Каталог радиолюбительских схем

Н.СУХОВ

Часть II.

Измерение шумовых характеристик усилителей звуковых частот и магнитофонов, налаживание тиристорных регуляторов мощности —- вот примеры типичных ситуаций, когда радиолюбитель сталкивается с необходимостью определить среднеквадратичное значение переменного напряжения или тока (далее по тексту—СКЗ). Непосредственное измерение СКЗ наталкивается на определенные трудности, поэтому в вольтметрах широкого применения (самостоятельных или входящих а состав мультиметров) обычно ограничиваются регистрацией либо средневыпрямленного, либо пикового значения переменного напряжения. И тем не менее шкалы этих приборов, как правило, отградуированы в среднеквадратичных значениях. Дело в том, что для наиболее часто встречающегося в практике измерений сигнала синусоидальной формы связь между всеми тремя значениями однозначная; пиковое в 1,41 раза больше, чем СКЗ, в средневыпрямленное в 1,4 раза меньше его. Но в ситуациях, о которых упоминалось выше, форма

сигнала заметно отличается oт синусоидальной, поэтому вольтметры широкого применения здесь могут давать значительную погрешность измерений.

Большинство вольтметров СКЗ, описания которых имеются в радиолюбительской литературе, либо сложны, либо используют малораспространенные комплектующие изделия (в частности, термоэлектронные приборы). Принимая во внимание тот факт, что измерения СКЗ сложного сигнала в радиолюбительской практике проводятся не так уж часто, изготовление специального сложного прибора [1] вряд ли оправдано. Если не выдвигать требование, чтобы вольтметр СКЗ был прямопоказывающим, то возможно создание очень простого в повторении и налаживании прибора.

Метод измерения СКЗ, который используется в подобном приборе, относится и фотометрическим. Он основан на усилении напряжения до уровня, при котором начинает светиться обыкновенная лампочка накаливания. Яркость свечения лампочки (ее регистрируют фоторезистором) однозначно связана с СКЗ приложенного к ней переменного напряжения. Нечто подобное применялось (да и сейчас порой применяется радиолюбителями) для регистрации мощности высокочастотного сигнала [2].

Чтобы исключить нелинейность преобразования “переменное напряжение — сопротивление резистора”, целесообразно фоторезистор использовать лишь для регистрации некоторой, заранее установленной при калибровки прибора яркости свечения лампочки. При этом измерение СНЗ сводится к установке коэффициента передачи предварительного усилителя таким, чтобы лампочка светилась с заданной яркостью. СКЗ измеряемого напряжения отсчитывают по шкале переменного резистора, которым регулируют коэффициент передачи устройства.

Практическая схема выходного узла вольтметра СКЗ приведена на рис. 1, Он состоит из усилителя, оптронного преобразователя и мостового индикатора. Усилитель выполнен на ОУ DA1 и транзисторах VT1 и VT2 (двухтактный эмиттерный повторитель). Начальное смещение транзисторов задает резистивная цепь R7—R10. Резисторы R11 и R12 ограничивают при перегрузках ток через транзисторы VT1 и VT2, также через лампочку оптрона VL1, которая является нагрузкой усилителя. Коэффициент передачи усилителя регулируют переменным резистором R3 ( на его оси закреплена шкала, по которой отсчитывают СКЗ). Для минимизации погрешности измерений существенно, чтобы постоянное напряжение на выходе усилителя в отсутствие сигнала было равно нулю. Добиваются этого установкой режима работы ОУ по постоянному току переменным резистором R6.

Фоторезистор оптрона VL1 включен в мостовую схему, баланс которой регистрируют микроамперметром РА1 с нулем посередине шкалы. Резистор

R14 в сочетании с диодами VD1 и VD2 ограничивает ток через микроамперметр при значительном разбалансе мостовой схемы. Переключателем SA1 микроамперметр РА1 подключают к выходу усилителя для его балансировки по постоянному току.

Измеряемое напряжение с предварительного усилителя поступает на неинвертирующий вход ОУ DA1. Следует заметить, что если исключить конденсатор С1, то на вход прибора можно будет подавать переменное напряжение с постоянной составляющей. И в этом случав показания прибора будут соответствовать истинному значению СКЗ суммарного (постоянное-(-переменное) напряжения. Этим качеством, кстати, не обладают многие более сложные среднеквадратичные вольтметры. Разумеется, в таком варианте исполнения прибора предварительный усилитель также должен представлять собой УПТ.

Теперь о некоторых особенностях этого устройства и о выборе элементов для него. Оптрон ОЭП-2 имеется в Посылторге, и, разумеется, лучше всего использовать именно его. Любители поэкспериментировать могут, однако, изготовить аналог оптрона на основе лампочки накаливания и фоторезистора. Их помещают в какой-нибудь подходящий корпус, исключающий попадание внешнего света на фоторезистор. Поскольку на его сопротивление заметно влияет и температура окружающей среды, то следует минимизировать передачу тепла от лампочки накаливания. Яркость ее свечения при СКЗ напряжения на ней не более 1,5 В должна быть достаточной, чтобы вывести фотореэистор в рабочую точку, соответствующую балансу моста {сопротивление примерно 10 кОм). Такое ограничение обусловлено необходимостью обеспечить максимальный пик-фактор прибора — отношение максимально допустимого значения амплитуды измеряемого сигнала (до начала его ограничения в усилителе) к СКЗ. При номиналах элементов, приведенных на схеме рис. 1, пик-фактор будет около 18 дБ, что вполне приемлемо для большинства измерений.

Ток лампочки накаливания в рабочей точке не должен превышать 10 мА, иначе придется умощнить выходной каскад усилителя, Он должен обеспечивать пиковый ток, примерно в 10 раз больший, чем ток, потребляемый лампочкой в рабочей точке.

К фоторезистору самодельного оптрона особых требований не предъявляется, Но если у радиолюбителя имеется возможность выбора, то желательно найти экземпляр, который будет иметь необходимое значение сопротивления в рабочей точке при меньшем напряжении на лампочке накаливания. Это повысит пик-фактор прибора.

В выходном узле вольтметра СКЗ можно применить практически любой современный ОУ (как с внешней коррекцией АЧХ, так и с внутренней). Поскольку балансировка по постоянному току в данном устройстве обязательна, то следует отдать предпочтение ОУ, имеющим для этого специальные выводы. Иначе ее придется обеспечивать искусственными приемами (подачей на вход ОУ напряжения смещения), что усложнит прибор.

Выбор операционного усилителя однозначно определяет чувствительность выходного узла вольтметра (точнее, комбинацию двух его параметров: чувствительности и полосы пропускания). Определить, их можно, воспользовавшись амплитудно-частотной характеристикой выбранного О У. На рис, 1 приведена АЧХ операционного усилителя К140УД6А (она типична для многих ОУ с внутренней коррекцией). Если верхнюю границу Fmax АЧХ прибора выбрать 20 кГц (что логично для измерений параметров звукотехнической аппаратуры), то, как следует из рис. 2, максимальный коэффициент передачи выходного узла Kmax может быть больше 36 дБ (т. е. больше примерно 60 раз). Поскольку, как уже отмечалось, в рабочей точке напряжение на лампочке накаливания около 1,5 В, то минимально регистрируемое напряжение в этом случае будет примерно 23 мВ. Приведенные на рис. 1 номиналы резисторов R2—R5 обеспечивают несколько меньший максимальный коэффициент усиления (около 15). Он был выбран из соображений удобства градуировки шкалы — пределы измерений выходного узла вольтметра в этом случае будут 0,1...1 В. Дальнейшее расширение пределов измерения в сторону меньших значений обеспечивается соответствующим предварительным усилителем.

Используя более широкополосные ОУ (например, К574УД1А), минимально регистрируемое напряжение этого узла можно довести до единиц милливольт (при верхней границе АЧХ 20 кГц).

Если в приборе будут применены ОУ, требующие цепей внешней коррекции, то схему следует соответствующим образом модифицировать. Параметры элементов коррекции выбирают исходя из устойчивой работы всего усилителя при заданных коэффициентах передачи,

К остальным элементам вольтметра особых требований не предъявляется. Отметим лишь, иго максимально допустимое рабочее напряжение для транзисторов VT1 и VT2, в также для фоторезистора оптрона VL1 должно быть не менее 30 В. Впрочем, для фоторезистора оно может быть и меньшим, но тогда мост следует запитать пониженным напряжением.

Перед первым включением вольтметра движок переменного резистора R6 устанавливают в среднее положение, резистора R3 — в левое; а резистора R5 — в крайнее правое. Подвижные контакты переключателя SA1 должны быть в левом, по схеме, положении. Подав напряжение питания не устройство, переменным резистором R6 (в законченном приборе его ручка должна быть выведена ив переднюю панель) устанавливают стрелку микроамперметра РА1 на нулевую отметку. Затем движки резисторов R3 и R5 переводят соответственно в правое и крайнее левое положение и уточняют балансировку усилителя. Переводя SA1 в правое, по схеме, положение (контроль балансе моста), приступают к калибровке прибора. Заметим, что

а отсутствие сигнала мост всегда разбалансирован и стрелка микроамперметра будет наводиться в одном из крайних положений.

На вход вольтметре подают напряжение синусоидальной формы от звукового генератора. Его среднеквадратичное значение контролируют любым вольтметром переменного тона, имеющим необходимые пределы измерений и частотный диапазон. Установив входное напряжение чуть меньше нижнего предела измерении (примерно 90 мВ), подстрочным резистором R5 добиваются баланса моста. Движок переменного резистора R3 при этом должен быть в правом, по схеме, положении Затем его переводят а левое положение и увеличивают входное напряжение до тех пор, пока не восстановится баланс моста. Если это будет достигнуто при входном напряжении, заметно отличающемся от 1,1 В (в ту или иную сторону), то следует уточнить номинал резистора R2. После этого процедуру установки пределов измерения повторяют снова. Собственно калибровка прибора очевидна — подав на его вход напряжение в пределах 0,1...1 В, вращением движка резистора R3 добиваются нулевых показаний микроамперметра РА1 и наносят на шкалу соответствующее значение.

При измерении СКЗ сигналов с большим пик-фактором возможны ошибки, обусловленные их ограничением в усилителе. Для контроля подобной ситуации вольтметр целесообразно дополнить светодиодными индикаторами пиковых значений напряжения на выходе усилителя (один для сигналов положительной полярности, а другой для сигналов отрицательной полярности). Здесь подойдет устройство, описанное в [3]. Индикаторы настраивают так, чтобы светодиоды начинали светится, когда напряжение на выходе усилителя будет близко к максимально допустимому (до начала ограничения).

Измерения отношения сигнал/шум магнитофонов, усилителей и другой звуковоспроизводящей аппаратуры обычно производят с взвешивающими фильтрами, которые учитывают реальную чувствительность человеческого уха к сигналам различных частот. Таким фильтром [4] целесообразно дополнить и этот среднеквадратичный вольтметр.

Б. ГРИГОРЬЕВ, г. Москва.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сухов Н. Среднеквадратичный милливольтметр. Радио,1981, № 11, с.53-55; № 12, с. 43-45.

2. Меерсон A. Радиоизмерительная техника.— М — Л.: Энергия, 1967, (МРБ, вып. 620).

3. Владимиров Ф. Индикатор максимального уровня. — Радио, 1983, № 5, с. 35, 36.

4. Григорьев Б. Взвешивающий фильтр,— Радио, 1988, № 1 с. 56, 57.

Радио, 1988, № 8, с. 56,57.

Размещено на нашем сайте по официальному разрешению Николая Сухова.