Калибратор напряжения своими руками

Добавил пользователь Alex
Обновлено: 10.09.2024

При обслуживании оборудования КИП систем автоматики часто возникает необходимость имитировать выходной сигнал датчика с токовым выходом, датчика термосопротивления или датчика с выходным сигналом напряжения. Такая необходимость возникает, например, при пуско-наладочных работах, при выходе из строя датчика и отсутствии резерва, проверке срабатывания схем сигнализации и т.п. Разберем способы имитации наличия сигналов от датчиков с токовыми выходами 0-5, 0-20 или 4-20 мА (с пассивным или активным выходом), датчиков с выходным сигналом напряжения 0-1, 0-5 или 0-10В и датчиков термосопротивления (с двух-, трех- и четырехпроводной схемой подключения).

Имитировать выходной сигнал датчиков с токовым выходом проще всего с помощью специальных калибраторов токовой петли - они позволяют установить любое значение тока с высокой точностью. Если калибратора токовой петли под рукой нет, то задать нужный ток можно либо с помощью переменного резистора (для имитации датчика с пассивным токовым выходом), либо с помощью батареи и переменного резистора (для имитации датчика с активным токовым выходом).

С помощью переменного резистора проще всего имитировать выходной сигнал датчика 4-20 мА. При этом номинал переменного резистора (значение его максимального сопротивления) подбирается исходя из величины напряжения питания (+U пит) на входных клеммах вторичного прибора и минимальной величины тока, которую мы планируем имитировать. Например, при напряжении +U пит равном 24В (величину этого напряжения можно узнать в руководстве по эксплуатации вашего вторичного прибора) и минимальном имитируемом токе 4 мА, нужен резистор сопротивлением не ниже 24В/4мА=6 кОм. Обычно резисторы с номиналом ровно 6 кОм не выпускаются, поэтому берем резисторы на 6,2 кОм из стандартного ряда номиналов или несколько больше. Не будет большой проблемой если вы возьмете резистор и на 10, 22, 51 и т.д. кОм, но в этом случае тяжелее будет установить требуемый ток, так как даже небольшой поворот оси резистора будет приводить к значительному изменению сопротивления и, следовательно, выходного тока.

Необходимо учитывать, что с помощью переменного резистора не очень удобно имитировать датчики с выходом 0-5 и 0-20 мА (но в принципе можно). Особенно значения выходного тока, близкие к 0, в том случае, когда требуется высокая точность задания тока. В этом случае все же лучше применять калибраторы токовой петли.

При использовании резистора в качестве задатчика тока необходимо помнить о том, что при одном из его крайних положений, когда сопротивление резистора равно нулю, ток в измерительной цепи может существенно превышать допустимые 5 или 20 мА. И в некоторых случаях это может привести к выходу из строя или входного канала вторичного прибора (если в нем нет ограничения величины входного сигнала) или другого оборудования, находящегося перед входом вторичного прибора (например, барьеры искро- или взрывозащиты). Для исключения эффекта перегрузки входа рекомендуется последовательно с переменным резистором подключить постоянный резистор. Номинал этого резистора зависит от напряжения +U пит вторичного прибора и величины максимального тока, например, 24 мА. По закону Ома номинал такого резистора будет равен 24В/24мА=1 кОм.

Для имитации токового сигнала датчика с активным выходом кроме переменного резистора потребуется еще и внешний источник питания (батарейка, аккумулятор, блок питания). Величина напряжения данного источника питания не должна быть меньше чем указано в руководстве по эксплуатации на вторичный прибор (возможно ограничение максимальной величины входного тока) и уж тем более величина напряжения источника питания не должна быть больше чем указано в инструкции - иначе можно выжечь вход вторичного прибора.

Полярность включения внешнего источника питания также зависит от схемотехники входного канала вторичного прибора. Поэтому перед подключением прочтите инструкцию на вторичный прибор. Для ограничения максимального тока в цепи также рекомендуется использовать ограничительный постоянный резистор, включенный последовательно с переменным.

Для имитации выходного сигнала датчика с выходным сигналом напряжения 0-1, 0-5 или 0-10В также понадобиться переменный резистор и источник питания (батарейка или АКБ). Но в данном случае резистор подключается параллельно батарейке и выполняет не функцию шунта, а функцию делителя напряжения. Номинал резистора может быть любым, но желательно достаточно большим, чтобы, во-первых, уменьшить величину потребляемого от источника питания тока и, во-вторых, не шунтировать высокое входное сопротивление вторичного прибора. Рекомендуемый номинал переменного резистора от 10 кОм до 200 кОм и более.

Напряжение источника питания (батарейки, АКБ) по возможности должно быть чуть больше чем максимальное значение имитируемого сигнала. При имитации сигнала 0-1В в качестве источника питания рекомендуется использовать одну пальчиковую батарейку или аккумулятор формата АА напряжением 1,5 или 1,2В соответственно. Для сигнала 0-5В - четыре пальчиковых батарейки по 1,5В или аккумулятор на 6В, для сигнала 0-10В - один аккумулятор на 12В.

В качестве задатчика напряжения также можно использовать лабораторный блок питания постоянного тока с регулируемым выходным напряжением в пределах 0-10В.

Имитация подключения датчика термосопротивления для измерения температуры осуществляется с помощью одного переменного резистора. В зависимости от схемы подключения (двух-, трех-, или четырехпроводная) схема подключения будет несколько отличаться. Для имитации работы основных градуировок датчиков термосопротивления 100П, 50П, Pt100, Pt50, Cu100, Cu50, 50М, 100М в диапазоне температур от минус 50 до плюс 300 градусов будет достаточно номинала резистора 220 Ом.

Конкретную схему подключения переменного резистора к входным клеммам вторичного прибора уточняйте в инструкции по эксплуатации вторичного прибора, учитывая, что перемычки, изображенные на рисунке расположенном выше, выполняют роль компенсационной жилы.

В качестве переменных резисторов во всех приведенных выше схемах лучше применять многооборотистые переменные или подстроечные резисторы - в этом случае выставить нужное значение тока или сопротивления будет намного проще. Но как уже говорилось ранее для имитации сигналов от датчиков луччше использовать специальные калибраторы токовой петли, стоимость которых начинается от 6000 руб (Овен РЗУ-420).

Электронные измерительные приборы существуют давно. А просто электрические (те же вольтметры стрелочные) еще больше. И всегда важным вопросом была точность показаний и связанная с этим процедура калибровки.

Калибровка могла быть довольно простой, например, подбор сопротивлений резисторов и шунтов или их подгонка надфилем. Если требовалась периодическая подстройка и калибровка, то устанавливали подстроечные резисторы. А если подстройка требовалась часто, например, в омметрах или усилителях постоянного напряжения, то подстроечный резистор выводился наружу.

В сложных измерительных приборах количество элементов подстройки могло быть очень большим, причем их влияние могло быть взаимозависимым. В результате, настройка становилась итерационной, а в документации на прибор появлялся раздел о настройке и калибровке. Да, раньше в СССР документация на измерительные приборы была очень подробной.

Сегодня многое переведено из аналоговой обработки в цифровую. Многое, но не все. Необходимость в калибровке не пропала, но вот методы несколько изменились. А россыпи подстроечных элементов заменили записанные в ПЗУ калибровочные константы. Конечно, далеко не все можно заменить электронной подстройкой.

Для любителей иногда цифровая, программная, калибровка кажется сложной и не до конца понятной. Между тем, все устроено довольно просто. Давайте посмотрим, как цифровая калибровка может быть реализована для некоего абстрактного измерительного прибора. Рассматривать будем самый простой случай.

Электронный измерительный прибор. Абстрактный, но вполне реальный

Электронный измерительный прибор, в общем случае, состоит из:

Датчика, который преобразует не электрический параметр, например, температуру или перемещение, в параметр электрический, например, напряжение или ток. Если измеряемый параметр уже электрический, то датчик все равно присутствует. Например, входной делитель вольтметра или шунт амперметра тоже являются датчиками.
Нормирующего усилителя, который приводит сигнал с датчика к уровням, которые могут быть обработаны и измерены. Кроме того, нормирующий усилитель может выполнять согласование сопротивлений датчика и схемы измерения/преобразования.
Схемы измерения/преобразования. Например, преобразователь напряжение-частота с последующим частотомером. Сегодня это скорее всего будет АЦП и микроконтроллер.
Устройства отображения, которое преобразует результат обработки и измерения в вид воспринимаемый человеком. Это может быть как стрелочный индикатор, так и цифровой индикатор. И даже интерфейс для передачи информации в компьютер.

Не все эти элементы будут присутствовать в любом измерительном приборе.

Что бы наш разговор стал более предметным, давайте посмотрим на условный электронный вольтметр без АЦП, но с цифровым отображением результата измерения

Здесь у нас есть датчик, входной делитель напряжения, который обеспечивает несколько диапазонов измерения. Предполагаем, что резисторы делителя обладают достаточной стабильностью и точностью.

Есть нормирующий усилитель, который имеет высокое входное сопротивление, что для вольтметра важно, преобразующий напряжение после входного делителя к уровню необходимому для преобразователя напряжения в частоту. Коэффициент усиления нормирующего усилителя может подстраиваться.

Преобразователь напряжение-частота и частотомер образуют блок преобразования/обработки. Конечно, сегодня проще использовать АЦП. Я привел вариант, который когда то был одним из наиболее распространенных в любительских приборах, лишь для примера, что схема обработки/преобразования может быть достаточно сложной.

Цифровой индикатор является устройством отображения. Кроме собственно индикатора, например, газоразрядных цифровых ламп, сюда же входит и схема управления им (высоковольтные дешифраторы, например).

Регулировка и калибровка

Какие элементы настройки нужно предусмотреть в таком вольтметре? Кроме уже показанной подстройки коэффициента усиления нормирующего усилителя? И какой должна быть процедура настройки и калибровки? Давайте будем считать, что преобразователь напряжение-частота линеен.

У нас три предела измерения, а регулировка усиления едина для все пределов. Эта регулировка позволит скомпенсировать неточность резисторов, задающих коэффициент усиления, и разброс коэффициентов усиления усилителя без ОС. В конечном итоге, усилитель не обязательно является ОУ с большим коэффициентом усиления.

Наш усилитель является усилителем постоянного напряжения. А значит, сразу возникает вопрос смещения нуля. Эта регулировка на нашей функциональной схеме не показана, но это требуется.

Резисторы делителя будем считать прецизионными, что позволяет исключить их подбор и регулировку, достаточно обеспечить соответствие результатам расчета. Если же требуется повышенная точность, то резисторы придется или подбирать, или "подгонять", например, лазером. Разумеется, лазерная подгонка в любительских условиях выглядит крайне маловероятной.

Преобразователь напряжение-частота может иметь несколько регулировок. В частности, регулировки линейности и коэффициента преобразования. Давайте примем, что линейность обеспечивается схемотехнически, а вот коэффициент преобразования подстраивается.

Частотомер настройки не требует, так как использует кварцевый генератор, который обеспечивает высокую точность.

Итого, получаем минимум три органа регулировки: баланс, усиление, коэффициент преобразования. Не так много, но не так и мало. Три подстроечных резистора, которые лучше всего взять многооборотными.

Процедура настройки и калибровки может быть примерно такой:

Выбрать второй диапазон измерений. Все настройки выполняются на этом диапазоне.
Замкнуть накоротко вход вольтметра. Выбрать второй диапазон измерения. Установить нулевые показания на индикаторе регулятором баланса. Это регулировка "баланса", напряжения смещения нуля усилителя. Выполняется на среднем диапазоне измерений .
Подать на вход вольтметра эталонное напряжение соответствующее верхнему пределу измерения на втором диапазоне измерений. Установить заданное напряжение на выходе усилителя регулятором усиления.
Повторить пункты 2 и 3 несколько раз, добиваясь наилучшей настройки нормирующего усилителя. Этот пункт нужен, если регулировки смещения и коэффициента усиления влияют друг на друга .
Подать на вход вольтметра напряжение соответствующее верхнему пределу на втором диапазоне измерений. Установить на индикаторе верное значение измеренного напряжения регулятором коэффициента преобразования.

Зачем отдельно регулировать усиление и коэффициент преобразования? По той причине, что наш вольтметр может использовать готовые функциональные блоки, каждый из которых настраивается отдельно. Да, это несколько утрированно, но мы рассматриваем обобщенный случай. Если у нас вместо преобразователя напряжение-частота и частотомера используется АЦП, то пункт 5 может вообще не потребоваться. А может потребуется регулировка опорного напряжения, если не используется готовый ИОН.

Можем ли мы заменить все эти регулировки подстроечных резисторов электронными? Да, можем.

Электронная цифровая настройка и калибровка

Давайте вернемся в наше время и будем использовать АЦП, а не преобразование напряжения в частоту. При этом не важно, будет АЦП отдельным, или будет входить в состав микроконтроллера, который и будет управлять работой вольтметра.

Здесь не показан индикатор, так как он управляется, как и все остальное, микроконтроллером и не важен для дальнейшего рассмотрения. Давайте рассмотрим некоторые элементы функциональной схемы нашего вольтметра подробнее.

Во первых, теперь коэффициент усиления нормирующего усилителя не регулируется. Теперь нам не нужна высокая точность абсолютного значения коэффициента усиления. Чуть позже станет понятно, почему.

Во вторых, теперь нам не требуется вручную закорачивать вход вольтметра на землю, это делает полевой транзистор, затвором которого управляет микроконтроллер.

Других особенностей, на первый взгляд, нет. На самом деле, они просто скрыты от глаз внутри микроконтроллера. Это, разумеется, программа, которая и реализует алгоритм калибровки. И сам алгоритм калибровки, который мы сейчас будем рассматривать. И перепрограммируемое ПЗУ, которое и хранит результат калибровки в виде калибровочных констант.

Немного математики

Давайте вспомним уравнение прямой в прямоугольной системе координат. Эта прямая может проходить через начало координат, а может и не проходить.

При этом прямая обязательно будет проходить через начало координат. Так как нулевому входному напряжению должен соответствовать и нулевой код на выходе. А вот в реальном устройстве прямая может и не проходить через начало координат. И основная причина здесь в том самом напряжении смещения нормирующего усилителя. Вертикальное смещение прямой и учитывается слагаемым b в уравнении прямой. Это выходной код соответствующий нулевому напряжению на входе. Мы скоро рассмотрим это подробнее.

Коэффициент k определяет угол между прямой и осью X. Этот коэффициент соответствует коэффициенту усиления нормирующего усилителя. Если не учитывать коэффициент деления входного делителя. А если учитывать, то произведению коэффициента передачи входного делителя на коэффициент усиления нормирующего усилителя.

Коррекция напряжения смещения

Если помните, в процедуре ручной настройки этот шаг тоже был первым. Дело в том, что напряжение смещения нормирующего усилителя дает постоянную абсолютную погрешность для любого измерения, в любой точке диапазона входных напряжений.

Конечно, мы можем использовать прецизионный усилитель, но это не обязательно исключит необходимость коррекции напряжения смещения. Обратите внимание, я говорю о напряжении смещения без детализации, чем это вызвано. То есть, разность токов входов тоже учитывается в едином параметре "напряжение смещения".

Теперь мы можем полностью автоматически выполнять корректировку напряжения смещения. Причем во время работы, между отдельными результативными измерениями. Нам не требуется использовать выводы балансировки ОУ, мы будем считывать выходной код при открытом полевом транзисторе, то есть, при закороченном входе, что соответствует нулевому напряжению на входе усилителя. И использовать это для компенсации смещения.

Может возникнуть вопрос, а не повлияет ли сопротивление канала полевого транзистора? Ведь на входе вольтметра может быть максимально допустимое напряжение, а сопротивление канала не нулевое. Нет, не повлияет. Если входное сопротивление нормирующего усилителя большое. Сопротивление резистора между входом вольтметра и переключателем диапазонов измерения во много раз (на несколько порядков) больше сопротивления канала даже такого дешевого и распространенного транзистора, как 2N7002 (порядка 10 Ом).

Для компенсации напряжения смещения микроконтроллер открывает транзистор, закорачивая тем самым вход усилителя. После чего считывает выходной код АЦП. Считанное значение и будет слагаемым b из уравнения прямой. Оно определяет вертикальный сдвиг прямой. Можно закрыть транзистор и вернуться к нормальным измерениям.

Теперь мы можем сохранить это значение, причем для этого не требуется ПЗУ так как мы в любой момент может снова получить это значение. А при выполнении измерений мы будем вычитать его из результата измерения. Возвращая прямую в начало координат.

Таким образом, нам не обязательно использовать прецизионный усилитель с малым дрейфом. Достаточно периодически выполнять процедуру определения смещения обновляя "калибровочную константу" смещения нуля.

Коррекция погрешности коэффициента деления входного делителя и коэффициента усиления нормирующего усилителя

Да, обе эти погрешности можно скомпенсировать одновременно, одним шагом. Но вот автоматического определения поправки тут уже не получится. Зато мы сможем использовать и не самые прецизионные резисторы в делителе, и обычные резисторы для задания коэффициента усиления.

Теперь у нас уже скомпенсировано слагаемое b, осталось скомпенсировать погрешность коэффициента k. А еще точнее, мы просто будем вычислять коэффициент, причем для каждого диапазона измерения в отдельности. И вычисленные коэффициенты мы будем сохранять в ПЗУ (перепрограммируемом). Где они и будут храниться между калибровками/"поверками".

Для выполнения калибровки нам надо перевести микроконтроллер в режим калибровки. Этот режим просто соответствует выполнению не программы измерений, а программы калибровки. Как именно микроконтроллер будет переведен в этот режим нам сейчас совершенно не важно.

Теперь мы выбираем первый диапазон измерений и подаем на вход вольтметра напряжение соответствующее верхней точке диапазона. Как вариант, требуемое напряжение может быть оговорено отдельно. Но максимально возможное для данного диапазона напряжение даст максимально точное вычисление коэффициента.

Нам осталось как то сигнализировать микроконтроллеру, что он может зафиксировать результат. Микроконтроллер считывает выходной код АЦП, вычитает из него код напряжения смещения (уже определенного автоматически) и делит на него напряжение на входе вольтметра. Таким образом мы и получаем коэффициент k для данного диапазона.

Остается повторить эту последовательность для оставшихся диапазонов. Таким образом, мы получим три коэффициента, для нашего примера. теперь микроконтроллер выходит из режима калибровки и сохраняет вычисленные коэффициенты в ПЗУ. Все, мы можем выполнять измерения.

Может показаться, что вычисление коэффициентов требует операций с плавающей запятой, так как результат будет дробным. Но это не так. Коэффициент по сути является весом, в вольтах, одного шага АЦП. Имеет смысл представлять входное напряжение не в вольтах, а в милливольтах. Или даже в долях милливольт, вплоть до микровольт. Таким образом операция деления будет целочисленной, хоть разрядность и потребуется высокой.

Кстати, это же позволит и операцию умножения выходного кода АЦП на коэффициент, для отображения результата измерения, выполнять целочисленно. Положение запятой мы можем определить отдельно.

Что мы получили в итоге?

Как видим, цифровая программная калибровка не самом деле достаточно проста. Да, я опустил, сознательно, многие детали и тонкости. Но с помощью незначительного усложнения схемы прибора (а может наоборот, упрощения?), и с помощью более значительно усложнения программы управления прибором, мы смогли избавиться от механических элементов регулировки.

При этом мы получили, в качестве несколько сомнительно бонуса, если честно, возможность использовать не прецизионные, а просто достаточно точные компоненты. В любительских конструкциях это вполне допустимо. А для многих будет решающим снижение стоимости комплектующих.

Разумеется, процедуру калибровки можно существенно усложнить, что даст возможность корректировать и нелинейность функции преобразования. Как кусочно-линейной аппроксимацией, так и сплайнами. Это потребует более мощного микроконтроллера и большего усложнения схемы прибора. Насколько это целесообразно решить можете только вы.

Заключение

Цифровая настройка и калибровка довольно просты. Просты лежащей в их основе идеей. Практические же реализации могут быть весьма сложными. Все определяется требуемой точностью и функциональностью. Цифровая калибровка сегодня широко используется, как в готовых микросхемах, так и реализованная схемотехнически и программно из обычных комплектующих. Причина понятна. Это не только удобно, но и технологично. Ведь калибровку можно выполнять автоматически в процессе производства, что экономит средства и исключает влияние человеческого фактора в лице настройщика с отверткой. Но это еще и повышает надежность, так как исключает механические элементы регулировки.

Сейчас используется множество измерительных приборов, в том числе многофункциональных, таких как цифровые мультиметры, осциллографы смешанных сигналов и др. Все они, как и компоненты массового применения (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности), требуют периодической калибровки и тестирования. В статье описан новый класс измерительных приборов — многофункциональные калибраторы, которые осуществляют калибровку и тестирование разнообразных современных приборов, компонентов и технологических средств.

Введение

Стационарные калибраторы напряжения и тока ГС8.033

В отличие от указанных величин, прецизионных источников напряжения и тока в природе нет. Применяемые иногда химические элементы (например, нормальные) имеют неудобные номиналы, а их применение затруднено многочисленными ограничениями. Поэтому для калибровки напряжения и тока приходится разрабатывать высокоточные электронные устройства — калибраторы.

измерение постоянного напряжения от 10 до 450 В;
измерение действующего значения фазового напряжения от 10 до 308 В;
измерение действующего значения междуфазного напряжения от 17,32 до 532 В;
относительную погрешность измерения 0,016+0,001x(Uн/Uк–1));
основную частоту переменного напряжения и тока от 45 до 55 Гц;
фазовый сдвиг, регулируемый от 0° до 360°;
потребляемую мощность до 250 ВА.

Его габаритные размеры — 450x145x360 мм, а масса — 10 кг.

Калибраторы (источники-измерители) фирмы Keithley

В области создания калибраторов постоянного напряжения и тока, особенно для применения в микроэлектронике и нанотехнологиях [2, 3], мировым лидером является фирма Keithley (США). Компания выпускает свыше десятка типов таких калибраторов, в последние годы на нашем рынке их представляет, например, российская компания Eliks. Приборы имеют единообразное исполнение и отличаются диапазонами тока и напряжения, стоимостью и областью применения.

К примеру, источники/измерители Keithley SourceMeter 2430-C (рис. 4) — это одноканальные комбинированные приборы, объединяющие в одном корпусе:

высокостабильный малошумящий программируемый источник питания с режимом электронной нагрузки;
прецизионный 5,5-разрядный цифровой мультиметр;
генератор тока (с TrueRMS);
генератор мощных токовых импульсов.

Рис. 4. Калибратор (источник-измеритель) Keithley 2430-С

Упрощенная функциональная схема приборов показана на рис. 5 и хорошо поясняет основные функции приборов — калибровку напряжений и токов. SourceMeter 2430-C позволяют снимать и регистрировать семейства вольт-амперных характеристик различных нелинейных приборов. Затем полученные данные можно распечатать на принтере.

Рис. 5. Упрощенная функциональная схема калибратора Keithley 2430-С

Рис. 6. 4-квадрантная рабочая область калибратора Keithley 2430-С

ток: от 10 пА до 10 А;
напряжение: от 1 мкВ до 1100 В;
мощность: от 20 до 1000 Вт.

Общие характеристики калибраторов:

Калибраторы — параметрические анализаторы корпорации Agilent

Один из лидеров мирового рынка измерительных приборов — крупная корпорация Agilent Technologies — не осталась в стороне от разработки и серийного выпуска высокоточных многофункциональных калибраторов — параметрических анализаторов.

Прецизионный параметрический анализатор B2912A компании Agilent (рис. 7) представляет собой настольный двухканальный прибор умеренной стоимости, совмещающий 4-квадрантные источники и измерители тока и напряжения [4]. Это позволяет с высокой точностью измерять вольт-амперные характеристики различных устройств без изменения конфигурации подключения и дополнительного оборудования. Прибор имеет умеренные габариты (88x213x480 мм) и массу (5 или 6,4 кг). Потребляемая от промышленной сети мощность — 250 Вт. Дисплей приборов — жидкокристаллический, с LED-подсветкой; его размер по диагонали — 4,3 дюйма, а разрешение — 480x272 пикселя.

Рис. 7. Внешний вид анализатора B2912A корпорации Agilent

Благодаря широкому диапазону выходного напряжения и силы тока и высокому разрешению, анализатор B2912A обеспечивает высокую точность определения характеристик тестируемого устройства. Интуитивно понятный графический пользовательский интерфейс на основе цветного ЖКИ с различными режимами отображения повышает эффективность тестирования, отладки и определения параметров полупроводниковых приборов, компонентов и материалов.

Измерительные возможности анализатора:

Два канала c минимальным разрешением 10 фA/100 нВ (для источника) и 10 фA/100 нВ (для измерителя).
Максимальное выходное напряжение: 210 В.
Максимальный выходной ток: 3 A (в режиме постоянного тока), 10,5 A (в импульсном режиме).
Генерация сигналов произвольной формы и оцифровка сигналов с интервалом от 10 мкс.

Общие возможности прибора:

Рис. 8. Области напряжения и тока анализатора В2912A: а) в режиме постоянного тока или импульсном; б) только в импульсном режиме

Многофункциональные стационарные калибраторы Fluke

В последние 20 лет массовое применение получили цифровые мультиметры, позволяющие измерять до десятка параметров, а иногда и больше. Наряду с все еще применяемыми аналоговыми измерительными приборами они требуют периодической калибровки. Вместо множества калибраторов частного применения для этого были созданы многофункциональные стационарные (рис. 9) и переносные калибраторы. Лидером по их производству стала американская компания Fluke.

Рис. 9. Рабочее место с настольным калибратором Fluke

Fluke выпускает несколько моделей универсальных стационарных калибраторов. Так, калибраторы Fluke-5500A (рис. 10) предназначены для калибровки, настройки и поверки цифровых и аналоговых портативных и настольных мультиметров, термометров (термопар и RTD), измерителей мощности, регистраторов данных, токоизмерительных клещей, различных типов самописцев, щитовых измерительных приборов, портативных промышленных калибраторов, анализаторов качества электроэнергии, измерителей сопротивления изоляции, а также многих других приборов.

Рис. 10. Настольный многофункциональный калибратор серии Fluke-5500A

Калибратор серии Fluke-5500A генерирует постоянное напряжение и ток, переменное напряжение и ток с различной формой сигнала и гармониками, имеет два независимых выхода напряжения или по одному напряжения и тока. Он имитирует мощность с контролем фазы, а также сопротивление, емкость, сигналы термопар и терморезисторов (RTDs). К Fluke 5500 А можно заказать несколько опциональных модулей и вспомогательных принадлежностей, которые позволят получить законченное решение для калибровки большинства цифровых и аналоговых осциллографов с полосой до 600 МГц.

Fluke-5520A обеспечивает возможность калибровки цифровых мультиметров на 5,5 и 6,5 разряда. Fluke-5520A способны удовлетворить весьма широкие запросы, вплоть до поддержки лабораторных мультиметров (как аналоговых, так и цифровых) до 6,5 разряда, а также термопар и терморезисторов, калибраторов процессов, регистраторов, самописцев, ваттметров, анализаторов гармоник, токовых клещей и адаптеров, аналоговых и цифровых портативных или настольных осциллографов (опционально), щитовых приборов, графических мультиметров, анализаторов параметров качества электроэнергии и других приборов.

Мультикалибратор Fluke-5520A выдает сигналы калиброванного постоянного и переменного напряжения и тока разнообразной формы (рис. 11), в том числе с гармониками, а также способен одновременно генерировать на двух выходах различное напряжение или напряжение и ток, моделируя мощность постоянного или переменного тока с контролем фазы. Помимо этого, прибор эмулирует сопротивление и емкость. Модель 5520A может измерять температуру с помощью термопар, влажность (соответствующим пробником) и давление (используя один из 28 модулей давления Fluke серии 700).

Рис. 11. Осциллограмма созданного калибратором сложного сигнала, имеющего участки модуляции и мерцания

Три опции обеспечивают возможности калибровки осциллографов (до 300 МГц, 600 МГц и 1,1 ГГц) со скоростью нарастания сигнала 125 пс (с опцией генератора импульсов на туннельном диоде 5800A/TDP), а также приборов контроля качества электроэнергии (5520A-PQ, стандарты IEC). Есть возможность работы с трехфазными измерителями мощности. Прибор может генерировать мощность до 21 кВт с различной формой сигнала и гармониками при объединении трех 5520A в единую систему, благодаря функции точной фразировки. Таким образом, суммарный выходной ток системы может достигать 100 А и более для прямого тестирования токовых клещей или силовых трансформаторов.

Опциональное программное обеспечение 5500/CAL на базе Microsoft Windows упрощает документирование процедур калибровки, а также сбор информации и подготовку отчетов в процессе работы с разнообразным оборудованием. Обмен данными производится по интерфейсу RS-232 при работе с калибраторами Fluke-5500A, Fluke-5520A и Fluke-5800A. Если необходимо управление по интерфейсу IEEE или требуется автоматизация калибровки дополнительных устройств, следует использовать программное обеспечение MET/CAL.

Другой калибратор, Fluke 9100 (рис. 12), обеспечивает генерацию напряжения постоянного тока от 0 до ±1050 В c очень малой погрешностью ±0,006% и напряжения переменного тока 0–1050 В с частотой от 10 Гц до 100 кГц с погрешностью ±0,04%. Предусмотрена калибровка постоянного тока от 0 до ±20 А (до 1000 А через токовую катушку) с погрешностью ±0,014% и переменного тока 0–20 А (до 1000 А через токовую катушку) с частотой от 10 Гц до 30 кГц и погрешностью ±0,07%. Мощность постоянного тока — от 1 мВт до 20 кВт (до 1 мВт через токовую катушку) ±0,03%, мощность переменного тока — от 1 мВт/мвар до 20 кВт/квар (до 1 МВт/Мвар через токовую катушку), погрешность ±0,125%.

Рис. 12. Прецизионный универсальный калибратор Fluke 9100

Резистивность измеряется калибратором в диапазоне 0–400 МОм с погрешностью ±0,015%, проводимость — от 2,5 нс до 2,5 мс ±0,04%, емкость — от 500 пФ до 40 мФ ±0,3%. Частота контролируется в пределах от 0,5 Гц до 10 МГц с погрешностью ±0,0025% (0,00025% с модулем 100). Коэффициент заполнения импульсного сигнала — 0,05– 99,95% ±35 нс, длительность импульса — от 0,3 мкс до 1999,99 мс ±0,0025% (0,00025% с модулем 100). Логические уровни — TTL, CMOS, ECL (ТТЛ, ЮМОП и ЭСЛ).

Формы сигнала: синусоидальная, прямоугольная, треугольная, трапецеидальная и импульсная, фаза ±180° ±0,07°. Сопротивление изоляции — от 0 кОм до 2 ГОм ±0,1%; напряжение (измеренное) — 0–1350 В ±0,6%; ток — от 1 мкА до 2,3 мА ±1,5%. Переходное сопротивление — 0–4 кОм ±0,035%, напряжение — 0–10 В ±1%, ток — 100–350 мА.

Температура: при применении термопары — +250…2320 °C ±0,17 °C; терморезистора RTD — +200…850 °C ±0,08 °C.

Возможно применение дополнительного модуля для калибровки осциллографов. Калиброванная синусоида — от 10 Гц до 600 МГц (с модулем 600) ±0,25%. Метки времени (маркеры) — от 2 нс до 5 с ±0,0025% (0,00025% с модулем 100). Потребляемая мощность — 01.10.2013 | Без рубрики
Оставить комментарий

. вроде бы вещь простая, однако редко, но нужная, особенно при конструировании самодельной техники - нарисовать шкалу, проверить настройку как ГПД-содержащих аппаратов, так и синтезаторов, частотомеров и т.п. И для проверки промышленного оборудования калибратор может быть полезным. Написано про КК в литературе достаточно, сделать его можно буквально за пару часов из подручного материала - выпаяных микросхем и мусорных кварцев, пересчитав только необходимые коэффициенты деления счётчиков. Мало того, даже счётчики не нужны, как нам это доказал уважаемый RA3AAE, и даже микросхемы могут не понадобится. Но это уже мелочи, вот только никто не выкладывает своих готовых конструкций для ознакомления, только схемки.
В моём случае было дано: кварц 20 МГц, кучка логики 155-й серии, трансформатор от китайской магнитолы и корпус блока питания от пиплметра. Рисуем схему из того, что попалось:

(на рисунке пропущена нумерация некоторых выводов ИЕ5: Q0 - 12, Q1 - 9)
Схема блока питания на 7805 стандартная и нам неинтересна.
Форма выходных импульсов с применёнными элементами будет разная на разных частотах, однако это абсолютно не важно - гармоник хватит.
Форма импульсов на 1 МГц - меандр

Сразу замечание: если в качестве переключателя применяем галетник или подобный, то выходной разделительный конденсатор можно использовать один. Если применяется П2К (как у меня), то лучше использовать три разделительных конденсатора между переключателем и микросхемами, а то вдруг внезапно подойдёт детёныш и нажмет нам две кнопки сразу, чем спалит выходы микросхем.
Размещаем готовое в корпусе. Используем монтажку вместо ваяния печатной платы.

В качестве выхода применено обычное гнездо, для того чтобы проще вставлять в него кусок провода в качестве излучающей антенны. Или, как вариант, срощенные вместе штеккер и антенну от телефона

Единственное, что нам осталось - настроить калибратор с использованием поверенного частотомера, хорошего нового современного трансивера или по сигналам с эфира, принимая станцию точного времени. Можно с помощью компьютера и программы редактирования звука, но точность установки частоты тут будет гораздо меньше,

В электрических схемах для изменения уровня выходного сигнала используется регулятор напряжения. Основное его назначение — изменять подаваемую на нагрузку мощность. C помощью устройства управляют оборотами электродвигателей, уровнем освещённости, громкостью звука, нагревом приборов. В радиомагазинах можно приобрести готовое изделие, но несложно изготовить регулятор напряжения своими руками.

Описание устройства

Регулятором напряжения называется электронный прибор, служащий для повышения или понижения уровня выходного сигнала, в зависимости от величины разности потенциалов на его входе. То есть это устройство, с помощью которого можно управлять значением мощности, подводимой к нагрузке. При этом регулировать подаваемый уровень энергии можно как на реактивной, так и активной нагрузке.

Самым простым устройством, с помощью которого можно изменять уровень сигнала, считается реостат. Он представляет собой резистор, имеющий два вывода, один из которых подвижный. При перемещении ползункового вывода реостата изменяется сопротивление. Для этого он подключается параллельно нагрузке. Фактически это делитель напряжения, позволяющий регулировать величину разности потенциалов на нагрузке в пределах от нуля до значения, выдаваемого источником энергии.

Использование реостата ограничено мощностью, которую можно через него пропустить. Так как при больших значениях тока или напряжения он начинает сильно нагреваться и в итоге перегорает, поэтому на практике применение реостата ограничено. Его используют в параметрических стабилизаторах, элементах электрического фильтра, усилителях звука и регуляторах освещённости небольшой мощности.

Разновидности приборов

По виду выходного сигнала регуляторы разделяют на стабилизированные и нестабилизированные. Также они могут быть аналоговыми и цифровыми (интегральными). Первые строятся на основе тиристоров или операционных усилителей. Их управление осуществляется путём изменения параметров RC цепочки обратной связи. Совместно с ними для повышения мощности применяются биполярные или полевые транзисторы. Работа же интегральных устройств связана с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ), поэтому в цифровой схемотехнике используются микроконтроллеры и силовые транзисторы, работающие в ключевом режиме.

При изготовлении самодельного регулятора напряжения могут быть использованы следующие элементы:

Первые два типа имеют несложные схемы и довольно просты к самостоятельной сборке. Их можно изготавливать без использования печатной платы с помощью навесного монтажа, в то время как импульсные регуляторы на основе микроконтроллеров требуют более обширных знаний в радиоэлектронике и программировании.

Характеристика регулятора

По своему виду приспособления могут изготавливаться в портативном или стационарном исполнении. Устанавливаются они в любом положении: вертикальном, потолочном, горизонтальном.

Устройства могут крепиться с использованием дин-рейки или встраиваться в различные блоки и приборы. Конструктивно регуляторы возможно изготовить как корпусными, так и без помещения в корпус.

К основным характеристикам устройств относят следующие параметры:

Плавность регулировки. Обозначает минимальный шаг, с которым происходит изменение величины разности потенциалов на выходе. Чем он плавнее, тем точнее можно выставить значение напряжения на выходе.
Рабочая мощность. Характеризуется значением силы тока, которое может пропускать через себя прибор продолжительное время без повреждения своих электронных связей.
Максимальная мощность. Пиковая величина, которую кратковременно выдерживает устройство с сохранением своей работоспособности.
Диапазон входного напряжения. Это значения входного сигнала, с которым устройство может работать.
Диапазон изменяемого сигнала на выходе устройства. Обозначает значения разности потенциалов, которое может обеспечить устройство на выходе.
Тип регулируемого сигнала. На вход устройства может подаваться как переменное, так и постоянное напряжение.
Условия эксплуатации. Обозначает условия, при которых характеристики регулятора не изменяются.
Способ управления. Выставление выходного уровня сигнала может осуществляться пользователем вручную или без его вмешательства.

Особенности изготовления

Изготовить регулирующее приспособление можно несколькими способами. Самый лёгкий -приобрести набор, содержащий уже готовую печатную плату и радиоэлементы, необходимые для сборки своими руками. Кроме них, набор содержит электрическую и принципиальную схему с описанием последовательности действий. Такие наборы называются KIT и предназначены для самых неопытных радиолюбителей.

Другой путь подразумевает самостоятельное приобретение радиокомпонентов и изготовление в случае необходимости печатной платы. Используя второй способ, можно будет сэкономить, но он занимает больше времени.

Существует множество схем разного уровня сложности для самостоятельного изготовления. Но чтобы сделать регулятор напряжения, кроме схемы, понадобится подготовить следующие инструменты, приборы и материалы:

Если планируется собирать устройство, состоящее из 6 и более элементов, то целесообразно будет смастерить печатную плату. Для этого необходимо иметь фольгированный текстолит, хлорное железо и лазерный принтер.

Техника изготовления печатной платы в домашних условиях называется лазерно-утюжной (ЛУТ). Её суть заключается в распечатывании печатной платы на глянцевом листе бумаги, и переносом изображения на текстолит с помощью проглаживания утюгом. Затем плату погружают в раствор хлорного железа. В нём открытые участки меди растворяются, а закрытые с переведённым изображением формируют необходимые соединения.

При самостоятельном изготовлении прибора важно соблюдать осторожность и помнить про электробезопасность, особенно при работе с сетью переменного тока 220 В. Обычно правильно собранный регулятор из исправных радиодеталей не нуждается в настройке и сразу начинает работать.

Простые схемы

Для управления величиной выходного напряжения для слабо мощных устройств можно собрать простой регулятор напряжения на 2 деталях. Понадобится лишь транзистор и переменный резистор. Работа схемы проста: с помощью переменного резистора происходит индуцирование (отпирание транзистора).

Если управляющий вывод резистора находится в нижнем положении, то напряжение на выходе схемы равно нулю. А если вывод перемещается в верхнее положение, то транзистор максимально становится открытым, а уровень выходного сигнала будет равен напряжению источника питания за вычетом падения разности потенциалов на транзисторе.

При изменении сопротивления регулируется величина напряжения на выходе. В зависимости от типа транзистора изменяется и схема включения. Чем номинал переменного резистора будет меньше, тем регулировка будет плавней. Недостатком схемы является чрезмерный нагрев транзистора, поэтому чем больше будет разница между Uвх и Uвых, тем он будет сильнее нагреваться.

Такую схему удобно применять для регулировки вращения компьютерных вентиляторов или других слабых двигателей, а также светодиодов.

Симисторный вид

Для регулировки переменного напряжения используются симисторные регуляторы, с помощью которых можно управлять мощностью паяльника или лампочки. Собрав схему на недорогом и доступном симисторе BT136, можно изменять мощность нагрузки в пределах 100 ватт.

Для сборки схемы понадобится:

Наименование	Номинал	Аналог
Резистор R1	470 кОм
Резистор R2	10 кОм
Конденсатор С1	0,1 мкФ х. 400 В
Диод D1	1N4007	1SR35–1000A
Светодиод D2	BL-B2134G	BL-B4541Q
Динистор DN1	DB3	HT-32
Симистор DN2	BT136	КУ 208

Принцип работы регулятора заключается в следующем: через цепочку, состоящую из динистора DN1, конденсатора C1 и диода D1, ток поступает на симистор DN2, что приводит к его открытию. Момент открытия зависит от ёмкости C1, которая заряжается через резисторы R1 и R2. Соответственно, изменением сопротивления R1 управляется скорость заряда C1.

Несмотря на простоту, такая схема отлично справляется с регулировкой вольтажа нагревательных устройств, использующих вольфрамовую нить. Но так как такая схема не имеет обратной связи, использовать её для управления оборотами коллекторного электродвигателя нельзя.

Реле напряжения

Для автолюбителей важным элементом является устройство, поддерживающее напряжение бортовой сети в установленных пределах при изменении различных факторов, например, оборотов генератора, включении или выключении фар. Использующиеся для этого приборы работают по одинаковому принципу – стабилизация напряжения путём изменения тока возбуждения. Иными словами, если уровень сигнала на входе изменяется, то устройство уменьшает или увеличивает ток возбуждения.

Собранная схема своими руками реле-регулятора напряжения должна:

работать в широком диапазоне температур;
выдерживать скачки напряжения;
иметь возможность отключения во время запуска мотора;
обладать малым падением разности потенциалов.

Упрощённо принцип работы можно описать в следующем виде: при величине напряжения, превышающей установленное значение, ротор отключается, а при её нормализации запускается вновь. Основным элементом схемы является ШИМ стабилизатор LM 2576 ADJ.

Микросхема TC4420EPA предназначена для моментального переключения транзистора. С помощью резистора R3, конденсатора C1 и стабилитронов VD1, VD2 осуществляется защита микросхемы и полевого транзистора. Резисторы R1 и R2 задают опорное напряжение для стабилизатора. DD1 управляет работой полевого транзистора и ротора. Диод D2 используется для ограничения управляющего напряжения. Индуктивность L1 обеспечивает плавность разрядки ротора через диоды D4 и D5 при размыкании цепи.

Управляемый блок питания

Конструируя различные схемы, радиолюбители часто собирают источники напряжений. Спаяв регулятор постоянного напряжения своими руками, его можно будет использовать как управляемый блок питания в диапазоне от 0 до 12В.

Собираемый источник напряжения состоит из 2 частей: блока питания и параметрического регулятора напряжения. Первая часть изготавливается по классической схеме: понижающий трансформатор — выпрямительный блок. Типом используемого трансформатора, выпрямительных диодов и транзистора определяется мощность устройства. Переменное напряжение сети понижается в трансформаторе до 11 вольт, после чего попадает на диодный мост VD1, где становится постоянным. Конденсатор C1 используется как сглаживающий фильтр. Сигнал поступает на параметрический стабилизатор, состоящий из резистора R1 и стабилитрона VD2.

Параллельно стабилитрону подключён резистор R2, которым и изменяется уровень выходного напряжения. Транзисторы включены по упрощённой схеме эмиттерного повторителя, и при появлении на их переходах напряжения начинают работать в режиме усиления тока. То есть сигнал, снятый с R2, поступает на выход прибора через транзисторы, которые снижают его значение на величину своего насыщения. Таким образом, чем больше подаётся на них напряжение, тем сильнее они открываются и больше мощности поступает на выход.

Этот регулируемый блок питания может работать с нагрузкой до трёх ампер, то есть обеспечивать мощность до 30 ватт. Если есть опыт, то схема паяется навесным монтажом с использованием проводов любого сечения.

Читайте также: