【導(dǎo)讀】在數(shù)字儀表現(xiàn)在如此廣泛使用的情況下提供純模擬儀表可能會(huì)令人驚訝。然而，眾所周知，數(shù)字儀表在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)之前具有模擬電路。頻率從低于 20 Hz 到 200 kHz 的寬帶模擬電壓表在過去已被廣泛使用，并且仍然非常有用。
在數(shù)字儀表現(xiàn)在如此廣泛使用的情況下提供純模擬儀表可能會(huì)令人驚訝。然而，眾所周知，數(shù)字儀表在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)之前具有模擬電路。頻率從低于 20 Hz 到 200 kHz 的寬帶模擬電壓表在過去已被廣泛使用，并且仍然非常有用。
寬帶模擬儀表的主要技術(shù)指標(biāo)
使用現(xiàn)代運(yùn)算放大器（op amps），我們的模擬儀表的設(shè)計(jì)可以大大簡化。此設(shè)計(jì)使用價(jià)格合理的組件提供 20 Hz 至 1 MHz（10 Hz 時(shí)為 -1 dB）的平坦帶寬。
在接地端插入0.1 Ω電阻不會(huì)顯著降低電流的電路中，增加測(cè)量電流的能力并不難。如果儀表是電池供電的或安全等級(jí) 2 結(jié)構(gòu)，則接地連接不必是實(shí)際接地。
六個(gè)電壓量程分別為 1、10、100 mV 和 1、10、100 V 滿量程，而四個(gè)電流量程分別為 10、100 mA 和 1、10 A 滿量程。該設(shè)計(jì)包含一個(gè)寬帶峰值檢測(cè)器，可以切換其靈敏度以讀取正弦波信號(hào)的峰值電壓或均方根 (RMS)電壓。
可以插入外部濾波器以提供特殊的頻率響應(yīng)。此功能還允許將儀表用作兩個(gè)具有切換可變?cè)鲆娴莫?dú)立放大器。
該儀器將使用兩節(jié) 9 V 電池或一個(gè) 9-0-9 V 電源裝置供電。每個(gè)電池的電流消耗低于 25 mA（沒有任何發(fā)光二極管 (LED)指示器），因此可以預(yù)測(cè)較長的使用壽命。
模擬儀表項(xiàng)目——一般說明
儀器框圖如圖1所示。
圖 1.寬帶模擬儀表框圖。
輸入衰減器/電流模式選擇器是必需的，因?yàn)槲覀円獪y(cè)量高達(dá) 100 V 的電壓，并且它們不能直接應(yīng)用于放大器。選擇電流模式時(shí)，沒有開關(guān)觸點(diǎn)與電流檢測(cè)電阻器串聯(lián)，從而消除了潛在的誤差源。付出的小代價(jià)是電流模式操作需要一個(gè)單獨(dú)的連接器。
使用兩個(gè)運(yùn)算放大器達(dá)到增益
放大器需要大約 1000 (60 dB) 的增益才能為 1 mV 輸入提供滿量程讀數(shù)。這是通過使用LM4562中的兩個(gè)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)運(yùn)算放大器的增益為 31.62。LM4562 實(shí)際上用于高保真前置放大器，因此它具有低噪聲和低失真以及寬帶寬。失調(diào)電壓不是很熱，但在本應(yīng)用中可以克服。
由于有兩個(gè)放大器級(jí)，因此很容易提供連接器和開關(guān)，以便可以在兩個(gè)放大器之間插入其他電路，如果在第二個(gè)放大器的輸出端添加另一個(gè)連接器，它們也可以用作獨(dú)立放大器。
選擇您的檢測(cè)器：半波、“真有效值”和全波峰值
必須就提供的檢測(cè)器類型做出重要決定，以將放大信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電，以便操作數(shù)字顯示器或指針式儀器。簡單的檢測(cè)器是半波平均型，它告訴我們很少關(guān)于信號(hào)的信息，并且可能在未檢測(cè)到的半周期中隱藏顯著的電壓偏移。
在復(fù)雜度的另一端是“真 RMS”檢測(cè)器，標(biāo)記為“真”以區(qū)別于平均檢測(cè)器，后者的增益已被調(diào)整以讀取波信號(hào)的 RMS 值，而不是所有其他信號(hào)的 RMS 值。如果您想知道信號(hào)的 RMS 值，這很好，但價(jià)格合理的設(shè)備是 AD736，它的頻率限制為 200 kHz，而放大器的工作頻率高達(dá) 1 MHz 或更高。
第三種類型的檢測(cè)器是全波峰值檢測(cè)器，它可以以合理的價(jià)格構(gòu)建。通常需要測(cè)量信號(hào)的峰值，因?yàn)樗赡鼙砻餍盘?hào)鏈中的某些部分過載和削峰。只要波形沒有明顯削波，通過將峰值除以 1.4 或乘以 0.7 也很容易找到正弦波信號(hào)（即使失真高達(dá) 10%）的 RMS 值。這很容易安排，因?yàn)樗枰粋€(gè) 3 dB 衰減器才能接通。
另一個(gè)簡單的衰減器在量程開關(guān)的 20 dB（10 倍）步長之間進(jìn)行插值，這使得指針式儀器上所有高于 0.5 mV 的指示都位于刻度的上半部分。兩種衰減器都可以應(yīng)用。
搜索已發(fā)布的工作頻率高達(dá) 1 MHz 的全波峰值檢測(cè)器被證明是徒勞的，但通過合并來自兩個(gè)不合適的檢測(cè)器的技術(shù)，找到了一個(gè)解決方案，使用另一個(gè) LM4562 和兩個(gè) RF 雙極晶體管 BF140。當(dāng)然也可以使用其他具有類似或更好特性的三極管，但不適合BC547/847等通用三極管。
項(xiàng)目的電路設(shè)計(jì)方面
對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)，塊是單獨(dú)描述的，它們的原理圖（放大器除外）使用雙運(yùn)算放大器和 2 極開關(guān)，因此，將它們分開會(huì)造成混淆。如果在單個(gè)頁面上顯示，整個(gè)原理圖太大而無法辨認(rèn)。運(yùn)算放大器的電源連接僅顯示為 V+ 和 V–，在電源模塊中也顯示為避免使用過多的長線。
輸入衰減器和電流模式開關(guān)
輸入衰減器和電流模式開關(guān)的原理圖如圖 2 所示。
圖 2.輸入衰減器和電流模式開關(guān)。
開關(guān)顯示在靈敏度位置。從較低位置開始順時(shí)針移動(dòng)，開關(guān)步長為電流模式 (10 mA)、100 V、10 V 和 1 V。
電流傳感器電阻器（以及項(xiàng)目中使用的所有電阻器，除非另有說明）應(yīng)具有 ±1% 的容差，因此它不是一個(gè)便宜的組件，但可以負(fù)擔(dān)得起。另一種方法是并聯(lián)使用一個(gè) 0.15 Ω 電阻器和另一個(gè)值，選擇接近 0.1 Ω。除非金屬外殼，否則不應(yīng)繞線，否則電感可能會(huì)在高頻時(shí)引入誤差：100 nH 在 1 MHz 時(shí)為 628 mΩ。
請(qǐng)注意，電流檢測(cè)電阻器在輸入連接器兩端連接得盡可能近，以免引入額外電阻。同理也沒有串聯(lián)隔直電容。如果使用額定功率為 1 W 或更高的組件，任何小于 10 A 的直流組件都不會(huì)引起問題。
如果使用更高的直流電壓，C2 應(yīng)該是額定值為 250 V 或更高的聚酯薄膜電容器。
微調(diào)電容器用于調(diào)整衰減以使其在高頻下正確。這些值對(duì)我有用，但電容非常依賴于結(jié)構(gòu)，因此您可能需要不同的值或配置。
和第二放大器和范圍開關(guān)
原理圖如圖 3 所示。
圖 3.和第二個(gè)放大器和范圍開關(guān)。
開關(guān)的布置使得沒有未使用的電阻連接到信號(hào)電路；它們附著在地面上。下一節(jié)將介紹 3 /10/13 dB 衰減器和“外部濾波器”的切換。
開關(guān)顯示在 1 V 位置。每一步改變每個(gè)開關(guān)極點(diǎn)上 10 dB 的增益，給出 20 dB 步長（10 次）。
反饋電阻器 R10 和 R16 的低值是獲得寬帶寬的關(guān)鍵。它們需要盡可能接近 2.2 k Ω，這可能意味著要從多個(gè)組件中進(jìn)行選擇。
R5 和 R10 可以是 E96 系列值 71.5 Ω 或 82 Ω || 560 Ω（|| 表示“并聯(lián)”）。R6 和 R11 為 180 Ω || 3.3 千歐。R7 和 R12 為 820 Ω || 10 千歐。其他組合顯然是可能的。此外，R8 和 R13 可以為 220 kΩ。
有必要盡可能接近所需值，因?yàn)閮x器的精度取決于它。應(yīng)盡可能避免使用預(yù)置電阻，或使用優(yōu)質(zhì)元件；否則，校準(zhǔn)穩(wěn)定性將受到影響。
請(qǐng)注意，使用 2.2 kΩ 和 220 kΩ 電阻器進(jìn)行反饋增益設(shè)置會(huì)產(chǎn)生增益為 1.01 (0.086 dB) 的同相放大器，該增益足夠接近 1。
附加衰減器和外部濾波器連接器
3 dB（峰值到 RMS 正弦波）和 10 dB（刻度放大器）衰減器以及外部濾波器開關(guān)如圖 4 所示。
圖 4. 3/10/13 dB 衰減器和外部濾波器連接器圖 [單擊圖像放大]。
和以前一樣，有必要測(cè)量電阻器并選擇接近所需值的電阻器。在這種情況下，可以使用 E12 值，但代價(jià)是為 -13 dB 網(wǎng)絡(luò)增加一個(gè)電阻器。
檢查 E12 系列電阻器提供所需衰減的能力非常有用。表 1 顯示了結(jié)果。
表 1.作為衰減比函數(shù)的誤差。
衰減 | 衰減比 | 上臂電阻 | 下臂電阻 | 比率 | 錯(cuò)誤 ％ | 誤差分貝 |
3個(gè) | 0.7071 | 3.3k | 8.2k | 0.7130 | -0.84 | -0.062 |
10 | 0.3162 | 3.9k | 1.8k | 0.3158 | 0.14 | 0.012 |
13 | 0.2236 | 13.5k | 3.9k | 0.2241 | -0.24 | 0.021 |
3分貝修復(fù) | 0.7071 | 3.382k | 8.2k | 0.7080 | -0.12 | -0.011 |
使用測(cè)量值電阻器，可以通過添加一個(gè)低值電阻器與任何太低的電阻器串聯(lián)來化誤差。例如，如果 3 dB 的電阻恰好是 3.3 kΩ 和 8.2 kΩ，則可以通過添加與 3.3 kΩ 串聯(lián)的 82 Ω 來修復(fù)誤差。
在該網(wǎng)絡(luò)中使用撥動(dòng)開關(guān)非常方便，當(dāng)然也可以使用撥動(dòng)開關(guān)或旋轉(zhuǎn)開關(guān)。
峰值檢測(cè)器和儀表
峰值檢測(cè)器如圖 5 所示。
圖 5. 顯示峰值檢測(cè)器的圖表 [單擊圖像放大]。
它具有確保寬帶寬的三個(gè)功能：
? 這些電路中的電阻值遠(yuǎn)低于通常情況
? 級(jí)使用 肖特基二極管
? 兩個(gè)射極跟隨器用于化第二級(jí)輸出端的負(fù)載
BAT54二極管可以用BAT85代替。如果量程開關(guān)設(shè)置不正確，D3 可保護(hù)儀表免受過大電流的影響。
原型中使用的BF240設(shè)備可以替換為具有非常相似特性的其他設(shè)備。雖然它是一個(gè)舊設(shè)備，但它仍然可用并用于 FM 無線電 RF 階段，因此用于相同服務(wù)的其他設(shè)備可能也適用。請(qǐng)記住， BC547和2N3904等通用設(shè)備不適用。
此外，R23和R26可以由兩個(gè)1k電阻組成，R32也可以由10k和56k電阻并聯(lián)組成。其值的選擇是為了使預(yù)置電阻器調(diào)整到在 1 kHz 時(shí)以 1 V RMS 輸入在儀表上讀取 1 V 并應(yīng)用 3 dB 衰減器，應(yīng)該在其軌道的一半左右。
可以連接一個(gè)數(shù)字顯示器來代替 R32、RV1 和儀表 M。
電源
電源電路如圖 6 所示。
圖 6. 顯示電源的圖表。
100 nF 電容器應(yīng)盡可能靠近走線電源側(cè)的 IC 引腳安裝。如果走線先到 IC 引腳再到電容，就會(huì)有不需要的電感與電容串聯(lián)，用 100 nF 的電容諧振不需要太多電感。
寬帶模擬儀表項(xiàng)目的性能
除非合格（例如，通過“取決于布局”），否則數(shù)字基于原型的測(cè)量值。
? 輸入電阻（所有電壓范圍）： 1 MΩ ±1%
? 輸入電容： 20 pF（取決于布局）
? 頻率響應(yīng)：從 20 Hz 到 1 MHz 平坦：10 Hz 和 1.2 MHz 時(shí)為 -1 dB。
? 電壓范圍： 1–10–100 mV–1–10–100 V；精度取決于量程開關(guān)和衰減器電阻與其正確值的接近程度。
? 直流輸出：在電壓輸入端施加 1 kHz 時(shí)的 1 V RMS，范圍開關(guān)設(shè)置為 1 V，電路中有 3 dB 衰減器，R29 和 R30 連接點(diǎn)的直流輸出電壓應(yīng)在 0.95 范圍內(nèi)V 到 1.05 V。如果不是，請(qǐng)稍微調(diào)整 R16 的值（不要糾正大的錯(cuò)誤）。
? 電流范圍： 10–100 mA –1 A。精度取決于范圍切換的精度以及電流檢測(cè)電阻器 R1 與正確值的接近程度。
? 直流輸出：在電流輸入端施加 1 kHz 時(shí)的 1 A RMS，范圍開關(guān)設(shè)置為 100 mV，電路中有 3 dB 衰減器，R29 和 R30 連接點(diǎn)的直流輸出電壓應(yīng)在 0.95 范圍內(nèi)V 到 1.05 V。如果不是，請(qǐng)稍微調(diào)整 R1 的值（不要糾正大的錯(cuò)誤）。
您可以通過使用帶有 8 Ω ±1% 電阻器（僅耗散 0.125 W，因此 ? W 部分是可以的）與輸出和電流輸入串聯(lián)的音頻放大器來產(chǎn)生 1 A。調(diào)整輸入信號(hào)電平以在 8 Ω 電阻器上獲得 8 V RMS。
每個(gè)范圍設(shè)置的頻率響應(yīng)如圖 7、8、9 和 10 所示。
圖 7. 1 V 范圍內(nèi) 1 V 輸入的頻率響應(yīng) [單擊圖像放大]。
圖 8. 100 mV 范圍內(nèi) 100 mV 輸入的頻率響應(yīng) [單擊圖像放大]。
圖 9. 10 mV 范圍內(nèi) 10 mV 輸入的頻率響應(yīng) [點(diǎn)擊圖片放大]
圖 10. 1 mV 范圍內(nèi) 1 mV 輸入的頻率響應(yīng) [單擊圖像放大]。
1.2 MHz 處的響應(yīng)超出掃描儀的范圍，因此使用信號(hào)發(fā)生器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。在此范圍內(nèi)，由于小輸入和高增益，走線上會(huì)出現(xiàn)少量噪聲。圖 11 顯示了電流表在 100 mA 時(shí)的響應(yīng)。
圖 11. 電流表在 100 mA 時(shí)的響應(yīng) [點(diǎn)擊圖片放大]。
可選的外部過濾器
外部濾波器的輸入電阻應(yīng)為 10 kΩ 或更大，輸出電阻應(yīng)為 1 kΩ 或更小。
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