設計寬帶模擬電壓和電流表

在數字儀表現在如此廣泛使用的情況下提供純模擬儀表可能會(huì )令人驚訝。然而，眾所周知，數字儀表在模數轉換器(ADC)之前具有模擬電路。頻率從低于 20 Hz 到 200 kHz 的寬帶模擬電壓表在過(guò)去已被廣泛使用，并且仍然非常有用。

在數字儀表現在如此廣泛使用的情況下提供純模擬儀表可能會(huì )令人驚訝。然而，眾所周知，數字儀表在模數轉換器(ADC)之前具有模擬電路。頻率從低于 20 Hz 到 200 kHz 的寬帶模擬電壓表在過(guò)去已被廣泛使用，并且仍然非常有用。
寬帶模擬儀表的主要技術(shù)指標
使用現代運算放大器（op amps），我們的模擬儀表的設計可以大大簡(jiǎn)化。此設計使用價(jià)格合理的組件提供 20 Hz 至 1 MHz（10 Hz 時(shí)為 -1 dB）的平坦帶寬。 
在接地端插入0.1 Ω電阻不會(huì )顯著(zhù)降低電流的電路中，增加測量電流的能力并不難。如果儀表是電池供電的或安全等級 2 結構，則接地連接不必是實(shí)際接地。
六個(gè)電壓量程分別為 1、10、100 mV 和 1、10、100 V 滿(mǎn)量程，而四個(gè)電流量程分別為 10、100 mA 和 1、10 A 滿(mǎn)量程。該設計包含一個(gè)寬帶峰值檢測器，可以切換其靈敏度以讀取正弦波信號的峰值電壓或均方根 (RMS)電壓。
可以插入外部濾波器以提供特殊的頻率響應。此功能還允許將儀表用作兩個(gè)具有切換可變增益的獨立放大器。 
該儀器將使用兩節 9 V 電池或一個(gè) 9-0-9 V 電源裝置供電。每個(gè)電池的電流消耗低于 25 mA（沒(méi)有任何發(fā)光二極管 (LED)指示器），因此可以預測較長(cháng)的使用壽命。
模擬儀表項目——一般說(shuō)明
儀器框圖如圖1所示。

圖 1.寬帶模擬儀表框圖。

輸入衰減器/電流模式選擇器是必需的，因為我們要測量高達 100 V 的電壓，并且它們不能直接應用于放大器。選擇電流模式時(shí)，沒(méi)有開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)與電流檢測電阻器串聯(lián)，從而消除了潛在的誤差源。付出的小代價(jià)是電流模式操作需要一個(gè)單獨的連接器。
使用兩個(gè)運算放大器達到增益
放大器需要大約 1000 (60 dB) 的增益才能為 1 mV 輸入提供滿(mǎn)量程讀數。這是通過(guò)使用LM4562中的兩個(gè)運算放大器實(shí)現的，每個(gè)運算放大器的增益為 31.62。LM4562 實(shí)際上用于高保真前置放大器，因此它具有低噪聲和低失真以及寬帶寬。失調電壓不是很熱，但在本應用中可以克服。 
由于有兩個(gè)放大器級，因此很容易提供連接器和開(kāi)關(guān)，以便可以在兩個(gè)放大器之間插入其他電路，如果在第二個(gè)放大器的輸出端添加另一個(gè)連接器，它們也可以用作獨立放大器。
選擇您的檢測器：半波、“真有效值”和全波峰值
必須就提供的檢測器類(lèi)型做出重要決定，以將放大信號轉換為直流電，以便操作數字顯示器或指針式儀器。簡(jiǎn)單的檢測器是半波平均型，它告訴我們很少關(guān)于信號的信息，并且可能在未檢測到的半周期中隱藏顯著(zhù)的電壓偏移。 
在復雜度的另一端是“真 RMS”檢測器，標記為“真”以區別于平均檢測器，后者的增益已被調整以讀取波信號的 RMS 值，而不是所有其他信號的 RMS 值。如果您想知道信號的 RMS 值，這很好，但價(jià)格合理的設備是 AD736，它的頻率限制為 200 kHz，而放大器的工作頻率高達 1 MHz 或更高。 
第三種類(lèi)型的檢測器是全波峰值檢測器，它可以以合理的價(jià)格構建。通常需要測量信號的峰值，因為它可能表明信號鏈中的某些部分過(guò)載和削峰。只要波形沒(méi)有明顯削波，通過(guò)將峰值除以 1.4 或乘以 0.7 也很容易找到正弦波信號（即使失真高達 10%）的 RMS 值。這很容易安排，因為它需要一個(gè) 3 dB 衰減器才能接通。 
另一個(gè)簡(jiǎn)單的衰減器在量程開(kāi)關(guān)的 20 dB（10 倍）步長(cháng)之間進(jìn)行插值，這使得指針式儀器上所有高于 0.5 mV 的指示都位于刻度的上半部分。兩種衰減器都可以應用。
搜索已發(fā)布的工作頻率高達 1 MHz 的全波峰值檢測器被證明是徒勞的，但通過(guò)合并來(lái)自?xún)蓚€(gè)不合適的檢測器的技術(shù)，找到了一個(gè)解決方案，使用另一個(gè) LM4562 和兩個(gè) RF 雙極晶體管 BF140。當然也可以使用其他具有類(lèi)似或更好特性的三極管，但不適合BC547/847等通用三極管。
項目的電路設計方面
對于這個(gè)實(shí)驗，塊是單獨描述的，它們的原理圖（放大器除外）使用雙運算放大器和 2 極開(kāi)關(guān)，因此，將它們分開(kāi)會(huì )造成混淆。如果在單個(gè)頁(yè)面上顯示，整個(gè)原理圖太大而無(wú)法辨認。運算放大器的電源連接僅顯示為 V+ 和 V–，在電源模塊中也顯示為避免使用過(guò)多的長(cháng)線(xiàn)。
輸入衰減器和電流模式開(kāi)關(guān)
輸入衰減器和電流模式開(kāi)關(guān)的原理圖如圖 2 所示。

圖 2.輸入衰減器和電流模式開(kāi)關(guān)。 

開(kāi)關(guān)顯示在靈敏度位置。從較低位置開(kāi)始順時(shí)針移動(dòng)，開(kāi)關(guān)步長(cháng)為電流模式 (10 mA)、100 V、10 V 和 1 V。
電流傳感器電阻器（以及項目中使用的所有電阻器，除非另有說(shuō)明）應具有 ±1% 的容差，因此它不是一個(gè)便宜的組件，但可以負擔得起。另一種方法是并聯(lián)使用一個(gè) 0.15 Ω 電阻器和另一個(gè)值，選擇接近 0.1 Ω。除非金屬外殼，否則不應繞線(xiàn)，否則電感可能會(huì )在高頻時(shí)引入誤差：100 nH 在 1 MHz 時(shí)為 628 mΩ。 
請注意，電流檢測電阻器在輸入連接器兩端連接得盡可能近，以免引入額外電阻。同理也沒(méi)有串聯(lián)隔直電容。如果使用額定功率為 1 W 或更高的組件，任何小于 10 A 的直流組件都不會(huì )引起問(wèn)題。
如果使用更高的直流電壓，C2 應該是額定值為 250 V 或更高的聚酯薄膜電容器。
微調電容器用于調整衰減以使其在高頻下正確。這些值對我有用，但電容非常依賴(lài)于結構，因此您可能需要不同的值或配置。
和第二放大器和范圍開(kāi)關(guān)
原理圖如圖 3 所示。 

圖 3.和第二個(gè)放大器和范圍開(kāi)關(guān)。

開(kāi)關(guān)的布置使得沒(méi)有未使用的電阻連接到信號電路；它們附著(zhù)在地面上。下一節將介紹 3 /10/13 dB 衰減器和“外部濾波器”的切換。
開(kāi)關(guān)顯示在 1 V 位置。每一步改變每個(gè)開(kāi)關(guān)極點(diǎn)上 10 dB 的增益，給出 20 dB 步長(cháng)（10 次）。
反饋電阻器 R10 和 R16 的低值是獲得寬帶寬的關(guān)鍵。它們需要盡可能接近 2.2 k Ω，這可能意味著(zhù)要從多個(gè)組件中進(jìn)行選擇。 
R5 和 R10 可以是 E96 系列值 71.5 Ω 或 82 Ω || 560 Ω（|| 表示“并聯(lián)”）。R6 和 R11 為 180 Ω || 3.3 千歐。R7 和 R12 為 820 Ω || 10 千歐。其他組合顯然是可能的。此外，R8 和 R13 可以為 220 kΩ。 
有必要盡可能接近所需值，因為儀器的精度取決于它。應盡可能避免使用預置電阻，或使用優(yōu)質(zhì)元件；否則，校準穩定性將受到影響。 
請注意，使用 2.2 kΩ 和 220 kΩ 電阻器進(jìn)行反饋增益設置會(huì )產(chǎn)生增益為 1.01 (0.086 dB) 的同相放大器，該增益足夠接近 1。 
附加衰減器和外部濾波器連接器
3 dB（峰值到 RMS 正弦波）和 10 dB（刻度放大器）衰減器以及外部濾波器開(kāi)關(guān)如圖 4 所示。 

圖 4. 3/10/13 dB 衰減器和外部濾波器連接器圖 [單擊圖像放大]。

和以前一樣，有必要測量電阻器并選擇接近所需值的電阻器。在這種情況下，可以使用 E12 值，但代價(jià)是為 -13 dB 網(wǎng)絡(luò )增加一個(gè)電阻器。 
檢查 E12 系列電阻器提供所需衰減的能力非常有用。表 1 顯示了結果。 

表 1.作為衰減比函數的誤差。

使用測量值電阻器，可以通過(guò)添加一個(gè)低值電阻器與任何太低的電阻器串聯(lián)來(lái)化誤差。例如，如果 3 dB 的電阻恰好是 3.3 kΩ 和 8.2 kΩ，則可以通過(guò)添加與 3.3 kΩ 串聯(lián)的 82 Ω 來(lái)修復誤差。
在該網(wǎng)絡(luò )中使用撥動(dòng)開(kāi)關(guān)非常方便，當然也可以使用撥動(dòng)開(kāi)關(guān)或旋轉開(kāi)關(guān)。
峰值檢測器和儀表 
峰值檢測器如圖 5 所示。

圖 5. 顯示峰值檢測器的圖表 [單擊圖像放大]。

它具有確保寬帶寬的三個(gè)功能： 
? 這些電路中的電阻值遠低于通常情況
? 級使用 肖特基二極管
? 兩個(gè)射極跟隨器用于化第二級輸出端的負載
BAT54二極管可以用BAT85代替。如果量程開(kāi)關(guān)設置不正確，D3 可保護儀表免受過(guò)大電流的影響。 
原型中使用的BF240設備可以替換為具有非常相似特性的其他設備。雖然它是一個(gè)舊設備，但它仍然可用并用于 FM 無(wú)線(xiàn)電 RF 階段，因此用于相同服務(wù)的其他設備可能也適用。請記住， BC547和2N3904等通用設備不適用。
此外，R23和R26可以由兩個(gè)1k電阻組成，R32也可以由10k和56k電阻并聯(lián)組成。其值的選擇是為了使預置電阻器調整到在 1 kHz 時(shí)以 1 V RMS 輸入在儀表上讀取 1 V 并應用 3 dB 衰減器，應該在其軌道的一半左右。 
可以連接一個(gè)數字顯示器來(lái)代替 R32、RV1 和儀表 M。
電源
電源電路如圖 6 所示。

圖 6. 顯示電源的圖表。

100 nF 電容器應盡可能靠近走線(xiàn)電源側的 IC 引腳安裝。如果走線(xiàn)先到 IC 引腳再到電容，就會(huì )有不需要的電感與電容串聯(lián)，用 100 nF 的電容諧振不需要太多電感。
寬帶模擬儀表項目的性能
除非合格（例如，通過(guò)“取決于布局”），否則數字基于原型的測量值。
? 輸入電阻（所有電壓范圍）： 1 MΩ ±1%
? 輸入電容： 20 pF（取決于布局）
? 頻率響應：從 20 Hz 到 1 MHz 平坦：10 Hz 和 1.2 MHz 時(shí)為 -1 dB。
? 電壓范圍： 1–10–100 mV–1–10–100 V；精度取決于量程開(kāi)關(guān)和衰減器電阻與其正確值的接近程度。
? 直流輸出：在電壓輸入端施加 1 kHz 時(shí)的 1 V RMS，范圍開(kāi)關(guān)設置為 1 V，電路中有 3 dB 衰減器，R29 和 R30 連接點(diǎn)的直流輸出電壓應在 0.95 范圍內V 到 1.05 V。如果不是，請稍微調整 R16 的值（不要糾正大的錯誤）。
? 電流范圍： 10–100 mA –1 A。精度取決于范圍切換的精度以及電流檢測電阻器 R1 與正確值的接近程度。
? 直流輸出：在電流輸入端施加 1 kHz 時(shí)的 1 A RMS，范圍開(kāi)關(guān)設置為 100 mV，電路中有 3 dB 衰減器，R29 和 R30 連接點(diǎn)的直流輸出電壓應在 0.95 范圍內V 到 1.05 V。如果不是，請稍微調整 R1 的值（不要糾正大的錯誤）。
您可以通過(guò)使用帶有 8 Ω ±1% 電阻器（僅耗散 0.125 W，因此 ? W 部分是可以的）與輸出和電流輸入串聯(lián)的音頻放大器來(lái)產(chǎn)生 1 A。調整輸入信號電平以在 8 Ω 電阻器上獲得 8 V RMS。
每個(gè)范圍設置的頻率響應如圖 7、8、9 和 10 所示。 

圖 7. 1 V 范圍內 1 V 輸入的頻率響應 [單擊圖像放大]。

圖 8. 100 mV 范圍內 100 mV 輸入的頻率響應 [單擊圖像放大]。 

圖 9. 10 mV 范圍內 10 mV 輸入的頻率響應 [點(diǎn)擊圖片放大] 

圖 10. 1 mV 范圍內 1 mV 輸入的頻率響應 [單擊圖像放大]。

1.2 MHz 處的響應超出掃描儀的范圍，因此使用信號發(fā)生器對其進(jìn)行測量。在此范圍內，由于小輸入和高增益，走線(xiàn)上會(huì )出現少量噪聲。圖 11 顯示了電流表在 100 mA 時(shí)的響應。

圖 11. 電流表在 100 mA 時(shí)的響應 [點(diǎn)擊圖片放大]。

可選的外部過(guò)濾器
外部濾波器的輸入電阻應為 10 kΩ 或更大，輸出電阻應為 1 kΩ 或更小。