Электроника:Эксперименты/Аналоговые интегральные схемы/Высокоимпедансный вольтметр

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Высокоимпедансный вольтметр[1]

Оборудование и материалы

Движитель на 1 мА, продаваемый Radio Shack, рекламируется как измеритель на 0—15 В постоянного тока, но на самом деле это движитель на 1 мА, продаваемый с множительным резистором 15 кОм ±1%. 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 измерительный эксперимент основан на операционном усилителе с JFET-входом, таком как TL082. Другой операционный усилитель (модель 1458) используется в этом эксперименте, чтобы продемонстрировать отсутствие «защёлкивания»: проблема, присущая TL082. Вам не нужны резисторы аж на 1 МОм, честно-честно. Подойдут любые резисторы с очень высоким сопротивлением.

Ссылки по теме

Цели эксперимента

Проиллюстрировать …

Схематическая диаграмма

Рис. 1. Схематическая диаграмма: высокоимпедансный вольтметр.
Рис. 1. Схематическая диаграмма: высокоимпедансный вольтметр.

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: высокоимпедансный вольтметр.
Рис. 2. Иллюстрация: высокоимпедансный вольтметр.

Ход эксперимента

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: чем больше шина, тем большее значение на давление в ней 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 в контрольных точках КТ1, КТ2 или КТ3 (относительно заземления), вы столкнётесь с серьёзными ошибками измерения, вызванными «воздействием» измерителя:

Рис. 3. Так как вольтметр тоже потребляет ток, в результатах измерений будут погрешности.
Рис. 3. Так как вольтметр тоже потребляет ток, в результатах измерений будут погрешности.

Попробуйте использовать измерительный прибор и резистор 15 кОм, как показано, для измерения этих трёх напряжений. Счётчик 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 движитель измерителя 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, необходимый ток подаётся непосредственно от батарей через контакты питания операционного усилителя, а не от тестируемой схемы через измерительный щуп. Диапазон измерителя устанавливается резистором, соединяющим инвертирующий «-» вход с «землёй».

Соберите схему измерителя операционного усилителя, как показано, и повторите измерения напряжения на контрольных точках КТ1, КТ2 и КТ3. 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 измерительному щупу, а другой к самóй положительной клемме аккумулятора. Обратите внимание, что 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 прикоснётесь измерительным щупом к «земле», прибор должен показывать ровно 0 вольт.

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

Рис. 4. Изменим схему, поменяв блок питания с двухканального на раздельный.
Рис. 4. Изменим схему, поменяв блок питания с двухканального на раздельный.

Это изменение в источнике питания увеличивает напряжения на контрольных точках КТ1, КТ2 и КТ3 до 6, 12 и 18 вольт соответственно. С резистором диапазона 15 кОм и измерительным движителем 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 прикоснуться щупом измерительного прибора к «земле». Это должно привести стрелку измерителя точно к 0 вольт, как и раньше, но этого не произойдёт! Здесь происходит феномен операционного усилителя, называемый «защёлкиванием»: 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 измерительного 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 заземлённый измерительный щуп не нарушил ограничение синфазного напряжения операционного усилителя.

Однако с «единичным» питанием +24 вольта у нас возникла проблема. Обратите внимание, что некоторые операционные усилители не «защёлкиваются», 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 «защёлкиваться», когда измерительный щуп заземлён, хотя вы всё 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.

См.также

Внешние ссылки