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Bauanleitung: Meßtechnik |
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- bis 1 MHz
- mit 'High-Grades'
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J. D'Ecosse
Wechselspannungs-Millivoltmeter
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'High Grades' ist der
Sammelbegriff für eine Gruppe von Operationsverstärkern,
deren Daten/Parameter/Eigenschaften hohen Anforderungen genügen.
Abhängig vom Anwendungszweck und vom Einsatz sind diese
Bausteine auf minimalen Offset, niedrige Rauschzahl, geringe
thermische Drift, hohe Verstärkung, große Bandbreite
oder auf eine Kombination dieser Eigenschaften hochgezüchtet;
dabei unterscheiden sie sich in der Funktion nicht von üblichen
OpAmps. Aufgrund dieser Tatsachen eignen sich High-Grade-OpAmps
hervorragend für den Aufbau elektronischer Meßgeräte.
Trotz der hohen Stückpreise (300,- DM für einen 741er
nach MIL-Spezifikation sind keine Seltenheit!) lohnt sich der
Einsatz von High-Grades, da sie beim Aufbau fortschrittlicher
Schaltungen ein insgesamt kostengünstiges Konzept gestatten.
Auch zur 'Hochrüstung' vorhandener Geräte werden die
Bausteine eingesetzt; man spricht im Fachjargon dann von 'upgraden'
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Das hier beschriebene Millivoltmeter ist dafür
ein Beispiel. Grundlage ist ein älterer, beinahe schon
als klassisch zu bezeichnender Schaltungsentwurf, der mit einigen
Mängeln behaftet war: Vor jeder Messung war ein Nullabgleich
erforderlich, aufgrund des starken Eigenrauschens und einer
hohen Temperaturdrift konnte die Empfindlichkeit nicht voll
genutzt werden, außerdem mußte ein Spannungsteiler
vorgesehen werden, der sich aber nur sehr schwer sauber (frequenz)kompensieren
ließ. Durch den Einsatz der High-Grade-OpAmps ergeben
sich folgende Vorteile: Wegfall des Nullabgleichs vor jeder
Messung, niedrigster ablesbarer Wert 150 µV dank guter
thermischer Stabilität, Linearitätsbereich bis über
1 MHz.
Das Millivoltmeter ist vergleichsweise einfach nachzubauen;
dies liegt auch an den verwendeten ICs von Precision Monolithics
Inc., mit denen beim Schaltungsentwurf ebenso unproblematisch
verfahren werden kann wie mit 'normalen' ICs. Steht zum Einbau
der Schaltung kein aus Metall gefertigtes Gehäuse zur Verfügung,
so ist handwerkliches Können für die Bearbeitung von
Blechen, Abschirmungen usw. erforderlich.
Der Schaltungsentwurf gliedert sich in vier Funktionseinheiten:
Impedanzwandler mit Spannungsteilern, Meßverstärker
mit Gleichrichter, Netzteil und analoges Anzeigemeßinstrument.
Technische Daten
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Meßbereiche: |
3 mV- 30 V in 9 Bereichen |
Bandbreite: |
10 Hz...1 MHz |
Eingangsimpedanz: |
1 M/33 pF |
Genauigkeit: |
± 1 % bei Vollausschlag
(abhängig vom verwendeten Meßwerk) |
Anwärmzeit: |
ca. 15 Minuten |
max. Eingangsspannung: |
abhängig von der Spannungsfestigkeit
von IC 1 |
Alle Daten gelten nur für sinusförmige
Meßspannungen. |
Meßbereich-Wahlschalter
und Impedanzwandler
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Schaltbild des
Impedanzwandlers und Ansicht der fertig bestückten Platine.
Der Schalter S1 und die Buchse Bu1 werden auf der Lötseite
befestigt. |
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Das zu messende Signal wird über Bu1 der
Schaltung zugeführt. C1 verbindet an dieser Stelle die
Schaltungsmasse mit der Gehäusemasse. C2 entkoppelt den
Eingang der Schaltung gegen das Einbringen von Gleichspannungskomponenten.
Im Millivolt-Meßbereich verläuft der Signalweg über
S 1 und den Widerstand R1. Im Volt-Meßbereich wird ein
Spannungsteiler 100:1 vorgeschaltet. Das genaue Teilerverhältnis
wird bei niedrigen Frequenzen mit dem Spindeltrimmpoti R4 eingestellt.
Bei hohen Frequenzen bestimmt der Trimmer C 6 das Teilverhältnis.
C3 dient zum Abgleich der Eingangskapazität.
R 6 und die Zenerdioden D 3 und D 4 schützen die Schaltung
vor zu hohen Eingangsspannungen. D 1 und D 2 begrenzen den Leckstrom
der Zenerdioden.
Der Operationsverstärker IC 1 ist als Spannungsfolger geschaltet;
seine Verstärkung ist kleiner als 1. Der hier verwendete
OP16CJ mit Bi-FET-Eingang ist extrem hochohmig. Sein Frequenzbereich
geht bis 17 MHz. Der ohnehin geringe und zeitlich stabile Offset
dieses OpAmps kann mit dem Spindeltrimmpoti R 19 auf Null gebracht
werden.
Da der Ausgang von IC 1 eine niedrige Impedanz aufweist, kann
der nachfolgende zweite Spannungsteiler ebenfalls niederohmig
ausgelegt werden. Daher kann - mit Ausnahme von C14 - auf eine
Frequenzkorrektur verzichtet werden. Der Spannungsteiler ist
so ausgelegt, daß sein Ausgangswiderstand beim Umschalten
der Meßbereiche weitgehend konstant bleibt.
Beim Aufbau dieses Impedanzwandlers sind zunächst alle
passiven Bauelemente in die doppelseitige Platine einzusetzen
und mit den Kupferbahnen auf beiden Seiten zu verlöten
(siehe Bestückungspläne). Anschließend wird
der Schalter S 1 so montiert, daß seine 'Nase' in die
Gegenrichtung der BNC-Buchse zeigt. Von den vier Schaltstellungen
des Schalters werden nur zwei benötigt. Der Anschlagring
unter seiner Befestigungsmutter ist entsprechend auszurichten.
Alle freien Schalterkontakte liegen auf Masse.
Nachdem als letztes Bauelement das IC eingesetzt worden ist,
kann eine erste Überprüfung stattfinden. Dazu wird
der Ausgang von IC 1 mit einem 470-Ohm-Widerstand abgeschlossen,
dem ein Gleichspannungs-Millivoltmeter parallelgeschaltet ist.
Nach Anlegen der Betriebsspannung zeigt das Meßgerät
die Offsetspannung von IC 1 an, die mit R 19 auf 0 mV abgeglichen
wird.
Der Schalter S 1 ist anschließend in Stellung 'mV' zu
bringen. Führt man nun über C 2 ein Signal von 400
Hz und 100 mV zu, so sollte am Ausgang eine Wechselspannung
von etwas weniger als 100 mV zu messen sein.
Die Schaltung erreicht ihre größte Stabilität,
wenn man sie 160 Stunden lang (ca. 1 Woche) in diesem Zustand
'einbrennen' läßt. Anschließend kann dann ein
endgültiger Offsetabgleich bei kurzgeschlossenem Eingang
durchgeführt werden.
Alle Widerstände und der Kondensator des zweiten Spannungsteilers
(R 10...R 17, C 14) werden direkt am Schalter S2 montiert.
Meßverstärker
und Gleichrichter
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Schaltbild des
Meßverstärkers und Ansicht der fertig bestückten
Platine. |
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Der eigentliche Meßverstärker besteht
aus den zwei Stufen um IC 2 und IC 3. Als OpAmp kommt hier jeweils
der Typ OP37CJ zum Einsatz, der bei einer Verstärkung von
1 noch eine Bandbreite von mehr als 63 MHz garantiert.
Um in der ersten Stufe Offsetdrift zu verhindern, wurde R 27
so gewählt, daß sein Wert ungefähr mit dem Ausgangswiderstand
des vorangehenden Spannungsteilers übereinstimmt. Die Verstärkung
der ersten Stufe beträgt:
Mit dem Poti R 24 kann dabei die Verstärkung zwischen 17,5
und 21,7 eingestellt werden. Der kleine Kondensator C 22 (1,8
pF) wird direkt von der Unterseite zwischen die IC-Pins 2 und
6 gelötet. Er erhöht die Stabilität der Schaltung
bei höheren Frequenzen.
Die Gleichrichterbrücke am Ausgang der Schaltung liegt
im Gegenkopplungszweig eines zweiten OpAmps. Diese Art der Schaltung
kompensiert die nichtlinearen Kennlinien der Dioden D 5...D
7.
Solange die Dioden sperren, verstärkt IC 3 mit seiner Leerlauf-Verstärkung.
Dadurch wird die Schwellenspannung der Dioden überwunden.
Die Kennlinie der Schaltung ist damit linear - ebenso die Skalenteilung
des angeschlossenen Meßwerkes.
Diese Gleichrichterschaltung ist allerdings nur brauchbar, wenn
die Bandbreite des OpAmps um vieles größer ist, als
die Frequenz der zu messenden Spannung: Der OP37CJ erfüllt
diese Ansprüche.
Die Dioden D 5...D 8 sollten unbedingt schnelle, kapazitätsarme
Typen sein. Die angegebene AA119, aber auch die Typen AA138
eignen sich gut. Am besten ist es, aus mehreren Exemplaren ein
Quartett mit gleicher Schwellenspannung auszumessen oder auf
ein 'gepaartes' Diodenquartett zurückzugreifen.
Der OP37CJ hat eine interne Mitkopplung und kann daher normalerweise
nur für Verstärkungen von mehr als 5 verwendet werden.
In dieser Schaltung beträgt die Verstärkung durch
den Einfluß des Brückengleichrichters sowie von R
35 und C 29 nur 2,7.
C 29 verhindert ein Zittern der Zeigernadel bei sehr niedrigen
Frequenzen. Die Diode D 9 ist sehr wichtig: Sie schützt
das Meßwerk nicht nur vor Überlastungen durch zu
hohe Meßspannungen, sondern auch vor Spannungsspitzen,
die beim Einschalten des Gerätes auftreten können.
Eine falsch eingelötete oder defekte Diode kann zur Zerstörung
des Meßwerks führen. Ebenso wichtig ist die Entkopplung
der Versorgungsspannung mit R 31, 34 und C 23...C28.
Der Aufbau des Meßverstärkers ist einfach. Zunächst
werden die Anschlußstifte und R 25 eingesetzt, gefolgt
von den getesteten Dioden D 5...D 9, den anderen Widerständen
und Kondensatoren und den beiden ICs. Zum Schluß werden
die Spindel-trimmpotis R 24 und R 28 eingelötet.
Zum Test der Schaltung legt man über den Eingang einen
Widerstand von 470 Ohm und schließt den Ausgang mit dem
Drehspulmeßwerk ab. Bei Berührung des Eingangs muß
ein Ausschlag des Meßgerätes zu sehen sein. R 24
wird in Mittelstellung gebracht und mit R 28 ein erster Nullabgleich
vorgenommen. Auch dieser Schaltungsteil wird nun 160 Stunden
lang 'eingebrannt' und anschließend mit R 28 endgültig
abgeglichen.
Trotz seiner großen Empfindlichkeit ist der Verstärker
recht unanfällig gegen Störungen, da er konsequent
niederohmig ausgelegt ist. Der Test und Abgleich kann also bequem
ohne Abschirmungen gemacht werden. Beim endgültigen Zusammenbau
muß der 470-R-Widerstand natürlich wieder entfernt
werden.
Netzteil
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Schaltung des
Netzteils |
Die Spannungsversorgung der Schaltung kann auf drei Arten
erfolgen:
- mit Netzteil
- Batterieversorgung mit 2x6 Volt
- Stabilisierte Batterieversorgung mit 2x5 V durch 9-V-Batterien.
Eine Netzversorgung hat den Vorteil, daß das Gerät
jederzeit betriebsbereit und über den Schutzleiter des
Netzkabels geerdet ist. Nachteilig ist dabei jedoch, daß
eine kleine Brummspannung über IC 1 in den Meßverstärker
gelangen kann, wodurch sich im empfindlichsten Meßbereich
ein Vorausschlag ergibt. Das hat - bei kleinen Signalspannungen
- einen zusätzlichen Anzeigefehler zur Folge.
Die Schaltung des Netzteils ist einfach. Große Sorgfalt
wird auf die Siebung verwandt. Der Einschalter liegt in den
Gleichspannungsleitungen. Die Widerstände R 36, 37 sorgen
auch beim eingeschalteten Gerät für eine kleine
Vorlast an den Stabilisatoren IC 4 und IC 5. Dadurch werden
Spannungsspitzen beim Einschalten auf ein Minimum reduziert.
Um Störfelder zu vermeiden, ist der Netztrafo so klein
wie möglich gehalten. Eine Strombelastbarkeit von 15
mA reicht vollkommen aus.
Bei Batterieversorgung ist ein separater Masseanschluß
der Schaltung z. B. an der Rückseite des Gerätes
vorzusehen. Bei dieser Betriebsart ist natürlich das
Einkoppeln von Brummspannungen aus dem Netz auf ein Minimum
reduziert. Meßwerte von 150 µV können daher
noch gut abgelesen werden.
Durch abfallende Batteriespannungen kann sich die Nullpunkteinstellung
verschieben. Das läßt sich vermeiden, wenn - ähnlich
wie bei Netzbetrieb - die Batteriespannung auf 5 Volt stabilisiert
wird. Auf der Netzteilplatine können also bei Batteriebetrieb
der Trafo und die Dioden D10.. .D13 entfallen. Für C30,
31 genügen Werte von 100 µF bei 10 V.
Da das Millivoltmeter einen massefreien Eingang hat (d.h.
daß die BNC-Buchse isoliert im Gehäuse eingebaut
wird), darf die Schutzerde nicht direkt mit der Schaltungsmasse
verbunden werden. Nur das Metallgehäuse liegt am Schutzleiter,
ebenso die Masse der Eingangs-BNC-Buchse über C 1. Das
gilt auch bei Batteriebetrieb, bei dem über die separate
Massebuchse ein Kontakt mit der Schutzerde hergestellt werden
kann.
Drehspulmeßwerk
Drehspulinstrumente reagieren auf den durchfließenden
Strom. Liegt das Meßwerk jedoch - wie in dieser Schaltung
- in der Gegenkopplung eines OpAmps, ist es zweckmäßiger,
den Innenwiderstand des Meßwerks und die daran abfallende
Spannung zu beachten. Die Spannung ist von Bedeutung, da sich
die Verstärkung von IC3 nicht unbegrenzt steigern läßt;
der Innenwiderstand spielt in seinem Verhältnis zu R
32 eine Rolle. Die Schaltung ist ausgelegt für ein Meßwerk
mit 100 Ohm Innenwiderstand und Vollausschlag bei 100 mV -
übliche Werte für fast alle 1-mA-Instrumente.
Abgleich
Der Abgleich erfolgt mit einem guten Voltmeter - z. B. einem
digitalen Multimeter, das auch für Wechselspannungs-Messungen
geeignet ist - und mit einem Sinusgenerator, Frequenz bis
50 kHz, Ausgangsspannung bis 10 Volt (Effektivwert). Einem
Sinusgenerator mit Wien-Brücken-Schaltung ist gegenüber
den meisten Funktionsgeneratoren der Vorzug zu geben, da der
Kurvenverlauf bei Funktionsgeneratoren oft nicht befriedigend
ist und das Millivoltmeter auf Abweichungen von der Sinuskurve
reagiert.
Die einzelnen Schritte beim Abgleich:
- Meßbereichschalter in Stellung 100 mV bringen und
Gerät einschalten. Ende des Aufwärmvorgangs abwarten
(Anzeige wandert praktisch nicht mehr). In dieser Phase
nicht die Offseteinsteller betätigen, die bereits bei
der Vorabprüfung ausreichend genau eingestellt wurden.
- Meßspannung 100 mV/400 Hz auf den Eingang (BNC-Buchse)
legen. Mit R 24 auf Vollausschlag einstellen.
- Meßbereichschalter in Stellung 10 V bringen.
- Meßspannung 10 V/400 Hz anlegen und mit R 4 auf
Vollausschlag abgleichen.
- Meßfrequenz auf 40 kHz erhöhen und mit C 6
auf Vollausschlag abgleichen.
Verfügt man über einen Tastkopf 10:1, so ist ein
weiterer Abgleich erforderlich (C 3):
- Meßbereichschalter in Stellung 100 mV bringen.
- Meßspannung 1 V/100 Hz über den Tastkopf auf
den Eingang legen, Anzeige notieren.
- Meßfrequenz auf 40 kHz erhöhen und mit dem
Trimmer im Tastkopf auf die vorher notierte Anzeige einstellen.
- Meßbereichschalter in Stellung 1 V bringen.
- Meßspannung 10 V/200 Hz über den Tastkopf auf
den Eingang legen, Anzeige notieren.
- Meßfrequenz auf 40 kHz erhöhen und mit C 3
auf die zuletzt notierte Anzeige einstellen.
Aufbau
Da jeder eine andere Vorstellung davon hat, wie sein Millivoltmeter
aussehen sollte, haben wir auf den Vorschlag eines bestimmten
Gehäuses verzichtet. Aus Metall sollte es jedenfalls
sein und so groß, daß das Meßwerk auf der
Frontplatte untergebracht werden kann. Die Verdrahtung zwischen
den Platinen und zwischen den Schaltern und Platinen sollte
so kurz wie möglich sein und kann - bei Verwendung eines
Metallgehäuses - aus nicht abgeschirmten Leitungen bestehen.
Falls der Aufbau durch ungünstige Anordnung wild schwingen
sollte, oder falls Sie unbedingt ein Plastik-Gehäuse
verwenden wollen, könnten einzelne Abschirmgehäuse
für die Platinen nötig sein.
Achten Sie generell darauf, daß keine ungewollte Masseverbindung
zwischen Schaltungsmasse und Gehäuse hergestellt wird
- z. B. durch ungünstig angebrachte Befestigungsschrauben.
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Die Platinen-Layouts
für das Millivoltmeter: Meßverstärker (rechts),
Impedanzwandler Lötseite (Mitte links), Impedanzwandler
Bestückungsseite (unten links), Netzteil (unten rechts). |
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Die Bestückungspläne
für das Millivoltmeter:
Impedanzwandler (oben), Meßverstärker (in der Mitte)
und Netzteil (unten). Wenn Sie noch eine Netzplatine von unserer
Bauanleitung aus Heft 5/79 liegen haben, können Sie diese
natürlich auch verwenden; ebenso ist es möglich, das
Netzteil auf Lochraster aufzubauen. In diesem Fall werden die
Leiterbahnen durch Schaltdraht nachgebildet (wie auf dem Bestückungsplan
angedeutet). |
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Stückliste
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Widerstände
1 % Metallschicht |
R 1 |
100R |
R 2, 5, 7 |
1 M |
R 3 |
9,09k |
R 4 |
2k Spindeltrimmer |
R 6 |
100k |
R 8, 9 |
22R |
R 10 |
15k |
R 11, 13, 15, 17,
18, 18A |
332R |
R 12, 16 |
182R |
R 12A, R 16A |
11R |
R 14, 14A |
511R |
R 16B |
6R19 |
R 19 |
100k Spindeltrimmer |
R 24 |
500R Spindeltrimmer |
R 25 |
2k |
R 27 |
121R |
R 28 |
5k Spindeltrimmer |
R 29, 30 |
2670R |
R 31, 34 |
120R |
R 32, 35 |
47R5 |
R 33 |
3k32 |
R 36, 37 |
8k2 |
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Kondensatoren |
C 1 |
1n 400 V Folie |
C 2 |
1µ 100 V Folie |
C 3, 6 |
3...13p Trimmer |
C 4. |
5p6 400 V ker |
C 5. |
4p7 400 V ker |
C 7 |
270 p Styroflex |
C 8 |
4n7 400 V MKT |
C 10, 12, 23, 24,
25, 27 |
10n Folie |
C 11, 13 |
1µ Tantal |
C 14 |
56p Styroflex |
C 22 |
1p8 ker. |
C 26.28 |
33µ 16 V Tantal |
C 29 |
47µ 3 V Tantal |
C 30, 31 |
1000µ 35 V |
C 32, 33 |
330n |
C 34, 35 |
10µ 16 V Tantal |
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Halbleiter |
IC 1 |
OP16CJ |
IC 2, 3 |
OP37CJ |
IC 4 |
7915 |
IC 5 |
7815 |
D 1, 2 |
1N4148 |
D 3, 4 |
BZX79 4V7 |
D 5, 6, 7, 8 |
AA119 (Quartett) |
D 9 |
AA119 |
D 10, 11, 12, 13 |
1N4005 |
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Verschiedenes |
Drehspulmeßwerk
1mA, 100R |
BNC-Einbaubuchse |
S 1 Drehschalter
Lorlin 4 Ebenen, 3 Schaltstellungen |
S 2 Drehschalter
Lorlin 2 Ebenen, 6 Schaltstellungen |
T 1 Netztrafo 220
V/15 V-0 V-15 V, 10 mA |
Sicherung mit Halter
50 m A, träge |
S3 Netzschalter
2polig Ein |
Gehäuse, Platinen,
Befestigungsmaterial |
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aus: elrad 1984, Heft 8/9, Seite
26 ff. |
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