Analogowy mikrowoltomierz

Mikrowoltomierz analogowy

W czasach dominacji mierników cyfrowych może wydawać się, że miejscem mierników analogowych jest już tylko półka.

IMO - zdecydowanie nie. Pomijam to, że lubię patrzeć jak "kiwaczek" (określenie jednego z moich Kolegów) wychyla się. Nawet w oferowanych dziś urządzeniach rzadko spotyka się rozdzielczość pomiaru lepszą niż 100uV. A jeśli już jest to można to zauważyć po cenie urządzenia.

Czasami można otrzymać sam ustrój pomiarowy. Na portalach aukcyjnych mikroamperomierze 100uA bywają już po kilka kilkanaście złotych. Jeśli skala nie jest wyskalowana "po ludzku" (30/100) to bywa i taniej.

Co z nimi zrobić? Wiele, bardzo wiele. Już wiele lat temu w oparciu o dostępne wzmacniacze operacyjne (głównie uA709, uA741 i ich odpowiednikach) konstruowano proste mierniki "elektroniczne". Dziś korzystając z powszechnie dostępnych wzmacniaczy np. TL0x1 (TL061,TL071,...) można w jedno popołudnie zbudować wysokoczuły, stabilny przyrząd pomiarowy. Dodatkową jego zaletą jest jego bardzo duża oporność wejściowa.

Ta ostatnia cecha może sprawić pewien kłopot. Kłopotliwe w przeszłości bywało też zapewnienie symetrycznego zasilania. Obu problemom da się zaradzić. O tym za chwilę.

Użycie wzmacniacza operacyjnego uzupełnionego o kilka elementów zapewnia dużą "elastyczność" układu. Zwłaszcza w kwestii czułości. W sieci można znaleźć wiele schematów. Ciekawym jest np. układ zaproponowany przez Herbert Zellhubera.

Niestety przykładów płytek (PCB) jest zdecydowanie mniej. By ułatwić życie potrzebującym poniżej prezentuję gotowe materiały dotyczące sprawdzonego rozwiązania.

Schemat

mikrowoltomierz - schemat

Schemat układu jest stosunkowo prosty. IC1 to rzeczywisty wzmacniacz pomiarowy (wzmocnienie określa stosunek R4/R1). IC2 to aktywny układ podziału napięcia zasilającego (tworzeniu "sztucznej masy).

W niektórych układach "sztuczną masę" tworzy się jedynie w oparciu o R7 i R8. Uzupełnienie układu o IC2 uważam za bardziej właściwe.

Wydaje się, że możliwe byłoby użycie podwójnego (dwa w jednej obudowie) wzmacniacza operacyjnego. Niestety nie mają one wyprowadzeń kompensacji napięcia niezrównoważenia, bo wykonywane są w obudowach ośmionóżkowych.

W proponowanym układzie przeprowadzenie kompensacji (za pomocą wieloobrotowego potencjomentru montażowego R5) jest niezbędne. Zwłaszcza jeśli na wyjściu wzmacniacza użyto stosunkowo czułego miernika (np. 100uA).

R10 to również wieloobrotowy potencjomentr montażowy służący do ustawienia pełnego wychylenia miernika podczas procesu kalibracji. Czasami mówi się tu o ustawianiu "czułości układu".

R7 i R8 (100k, ich wartość nie jest krytyczna może mieścić się w zakresie 51k-100k) określają poziom odniesienia ("sztucznej masy"). Nie stosowałem tu rezystorów o wysokiej dokładności (1%), a jedynie zostały dobrane z pomocą cyfrowego omomierza na jednakowy(!) odczyt.

Montaż

Prasowanka płytki mikrowoltomierzaRysunek obok przedstawia gotową (lustrzane odbicie!!! - nie odwracać) prasowankę do wykonania płytki mikrowoltomierza. Płytka jest przewidziana do bezpośredniego montażu na zaciska śrubowych ustroju pomiarowego. Ich rozstaw to ok. 30mm.Układ elementów

Na kolejnym rysunku przedstawiłem ułożenie elementów na płytce. Widok jest od strony elementów THT (przewlekanych). Wszystkie elementy SMD zostały wlutowane od strony druku.

Układ zbudowany ze sprawnych (sprawdzonych) elementów uruchamia się od razu. Ale nie mogę powiedzieć, że bez problemów.
Pójście "na skróty" może skończyć się trwałym uszkodzeniem miernika. Zwłaszcza tych o czułości 100uA lub większej.

Na co musimy zwrócić uwagę? Trzy podstawowe rzeczy:

  • bardzo duża czułość układu. Niestety na zakłócenia zewnętrzne również!

    Jeśli spojrzysz na schemat to widać, że R2 (10Mom) ma dużą wartość. Chodzi m.in. o to, by na najniższym zakresie pomiarowym 100uV-300uV) zachować dużą oporność wejściową.

    U mnie poziom (tła) zakłóceń radiowych i/lub elektromagnetycznych jest stosunkowo duży. Wzmacniacz po uruchomieniu "oszalał". Piny JP1 i JP2 zadziałały jak anteny. Gdy uziemiłem się poziom zakłóceń zdecydowanie spadł. I wtedy widać było jak wskazówka przyrządu drga w rytmie... 50Hz.
    Niezbędnym jest więc skuteczne ekranowanie wzmacniacza. Układ zaprojektowałem jako montowany na zaciskach miernika. Również ekran mocowany jest do uchwytów miernika.
    Ekran został wykonany z cienkiej blachy (do pieczenia). Jest tak cienka i elastyczne, że ekran można wykonać nawet przy użyciu prostych narzędzi. A jednak działa tak skutecznie, że po jego założeniu przy maksymalnej czułości układu (zwarty JP2) i miernika (R10 na minimum) nie ma śladu zakłóceń i przyrząd wskazuje zero. I mierzy prawidłowo.
  • niezbędne jest skompensowanie niezrównoważenia wejścia. Wg. noty technicznej może wynosić ok. 13mV (czyli zdecydowanie więcej niż zakres mierzonego napięcia). By sobie ułatwić uruchamianie przed montażem korzystając z omomierza ustaw tak suwak potencjomeru R5, by znalazł on się (jak najdokładniej) w połowie długości ścieżki oporowej. Ustaw na 1/2 oporności.

    Dodam, że po skompensowaniu układ bardzo dobrze (długoterminowo) trzyma poziom zera. Warunek, zapewnienie w miarę stabilnych warunków termicznych,
  • ustawienia maksymalnego prądu wychylenia miernika. Montując R10 ustaw suwak w takiej pozycji, by oporność pomiędzy wyprowadzeniami 1 i 2 potencjometru wynosiła zero.

Uruchomienie

Uruchomienie mikrowoltomierza

Ponownie ostrzegam: uruchomienie wzmiacniacza (z przyłączonym na wyjściu mikroamperomierzem) bez wstępnego ustawiena może zakończyć się jego (uA) nieodwracalnym uszkodzeniem.

Płytka jest tak zaprojektowana, że  (we wstępnej fazie) umożliwia uruchomienie wzmacniacza bez podłączania go do miernika docelowego. Skorzystamy do tego JP1, JP2 i JP4 oraz zacisku "M-".

I tak po kolei:

  1. Za pomocą (jak najkrótszego) przewodu łączymy ekran miernika (ten z blachy) z zaciskiem oznaczonym na płytce jako "M-". Ponieważ na tym etapie ekran jest luźny zadbaj o to, by nie spowodował przypadkowego zwarcia.
  2. Jumperkiem zwieramy JP1.
  3. Do JP4 przyłączamy miliamperomierz (zakres 1-2mA). Plus na "2", minus na "1".
  4. Do JP3 przyłączamy zasilanie (plus na "2", minus na "1"). Nie obawiaj się - układ jest zabezpieczony przed odwrotnym przyłączenia biegunów zasilania. 
    Wskazówka miliamperomierza może się delikatnie(!) wychylić. U mnie było to ok. 170uA.
    Jeśli układ "szaleje" może oznaczać to:
    1. - błąd montażu,
    2. - złe podłączenie ekranu.
  5. Regulując R5 doprowadź do minimalnych wskazań miernika. Uwaga: układ reaguje z pewnym opóźnieniem. Więc po zmianie ustawień R5 należy chwilę odczekać (ok. 1min). Koniecznie zwróć uwagę na kierunek zmian przy obracaniu suwakiem R5. Zmniejsz (obracając pokrętłem) oporność R10. Doprowadź do sytuacji, gdy przy największej czułości (R10 ok. 0om) wskazania miernika były zbliżone do zera (u mnie "dało radę").
  6. Odłączamy zasilanie. Fakt wychylenia się wskazówki (od zera) w momencie wyłączenia zasilania jest zjawiskiem naturalnym.
  7. Przekłóż jumperek na JP2. Powoduje to rozwarcie pinów pomiarowych i równoległe przyłączenie do pinu (3) wzmacniacza pomiarowego oporności 10Mom. Ponownie włączamy zasilanie. Powtórz procedurę kompensacji wejścia (opisaną w pkt. 5). Układ winien dać się bez problemu ustawić "na zero". Wyłącz zasilanie.
  8. Na zaciskach mikroamperomierza zamontuj układ wzmacniacza wraz z ekranem. Po włączeniu zasilania wskazówka miernika najprawdopodobniej wychyli się. Ponownie skoryguj kompensacji (R5).
  9. Do JP1 doprowadź napięcie stałe (!) o wartości ok. 0,1mV (100uV). Zmontowałem potrzebny układ na płytce stykowej. Szeregowo z rezystorem 10Mom włączyłem wieloobrotowy potencjometr montażowy o wartości 10kom. Do mikrowoltomierza podaję napięcie z suwaka potencjometru. Mierzone napięcie do miernika doprowadzam kablem ekranowanym. Układ kalibrujący zasilam napięciami: plus zasilający miernik, masa to sztuczna masa układu pomiarowego.

    Równolegle do wejścia mikrowoltomierza przyłączony jest miernik referencyjny. Regulujemy (kilkakrotnie powtarzamy procedurę) R5 (kompensacja niezrównoważenia) i R10 (pełne wychylenie mikroamperomierza).

No i to by było tyle. Mikrowoltomierz gotowy do użycia. Pozostaje już tylko zbudowanie odpowiedniego dzielnika wejściowego.

Uwagi końcowe

Niech nie zwiedzie Cię na poprzedniej stronie widok pomiaru realizowanego nieekranowanym miernikiem. Tajemnica tkwi w tym, że kalibrujące napięcie pochodzi ze źródła o stosunkowo niewielkim oporze. Oczywiście w porównaniu z opornością wejściową miernika. Tutaj porządne ekranowanie całego urządzenia to podstawa.

Jako miernik "referencyjny" w pierwszym podejściu skorzystałem z niezłego miernika cyfrowego. Proszę zwrócić uwagę, że nie nadaje się on do tego! Jego rozdzielczość na najniższym zakresie (400mV) to 100uV. A dokładność zbudowanego urządzenia to pełne wychylenie przy 100uV. Do dyspozycji mamy 100 działek. W temperaturze pokojowej dobowy dryft temperatury wynosił nie więcej niż +/- 1 działka.

Goła blacha ekranu nie spodobała mi się. Zbytnio kontrastowała z czernią obudowy miernika. Bezpośrednie malowanie tego typu blachy nie daje dobrych rezultatów. Prędzej czy później pojawią się odpryski. Ale jest na to metoda.
Do ekranu przykleiłem butaprenem pasek papieru (może być gazetowego) i odczekałem dobę. Następnie papier maluję klejo-lakierem z czarnego tworzywa rozpuszczonego w rozpuszczalniku toluenowym. Nie spiesz się. Odczekaj tę dobę. Toluen rozpuszcza butapren i mimo, że po godzinie wydaje się suchy możesz zepsuć efekt swojej pracy.

Nawet zakładając, że jestem ślepy jak kret i mierzę w saunie to krótkoterminowa dokładność odczytu to tylko +/- 1działka skali. Czyli najprościej licząc co najmniej 100 razy lepsza niż dokładność mojego miernika za ..... złotych. A zbudowany elektroniczny mikrowoltomierz analogowy kosztował nie więcej niż 15zł. No i dwa popołudnia. Skala - przed i po!Czyli warto było.

Na zakończenie: wcześniej pisałem, że mikroamperomierze (czasami z dziwnymi skalami) na popularnych portalach aukcyjnych dostępne bywają za kilka-kilkanaście złotych. Te skale  "z dobrymi podziałkami" to - bywa - kosztują po kilkadziesiąt złotych i skutecznie odstraszają potencjalnych nabywców.
Obrazek obok ukazuje, że przy pomocy prostych narzędzi (tu GIMP) można spreparować sobie dowolną skalę. W przypadku liniowych (typu 30/100działek) to kwestia 1-2 godzin. Może to też warto opisać? Wydruk na papierze samoprzylepnym załatwia resztę.

Jeśli jesteś zainteresowany tym co jeszcze udało mi się zrobić z lutownicą w ręku zapraszam do Warsztatu krótkofalowca.