другое. Цепь R4C2 предохраняет прибор от наводок переменного тока и от резких бросков тика через стрелочный прибор при подключении и отключении источника измеряемого напряжения.

Налаживание вольтомметра. Если при сборке прибора не было допущено ошибок, то вольтметр налаживания практически не требует, а в омметре необходима калибровка шкалы. Делают это так. К гнездам “Rx” подключают образцовый резистор, сопротивление которого равно верхнему пределу какого-либо поддиапазона, переключатель S3 устанавливают в положение, соответствующее этому поддиапазону, и резистором R11 выставляют стрелку прибора на конечную отметку шкалы.

Практика измерений. Поскольку входное сопротивление вольтметра довольно велико, он чувствителен к электростатическим наводкам с рук экспериментатора, даже если браться за изоляционные ручки щупов. На нижних пределах измерения стрелка резко отклоняется и может быть погнута. Чтобы этого не произошло, перед включением прибора в сеть переключатели S2 и S3 нужно установить в положение “1000 В” и только после этого начать работу. При измерении сопротивлений таких предосторожностей не требуется.

Прибор почти не нуждается в предварительном прогреве. Через 1…2 мин после включения стрелку прибора устанавливают на нуль переменным резистором R10. Повторной подстройки нуля при последующих включениях, как правило, не требуется.

Погрешность измерений определяемся точностью коэффициента деления входного делителя, классом точности резисторов R5—R9 и R13-—R16 и стрелочного прибора РА1. Если использованы прецизионные резисторы, стрелка прибора хорошо отбалансирована, а шкала размечена точно — погрешность измерений Ux и Rx на всех поддиапазонах не превышает ±1%.

В вольтомметре можно использовать резисторы МВСГ, ПТМН, БЛП, С5-5, С2-13 или другие с допуском на сопротивление не хуже 0,5%. Конденсаторы С1 и С2 — КМ-4 или аналогичные, СЗ и С4 — К50-6. Переключатели любого типа. Стрелочный прибор типа М24 с внутренним сопротивлением 1000 Ом±0,3%. Это достигнуто включением последовательно с рамкой прибора, имеющей сопротивление около 800 Ом, добавочного резистора.

Операционный усилитель К140УД8А может быть заменен на ОУ типа К544УД1А или К284УД1А.

Трансформатор Т1 выполнен на сердечнике ПЛ10х12,5х20. Первичная обмотка намотана проводом ПЭВ-2 0,06 и содержит 5200 витков, вторичная — 2х360 витков провода ПЭВ-2 0,12.

М. ДОРОФЕЕВ, г. Москва

• РАДИО № 12, 1983 г.

Содержание

Каталог радиолюбительских схем © Все права защищены. Радиолюбительская страница. Перепечатка разрешается только с указанием ссылки на данный сайт. Пишите нам. E-mail: irls@yandex. ru или [email protected].

Я радиолюбитель

6.2. Электронные вольтметры

В электронных вольтметрах напряжение преобразуется в постоянный ток, величина которого определяется магнитоэлектрическим измерителем. Шкалу измерителя градуируют в единицах напряжения. Электронные вольтметры обладают высокой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых напряжений, высоким входным сопротивлением, могут работать в широком частотном диапазоне – от постоянного тока до сотен мегагерц. Эти качества обуславливают их применение для измерений в цепях радиоэлектронной аппаратуры. В то же время электронные преобразователи вносят заметную погрешность, в результате чего электронные вольтметры не отличаются высокой точностью (обычно класс точности 1.0–1.5). По роду измеряемого напряжения электронные вольтметры подразделяются на вольтметры постоянного напряжения, переменного напряжения, универсальные и импульсные. У большинства электронных вольтметров преобразование напряжения в ток реализуется с помощью операционных усилителей.

Вольтметры постоянного напряжения. На рис. 6.3 представлен один из вариантов схемной реализации вольтметра. Резисторы R1, R2, R3 с переключателем S образуют входной делитель, предназначенный для выбора предела измерения.

Напряжение, снимаемое с делителя, поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Оно связано с измеряемым напряжением соотношением где n – коэффициент расширения, равный 1 в положении «1» переключателя и соответственно в положении «2» и «3». К выходу усилителя через резистор R₄ подключен миллиамперметр РА. Падение напряжения на R₄, вызванное выходным током I_n, подается на инвертирующий вход усилителя и является сигналом отрицательной обратной связи .

Рис. 6.3. Электронный вольтметр постоянного напряжения

Вследствие очень большого коэффициента усиления операционного усилителя напряжения на его входах можно полагать равными, т.

е. откуда

. (6.5)

Таким образом, шкалу измерителя можно равномерно отградуировать в единицах напряжения.

Входное сопротивление прибора равно сопротивлению делителя (R₁+R₂+R₃), шунтированному входным сопротивлением операционного усилителя. Если входной дифференциальный каскад последнего выполнен на полевых транзисторах, шунтирующим влиянием входного сопротивления усилителя можно пренебречь.

В приборах с пределом измерения до 10 В входной делитель может отсутствовать, переключение пределов измерения в этом случае в соответствии с выражением (6.5) возможно изменением сопротивления обратной связи (R4).

Вольтметры переменного напряжения. Электронная часть таких вольтметров, помимо усилителя У, содержит детектор Д, преобразующий переменный ток в постоянный (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Функциональная схема вольтметра переменного напряжения

Различают детекторы среднего, амплитудного и среднеквадратичного (действующего) значений. Однако независимо от типа детектора шкалу измерителя градуируют в действующих значениях синусоидального напряжения. Таким образом, показания вольтметров с детекторами среднего и амплитудного значений достоверны только при измерении напряжений синусоидальной формы. Если форма измеряемого переменного напряжения отличается от синусоидальной, измерительную информацию используют следующим образом:

а) показание вольтметра с детектором среднего значения следует разделить на 1.11 (коэффициент формы синусоиды), что даст достоверное среднее значение. Если известен коэффициент формы измеряемого напряжения, умножением на него находят действующее значение:

;

б) показание вольтметра с амплитудным детектором следует умножить на (коэффициент амплитуды синусоиды), что даст достоверное амплитудное значение.

Разделив его на коэффициент амплитуды измеряемого напряжения (если он также известен), находят действующее значение:

.

Показания вольтметров с детекторами среднеквадратического значения соответствуют действующим значениям при любой форме кривой напряжения. Однако такие детекторы отличаются большей сложностью и менее точны.

На рис. 6.5 представлена одна из возможных схем вольтметра с детектором среднего значения.

Рис. 6.5. Вольтметр переменного напряжения с детектором среднего значения

В отличие от рассмотренных ранее вольтметров постоянного напряжения схема содержит конденсаторы С1, С2 и детектор, выполненный на диодах VD1…VD4. Конденсаторы выполняют разделительную функцию: С1 пропускает на вход делителя лишь переменную составляющую измеряемого напряжения, задерживая постоянную, а С2 обеспечивает 100%-ю отрицательную обратную связь по постоянному току, что практически устраняет дрейф нуля и позволяет обойтись без балансировки операционного усилителя.

Детектор представляет собой обычный мостовой выпрямитель, в диагональ постоянного тока которого включен магнитоэлектрический миллиамперметр.

Среднее значение тока измерителя при синусоидальном напряжении пропорционально действующему значению измеряемого напряжения:

, (6.6)

где U_x – действующее значение измеряемого напряжения; п – коэффициент расширения входного делителя.

Максимальная частота измеряемого напряжения определяется динамическими свойствами операционного усилителя.

Вольтметры, предназначенные для измерения высокочастотных напряжений, имеют более сложную структуру.

Вольтметр с линейной шкалой на оу. Схема вольтметра для измерения сигнала

Не мало автомобилистов сталкивается с такой проблемой, как непредвиденный разряд аккумулятора. Особенно неприятно, когда происходит это в пути далеко от дома. Одной из причин может быть выход из строя генератора авто. Предупредить надвигающийся разряд аккумулятора поможет вольтметр автомобильный . Ниже приведем несколько простых схем подобного устройства.

Вольтметр автомобильный на микросхеме LM3914

Это схема автомобильного вольтметра предназначена для контроля напряжения бортовой сети автомобиля в пределах от 10,5В до 15В. В качестве индикатор используются 10 светодиодов.

Основа схемы – интегральная . Данная микросхема способна оценить входное напряжение и вывести результат на 10 светодиодов в режиме точка или столбик. Микросхема LM3914 способна работать в широком диапазоне питания (3В…25В). Яркость свечения светодиодов можно выставить при помощи внешнего переменного резистора. Выходы микросхемы совместимы с ТТЛ и КМОП логикой.

Десять светодиодов VD1-VD10 отображают текущее значение напряжения аккумулятора или напряжение бортовой сети автомобиля в режиме точки (вывод 9 не подключен или подключен на минус) или столбика (вывод 9 подключен на плюс питания).

Резистор R4 подключенный между контактами 6,7 и минусом питания задает яркость свечения светодиодов. Резисторы R2 и переменный резистор R1 образует делитель напряжения. При помощи переменного резистора R1 производится настройка верхнего уровня напряжения, а при помощи R3 нижнего.

Как уже было сказано ранее, данный автомобильный вольтметр обеспечивает индикацию от 10,5 до 15 вольт. Калибровка схемы выполняется следующим образом. Подайте на вход схемы вольтметра напряжение 15 вольт от блока питания. Затем изменяя сопротивление резистора R1, необходимо добиться, чтобы зажегся светодиод VD10 (в режиме точка) или все светодиоды VD…VD10 (в режиме столбик).

Затем на вход подайте 10,5 вольт и переменным резистором R3 добейтесь, чтобы горел только светодиод VD1. Теперь увеличивая напряжение с шагом 0,5 вольта, светодиоды один за другим будут загораться, и при напряжении 15 вольт будут гореть все светодиоды. Переключатель SA1 предназначен для переключения между режимами индикации точка/столбик. При замкнутом переключателе SA1 – столбик, при разомкнутом – точка.

Автомобильный вольтметр на транзисторах

Следующая схема автомобильного вольтметра построена на двух . Когда напряжение на аккумуляторе составляет менее 11 вольт, стабилитроны VD1 и VD2 не пропускают ток, из-за чего горит только красный светодиод, указывающий на низкое напряжение бортовой сети автомобиля.

Если напряжение находится между 12 и 14 вольт, стабилитрон VD1 открывает транзистор VT1. Зеленый светодиод загорается, указывая на нормальное напряжение. Если напряжение батареи превышает 15 вольт, стабилитрон VD2 открывает транзистор VT2, в результате чего загорается желтый светодиод, показывающий значительное превышение напряжения в сети автомобиля.

Вольтметр на операционном усилителе LM393

Данный простой автомобильный вольтметр построен на операционном усилителе . В качестве индикатора, как и в предыдущей схеме, используются три светодиода.

При низком напряжении (менее 11В) загорается красный светодиод. Если напряжение в норме (12,4…14В) то светится зеленый. В том случае, если напряжение превысило 14В, то загорается желтый светодиод. Стабилитрон VD1 формирует опорное напряжение. Данная схема схожа со схемой .

Вольтметр автомобильный на микросхеме К1003ПП1

Данная схема вольтметра для автомобиля построена на микросхеме К1003ПП1 и позволяет отслеживать напряжение бортовой сети по свечению 3 светодиодов:

• При напряжении менее 11 вольт горит светодиод HL1
• При напряжении 11,1…14,4 вольт горит светодиод HL2
• При напряжении более 14,6 вольт горит светодиод HL3

Настройка. После подачи на вход напряжения от любого блока питания (11,1…14,4В), переменным резистором R4 необходимо добиться свечения светодиода HL2.

Компараторы

Если использовать операционный усилитель без отрицательной обратной связи (ООС), то однозначно можно говорить о том, что получится . Для того, чтобы разобраться как же он работает, можно проделать несколько простых, но наглядных опытов. Для этого понадобится немного: собственно операционный усилитель, блок питания с напряжением 9…25В, несколько резисторов, пара светодиодов и вольтметр ().

Из светодиодов и резисторов собирается простейший логический пробник, как показано на рисунке 1.

При подаче на вход пробника положительного напряжения (можно даже подать +U) светится красный светодиод, а если вход соединить с общим проводом, то зажжется зеленый. С помощью такого пробника состояние выхода испытываемого операционного усилителя становится наглядным и понятным.

В качестве подопытного «кролика» подойдет любой, не особо качественный и дорогой , например КР140УД608(708) в пластмассовых корпусах либо К140УД6(7) в круглых металлических.

Рисунок 1. Схема простого логического пробника

Следует при этом отметить, что несмотря на разные корпуса, цоколевка этих микросхем одинакова и соответствует показанной на схемах ниже. Чаще случается, что цоколевка пластмассовых и металлических корпусов не совпадает, хотя по сути дела это одинаковые микросхемы. Сейчас большая часть операционных усилителей, особенно импортных, выпускаются в пластмассовых корпусах, и все работает хорошо и прекрасно, и никакой путаницы с цоколевками. А раньше такие «пластмассовые» микросхемы у специалистов презрительно назывались «ширпотребовскими».

Рисунок 2. Схема на операционном усилителе

Для первых опытов соберем схему, показанную на рисунке 2. Здесь сделано не так уж много: к однополярному источнику питания подключен собственно операционный усилитель и показанный на рисунке 1 логический пробник. Напряжение питания +U однополярное величиной 9…30В. Величина напряжения в наших опытах особого значения не имеет.

Вот тут может возникнуть вполне законный вопрос: «Почему же пробник логический, ведь операционный усилитель аналоговый элемент?». Да, но в данном случае операционный усилитель работает не в режиме усиления, а в режиме компаратора, и на выходе имеет всего два уровня. Напряжение близкое к 0В, называется логическим нулем, а напряжение близкое к +U логической единицей. В случае двухполярного питания логическому нулю соответствует напряжение близкое к -U.

При подаче напряжения питания один из светодиодов обязательно должен засветиться. На вопрос какой, красный или зеленый ответить нельзя, поскольку все зависит от параметров конкретного операционного усилителя и от внешних условий, например от сетевых наводок. Если взять несколько однотипных ОУ, то результаты будут самые различные.

Напряжение на выходе операционного усилителя контролируется вольтметром: если светится красный светодиод, то вольтметр покажет напряжение близкое к +U, а в случае свечения зеленого светодиода напряжение будет почти нулевое.

Теперь можно попробовать подать на входы какие-нибудь напряжения и посмотреть по индикаторам и вольтметру как будет вести себя операционный усилитель. Проще всего подать напряжения коснувшись одним пальцем по очереди каждого входа операционного усилителя, а другим одного из выводов питания. При этом должно измениться свечение пробника и показания вольтметра. Но этих изменений может и не произойти.

Все дело в том, что некоторые операционные усилители рассчитаны на то, что напряжение на входах находится в определенных пределах: несколько выше, чем напряжение на выводе 4 и несколько ниже, чем напряжение питания на выводе 7. Это «несколько ниже, выше» составляет 1…2В. Чтобы продолжить опыты, выполнив указанное условие, придется собрать чуть более сложную схему, показанную на рисунке 3.

Рисунок 3.

Теперь напряжение на входы подается с помощью переменных резисторов R1, R2, движки которых следует перед началом измерений установить вблизи среднего положения. Вольтметр теперь переместился в другое место: он будет показывать разность напряжений между прямым и инверсным входами.

Лучше, если этот вольтметр будет цифровой: полярность напряжения может изменяться, на индикаторе цифрового прибора покажется знак «минус», а стрелочный прибор просто «зашкалит» в обратную сторону. (Можно применить стрелочный вольтметр со средней точкой шкалы. ) К тому же входное сопротивление цифрового вольтметра намного выше, чем у стрелочного, следовательно результаты измерений получатся точнее. Состояние выхода будем определить по светодиодному индикатору.

Здесь уместно дать такой совет: лучше эти простые опыты проделать своими руками, а не просто прочитать и решить, что все просто и понятно. Это как прочитать самоучитель игры на гитаре, при этом гитару не взяв ни разу в руки. Итак, начнем.

Первое, что надо сделать это установить движки переменных резисторов примерно в среднее положение, при этом напряжение на входах операционного усилителя близко к половине напряжения питания. Чувствительность вольтметра следует сделать максимальной, но, возможно, не сразу, а постепенно, чтобы не спалить прибор.

Предположим, что на выходе операционного усилителя низкий уровень, светится зеленый светодиод. Если это не так, то такого состояния можно добиться, вращая переменный резистор R1 таким образом, чтобы движок перемещался вниз по схеме — можно практически до 0В.

Теперь с помощью переменного резистора R1 начнем прибавлять напряжение на прямом входе операционного усилителя (вывод 3), наблюдая за показаниями вольтметра. Как только вольтметр покажет положительное напряжение (напряжение на прямом входе (вывод 3) больше, чем на инверсном (вывод 2)) зажжется красный светодиод. Следовательно напряжение на выходе операционного усилителя высокое или, как условились ранее, логическая единица.

Небольшая справка

Точнее даже не логическая единица, а высокий уровень: логическая единица обозначает истинность сигнала, мол, событие произошло. Но эта истинность, эта логическая единица может быть выражена и низким уровнем. В качестве примера можно вспомнить интерфейс RS-232, в котором логической единице соответствует отрицательное напряжение, в то время как логический ноль имеет положительное напряжение. Хотя в других схемах логическая единица чаще всего выражается высоким уровнем.

Продолжим научный опыт. Начнем осторожно и медленно вращать резистор R1 в обратную сторону, следя за показаниями вольтметра. В определенный момент он покажет ноль, но красный светодиод еще будет светиться. Поймать положение в котором оба светодиода погашены вряд ли удастся.

При дальнейшем вращении резистора полярность показаний вольтметра также изменится на отрицательную. Это говорит о том, что напряжение на инверсном входе (2) по абсолютному значению выше, чем на прямом входе (3). Зажжется зеленый светодиод, что говорит о низком уровне на выходе операционного усилителя. После этого можно продолжать вращать резистор R1 в том же направлении, но изменений никаких не произойдет: зеленый светодиод не погаснет и даже нисколько не изменит яркость.

Такое явление имеет место когда операционный усилитель работает в режиме компаратора, т.е. без отрицательной обратной связи (иногда даже с ПОС). Если же ОУ работает в линейном режиме, охвачен отрицательной обратной связью (ООС), то при вращении движка резистора R1 напряжение на выходе меняется пропорционально углу поворота, читай разности напряжений на входах, а вовсе не ступенькой. В этом случае яркость светодиода можно изменять плавно.

Из всего сказанного можно сделать вывод: напряжение на выходе операционного усилителя зависит от разницы напряжений на входах. В случае, когда напряжение на прямом входе выше, чем на инверсном, выходное напряжение имеет высокий уровень. В противном случае (напряжение на инверсном выше, чем на прямом) на выходе уровень логического нуля.

В самом начале этого эксперимента было рекомендовано установить движки резисторов R1, R2 приблизительно в среднее положение. А что будет, если первоначально установить их на третью часть оборота или на две трети? Да собственно ничего не изменится, все будет работать также, как было описано выше. Из этого можно сделать вывод, что сигнал на выходе операционного усилителя не зависит от абсолютного значения напряжений на прямом и инверсном входах. А зависит только от разницы напряжений.

Из всего сказанного можно сделать еще один важный вывод: операционный усилитель без обратной связи представляет собой компаратор — сравнивающее устройство. В таком случае на один вход подается опорное или образцовое напряжение, а на другой напряжение, величину которого надо контролировать. На какой вход подавать опорное напряжение решается в процессе разработки схемы.

В качестве примера на рисунке 4 показана схема , на входе которого имеются сразу 2 внутренних компаратора DA1 и DA2.

Рисунок 4. Схема интегрального таймера NE555

Их назначение — управление внутренним . Логика управления достаточно проста: логическая единица с выхода компаратора DA2 устанавливает триггер в единицу, а логическая единица с выхода компаратора DA1 сбрасывает триггер.

На резисторах R1…R3 собран делитель, подающий опорные напряжения на входы компараторов. Все три резистора имеют одинаковые сопротивления (5Ком), формирующие напряжения 2/3 и 1/3 напряжения питания, которые поданы, соответственно, на инвертирующий вход DA1 и на неинвертирующий вход DA2.

В плане того, что было написано выше, получается, что логическая единица на выходе компаратора DA1 получится в том случае, если входное напряжение на прямом входе превысит опорное на инверсном (2/3Uпит. ), триггер сбросится в ноль.

Для того, чтобы установить триггер в 1, требуется получить высокий уровень на выходе внутреннего компаратора DA2. Такое состояние будет достигнуто когда уровень напряжения на инверсном входе DA2 будет меньше 1/3Uпит. Именно такое опорное напряжения подано на прямой вход компаратора DA2.

Здесь не ставится цель описания интегрального таймера NE555, просто в качестве примера использования ОУ показаны входные компараторы, спрятанный внутри микросхемы. Для тех, кому интересно применение таймера 555, можно рекомендовать для прочтения статью .

Возможность преждевременного выхода из строя дорогостоящего аккумулятора вынуждает автолюбителя тщательно следить за работой реле-регулятора напряжения и состоянием бортовой электросети автомобиля. Напряжение в ней не должно отличаться более ±3% от оптимальной величины, которая определяется для данных условий эксплуатации аккумуляторной батареи и зависит от климатической зоны, места установки аккумулятора и его технического состояния, режима эксплуатации автомобиля. Чем точнее будет поддерживаться оптимальное напряжение при подзарядке аккумуляторной батареи, тем дольше она прослужит.

Большое значение имеет правильная работа автомобильного генератора. При повышении напряжения генератора выше оптимального на 10-12% (около 0,15 В) срок службы аккумуляторной батареи и электроламп сокращается в 2-2,5 раза.

Чтобы точно выполнять все необходимые регулировки, нужен специальный вольтметр, измеряющий напряжение в диапазоне 13-15 В с точностью до 0,1 В. Купить такой прибор трудно, но изготовить подобный с растянутой в диапазоне 10-15 В шкалой смогут многие. Повышенная точность измерений, линейная шкала во всем диапазоне измерений, отсутствие собственного источника питания, повышенная надежность (за счет предусмотренных в устройстве элементов зашиты, не влияющих на точность измерений), возможность регулирования зоны «растяжки» шкалы — отличительные особенности данного прибора. Выполнен он на базе операционного усилителя и представляет собой измеритель разности напряжений.

Технические характеристики вольтметра

• Диапазон измеряемых напряжений, В. . . от 10 до 15
  Достижимая погрешность измерений при температуре 20±5°С, не хуже, % …0,5
  Дискретность, В. . . 0,05
  Входное сопротивление, не менее, кОм. . . 0,75
  Диапазон рабочих температур, °С. . . от -10 до +35
  Габариты (с микроамперметром М906), мм. . . 65х105х120

Питается вольтметр непосредственно от объекта измерения. Начальное смещение, относительно которого производится измерение, устанавливается сопротивлением цепочки резисторов R3, R4 (см. принципиальную схему рис.1), а величина обратной связи (определяющая коэффициент усиления ОУDA1 и, соответственно, степень «растяжки» диапазона) задается сопротивлением цепочки резисторов R5, R6.

Источник опорного напряжения на стабилитроне VD3 обеспечивает также смещение потенциала на неинвертнрующем входе DA на величину, равную приблизительно половине измеряемого падения напряжения, что необходимо для работы ОУ с однополярным питанием.

Сопротивление резистора R7 зависит от чувствительности микроамперметра РА и величины максимального выходного напряжения операционного усилителя относительно катода стабилитрона VD3.

Диоды VD1, VD2 обеспечивают защиту ОУ, a VD4, VD5 — микроамперметра от перегрузки по току. VD1 запрещает прохождение тока отрицательной полярности через резистор R1 и операционный усилитель. Возможно прохождение тока через стабилитрон VD3, смещенный в прямом направлении, диод VD2 и резисторы R2-R4. Тем самым между входами DA (выводы 3,2) установится разность потенциалов не более 0,7 В. Аналогичное падение напряжения будет на выводе 3 относительно вывода 4 ОУ.

Таким образом обеспечивается надежная защита ОУ от ошибки при подключении полярности.

В вольтметре применены постоянные резисторы типа МЛТ, в качестве подстроенных желательно использовать многообортные типа СП5-2, СП5-3, СП5-14. Допустимо использовать и другие типы ОУ, например, К140УД7 или К140УД1А, К553УД1 с соответствующими цепями коррекции. Диоды — любые маломощные кремниевые. Стабилитрон КС147А можно заменить на КС156А, но, вероятно, тогда ухудшится температурная стабильность вольтметра и потребуется уточнить номиналы резисторов R1-R3. Микроамперметр — М906 или М24 с током полного отклонения 50 мкА и шкалой, соответствующей выбранной зоне измерения. Возможно применение и других стрелочных приборов с током полного отклонения до 1 мА, но в этом случае необходимо подобрать величину резистора R5, исходя из выбранного значения падения напряжения на нем (около 1,5 В). Можно также использовать авометр в режиме микроамперметра. Тогда данное устройство будет выполнено в виде приставки к тестеру.

При отсутствии дефектных элементов и ошибок в монтаже налаживание вольтметра сводится к его калибровке. Данную операцию выполняют с помощью регулируемого источника питания с выходным напряжением 9-16 В и образцового вольтметра, желательно цифрового, например В7-16, ФЗО, ВР-11.

Подстроечные резисторы устанавливают в среднее положение и на вход вольтметра подают напряжение 12-13 В, контролируя его по образцовому прибору. Стрелка налаживаемого вольтметра должна отклониться от нулевого значения. Затем на выходе источника питания устанавливают напряжение 10 В (±0,05 В) и резистором R4 переводят стрелку вольтметра на нулевое деление шкалы. После чего, увеличив измеряемое напряжение до 15 ± 0,05 В, резистором R6 устанавливают стрелку на конечное деление шкалы. Повторив указанные операции для 10 В и 15 В, добиваются наиболее точной настройки вольтметра в рабочем диапазоне 13-14,5 В.

Во время налаживания реле-регулятора напряжение измеряют непосредственно на клеммах аккумулятора.

На рис.2 приведена печатная плата со схемой расположения элементов. Плата устанавливается на контактные болты микроамперметра М906 и помещается вместе с ним в коробку.

Рис. 2

В. Баканов, Э. Качанов, г. Черновцы, Моделист-Конструктор №12, 1990 г., стр.27

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
DA	ОУ	К140УД6	1	К140УД7, К140УД1А, К553УД1		В блокнот
VD1, VD2, VD4, VD5	Диод	КД521В	4			В блокнот
VD3	Стабилитрон	КС147А	1			В блокнот
C1	Электролитический конденсатор	4. 7 мкФ 20 В	1			В блокнот
C2	Конденсатор	0.1 мкФ	1			В блокнот
R1	Резистор	510 Ом	1			В блокнот
R2	Резистор	15 кОм	1			В блокнот
R3	Резистор	8.2 кОм	1	МЛТ, подбор		В блокнот
R4	Подстроечный резистор	4.7 кОм	1

В практике радиолюбителя бывают такие моменты, когда требуется одновременно измерить постоянную составляющую сигнала и переменную. Обычно в таком случае пользуются осциллографом, но как быть если нет осциллографа. Если нет необходимости в точном определении формы сигнала переменной составляющей, можно воспользоваться двумя вольтметрами, один для измерения постоянного напряжения, другой — для переменного, включив их к одной точке.

В этом случае требуется два прибора, пользоваться одним универсальным (с переключателем — «переменный-постоянный») не удобно, невозможно наблюдать одновременно за племенной и постоянной составляющей, требуется время на переключение, а в некоторых случаях желательно видеть изменение обеих составляющих.

В такой ситуации может оказаться полезным описанный ниже прибор. Он в одном корпусе содержит два электронных вольтметра, переменного и постоянного тока, имеющих один общий источник питания и один общий провод, и два независимых стрелочных индикатора и входа.

Оба входа такого вольтметра можно подключить к одной точке и одновременно наблюдать за изменением постоянной и переменной составляющей, либо вольтметром постоянного тока измерять какое-либо управляющее напряжение, или режим работы каскада (например, напряжение смещения), и одновременно наблюдать за уровнем выходного переменного сигнала при помощи вольтметра переменного тока, включенного на выходе устройства.

Прибор имеет такие параметры: диапазон измеряемых напряжений постоянного тока — от 1 мВ до 1000В, диапазон измеряемых напряжений переменного тока — от 1 мВ до 100В, входное сопротивление входа измерения постоянного напряжения — 10 Мом, входное сопротивление входа измерения переменного напряжения — 1 Мом, мощность потребления от сети 1 Вт, граничная частота измеряемого переменного напряжения — 100 кгц при погрешности не более 1% и 1 Мгц при погрешности не более 10%.

Принципиальная схема показана на рисунке 1. Вольт-метр постоянного тока сделан на операционном усилителе А1. Здесь, при переключении пределов измерения используется одновременно два способа, во-первых входное напряжение делится при помощи двухступенчатого делителя на резисторах R1 R2, во-вторых изменяется коэффициент усиления самого операционного усилителя при помощи изменения глубины ООС переключением резисторов R7-R9.

При измерении напряжения величиной менее 1 В (на пределах 0,01,0,1, 1 В), входной сигнал не делится, и только изменяется коэффициент усиления ОУ А1, при измерении напряжения более 1В (пределы 10, 100, 1000В) , входной сигнал делится на 1000 резисторами R1 R2, а выбор этих пределов производится также изменением усиления ОУ.

Входная цепь, состоящая из резистора R3 и двунаправленного стабилитрона V1 предназначена для защиты входа операционного усилителя от перегрузки, вызванной ошибочно неправильным включением предела измерения. Резистор и стабилитрон представляют собой параметрический стабилизатор, который не дает входному напряжению быть больше 6,2 В.

Микроамперметр PV1 , по шкале которого производится отсчет постоянного напряжения, включен в цепь ООС ОУ между его инвертирующим входом и выходом, его сопротивление вместе с сопротивлением резисторов R7-R9 создает делитель выходного напряжения, и соответственно изменяя нижнее плечо этого делителя (при переключении резисторов) изменяется и глубина ООС, следовательно изменяется и коэффициент усиления. Такое построение схемы выбора пределов измерения позволило свести к минимуму число высокоомных резисторов.

Предварительную установку стрелочного индикатора в нулевое положение (перед началом измерения) производят балансировкой операционного усилителя при помощи переменного резистора R5. Резисторы R4 и R6 ограничивают пределы балансировки и увеличивают точность установки нуля. Для установки нуля переключатель пределов S1 нужно установить в положение «0», при этом входная цепь вольтметра замыкается накоротко.

Переменное напряжение измеряется вольтметром на операционном усилителе А2. Здесь используется такая-же схема с двухступенчатым входным делителем и трехступенчатым изменением коэффициента усиления ОУ. Разница в том, что входной делитель имеет частотную коррекцию на конденсаторах С2 и С3. Это необходимо для обеспечения достоверности измерений в широком диапазоне входных частот.

Резистор R12 и стабилитрон V2 служат для предохранения входа от перегрузки при неправильном выборе предела измерения, работают точно также как и в вольтметре постоянного тока.

Индикатор PV2 такой-же как в вольтметре постоянного тока, но здесь он служит дли измерения переменного напряжения и включается через мостовой выпрямитель на диодах V3-V6, резистор R16 служит для точной установки чувствительности микроамперметра, для сохранения уже имеющейся градуировки шкалы.

Переключение коэффициентов усиления ОУ производится также, путем изменения глубины ООС изменением коэффициента деления цепи, состоящей из микроамперметра и одного из резисторов R17-R19, включенной между инверсным входом и выходом ОУ А2.

Установка нуля измерительного прибора производится балансировкой операционного усилителя при помощи переменного резистора R14, резисторы R13 и R15 ограничивают пределы балансировки, делая её более точной.

Источник питания сделан по простой трансформаторной схеме с мостовым выпрямителем и параметрическим двухполярным стабилизатором на стабилитрона V7 и V8 (ОУ потребляют небольшой ток, и использование транзисторных стабилизаторов, обеспечивающих большой выходной ток не требуется).

Высокая точность измерений величины ВЧ-напряжений (до третьего-четвертого знака) в радиолюбительской практике, собственно, и не нужна. Больше важна качественная составляющая (наличие сигнала достаточно высокого уровня — чем больше, тем лучше). Обычно, при измерении ВЧ-сигнала на выходе гетеродина (генератора), такая величина не превышает 1,5 — 2 вольт, а сам контур в резонанс настраивают по максимальной величине ВЧ напряжения. При настройках в трактах ПЧ сигнал покаскадно повышающаяся от единиц до сотни милливольт.

При настройках гетеродинов, трактов ПЧ до сих пор часто применяются ламповые вольтметры (типа ВК 7-9, В7-15 и др.) с диапазонами измерений 1 — 3в. Высокое входное сопротивление и малая входная емкость в таких приборах является определяющим фактором, а погрешность составляет до 5-10% и определяется точностью применяемой стрелочной измерительной головки. Измерения таких же параметров можно проводить с помощью самодельных стрелочных приборов, схемы которых выполнены на микросхемах с полевыми транзисторами на входе. Например, в ВЧ милливольтметре Б.Степанова (2) входная емкость составляет всего 3 пФ, сопротивление на различных поддиапазонах (от 3 мВ до 1000 мВ) даже в худшем случае не превышает 100 кОм при погрешности +/- 10% (определяется применяемой головкой и погрешностью КИП для градуировки). При этом измеряемое ВЧ напряжение с верхней границей частотного диапазона 30 мГц без явной частотной погрешности, что вполне приемлемо в радиолюбительской практике.

По схемотехнике предлагаемый прибор очень прост, а минимум применяемых комплектующих найдутся «в ящике» практически каждого радиолюбителя. Собственно, в схеме ничего нового нет. Применение ОУ для таких целей подробно описано в радиолюбительской литературе 80-90 годов (1, 4). Использована широкораспространенная микросхема К544УД2А (или УД2Б, УД1А, Б) с полевыми транзисторами на входе (а значит и с высоким входным сопротивлением). Можно применять любые операционные усилители других серий с полевиками на входе и в типичном включении, например, К140УД8А. Технические характеристики милливольтметра-вольтметра соответствуют приведенным выше, поскольку основой прибора стала схема Б.Степанова (2).

В режиме вольтметра коэффициент усиления ОУ равен 1 (100% ООС) и напряжение измеряется микроамперметром до 100 мкА с добавочными сопротивлениями (R12 — R17). Они, собственно, и определяют поддиапазоны прибора в режиме вольтметра. При уменьшении ООС (переключателем S2 включаются резисторы R6 — R8) Кус. возрастает, соответственно повышается чувствительность операционного усилителя, что позволяет его использовать в режиме милливольтметра.

Особенностью предлагаемой разработки является возможность работы прибора в двух режимах — вольтметра постоянного тока с границами от 0,1 до 1000 в, и милливольтметра с верхними границами поддиапазонов 12,5, 25, 50 мВ. При этом в двух режимах используется один и тот же делитель (Х1, Х100), так что, к примеру, на поддиапазоне 25 мВ (0,025 в) с применением множителя Х100 можно измерять напряжение 2,5 в. Для переключения поддиапазонов прибора применен один многопозиционный двухплатный переключатель.

С применением выносного ВЧ-пробника на германиевом диоде ГД507А можно измерять ВЧ-напряжение в тех же поддиапазонах с частотой до 30 мГц.
Диоды VD1, VD2 защищают стрелочный измерительный прибор от перегрузкок при работе.
Еще одной особенностью защиты микроамперметра при переходных процессах, возникающих при включении-выключении прибора, когда стрелка прибора зашкаливает и может даже погнуться, является применение релейного отключения микроамперметра и замыкание выхода ОУ на нагрузочный резистор (реле Р1, С7 и R11). При этом (при включении прибора) на зарядку С7 требуются доли секунды, поэтому реле срабатывает с задержкой и микроамперметр подключается к выходу ОУ на доли секунды позже. При выключении прибора С7 разряжается через лампу-индикатор очень быстро, реле обесточивается и разрывает цепь подключения микроамперметра раньше, чем полностью обесточатся цепи питания ОУ. Защита собственно ОУ осуществляется включением по входу R9 и С1. Конденсаторы С2, С3 являются блокировочными и предотвращают возбуждение ОУ.

Балансировка прибора («установка 0») осуществляется переменным резистором R10 на поддиапазоне 0,1 в (можно и на более чувствительных поддиапазонах, но при включенном выносном пробнике возрастает влияние рук). Конденсаторы желательны типа К73-хх, но при их отсутствии можно взять и керамические 47 — 68н. В выносном щупе-пробнике применен конденсатор КСО на рабочее напряжение не менее 1000в.

Настройка милливольтметра-вольтметра проводится в такой последовательности. Сначала настраивают делитель напряжения. Режим работы — вольтметр. Подстроечный резистор R16 (поддиапазон 10в) устанавливают на максимальное сопротивление. На сопротивлении R9, контролируя образцовым цифровым вольтметром, устанавливают напряжение от стабилизированного источника питания 10 в (положении S1 — Х1, S3 — 10в). Затем в положении S1 — Х100 подстроечными резисторами R1 и R4 по образцовому вольтметру устанавливают 0,1в. При этом в положении S3 — 0,1в стрелка микроамперметра должна установиться на последнюю отметку шкалы прибора. Соотношение 100/1 (напряжение на резисторе R9 — Х1 — 10в к Х100 — 0,1в, когда положение стрелки настраиваемого прибора на последнем делении шкалы на поддиапазоне S3 — 0,1в) проверяют и корректируют несколько раз. При этом обязательное условие: при переключении S1 образцовое напряжение 10в менять нельзя.

Далее. В режиме измерения постоянного напряжения в положении переключателя делителя S1 — Х1 и переключателя поддиапазонов S3 — 10в переменным резистором R16 устанавливают стрелку микроамперметра на последнее деление. Результатом (при 10 в на входе) должны быть одинаковые показания прибора на поддиапазоне 0,1в — Х100 и поддиапазоне 10в — Х1.

Методика настройки вольтметра на поддиапазонах 0,3в, 1в, 3в и 10в прежняя. При этом положения движков резисторов R1, R4 в делителе менять нельзя.

Режим работы — милливольтметр. На входе 5 в. В положении S3 — 50 мВ делитель S1 — Х100 резистором R8 устанавливают стрелку на последнее деление шкалы. Проверяем показания вольтметра: на поддиапазоне 10в Х1 или 0,1в Х100 стрелкка должна быть на середине шкалы — 5в.

Методика настройки на поддиапазонах 12,5мВ, и 25мВ такая же, как и для поддиапазона 50мВ. На вход подается соответственно 1,25в и 2,5в при Х 100. Проверка показаний проводится в режиме вольтметра Х100 — 0,1в, Х1 — 3в, Х1 — 10в. Следует учесть, что когда стрелка микроамперметра находится в левом секторе шкалы прибора, погрешность при измерениях увеличивается.

Особенность такой методики калибровки прибора: не требуется наличие образцового источника питания 12 — 100 мВ и вольтметра с нижним пределом измерения меньше 0,1 в.

При калибровке прибора в режиме измерения ВЧ напряжений выносным пробником на поддиапазоны 12,5, 25, 50 мВ (при необходимости) можно построить корректирующие графики или таблицы.

Прибор собран навесным монтажом в металлическом корпусе. Его размеры зависят от размеров применяемой измерительной головки и трансформатора блока питания. В приведенной схеме работает двухполярный БП, собранный на трансформаторе от импортного магнитофона (первичная обмотка на 110в). Стабилизатор лучше всего собрать на МС 7812 и 7912 (или двух LM317), но можно и проще — параметрический, на двух стабилитронах. Конструкция выносного ВЧ пробника и особенности работы с ним подробно описана в (2, 3).

Используемая литература:

1. Б.Степанов. Измерение малых ВЧ напряжений. Ж. «Радио», № 7, 12 — 1980, с.55, с.28.
2. Б.Степанов. Высокочастотный милливольтметр. Ж. «Радио», № 8 — 1984, с.57.
3. Б.Степанов. ВЧ головка к цифровому вольтметру. Ж. «Радио», № 8, 2006,с. 58.
4. М.Дорофеев. Вольтомметр на ОУ. Ж. «Радио», № 12, 1983, с.30.

6.5: Вольтметр с высоким импедансом — Workforce LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

1275

• Tony R. Kuphaldt
• Schweitzer Engineering Laboratories via All About Circuits

ЧАСТИ И МАТЕРИАЛЫ

• Операционный усилитель, рекомендуется модель TL082 (каталог Radio Shack № 276-1715)
• Операционный усилитель, рекомендуется модель LM1458 (каталог Radio Shack № 276-038)
• Четыре батареи по 6 В
• Перемещение на один метр, полное отклонение 1 мА (каталог Radio Shack № 22-410)
• Прецизионный резистор 15 кОм
• Четыре резистора по 1 МОм

Механизм на 1 мА, продаваемый Radio Shack, рекламируется как измеритель на 0-15 В постоянного тока, но на самом деле это механизм на 1 мА, продаваемый с множительным резистором 15 кОм +/- 1% допуска. Если у вас есть этот измерительный прибор Radio Shack, вы можете использовать входящий в комплект резистор 15 кОм для резистора, указанного в списке деталей.

Этот эксперимент с измерителем основан на операционном усилителе с JFET-входом, таком как TL082. Другой операционный усилитель (модель 1458) используется в этом эксперименте, чтобы продемонстрировать отсутствие защелкивания: проблема, присущая TL082.

Резисторы на 1 МОм не нужны, ровно . Подойдут любые резисторы с очень высоким сопротивлением.

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

Уроки электрических цепей , том 3, глава 8: «Операционные усилители»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

• Нагрузка вольтметра: ее причины и решение
• Как сделать высокоимпедансный вольтметр на операционном усилителе
• Что такое «защелкивание» операционных усилителей и как его избежать

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИИ

Идеальный вольтметр имеет бесконечное входное сопротивление, что означает, что он потребляет нулевой ток из тестируемой цепи. Таким образом, не будет «воздействия» на цепь при измерении напряжения. Чем больший ток потребляет вольтметр от тестируемой цепи, тем больше измеренное напряжение будет «проседать» под действием нагрузки измерителя, подобно манометру, выпускающему воздух из измеряемой шины: шине, тем больше на давление в шине повлияет акт измерения. Эта нагрузка более выражена в цепях с большим сопротивлением, таких как делитель напряжения, выполненный из резисторов сопротивлением 1 МОм, показанный на принципиальной схеме.

Если бы вы построили простой вольтметр с диапазоном 0-15 вольт, соединив измерительный прибор на 1 мА последовательно с прецизионным резистором на 15 кОм, и попытались бы использовать этот вольтметр для измерения напряжения на TP1, TP2 или TP3 (относительно на землю), вы столкнетесь с серьезными ошибками измерения, вызванными «воздействием» измерителя:

Попробуйте использовать измерительный прибор и резистор 15 кОм, как показано, для измерения этих трех напряжений. Счетчик показывает ложно высокое или ложно низкое значение? Как вы думаете, почему это так?

Если бы мы увеличили входной импеданс измерителя, мы уменьшили бы потребляемый им ток или «нагрузку» на тестируемую цепь и, следовательно, повысили бы точность его измерения. Операционный усилитель с входами с высоким импедансом (с использованием входного каскада на транзисторе JFET, а не входного каскада BJT) хорошо подходит для этого приложения.

Обратите внимание, что движение счетчика является частью контура обратной связи операционного усилителя от выхода к инвертирующему входу. Эта схема управляет движением измерителя с током, пропорциональным напряжению, подаваемому на неинвертирующий (+) вход, требуемый ток подается непосредственно от батарей через контакты питания операционного усилителя, а не от тестируемой схемы через тестовый щуп. Диапазон измерителя устанавливается резистором, соединяющим инвертирующий (-) вход с землей.

Соберите схему измерителя операционного усилителя, как показано, и повторите измерения напряжения на TP1, TP2 и TP3. На этот раз вы должны добиться гораздо большего успеха, поскольку измеритель точно измеряет эти напряжения (приблизительно 3, 6 и 9 вольт соответственно).

Вы можете убедиться в чрезвычайной чувствительности этого вольтметра, прикоснувшись одной рукой к испытательному щупу, а другой к самой положительной клемме аккумулятора. Обратите внимание, как вы можете двигать стрелку вверх по шкале, просто измеряя напряжение батареи через сопротивление вашего тела: невозможный подвиг с оригинальной схемой вольтметра без усилителя. Если вы прикоснетесь тестовым щупом к земле, прибор должен показывать ровно 0 вольт.

После того, как вы убедились, что эта схема работает, измените ее, изменив блок питания с двухканального на раздельный. Это влечет за собой удаление центрального отвода заземления между 2-й и 3-й батареями и вместо этого заземление дальней отрицательной клеммы батареи:

Это изменение в блоке питания увеличивает напряжения на TP1, TP2 и TP3 до 6, 12 и 18 вольт соответственно. С резистором диапазона 15 кОм и подвижкой измерителя на 1 мА измерение 18 вольт будет мягко «привязывать» измеритель, но вы должны иметь возможность измерять контрольные точки 6 и 12 вольт очень хорошо.

Попробуйте соединить тестовый щуп мультиметра с землей. Этот должен привести стрелку счетчика точно к 0 вольт, как и раньше, но этого не произойдет! Здесь происходит явление операционного усилителя, называемое latch-up : когда выход операционного усилителя достигает положительного напряжения, когда входное синфазное напряжение превышает допустимый предел. В этом случае, как и во многих операционных усилителях с JFET-входом, ни один вход не должен приближаться к напряжению любой шины питания. При одиночном питании отрицательная шина питания операционного усилителя имеет потенциал земли (0 вольт), поэтому заземление тестового щупа приводит неинвертирующий (+) вход точно к этому напряжению шины. Это плохо для операционного усилителя JFET и приводит к сильному положительному выходному сигналу, хотя кажется, что это не так, исходя из того, как должны работать операционные усилители.

Когда операционный усилитель работал от «двойного» источника питания (+12/-12 вольт, а не от «одиночного» источника питания +24 вольта), отрицательная шина питания находилась на расстоянии 12 вольт от земли (0 вольт), поэтому заземление тестового щупа не нарушило ограничение синфазного напряжения операционного усилителя. Однако с «единичным» питанием +24 вольта у нас возникла проблема. Обратите внимание, что некоторые операционные усилители не «запираются», как это делает модель TL082. Вы можете заменить TL082 на операционный усилитель LM1458, который совместим по выводам (никаких изменений в разводке макетной платы не требуется). Модель 1458 не будет «защелкиваться», когда тестовый щуп заземлен, хотя вы все равно можете получить неверные показания измерителя, если измеренное напряжение точно равно отрицательной шине питания. Как правило, вы всегда должны быть уверены, что напряжение на шине питания операционного усилителя превышает ожидаемое входное напряжение.

---

Эта страница под названием 6. 5: Вольтметр с высоким импедансом распространяется в соответствии с лицензией GNU Free Documentation License 1.3 и была создана, изменена и/или курирована Тони Р. Купхалдтом (Все о цепях) через исходное содержимое, отредактированное в соответствии со стилем и стандарты платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Тони Р. Купхалдт

   Лицензия

   ГНУ ФДЛ

   Версия лицензии

   1,3

2. Теги

   1. источник@https://www. allaboutcircuits.com/textbook/experiments

Операционный усилитель с высоким входным сопротивлением — Вопросы и ответы — Усилители

Уважаемые друзья,

Я измеряю сопротивление большого резистора (до нескольких МОм) с помощью 4-проводной клеммы. Сопротивление настолько велико, что превосходит входное сопротивление моего вольтметра (100 МОм). Поэтому я ищу дифференциальный операционный усилитель с большим входным сопротивлением (> 2 ГОм), который может принимать входные диапазоны от нескольких микровольт до 0,5 вольт.

Не могли бы вы предложить мне какие-нибудь продукты, подходящие для нашего приложения?

• Привет Цянь,

  Приносим извинения за задержку ответа. В нашем ассортименте есть много усилителей с очень большим входным сопротивлением. Чтобы увидеть это, вы можете перейти по этой ссылке — щелкните параметр выбора и включите (Rin Type) в параметрах фильтра, установив флажок. Вы также можете упорядочить усилители от самого высокого до самого низкого Rin, нажимая стрелки рядом с параметром Rin.

  Это усилители, которые вы можете рассмотреть: ADA4505, AD8661 или AD8603.

  Дайте мне знать, если вам нужно что-нибудь еще.

  С уважением,

  Эмман

• Здравствуйте, Эмман,

  Спасибо за ваш ответ. Иметь ссылку для проверки входного сопротивления полезно для меня, чтобы найти тот, который лучше всего подходит для нашего использования.

• analog.com/amplifiers/f/q-a/15243/high-input-impedance-op-amp/104964″>

  Вам также необходимо учитывать влияние токов смещения в операционных усилителях (и смещений в них). Если вы можете изменить полярность источника тока, то усреднение значений прямого и обратного сопротивления устранит эти эффекты.

  Вам также может понадобиться рассмотреть

  (a) использование тефлоновой проводки

  (b) использование тефлоновых печатных плат

  (c) использование приводных ограждений вокруг входных сигналов

  (d) тщательная промывка печатной платы для удаления остатков флюса, и конформное покрытие печатной платы

  Вышеуказанные меры помогают справиться с эффектами (поверхностных) токов утечки.

  Традиционно передние концы электрометра использовали летающий конденсатор и источник напряжения с сервоприводом. Сервопривод регулирует подачу напряжения до тех пор, пока не исчезнет ток конденсатора, когда он переключается с (ваш резистор) на (подача напряжения). Эта схема создает одностороннее напряжение, которое можно легко измерить при наличии большого синфазного шума.

  Статья EDN гуру Джима Уильямса интересна для чтения, и на рис. подход с летающими конденсаторами был отнесен к царству дронтов. Я думаю, что HP (Agilent) делала гибридный модуль летающих конденсаторов.

  Поищите в Google «KeithleyLowLevelHandbook_7Ed.pdf » полезный справочник по измерениям низкого уровня, в нем описывается защита.

  Здесь есть кое-что интересное о терминах ошибок http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/technical-articles/489168400sscsect3.PDF

• Вот учебник по операционным усилителям, стабилизированным прерывателем:

  http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-055.pdf

  Особо обратите внимание на рисунок 1, если вам нужно повесить несколько гигаом на Vin ток смещения не будет течь в источник (поскольку нет соединения постоянного тока). Чтобы адаптировать эту схему к вашему 4-проводному измерению, подключите конденсаторы к земле сверху резистора гигом и снизу. Переместите узел Z на входном переключателе с земли на нижнюю часть гигаомного резистора, а Vin — наверх (R1 и R2 могут быть нулевыми)

  С этим модом размах напряжения на входе усилителя точно равен напряжению постоянного тока на гигаомном резисторе.

  Это схема с разомкнутым контуром, так что вы получите некоторые погрешности второго порядка. (Таким образом, вы измерите ~99,9% фактического напряжения) функция сервопривода, но в основном у вас есть конденсатор, измеряющий разницу между входом (от резистора гигом) и выходом вашего усилителя, поэтому ток течет только кратковременно, когда что-то меняется, в противном случае петля сбалансирована.

  Я собирался предложить погуглить «мост переменного тока с автобалансом», но, похоже, какой-то невежественный человек использовал термин «автобаланс» для описания обыденной схемы операционного усилителя с трансом сопротивления виртуальной земли.

  Хм, может быть, что-то вроде рисунка на этом https://www.google.com/patents/US3454850?dq=servo+ac+bridge+chart+recorder+chopper&hl=en&sa=X&ei=GBVoVf-PIoSI8QX8h5GgAg&…

  (но используйте другой прерыватель вместо мотора и потенциометра, и вы получите всю идею мотора, регулирующего потенциометр, пока E1 и E2 не будут иметь одинаковый потенциал)

• Вот интересная статья об измерении импеданса

  Обратите внимание, что при сопротивлении в гигаомах вы увидите заметные эффекты от паразитных емкостей и наведенных потенциалов от движения проводов в электрических полях (например, электретные микрофонные эффекты), пьезо- и трибоэлектрические эффекты трения кабелей и людей, размахивающих руки вокруг. Так что охрана и защита важны.

• 0000000Z» data-yesvotes=»0″ data-novotes=»0″ data-url=»https://ez.analog.com/amplifiers/f/q-a/15243/high-input-impedance-op-amp/104967″>

  Hello Bobsbots,

  Информация, которую вы только что дали, очень полезна. Я просмотрю документы и попробую ваши предложения по измерению.

  Еще раз спасибо за подробные ответы.

операционный усилитель — Входное сопротивление операционного усилителя

Заданный вопрос 10 лет, 6 месяцев назад

Изменено 10 лет, 4 месяца назад

Просмотрено 3к раз

\$\начало группы\$

Я заметил, что входное сопротивление операционного усилителя чрезвычайно велико. Почему это так?

• операционный усилитель
• импеданс
• вход

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Это одно из правил. Для идеального операционного усилителя

• входной импеданс бесконечен (входной ток равен нулю)
• усиление бесконечно
• выходное сопротивление равно нулю
• входное напряжение смещения равно нулю

Если эти требования не будут соблюдены, несколько основных схем операционных усилителей не будут работать. Возьмем, к примеру, инвертирующий усилитель.

Передаточная функция равна

\$ \mathrm{V_{OUT} = — \dfrac{R_f}{R_{IN}} \cdot V_{IN}} \$

, полученной в этом ответе. Доказательство основано на бесконечном входном импедансе, но вы не можете объяснить передаточную функцию, основанную на равенстве обоих входов, потому что это не свойство операционного усилителя! Так называемые доказательства, исходящие из того, что инвертирующий вход находится на земле, недействительны.

Обратите внимание, что входные операционные усилители на полевых транзисторах работают лучше, чем их аналоги на биполярных транзисторах. Первый будет иметь входной ток pA, тогда как для второго это может быть несколько \$\mu\$A.

---

Дополнительная литература:
Операционные усилители для всех

\$\конечная группа\$

7

\$\начало группы\$

Очень высокое входное сопротивление приближает нас к идеальному операционному усилителю. Характеристики идеального операционного усилителя:

• Бесконечная полоса пропускания
• Бесконечное усиление
• Бесконечное входное сопротивление

Идеальный операционный усилитель существует потому, что его использование в качестве основы для анализа обеспечивает несколько полезных сокращений, упрощающих математику. Бесконечное входное сопротивление важно, потому что оно гарантирует, что ток не пойдет в операционный усилитель. Это упрощает анализ схем ОУ с обратной связью.

Кроме того, в большинстве случаев желателен высокий входной импеданс. Это позволяет операционному усилителю правильно считывать и усиливать сигнал с очень слабым возбуждением. Если бы у него был низкий входной импеданс, операционный усилитель снижал бы напряжение слабого сигнала и не усиливал бы его должным образом.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Чем выше входной импеданс, тем меньше вероятность того, что сам операционный усилитель повлияет на входной сигнал.

Представьте себе входное и выходное сопротивление как делитель напряжения, состоящий из двух резисторов. Входной импеданс операционного усилителя — это нижний резистор, а выходной импеданс любого устройства, питающего операционный усилитель, — высокий резистор.

В лучшем случае выходной импеданс очень низкий, а входной импеданс очень высокий. В этом случае делитель напряжения едва снижает напряжение.

В худшем случае выходной импеданс очень высокий, а входной импеданс очень низкий. Тогда сигнал может быть разделен до 1/100 исходного напряжения или еще хуже!

Итак, лучше, если вход операционного усилителя имеет максимально возможное полное сопротивление.

В некоторых случаях может потребоваться более низкое входное сопротивление. Но в этих случаях вы обычно просто подключаете нагрузочный резистор к входному сигналу и не полагаетесь на то, что операционный усилитель сделает это за вас. Ваш нагрузочный резистор (или согласующий резистор, или что-то еще) будет иметь более высокие допуски, чем то, что обычно дает вам операционный усилитель.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Все ответы хороши, но за этим стоит более основная и важная концепция, частично объясненная Дэвидом.

Операционный усилитель, по крайней мере, самый распространенный тип операционных усилителей, представляет собой компонент с входным напряжением и выходным напряжением: это означает, что он принимает напряжение в качестве входа, выполняет некоторую операцию и выдает другое напряжение.