Приставка к мультиметры для измерения малых. Токовые клещи постоянного тока — приставка к мультиметру своими руками. Описание. Описание конструкции самодельных токовых клещей

Эта статья продолжает тему расширения возможностей популярных мультиметров серии 83x. Малый потребляемый приставкой ток позволяет питать её от внутреннего стабилизатора АЦП мультиметра. С помощью этой приставки можно измерять индуктивность катушек и дросселей, ёмкость конденсаторов без выпаивания их из платы.

Конструкции измерительных приставок к мультиметрам помимо различия схемных решений и методов измерений того или иного параметра различны ещё и по способности работать от собственного источника питания и без него, используя стабилизатор напряжения АЦП мультиметра. Приставки, питаемые от стабилизатора АЦП мультиметра, по мнению автора, более удобны в эксплуатации, особенно "вне дома". В случае необходимости их можно питать и от внешнего источника напряжением 3 В, например, от двух гальванических элементов. Конечно, встаёт вопрос о потребляемом такой приставкой токе, который не должен превышать нескольких миллиампер, но применение современной элементной базы в сочетании с оптимальной схемотехникой решает эту задачу. Впрочем, вопрос о потребляемом токе всегда был и будет актуален, особенно для измерительных приборов c автономным питанием, когда продолжительность работы от автономного источника зачастую определяет выбор прибора.

При разработке LC-метра основное внимание было уделено не только минимизации потребляемого тока, но и возможности измерения индуктивности катушек и дросселей, ёмкости конденсаторов без выпаивания их из платы. Такую возможность следует всегда учитывать при разработке подобных измерительных приборов. Можно привести немало примеров, когда радиолюбители в своих конструкциях, к сожалению, не обращают на это внимания. Если, например, измерять ёмкость конденсатора методом зарядки стабильным током, то уже при напряжении на конденсаторе более 0,3...0,4 В без выпайки его из платы достоверно определить ёмкость зачастую невозможно.

Принцип работы LC-метра не нов , он основан на вычислении квадрата измеренного периода собственных колебаний в резонансном LC-контуре, который связан с параметрами его элементов соотношениями

Т = 2π √LC или LC = (Т/2π) 2 .

Из этой формулы следует, что измеряемая индуктивность линейно связана с квадратом периода колебаний при неизменной ёмкости в контуре. Очевидно, что той же линейной зависимостью связана и измеряемая ёмкость при неизменной индуктивности, и для измерений индуктивности или ёмкости достаточно преобразовать период колебаний в удобную величину. Из приведённой выше формулы видно, что при неизменной ёмкости 25330 пФ или индуктивности 25,33 мГн для мультиметров серии 83х минимальная дискретность измерения - 0,1 мкГн и 0,1 пФ в интервалах 0...200 мкГн и 0...200 пФ соответственно, а частота колебаний при измеряемой индуктивности 1 мкГн равна 1 МГц.

Приставка содержит измерительный генератор, частота которого определяется LC-контуром и в зависимости от рода измерений - индуктивностью, подключённой к входным гнёздам катушки, или ёмкостью конденсатора, узел стабилизации выходного напряжения генератора, формирователь импульсов, делители частоты для расширения интервалов измерений и преобразователь периода повторения импульсов в напряжение, пропорциональное его квадрату, которое измеряет мультиметр.

Основные технические характеристики

Пределы измерения индуктивности.........200 мкГн; 2 мГн; 20 мГн; 200 мГн; 2 Гн; 20 Гн

Пределы измерения ёмкости..................200 пФ; 2 нФ; 20 нФ; 0,2 мкФ; 2 мкФ; 20 мкФ

Погрешность измерения на первых четырёх пределах от 0,1 предельного значения и выше, не более, % .........3

Погрешность измерения на пределах 2 мкФ и 2 Гн, не более, % ......................10

Погрешность измерения на пределах 20 мкФ и 20 Гн, не более, % ...................20

Максимальный потребляемый ток, не более, мА...........3

Погрешность измерения индуктивности на пределах 2 и 20 Гн зависит от собственной ёмкости катушки, её активного сопротивления, остаточной намагниченности магнитопровода, а ёмкости на пределах 2 и 20 мкФ - от активного сопротивления катушки в LC-контуре и ЭПС (ESR) измеряемого конденсатора.

Схема приставки приведена на рис. 1. В положении "Lx" переключателя SA1 измеряют индуктивность катушки, подключённой к гнёздам XS1, XS2, параллельно которой подключён конденсатор С1, а в положении "Cx" - ёмкость конденсатора, параллельно которому подключена катушка индуктивности L1. На транзисторах VT1, VT2 собран измерительный генератор синусоидального напряжения, частота которого, как уже сказано выше, определяется элементами LC-контура. Это усилитель, охваченный положительной обратной связью (ПОС). Первая ступень усилителя собрана по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель), она обладает большим входным сопротивлением и малым выходным, а вторая - по схеме с общей базой (ОБ) - обладает малым входным и большим выходным сопротивлением. Тем самым достигнуто хорошее согласование при замыкании выхода второй с входом первой. Обе ступени неинвертирующие, поэтому такое соединение охватывает усилитель стопроцентной ПОС, которая в сочетании с высоким входным сопротивлением эмиттерного повторителя и выходным каскада с ОБ обеспечивает работу генератора на резонансной частоте LC-контура в широком интервале частот.

Рассмотрим работу LC-метра с подключённой к гнёздам XS1, XS2 "Lx, Cx" катушкой индуктивности или конденсатором. Напряжение с выхода генератора поступает на усилитель с высоким входным сопротивлением, собранный на транзисторе VT3, который усиливает его в пять раз, что необходимо для нормальной работы узла стабилизации выходного напряжения генератора. Узел стабилизации собран на диодах VD1, VD2, конденсаторах С3, С5 и транзисторе VT4. Он поддерживает выходное напряжение генератора на неизменном уровне около 100 мВ эфф., при котором можно проводить измерения без выпаивания элементов из платы, а также повышает устойчивость колебаний генератора на этом уровне. Выходное напряжение усилителя, выпрямленное диодами VD1, VD2 и сглаженное конденсатором С5, поступает на базу транзистора VT4. При амплитуде напряжения на выходе генератора менее 150 мВ этот транзистор открыт базовым током, протекающим через резистор R7, и на генератор подаётся полное напряжение питания +3 В (такое напряжение необходимо подать на генератор для его надёжного запуска, а также при измерении индуктивности 1...3 мкГн). Если при измерении амплитуда напряжения генератора станет больше 150 мВ, на выходе выпрямителя появится напряжение закрывающей транзистор VT4 полярности. Его коллекторный ток уменьшится, что приведёт к уменьшению напряжения питания генератора и восстановлению амплитуды его выходного напряжения до заданного уровня. В противном случае происходит обратный процесс.

Выходное напряжение усилителя на транзисторе VT3 через цепь С4,С6,R8 поступает на формирователь импульсов, собранный на транзисторах VT5 и VT6 по схеме триггера Шмитта с эмиттерной связью. На его выходе формируются прямоугольные импульсы с частотой генератора, малым временем спада (около 50 нс) и размахом, равным напряжению питания. Такое время спада необходимо для нормальной работы десятичных счётчиков DD1-DD3. Резистор R8 обеспечивает устойчивую работу триггера Шмитта на низких частотах. Каждый из счётчиков DD1 - DD3 делит частоту сигнала на 10. Выходные сигналы счётчиков поступают на переключатель пределов измерений SA2.

С подвижного контакта переключателя в зависимости от выбранного предела измерения "х1", "х10 2 ", "х10 4 " импульсные сигналы прямоугольной формы U и (рис. 2,а) поступают на преобразователь "период-напряжение", собранный на ОУ DA1.1, полевых транзисторах VT7-VT9 и конденсаторе С8. С приходом очередного импульса сигнала длительностью 0,5Т транзистор VT7 на это время закрывается. Напряжение с резистивного делителя R13R14 (около 2,5 В) поступает на неинвертирующий вход ОУ DA 1.1. На этом ОУ и транзисторе VT9 собран источник стабильного тока (ИТ). Ток ИТ 140 мкА задан параллельным включением резисторов R16 и R17 при замкнутых контактах выключателя SA3 (положение "х1") и в десять раз меньше - 14 мкА - резистором R16 при разомкнутых (положение "х10").

В момент прихода импульса длительностью 0,5T транзистор VT8 через дифференцирующую цепь С7R15 открывается на 5...7 мкс, разряжая за это время конденсатор С8, после чего закрывается и начинается зарядка конденсатора С8 стабильным током от ИТ (рис. 2,б). По окончании импульса транзистор VT7 открывается, замыкая резистор R13, и ток ИТ становится равным нулю. В течение следующего интервала 0,5T напряжение U1 на конденсаторе С8 остаётся до прихода следующего импульса неизменным и равным

U 1 = U С8 = I ИТ1 хТ/(2хС8) = К 1 хТ,

где К 1 = I ИТ1 /(2хС8) - постоянный коэффициент.

Из этого выражения следует, что напряжение на заряженном конденсаторе С8 пропорционально периодуТ поступающих импульсов. При этом напряжению 2 В соответствует максимальное значение измеряемого параметра на каждом пределе измерения. К конденсатору подключён вход буферного усилителя на ОУ DA1.2 с единичным коэффициентом усиления, входной ток которого ничтожно мал (единицы пикоампер) и не влияет на разрядку (и зарядку) конденсатора С8.

С выхода буферного усилителя оно поступает на следующий преобразователь - "напряжение-ток" на ОУ DA2.1. На этом ОУ и резисторах R18-R21 собран ещё один ИТ (ИТ2). Ток этого ИТ определяется входным напряжением, поступающим на левый по схеме вывод резистора R18, и его сопротивлением, а знак - от того, какой из резисторов (в нашем случае это R18 или R20) включён входным. ИТ нагружен на конденсатор С9. Во время действия входного импульса длительностью 0,5Т транзистор VT10 открыт и напряжение U 2 на конденсаторе С9 равно нулю (рис. 2,в). По окончании импульса транзистор закрывается и начинается зарядка конденсатора постоянным током от напряжения, поступающего на резистор R18 с буферного усилителя на ОУ DA1.2. Как видно из диаграммы (рис. 2,в), напряжение на конденсаторе линейно возрастает в виде пилы до появления через время 0,5Т следующего импульса. К моменту его появления напряжение на конденсаторе достигнет значения

U 2max = U С9max = I ИТ2 хТ/(2хС9) = U C8 xT/(2xR18xС9) = K 2 xU C8 xT = К 1 хК 2 хТ 2 ,

где К 1 , К 2 - постоянные коэффициенты; К 2 = 1/(2xR18xC9).

Из этого выражения следует, что амплитуда напряжения на конденсаторе С9 пропорциональна квадрату периода поступающих импульсов, т. е. линейно зависит от измеряемой индуктивности или ёмкости. Такое преобразование "в квадрат периода" логически понятно и без приведённого выражения, поскольку напряжение на конденсаторе С9 зависит линейно одновременно как от периода, так и от напряжения на входе ИТ, также зависящего линейно от периода. При этом напряжению U2max, равному 2 В, соответствует максимальное значение измеряемого параметра на каждом пределе измерения.

К конденсатору С9 подключён вход буферного усилителя на ОУ DA2.2. С его выхода напряжение пилообразной формы, уменьшенное до необходимого уровня делителем R22R23, поступает на вход "VΩmA" мультиметра (разъём XP2). Встроенная интегрирующая RC-цепь мультиметра, подключённая к входу АЦП (постоянная времени 0,1 с), и внешняя - R22C12 сглаживают импульсы пилообразной формы до среднего за период значения, которое равно четверти амплитудного. Так, при амплитуде "пилы" на разъёме XP2 "VΩmA" 0,8 В напряжение на входе АЦП мультиметра равно 200 мВ, что соответствует верхней границе измерения постоянного напряжения на пределе 200 мВ.

Приставка собрана на плате из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита. Чертёж печатной платы показан на рис. 3, а расположение на ней элементов - на рис. 4.

Фотографии печатной платы представлены на рис. 5, 6. Штырь ХР1 "NPNC" - подходящий от разъёма. Штыри ХР2 "VΩmA" и ХР3 "СОМ" - от вышедших из строя измерительных щупов для мультиметра. Входные гнёзда XS1, XS2 - клеммник винтовой 350-02-021-12 серии 350 фирмы DINKLE. Переключатели движковые: SA1 - SS12D07; SA2, SA3 - серии MSS, MS, IS, например, MSS-23D19 (MS-23D18) и MSS-22D18 (MS-22D16) соответственно. Катушка L1 - самодельная, содержит приблизительно (уточняется при налаживании) 160 витков провода ПЭВ-2 0,2, намотанных в четырёх секциях по 40 витков на кольцевом магнитопроводе типоразмера 10x6x4,5 из феррита 2000НМ1, 2000НМ3 или N48 (EPCOS). Ферриты этих марок имеют низкий температурный коэффициент магнитной проницаемости. Использование ферритов других марок, например N87, приведёт к увеличению погрешности измерения ёмкости при изменении температуры уже на 5...10 о С.

Конденсаторы С1, С8 и С9 - плёночные импортные выводные на напряжение 63 В (например, WIMA, EPCOS). Отклонение ёмкости конденсаторов С8, С9 должно быть не более 5 %. Остальные - для поверхностного монтажа: С2, С10, С11 - типоразмера 0805; С4, С6, С7 - 1206; оксидные С3, С5, С12 - тан-таловые В. Все резисторы типоразмера 1206. Резисторы R13, R14, R16-R21 следует применить с допуском не более 1 %, причём резисторы R18, R20 и R19, R21 отобрать мультиметром с как можно близкими сопротивлениями в каждой паре. Зачастую - для отбора достаточно ленточной упаковки из 10...20 резисторов ряда Е24 пятипроцентного класса точности.

Транзисторы VT1 -VT5 должны иметь коэффициент передачи тока не менее 500, VT6 - от 50 до 200. Транзисторы BSS84 заменимы на IRLML6302, а IRLML2402 - на FDV303N. При иной замене следует учесть, что пороговое напряжение транзисторов должно быть не более 2 В, сопротивление открытого канала - не более 0,5 Ом, а входная ёмкость - не более 200 пФ при напряжении сток-исток 1 В. Микромощные ОУ AD8542ARZ заменимы, например, МСР602 или отечественными КФ1446УД4А. Последние желательно отобрать по напряжению смещения нуля не более 2 мВ для уменьшения погрешности измерения, когда его результат не превышает 10 % от установленного предела. Десятичные счётчики 74HC4017D высокоскоростной логики допустимо заменить аналогичными из серии 4000В фирмы NXP (PHILIPS) - HEF4017В. Применять аналогичные счётчики других фирм, тем более отечественные К561ИЕ8, не следует. При напряжении питания 3 В входная частота 1 МГц с измерительного генератора для таких счётчиков слишком велика, а длительность спада импульса на их входе (50 нс) - мала. Они могут такой сигнал "не почувствовать".

Выводы конденсаторов С8, С9, идущие к общему проводу, пропаивают с двух сторон печатной платы. Аналогично пропаивают выводы переключателя SA3 и вывод, идущий от подвижного контакта SA2, а также вилки ХР1-ХР3. Причём XP2 и XP3 крепят пайкой в первую очередь, а затем уже "по месту" сверлят отверстие и впаивают вилку ХР1. В отверстия площадок около истока транзистора VT10 и резистора R14 вставляют отрезки лужёного провода и пропаивают их с двух сторон. Перед монтажом у микросхем DD2, DD3 вывод 4 следует отогнуть или удалить.

При работе с LC-метром переключатель рода работ мультиметра устанавливают в положение измерения постоянного напряжения на пределе "200mV". Пределы измерений LC-метра, соответствующие положениям переключателей SA2, SA3, приведены в таблице.

Калибровку LC-метра проводят в зависимости от наличия необходимых приборов и квалификации. В простейшем случае понадобятся катушка с точно известной индуктивностью, значение которой близко к соответствующему пределу измерения, и такой же конденсатор с измеренной ёмкостью. Для исключения погрешности от входной ёмкости LC-метра ёмкость конденсатора должна быть не менее 1800 пФ (например, 1800 пФ, 0,018 мкФ, 0,18 мкФ). Приставку сначала подключают к автономному источнику питания напряжением 3 В и измеряют потребляемый ток, который не должен превышать 3 мА, а затем подключают к мультиметру. Далее устанавливают переключатель SA1 в положение "Lx" и подключают к гнёздам XS1, XS2 "Lx, Cx" катушку с известной индуктивностью. Переключатели SA2 и SA3 устанавливают на соответствующий предел и добиваются показаний на индикаторе, численно равными индуктивности (запятую индикатора не учитывают), подключая при необходимости параллельно конденсатору С1 дополнительный ёмкостью до 3300 пФ. У конденсаторов С1, С8, С9 на печатной плате предусмотрены площадки для распайки дополнительных типоразмера 0805 для поверхностного монтажа. Возможна более точная корректировка показаний изменением в небольших пределах сопротивления резистора R22 или R23. Аналогично калибруют LC-метр при измерении ёмкости, но соответствующие показания на индикаторе устанавливают, изменяя число витков катушки L1.

Измеряя ёмкость приставкой, необходимо учитывать её входную ёмкость, которая в авторском образце равна 41,1 пФ. Это значение отображает индикатор мультиметра, если установить переключатель SA1 в положение "Сх", а SA2 и SA3 - в положение "x1". При изменении топологии печатной платы соединения выводов конденсаторов С8 и С9 с выводами транзисторов VT9 и VT10 должны быть выполнены отдельными проводниками.

Приставку можно использовать как генератор фиксированных частот синусоидальной и прямоугольной формы. Синусоидальный сигнал напряжением 0,1 В снимают с эмиттера транзистора VT3, прямоугольный амплитудой 3В - с подвижного контакта переключателя SA2. Нужные частоты получают, подключая к входу приставки конденсаторы соответствующей ёмкости в положении "Cx" переключателя SA1.

Чертёж печатной платы в формате Sprint Layout 5.0 можно скачать .

Литература

1. Универсальный LC-генератор. - Радио, 1979, № 5, с. 58.

2. L-метр с линейной шкалой. - Радио, 1984, № 5, с. 58, 61.

Дата публикации: 15.12.2014

Мнения читателей

camper / 19.05.2019 - 22:22
Уже есть готовое решение http://www.ti.com/product/LDC1000
Сергей / 15.12.2016 - 01:16
Roman, это не очень просто. С указанными транзисторами генератор тянет где-то до 2...3 МГц. Надо менять их, например, на КТ363, КТ3128 и уменьшить R2. Возможно придётся поднять питание до 5В. То же касается и VT3, VT5, VT6, т. е. ставить с малой ёмкостью к-э для снижения эффекта Миллера. Как вариант, для расширения полосы частот вместо VT3 - дифференциальный каскад. Уменьшить сопротивление R12. Если просто увеличить C1 в 10 раз, то генератор навряд ли возбудится из-за слишком низкой добротности LC-контура.
Roman / 13.10.2016 - 12:05
Полностью присоединяюсь к комментарию Сергея Шибаева. Вопрос по поводу нижнего предела измерения индуктивности - я так понимаю минимум - 20мкГн. Можно ли сместить диапазон измерения вниз, до 0.2мкГн, в ущерб, скажем, верхнему пределу - ну не надо 20Гн мерять кому-то, и 2Гн тоже не надо... Ну или можно два изготовить, на разные диапазоны... Что для этого нужно? С уважением, Роман.
Сергей / 12.01.2015 - 16:52
Спасибо тёзка за отзыв. В №1 за 2015 год тоже неплохой прибор будет представлен.
Сергей Шибаев / 18.12.2014 - 13:53
Отличная разработка. Автору жму руку! С уважением Сергей Шибаев

У вас есть мультиметр? Предположим, есть. А температуру он покажет? Чаще всего дешевые китайские приборы лишены этой функции. А хотелось бы. Простейшая приставка термометр к цифровому мультиметру своими руками , которая содержит лишь минимум резисторов (схема показана на рисунке), позволит использовать цифровой милливольтметр (или мультиметр) в качестве измерителя температуры с погрешностью 0,1°С и тепловой инерционностью порядка 10…15 с. При таких характеристиках термометр приставка к мультиметру может применяться и при измерении температуры тела. Сам измерительный прибор в изменениях не нуждается, а изготовить приставку по силам начинающему радиолюбителю. Датчиком приставки является полупроводниковый терморезистор, например СТ3-19 с номиналом 10 килоом при t = 20°С. Совместно с добавочным резистором R 3 он образует одно плечо измерительного моста. Второе плечо - делитель напряжения на резисторах R 4 иR 5 . Резистором R 5 при настройке устанавливается первоначальное значение выходного напряжения. Мультиметр включается в режим измерения постоянного напряжения на пределе 200 или 2000 мВ. Выбором сопротивления R2 изменяется чувствительность моста приставки. Непосредственно перед началом измерения температуры переменным резистором R 1 устанавливается напряжение питания цепи измерения равным тому, при котором проводилась первоначальная калибровка. Термометр из мультиметра включается для отсчета температур кнопочным выключателем SB1, а переводится из режима измерений в режим калибровки - переключателем SB2. Расчет последовательно включенного с терморезистором добавочного резистора R 3 производится по формуле R 3 = RТМ(B - 2TМ)/(B + 2TМ), где RТМ — значение сопротивления терморезистора в средней части диапазона температур; В - постоянная терморезистора; ТM — абсолютное значение температуры в середине измеряемого диапазона Т = t° + 273. Эта величина R 3 обеспечит минимальное отклонение характеристик от линейных. Постоянная терморезистора определяется в результате измерения сопротивления RT 1 и RT 2 терморезистора по двум значениям температуры T 1 и Т 2 с дальнейшими вычислениями по формуле: В = ln(RТ 1 /RТ 2 )/(1/T 1 -1/T 2 ). И напротив, если известны параметры терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (TKС), его сопротивление при некоторой температуре Т можно определить пользуясь формулой RТ = RТ 20 e(В/Т-В/293), где RТ 20 - значение сопротивления терморезистора при температуре 20°С. Настройка приставки производится по двум точкам: ТK 1 = ТM+0,707(Т 2 -Т 1 )/2 и ТK 2 =ТM0,707(Т 2 -Т 1 )/2, где ТM = (Т 1 + Т 2 )/2, Т 1 и Т 2 -соответственно начало и конец диапазона температур. При первоначальной калибровке со свежим источником питания сопротивление потенциометра R 1 устанавливается максимальным, для того чтобы при потере емкости и уменьшения напряжения элемента напряжение на мосте сохранилось бы неизменным (ток - потребляемый приставкой около 8 мА). Регулировкой подстроечников R 2 , R 5 добиваются соответствия трех знаков на индикаторе мультиметра, значениям температур терморезистора ТK 1 и ТK 2 , контролируемых точным термометром. Если его нет, можно воспользоваться, например, обычным медицинским градусником для контроля температуры тела в пределах его измерительной шкалы и постоянной температурой кипения воды - 100, или таяния льда - 0°С. Как мультиметр может использоваться практически любой прибор. Резисторы R 2 и R 5 лучше применить многооборотные типа (СП5-1В или СП5-14), а R 1 взять одноповоротный, типа — ППБ; сопротивления R 3 и R 4 — МЛ Т-0,125. Для включения приставки и переключения ее режимов можно применить переключатели П2К без фиксирования. В данной приставке были выставлены границы диапазона измеряемых температур Т 1 = 15°С; Т 2 = 45°С. При измерениях в диапазонах положительных и отрицательных температур по Цельсию, индикация знака происходит автоматически.

Принципиальная схема самодельной приставки к мультиметру для измерения частоты в пределах 5Гц-20МГц.

В некоторых цифровых мультиметрах, например, MY64, MY68, М320, M266F имеется встроенная функция измерения частоты, благодаря чему мультиметр может использоваться как цифровой частотомер. К сожалению, недорогие мультиметры обычно могут измерять частоту не выше 2 кГц...1 МГц, кроме того, имеют низкую чувствительность.

Чтобы расширить диапазон измеряемых частот и повысить чувствительность прибора в режиме работы частотомером, можно изготовить несложное устройство на современных КМОП микросхемах.

Схема приставки

На рис. 1 представлена принципиальная схема активного входного щупа-делителя частоты, способного корректно работать в диапазоне входных частот 5 Гц...20 МГц. При построении таких узлов приходится сталкиваться с двумя противоречиями.

Для измерения низких частот устройство должно содержать формирователь сигналов прямоугольной формы из сигналов произвольной формы (компаратор), за которым следует триггер Шмитта.

Иначе частотомер может работать некорректно, из-за затянутых фронтов сигналов могут возникнуть ложные переключения логических элементов, счётчиков - частотомер будет показывать завышенные значения измеряемых частот.

Но формирователь сигналов прямоугольной формы и триггер Шмитта обычно плохо работают на частотах выше единиц...десятков МГц, поэтому в режиме измерения сигналов высоких частот входной сигнал подают на делитель частоты с выхода усилителя-ограничителя.

На вход устройства, о котором пойдёт речь, можно подавать сигнал амплитудой до 300 В при частоте до 30 кГц и амплитудой до 30 В при частоте сигнала 20 МГц (кратковременно) или амплитудой до 15 В, частота 20 МГц, непрерывно. В случае необходимости измерять частоту сигнала большей амплитуды, на вход активного щупа можно подключить дополнительный резистор.

Диоды VD1 - VD8 ограничивают амплитуду входных сигналов до 2 В, защищая VТ1 от пробоя изолятора затвора высоким входным напряжением или статическим электричеством. Таким образом, при измерении частоты сигналов амплитудой до 2 Вольт, щуп имеет входное сопротивление, примерно равное сопротивлению резистора R5 - 1,2 МОм.

Полевой транзистор с изолированным затвором VТ1 усиливает амплитуду входного сигнала примерно в 4 раза. Входная ёмкость щупа определяется ёмкостью монтажа и ёмкостью затвора VТ1, около 7 пФ. Конденсатор СЗ разделительный.

Усилительный каскад на VТ1 получает питание через LC фильтр L1C4.

Рис. 1. Принципиальная схема приставки-делителя к мультиметру для измерения частоты в пределах 5Гц-20МГц.

На высокочастотных транзисторах VТ2 -VТ4 собран предварительный формирователь сигналов прямоугольной формы. Минимальная амплитуда входного сигнала, при которой начинает работать формирователь, около 0,2 В. Для сравнения, мультиметр М320 начинает измерять частоту при амплитуде более 1,1 В. Режим работы формирователя устанавливают подстроечным резистором R16.

Конденсатор С10 повышает усиление каскада на VТЗ, VТ4. Узел на транзисторах VТ2 - VТ4 получает питание через LC фильтр L2C8C11.

С вывода коллектора VТ4 сигнал, формой близкой к прямоугольной, поступает на триггер Шмитта, реализованный на двух логических элементах 2И-НЕ DD1.1, DD1.2 и резисторах R6, R4. Корректирующая цепочка R3, С1 предотвращает ложные срабатывания триггера. Через буферный элемент DD1.3 сигнал прямоугольной формы поступает на вход «+1» двоично-десятичного счётчика DD2.

Счётчик DD2 в этой схеме работает как делитель частоты на 10. Сигнал частотой в 10 раз меньшей снимается не с выходов переноса, выводы 12 или 13, а с выхода «Q4» - вывод 6. Такое решение связано с тем, что сигнал на выводах 12, 13 очень короткий, что может негативно сказаться на работе подключенного к выходу щупа частотомера.

На выходе «Q4» форма сигнала близка к меандру. Резистор R10 и диоды VD9, VD10 защитные.

На логическом элементе DD1.4, ограничительном резисторе R12, диодах VD11, VD12, конденсаторах С9, С16 и красном кристалле светодиода HL1 собран индикатор наличия входного сигнала амплитудой более 0,2 В. При включении питания, HL1 светит зелёным цветом, при подаче на вход устройства входного сигнала цвет свечения HL1 меняется на жёлтый.

Диод VD13 защищает конструкцию от переполюсовки напряжения питания. При напряжении питания 5 В устройство потребляет ток около 12 мА при отсутствии сигнала на входе и около 35 мА при частоте входного сигнала 15 МГц. Для сравнения, аналогичный щуп-делитель частоты на двух ТТЛ микросхемах К155ЛАЗ, К155ИЕ9, собранный четверть века назад, потреблял ток 240 мА.

При напряжении питания 3,3 В верхняя граница измеряемых частот снижается до 4 МГц.

Детали и монтаж

Большинство деталей устройства установлены на монтажной плате размером 124x22 мм, монтаж двусторонний навесной. Общий минусовый провод идёт по бокам с обеих сторон платы по всей ёё длине, через каждые 15...20 мм между продольными шинами общего провода установлены проволочные перемычки, таким образом, топология общего провода напоминает «лесенку».

КМОП микросхемы серии ***74АС*** при напряжении питания 5 В работоспособны на частотах до 120 МГц. В этом устройстве вместо микросхемы IN74AC00N можно применить КР1554ЛАЗ или любую из серий ***74АС00*, ***74НС00*, ***74НСТ00*. Вместо микросхемы IN74AC192 подойдёт КР1554ИЕ6 или любая из серий ***74АС192*, ***74НС192*, ***74НСТ192*.

Для удобства монтажа предпочтительнее устанавливать микросхемы в корпусах DIP. Вместо полевого транзистора КП305Д подойдёт любой из серий КП305, 2П305. На время монтажа обязательно закорачивайте выводы этого транзистора проволочной перемычкой, иначе транзистор будет повреждён.

Резистором R8 устанавливают режим работы этого транзистора, при напряжении питания 5 В на выводе стока нужно установить напряжение 2...3 В относительно общего провода. Чтобы не повредить этот транзистор во время подбора R8 на его место можно установить резистор сопротивлением 1 кОм, к которому потом будет параллельно установлен добавочный резистор. Транзистор КП303И можно заменить на 2П303И, 2П303Д, КП303Д.

При выборе транзистора на место VТ2 учитывайте, что транзисторы серий 2П303, КП303 с буквенными индексами А, Б, В относятся к низкочастотным. Подбором сопротивления резистора R10 устанавливают режим работы этого транзистора. Вход щупа на время подбора сопротивлений резисторов R8, R10 должен быть закорочен.

Транзисторы 2SC9018 можно заменить на любые из SS9018, SS9016, КТ6113. Вместо диодов 1 N914 подойдут любые из 1 N4148, 1SS176, 1SS244, КД503, КД509, КД510, КД521, КД522. Диод 1N5393 можно заменить любым из 1 N5391 - 1 N5399, FR151 - FR157, КД258, КД257, КД226. Двукристальный светодиод L-59SURKNGKW можно заменить любым аналогичным красно-зелёным из серий L-59, L-119, L-239.

Конденсатор С14 любой алюминиевый оксидный или тантало-вый на напряжение не ниже 6 В. Конденсатор С2 высоковольтный керамический. Остальные конденсаторы керамические для навесного и поверхностного монтажа, не экономьте на блокировочных конденсаторах. Резисторы любые малогабаритные соответствующей мощности, в том числе SMD для поверхностного монтажа.

Дроссели готовые малогабаритные промышленного изготовления, намотанные на FI-образных ферритовых сердечниках. Чем больше индуктивность и чем меньше сопротивление обмоток этих дросселей, тем лучше.

Для конструкции использован корпус размерами 180x27x20 мм от генератора сетчатого поля для телевизоров УЛПЦТИ. Корпус частично экранирован самоклеящейся алюминиевой фольгой, электрически соединённой с общим проводом, точка подключения к общему проводу - резистор R5.

Если вам потребуется, чтобы этот щуп-делитель частоты работал на более высоких частотах, то в него необходимо установить дополнительный переключатель, который бы отключал входы DD1.3 от выхода DD1.2 и подключал их к выводу стока VT2. Также может потребоваться установка на место VT2 транзистора с большим начальным током стока.

Установка на место VT2 более высокочастотного транзистора из серий КП307, 2П307 может потребовать установки резистора R10 значительно меньшего сопротивления, что увеличит ток потребления, но также увеличит чувствительность щупа на высоких частотах. При наличии на монтажной плате свободного места, вместо восьми диодов VD1 - VD8, включенных параллельно-последовательно, можно установить 16 таких же диодов, что до 4 В увеличит напряжение, при котором источник сигналов не шунтируется защитными диодами. Выводы этих диодов должны быть как можно короче, чтобы уменьшить индуктивность защитной цепи.

Бутов А.Л.

Литература:

Бутов А.Л. Широкополосной формирователь для частотомера. - РК-2001-5.
Бутов А.Л. Формирователь импульсов прямоугольной формы. - РК-2002-9.
Петропавловский И.И., Прибыльский А.В., Троян А.А., Чувелев В.С. Логические ИС КР1533, КР1554.

Вам предложена приставка-металлоискатель к мультиметру типа DT-832 (или аналогичного), представляющая собой высококачественный генератор с объёмным контуром. Его можно его использовать в качестве достаточно чувствительного металлоискателя, способного обнаружить пятирублёвую монету на глубине более 10 см, а ведро или крышку люка на глубине полутора метра.

Принципиальная схема приставки показана на рисунке. Её задача в преобразовании степени воздействия на контур L1-С2 металлического предмета в постоянное напряжение на конденсаторе C3. Это напряжение измеряется мультиметром, и по его показаниям определяется наличие металлического предмета

Основа приставки ВЧ генератор на транзисторе VT1.Величина ПОС, приводящей к запуску генератора зависит от сопротивления резистора R1 (это резистор подстроечный). При помощи регулировки этого резистора генератор устанавливается в такой режим, когда он очень сильно зависит от параметров окружающей контур среды. А это приводит к изменению глубины возбуждения генератора от изменения параметров окружающей контур среды, что, в свою очередь, приводит к изменению тока, потребляемого генератором. Что, по закону Ома, приводит к изменению напряжения на генераторе, которое изменяется мультиметром.
К сожалению, такой способ не позволяет различать цветные и чёрные металлы.

Питается приставка от того же источника, что и мультиметр (для её подключения нужно припаять к колодки батареи два проводника разного цвета, которые выводить через щель между корпусом мультиметра и крышкой, либо установить на корпусе малогабаритный трехпроходной разъём) Измеряемое напряжение подается с точки соединения резисторов R1 и R2 на вход для измерения постоянного напряжения.

Контурная катушка имеет диаметр около 120 мм. Каркасом катушки служит круглый бокс для десяти компакт-дисков. Обмотка состоит из 250 витков провода диаметром 0.23мм (или около того), с отводом от 150-го (считая от коллектора VT1).Обмотку нужно уложить виток к витку, а затем, закрепить при помощи скотч-ленты. Катушка закреплена посредине на круглом корпусе, роль которого выполняет круглый пластмассовый пенал для карандашей. В этом пенале расположены все детали генератора. С мультиметром приставка связана трехпроходным экранированным кабелем.

Для обеспечения стабильности работы построечный резистор R1 желательно должен быть многооборотным.
Конденсаторы должны быть как можно более стабильными, использовать электролитические на месте C3 и C4 не рекомендуется из-за их нестабильности.
Транзистор, желательно выбрать с коэффициентом передачи не ниже 100.Транзистор может быть любой кремниевый общего применения, но удовлетворяющий этому требованию.
Налаживание состоит в следующем. Установите R1 в положение максимального сопротивления. Затем уменьшайте медленно сопротивление резистора и следите за показаниями прибора (имеются в виду абсолютные показания, а не по модулю, поскольку мультиметр будет показывать как отрицательные, так и положительные значения напряжения). Напряжение должно постепенно увеличиваться, а затем начать падать. С этого момента внимательно! Продолжая уменьшать сопротивление R1 найдите момент, когда показания прибора снова начнут расти. Затем, при дальнейшем уменьшении R1 они опять начнут падать. Теперь, вернитесь назад и установите R1 примерно в среднее положение между моментом, с которого показания растут, и с которого они начинают падать. Это и будет точка максимальной чувствительности прибора.

В процессе эксплуатации эту калибровку нужно периодически повторять, так как она будет сбиваться от понижения напряжения источника питания от его разряда.
Получить значительно большую чувствительность и стабильность можно, если питать приставку от отдельного стабилизированного источника постоянного тока напряжением 6-7V(от отдельной аналогичной батареи, но через стабилизатор).Использовать для питания приставки сетевой источник нежелательно, так как через него проникают различные сетевые помехи и наводки, которые, в общем, снижают чувствительность.

Если поэкспериментировать с числом витков катушки, положением отвода и ёмкостями конденсаторов C1 и C2,можно достигнуть значительной чувствительности. Параметры этих настроек сильно зависят от параметров используемого транзистора. Например, можно настроить прибор так, что пятирублёвую монету он будет чувствовать с 15-17 см.
Налаживая прибор, держитесь подальше от различных металлических предметов, типа батарей, водопроводных труб, выключите приборы, могущие создавать помехи (персональный компьютер, например).

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Мой блокнот
VT1	Биполярный транзистор	КТ3102Е	1	В блокнот
С1	Конденсатор	0.015 мкФ	1	В блокнот
С2	Конденсатор	0.15 мкФ	1	В блокнот
С3, С4	Конденсатор	2.2 мкФ	2	В блокнот
R1	Подстроечный резистор	10 кОм	1	В блокнот
R2	Резистор	10 кОм	1	В блокнот
R3	Резистор

То, что такой измеритель необходим радиолюбителю не только узнал от других, но и сам прочувствовал, когда взялся ремонтировать старинный усилитель - тут нужно достоверно проверить каждый электролит стоящий на плате и найти пришедший в негодность или произвести 100% их замену. Выбрал проверку. И чуть не купил через интернет разрекламированный приборчик под названием «ESR - mikro». Остановило то, что уж больно здорово хвалили - «через край». В общем, решился на самостоятельные действия. Так как на замахиваться не хотелось - выбрал самую простую, если не сказать примитивную схему, но с очень хорошим (тщательным) описанием. Вник в информацию и имея некоторую склонность к рисованию принялся разводить свой вариант печатной платы. Чтобы помещалась в корпус от толстого фломастера. Не получилось - не все детали входили в планируемый объём. Одумался, нарисовал печатку по образу и подобию авторской, протравил и собрал. Собрать получилось. Всё вышло очень продумано и аккуратно.

Вот только работать пробник не захотел, сколько с ним не бился. А мне не захотелось отступать. Для лучшего восприятия схемы перечертил её на «свой лад». И так «родная» (за две недели мытарств), стала она и более понятной визуально.

Схема ESR метра

А печатную плату доделал по-хитрому. Стала она «двухсторонней» - со второй стороны расположил детали, не уместившиеся на первой. Для простоты решения, возникшего затруднения, разместил их «навесом». Тут не до изящества - пробник нужен.

Протравил печатную плату и запаял детали. Микросхему в этот раз поставил на панельку, для подачи питания приспособил разъем, который можно надёжно укрепить на плате при помощи пайки и корпус в дальнейшем уже можно «вешать» на него. А вот подстроечный резистор, с которым пробник заработал лучше всего, нашёл у себя только такой - далеко не миниатюрный.

Обратная сторона - плод прагматичности и вершина аскетизма. Что-то сказать здесь можно только про щупы, несмотря элементарность исполнения они вполне удобны, а функциональность так вообще выше всяческих похвал - способны на контакт с электролитическим конденсатором любого размера.

Всё поместил в импровизированный корпус, место крепления - резьбовое соединение разъёма питания. На корпус, соответственно пошёл минус питания. То есть он заземлён. Какая ни есть, а защита от наводок и помех. Подстроечник не вошёл, зато всегда «под рукой», будет теперь потенциометром. Вилка от радиотрансляционного динамика, раз и навсегда, позволит избежать путаницы с гнёздами мультиметра. Питание от лабораторного БП, но при помощи персонального провода с вилкой от ёлочной гирлянды.

И оно, это чудо неказистое, взяло и заработало, причём сразу и как надо. И с регулировкой никаких проблем - соответствующий одному ому, один милливольт выставляется легко, примерно в среднем положении регулятора.

А 10 Ом соответствует 49 мВ.

Исправный конденсатор, соответствует примерно 0,1 Ом.

Неисправный конденсатор, соответствует более 10 Ом. С поставленной задачей пробник справился, неисправные электролитические конденсаторы на плате ремонтируемого устройства были найдены. Все подробности относительно этой схемы найдёте в архиве. Максимально допустимые значения ESR для новых электролитических конденсаторов указаны в таблице:

А некоторое время спустя захотелось придать приставке более презентабельный вид, однако усвоенный постулат «лучшее - враг хорошего» трогать его не позволил - сделаю другой, более изящный и совершенный. Дополнительная информация, в том числе и схема исходного прибора, имеется в приложении . Про свои хлопоты и радости поведал Babay .

Обсудить статью ПРИСТАВКА К МУЛЬТИМЕТРУ ESR МЕТР