Патрик Гёлль - Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

Не надо рассматривать схему, приведенную на рис. 6.1, как образец высокоточного прибора — это небольшое, но полезное устройство, предоставляющее немалые возможности.

Рис. 6.1. Принципиальная схема входного усилителя

Главный компонент схемы — сдвоенный операционный усилитель LM358, разработанный очень давно и широко распространенный. Он может работать с напряжениями, очень близкими к нулю, даже без двухполярного питания. Простой девятивольтовой гальванической батарейки вполне хватит для питания описываемого устройства, которое потребляет ток не более одного миллиампера (500 часов непрерывной работы с новой щелочной батареей).

Из напряжения питания +9 В микросхемой TLE2425 производства компании Texas Instruments формируется стабильное напряжение 2,5 В. Обычно эта микросхема используется в устройствах для получения «виртуальной земли».

Хотя напряжения 2,5 В даже при единичном усилении вполне достаточно для сдвига нуля в середину рабочего диапазона 0–5 В, при отсутствии микросхемы TLE2425 допустимо применение интегрального стабилизатора 78L05. При этом параметры будут менее стабильны, а потребление тока увеличится. Расположение выводов обеих микросхем одинаково.

Многооборотный потенциометр R9 с сопротивлением 10 кОм служит для подачи части выходного напряжения микросхемы TLE2425 на резисторный сумматор. На этот же сумматор поступает и входное напряжение, которое может подаваться напрямую (разъем DC — открытый вход) или через разделительный конденсатор С ехt(разъем АС — закрытый вход), как и у обычных осциллографов.

Использование входа АС позволяет убрать из входного сигнала постоянную составляющую (обычно присутствующую), а затем при помощи потенциометра R9 подобрать такую ее величину, которая максимально упростит проведение измерений. Емкость неэлектролитического конденсатора С eхt(желательно, чтобы он был рассчитан на напряжение 400 В) будет зависеть от условий измерений: величина 1 мкФ позволяет работать на очень низких частотах, а величины 0,1 мкФ достаточно для работы в звуковом диапазоне.

Номиналы резисторов (с точностью 1 %) были рассчитаны таким образом, чтобы первый каскад имел единичное усиление, а входное сопротивление составляло 1 МОм. Резистор с сопротивлением 500 кОм можно получить, соединив параллельно два резистора по 1 МОм каждый.

Второй каскад имеет переключаемый коэффициент усиления 1, 10,100, а многооборотный потенциометр R10 22 кОм позволяет либо точно откалибровать усиление при настройке, либо регулировать его плавно — так же, как это можно проделать при помощи обычного осциллографа, вращая ручку «Усиление плавно».

Конечно, ничто не мешает использовать иные номиналы резисторов для получения других коэффициентов усиления: 2, 5 и т. д.

Для реализации коэффициента усиления 100 в цепи обратной связи операционного усилителя используется резистор с номиналом 1 МОм, для коэффициента усиления 10 — параллельное соединение резисторов 100 кОм и 1 МОм. Для реализации единичного усиления (схема повторителя) применена обычная перемычка.

Для обеспечения высокой точности устройства калибровку надо проводить при коэффициенте усиления 10, так как режим «х100» используется редко и, кроме того, в этом режиме операционный усилитель LM 358 подвержен влиянию эффекта смещения нуля (которое едва ли будет скомпенсировано полностью).

Следует обратить внимание на то, что, если не используется версия с оптронной развязкой, общий провод усилителя (в частности, входных разъемов) соединен с общим проводом АЦП, и, следовательно, с корпусом ПК. Очевидно, что непреднамеренная подача слишком большого напряжения на вход усилителя или самого АЦП может привести и к его попаданию на материнскую плату ПК.

Описываемое устройство нельзя рассматривать как защитное: оно не предназначено для этой цели. Пользователь при проведении измерений сам должен предпринять все необходимые меры предосторожности и помнить, что ПK более уязвим, нежели осциллограф или мультиметр.

Рассмотрим конструкцию усилителя. На рис. 6.2 приведена топологическая схема печатной платы, на которой размещены все элементы устройства.

Рис 6.2. Топологическая схема печатной платы входного усилителя

Монтажная схема приведена на рис. 6.3; на ней показаны также соединительные колодки для подключения проводов входных и выходных сигналов. При необходимости можно подключить внешний источник питания вместо гальванической батареи 9 В. Это может понадобиться, например, при проведении очень длительного измерительного процесса.

Рис. 6.3. Монтажная схема входного усилителя

Внешний вид платы с установленными элементами показан на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Внешний вид плоты входного усилителя

Вне платы будет смонтирован только входной конденсатор C ext, размеры которого могут быть весьма большими, если выбран номинал 1 мкФ х 400 В.

Многооборотные подстроенные потенциометры R9 и R10 могут предназначаться как для печатного монтажа, так и для монтажа на панель. Второй подход более предпочтителен, особенно для регулятора установки нуля, пользоваться которым придется довольно часто.

Выбор коэффициента усиления может осуществляться при помощи блока перемычек (при редком использовании) либо при помощи тумблера или переключателя (при регулярном использовании). Но в большинстве случаев достаточно тумблера с положениями «х1» и «х10».

Размеры платы позволяют разместить се вместе с гальванической батареей в металлическом корпусе типа ЕМ 06/03 ESM. Несколько отверстий в корпусе позволят установить все органы управления, а также, если понадобится, две приборные розетки BNC (СР50-73).

Устройство очень легко настроить, даже не подавая на нею внешний входной сигнал. При установке переключателя перемычек в положение «единичное усиление» и в режиме «открытый вход» (DC) необходимо «закоротить» вход усилителя. Простое вращение ручки регулятора «Установка нуля» должно привести к изменениям показаний виртуального вольтметра в пределах от 0 до 2,5 В (показания должны увеличиваться в десять раз при переходе на режим «х10»). В таком случае, естественно, АЦП не может обработать входное напряжение выше 5 В и будет формировать кодовую комбинацию, соответствующую максимуму шкалы.