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Bauanleitung: Meßtechnik  
Wechselspannungs-Millivoltmeter
  • bis 1 MHz
  • mit 'High-Grades'

J. D'Ecosse

Wechselspannungs-Millivoltmeter



 
'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' .
 
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
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

 
Foto Impedanzwandler Schaltbild des Impedanzwandlers und Ansicht der fertig bestückten Platine. Der Schalter S1 und die Buchse Bu1 werden auf der Lötseite befestigt.
Schaltung Impedanzwandler  
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

 
Foto Meßverstärker Schaltbild des Meßverstärkers und Ansicht der fertig bestückten Platine.
Schaltung Meßverstärker  
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:
Formel
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

 
Schaltung Netzteil 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.

 
  Die Platinen-Layouts für das Millivoltmeter: Meßverstärker (rechts), Impedanzwandler Lötseite (Mitte links), Impedanzwandler Bestückungsseite (unten links), Netzteil (unten rechts).
   
   
  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).
   
   
Stückliste
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
   
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
   
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
   
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
 
aus: elrad 1984, Heft 8/9, Seite 26 ff.  
 
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