Стрелочный мультиметр и цифровые вольтметры своими руками
Привет, Хабр! Во многих случаях стрелочные измерительные приборы бывают более наглядными и быстрыми. С другой стороны, цифровая шкала позволяет мгновенно прочитать число.
Потому сегодня мы соберём большой стрелочный мультиметр и два цифровых вольтметра, причём не на микроконтроллерах, а на настоящих аналогово-цифровых преобразователях — АЦП.
Первым мультиметром, с которым мне приходилось иметь дело, был миллиампервольтомметр школьный. Вот такой АВО-63. До сих пор помню запах его карболитового корпуса.
Более старая версия 1950-х годов имела горизонтальную компоновку и называлась АВОметром.
▍ Дефицитные батарейки
Для питания омметра внутри корпуса предусматривалось место для полуторавольтового гальванического элемента ФБС («фонарная батарея сухая»). Чтобы её заменить, следовало отвернуть винты и вынуть из кожуха шасси прибора, снять с элемента питания бумажную этикетку и зажать его хомутом при помощи отвёртки.
Если в распоряжении пользователя не было элемента ФБС, 1.5 вольта питания можно было подать через клеммы. А для использования диапазона измерений x1000 Ом было необходимо подключить внешний источник питания на 4.5 вольта.
Элементы ФБС-0,25, или 1,3ФМЦ-0,25, они же Прима 332 (солевые) и А332 (щелочные) в СССР были дефицитными. Вплоть до конца 1980-х ГОСТ не разрешал применять их в бытовой радиоэлектронной аппаратуре.
▍ Такие разные советские игрушки
Зато в измерительных, включая дозиметры, медицинских (ларингоскопы) и военных аппаратах (прибор химической разведки) элементы 332, или R10 по стандарту DIN, широко применялись. И, как ни странно, в игрушках завода «Огонёк» — видимо, потому, что на игрушки понятие радиоэлектронной аппаратуры не распространялось.
Наряду с игрушечным стрелковым оружием и танками, завод выпускал широкий ассортимент игрушек на космическую и бытовую тематику. Например, такой ретрофутуристический видеотелефон с дисковым набором номера.
Возвращаясь к схеме главучтехпромовского авометра, следует отметить просто огромные сопротивления шунтов миллиамперметра: от 1.8 Ом на пределе 500 мА постоянного тока до 1.8 кОм на пределе 500 мкА. Для переменного тока ещё страшнее: 6.8 Ом для 500 мА и 600 Ом для 5 мА.
Разумеется, использовались крупногабаритные, мощные резисторы в виде катушек, намотанных манганиновой проволокой.
Входное сопротивление авометра в режиме вольтметра было, наоборот, довольно низким: 6400 Ом/В для постоянного тока и 3500 Ом/В для переменного. Потому тезис из руководства по эксплуатации про «измерение напряжений в радиосхемах практически без изменения режима их работы» представляется сомнительным.
Тем не менее, это был широко доступный узкому кругу лиц портативный многофункциональный прибор с автономным питанием, в отличие от ламповых вольтметров и прочего стационарного профессионального оборудования.
Ещё можно отметить, что для измерения тока или напряжения требовалось отключить переменный резистор установки нуля омметра, для чего этот потенциометр был снабжён выключателем. И каждый раз, переходя к измерению сопротивления, устанавливать нуль заново.
Полная противоположность прибору Model 8 британской марки AVOmeter, все 7 модификаций которого, выпускавшиеся с 1951 по 2008 годы, предоставляли отдельный переменный резистор установки нуля для каждого поддиапазона. Можно переключиться и сразу измерять. От имени этого бренда к нам и пришло слово «авометр», ставшее общепринятым в среде учителей естественно-научных дисциплин.
▍ Тестеры ТТ-1 и Ц20
А технические специалисты называли комбинированный электроизмерительный прибор… нет, не мультиметром. Это слово пришло позднее, уже с распространением цифровых приборов. Они называли его «тестером».
Потому что первым советским мультиметром был тестер технический ТТ-1, выпуск которого начался в 1947 году. Именно на его базе будут впоследствии разработаны и вертикальный школьный АВО-63, и знаменитый народный любимец Ц20 со входным сопротивлением на постоянном токе 10 кОм/В, на переменном токе 2 кОм/В. Шунт для диапазона 750 мА имел сопротивление 0.68 Ом.
Все ампервольтомметры Ц20 имели вертикальную компоновку.
Горизонтальный Ц20–05, несмотря на название, представляет собой принципиально новый прибор, снабжённый операционным усилителем, благодаря которому получил входное сопротивление 20 килоом на вольт, линейную шкалу вольтметра переменного тока и диапазон рабочих частот до 20 кГц. Сопротивление шунта на диапазон до 1 А составляло 333 миллиома.
Для питания Ц20–05 требовалось целых 9 элементов 332: один для омметра и восемь для обеспечения двуполярного питания операционного усилителя ± 6В. Без питания ОУ прибор неработоспособен даже в режимах измерения напряжения и тока.
▍ Как в СССР радиодетали рекламировали
Когда-то не каждый юный любитель электроники мог позволить себе стрелочную измерительную головку. Зато мог собрать вольтметр с лампочкой на пороговом элементе. Например, на двухтранзисторном триггере Шмитта.
Переменный резистор следовало снабдить шкалой и проградуировать его в школе, доме пионеров или на работе у родителей, где был настоящий вольтметр. При работе нужно было установить переменный резистор на ноль и крутить его ручку до тех пор, пока не погаснет лампа. По шкале можно было прочитать значение измеряемого напряжения от 1 до 50 вольт.
И, конечно же, не обходилось без вездесущей рекламы однопереходных транзисторов, они же двухбазовые диоды КТ117. Чтобы внедрить новинку отечественной промышленности в массы, преимущества данного электронного компонента описывали во многих книжках и статьях.
Если удавалось подобрать стабилитрон с напряжением стабилизации на 100–500 милливольт ниже напряжения включения КТ117, вы становились счастливым обладателем вольтметра со шкалой, начинающейся от 100–500 милливольт.
А если не удавалось раздобыть двухбазовый диод, можно было собрать его функциональный аналог на двух обычных биполярных транзисторах.
▍ Самодельный стрелочный мультиметр
А сегодня набор для сборки солидного мультиметра с большой зеркальной измерительной головкой можно заказать на Алиэкспресс.
Что интересно, фирменный MF47 заводской сборки имеет другую конструкцию: плата не из текстолита, а из пластика.
Либо из стеклотекстолита, но плата без печатных проводников. Вместо них олдскульные монтажные лепестки. Это сделано в целях долговечности: контакт переключателя, выполненный из латунной полоски, более стойкий к трению, чем площадка, выполненная печатным способом.
Кстати, при сборке переключателя не забудьте смазать контакты силиконовой смазкой, бескислотным техническим вазелином или синтетическим солидолом. Так они дольше прослужат.
Неэтичный солидол животного происхождения не годится, потому что содержит органическую кислоту. Отработанное масло — тоже, вследствие содержания электропроводных частиц металлов и их соединений. А подсолнечное масло полимеризуется, потому также не подходит.
Но относительно редкий полуторавольтовый элемент питания типоразмера C (LR14, UM2, 343 «Юпитер М») для питания омметра требуется как устройству, приобретаемому в сборе, так и собранному из радиоконструктора.
Разработчики мультиметров просто неисправимы в своём выборе элементов питания. Ну что мешает найти в таком огромном корпусе место под вездесущий типоразмер АА?
Для диапазона измерения х10k требуется ещё и 9-вольтовая «Крона». В общем, реализована самая обычная винтажная схема стрелочного ампервольтомметра. Электролитический конденсатор служит для успокоения стрелки магнитоэлектрической головки.
На принципиальной схеме не нарисованы, и в комплекте отсутствуют встречно-параллельные диоды 1N4148 и конденсатор 0.01 мкФ, шунтирующие цепь подвижной катушки измерительной головки и защищающие её соответственно от перенапряжения и токов высокой частоты. А на печатной плате места под эти детали отмечены, потому я их установлю.
Кроме стандартных функций омметра, вольтметра и амперметра постоянного и переменного тока, здесь имеются следующие опции:
- режим прозвонки с зуммером, питающимся от полуторавольтовой батарейки;
- режим измерения коэффициента усиления по току биполярных транзисторов в схеме с общим эмиттером h21э;
- режим проверки гальванических элементов с нагрузочным резистором 8 Ом;
- функция магазина сопротивлений.
На последней опции остановимся подробнее. Рядом с обозначением каждого предела измерения постоянного напряжения и тока подписано сопротивление между клеммами, от 0.5 Ом на пределе 500 мА до 9 МОм на пределе 1000 В. Это можно учитывать при подключении к разным схемам и даже использовать при их наладке.
Что интересно, режимы миллиамперметра и вольтметра представляют собой единый ряд сопротивлений, причём пределы 0.25 В и 50 мкА — это одно и то же положение переключателя и одно и то же подключение проводов. Входное сопротивление мультиметра в этом режиме составляет 5 кОм.
Итак, наш самодельный мультиметр имеет входное сопротивление 20 килоом на вольт для постоянного тока и 9 для переменного, и шунт 0.5 Ом для 500 мА. Это отличные параметры для прибора без электронного усиления, показывающие, что современные технологии позволяют производить доступные качественные вещи.
▍ Цифровой вольтметр на двух микросхемах
Теперь давайте соберём цифровую измерительную головку. Возьмём микроконтроллер со встроенным АЦП, организуем динамическую индикацию на семисегментных светодиодных индикаторах при помощи регистров сдвига, напишем нехитрую программу…
Либо возьмём специализированную микросхему АЦП MC14433, 4 семисегментных индикатора с общим катодом, а к ним дешифратор CD4511 (К561ИК2) и NPN-транзисторы, чтобы питать катоды индикаторов, не перегружая выходы микросхем. Набор для сборки этой схемы можно приобрести на Алиэкспресс.
Микросхема MC14433 имеет два предела измерения напряжения: 0 — 199.9 мВ и 0 — 1.999 В. Предел выбирается опорным напряжением на выводе 2, которое должно равняться соответственно 200 или 2000 милливольтам.
В качестве прецизионного источника опорного напряжения используется микросхема MC1403. Она обеспечивает 2.5В на выходе, а 0.2 или 2 вольта для АЦП устанавливается с помощью подстроечного резистора RP1.
С выхода 14 (EOC, end of conversion) положительный импульс после окончания цикла аналогово-цифрового преобразования поступает на вход 9 (DU, display update), чем вызывает обновление индикации: данные с регистра результата АЦП поступают на регистр индикации и сохраняются там до следующего импульса.
Выводы 10 и 11 принадлежат тактовому генератору микросхемы. Сопротивление 470 кОм между ними задаёт тактовую частоту 42 килогерца.
Резистор и конденсатор, подключённые к выводам 4, 5 и 6, образуют интегратор, используемый при аналого-цифровом преобразовании.
Транзистор Q5 зажигает десятичную точку после старшего разряда, когда открыт транзистор V1. На самом деле, без Q5 можно было обойтись, так как индикатор D1 одноразрядный. Просто подключив левый вывод R7 к плюсу питания, мы получили бы свечение точки этого индикатора.
Но для многоразрядного индикатора надо делать именно так, зажигая при помощи дополнительного транзистора точку в нужном разряде, иначе будут светить все точки.
▍ Цифровой вольтметр на одной микросхеме
Кто из нас не пользовался встраиваемыми цифровыми измерительными головками разных размеров? Мы привыкли покупать их в сборе, но есть и конструкторы для сборки цифрового вольтметра или амперметра своими руками.
Микросхема ICL7107 содержит и АЦП, и дешифратор с драйвером для 4 семисегментных индикаторов. Но внешний источник опорного напряжения, в качестве которого использована микросхема TL431, всё же требуется. Как и отрицательное напряжение питания, которое в этой схеме вырабатывает преобразователь на транзисторе Q1.
Этот инвертор не автогенераторный. Для преобразования напряжения он использует тактовую частоту микросхемы с выхода тактового генератора — вывода 38.
Микросхемы ICL7107 и MC1403 работают на одном и том же принципе, и существенным различием является только наличие у ICL7107 дешифратора с драйвером семисегментных индикаторов.
После пайки кроватки под микросхему следует аккуратно откусить её боковины, и только после этого устанавливать индикаторы.
Настройка вольтметра начинается с регулировки опорного напряжения между выводами 35 и 34. Оно должно составлять 100 милливольт. Далее необходимо отрегулировать входной аттенюатор, чтобы получить правильные показания.
▍ Сборка и результаты испытаний
Микросхема MC1403 оказалась неисправной, и потому была заменена резистором на 1 кОм. Теперь опорное напряжение АЦП зависит от напряжения питания, что никуда не годится. Тем не менее, продемонстрировать работу вольтметра можно.
Чтобы спасти положение, при отсутствии MC1403 можно воспользоваться TL431, или (что хуже) стабилитроном на 2.4–3.3 В, или (ещё хуже, но сработает) синим или белым светодиодом в качестве стабистора.
Обратите внимание, что у вольтметра без корпуса параллельно измерительному входу не предусмотрено никакого резистора. Потому цепь УВХ — устройства выборки-хранения (sample and hold) сохраняет последнее подключённое на вход напряжение. Не в цифровом виде, а буквально напряжение на обкладках конденсатора. Если закоротить входные клеммы, прибор показывает ноль.
Оба вольтметра имеют двуполярное питание и способны показывать как положительное, так и отрицательное напряжение. Но у поделки на MC14433 индикация минуса никуда не подключена, хотя микросхема её предусматривает. Потому милливольтметр показывает абсолютное значение (модуль) напряжения без знака.
Напишите в комментариях, какие самодельные электроизмерительные приборы вам встречались. И где можно применить собранные сегодня вольтметры.
Выиграй телескоп и другие призы в космическом квизе от RUVDS. Поехали?
