Progettazione di un misuratore analogico di tensione e corrente a banda larga

Potrebbe essere sorprendente offrire un misuratore puramente analogico quando i misuratori digitali sono ormai così ampiamente utilizzati. Tuttavia, non è noto che i misuratori digitali abbiano circuiti analogici che precedono il convertitore analogico-digitale (ADC). I voltmetri analogici a banda larga, con frequenze da meno di 20 Hz fino a 200 kHz, sono stati ampiamente utilizzati in passato e sono ancora molto utili.

Con i moderni amplificatori operazionali (amplificatori operazionali), la progettazione del nostro misuratore analogico può essere notevolmente semplificata. Questo design fornisce una larghezza di banda piatta da 20 Hz a 1 MHz (-1 dB a 10 Hz) utilizzando componenti a prezzi ragionevoli.

Non è difficile aggiungere la possibilità di misurare correnti in circuiti in cui l'inserimento di una resistenza di 0,1 Ω all'estremità messa a terra non riduce significativamente la corrente. Se il misuratore funziona a batteria o è costruito in Classe di sicurezza 2, il collegamento a terra non deve essere una messa a terra effettiva.

I sei intervalli di tensione sono 1, 10, 100 mV e 1, 10,100 V fondo scala, mentre i quattro intervalli di corrente sono 10, 100 mA e 1, 10 A fondo scala. Il progetto incorpora un rilevatore di picco a banda larga, la cui sensibilità può essere commutata per leggere la tensione di picco o la tensione efficace (RMS) di un segnale sinusoidale.

È prevista la possibilità di inserire filtri esterni per fornire risposte in frequenza speciali. Questa caratteristica consente inoltre di utilizzare il misuratore come due amplificatori separati con guadagno variabile commutato.

Lo strumento funziona con due batterie da 9 V o con un alimentatore di rete da 9-0-9 V. Il consumo di corrente è inferiore a 25 mA per ciascuna batteria (senza alcun indicatore a diodi emettitori di luce (LED)), quindi è possibile prevedere una lunga durata.

Lo schema a blocchi dello strumento è mostrato in Figura 1.

L'attenuatore di ingresso/selettore della modalità corrente è necessario poiché vogliamo misurare tensioni fino a 100 V e non possono essere applicate direttamente all'amplificatore. La modalità corrente viene selezionata in modo tale che non vi sia alcun contatto di commutazione in serie con il resistore di rilevamento della corrente, eliminando così una potenziale fonte di errore. Il piccolo prezzo da pagare è che per il funzionamento in modalità corrente è necessario un connettore separato.

L'amplificatore richiede un guadagno di circa 1000 (60 dB) per fornire una lettura a fondo scala per un ingresso di 1 mV. Ciò si ottiene utilizzando i due amplificatori operazionali nell'LM4562, con guadagni di 31,62 ciascuno. L'LM4562 è in realtà destinato ai preamplificatori hi-fi, quindi ha un basso rumore e una bassa distorsione, insieme ad un'ampia larghezza di banda. Non è così caldo sulla tensione di offset, ma può essere superato in questa applicazione.

Essendo gli stadi amplificatori due, è facile prevedere connettori e commutazioni in modo da poter inserire altri circuiti tra i due amplificatori, e possono essere utilizzati anche come amplificatori indipendenti se si aggiunge un ulteriore connettore all'uscita del secondo amplificatore.

È necessario prendere una decisione importante riguardo al tipo di rilevatore fornito per trasformare il segnale amplificato in CC per il funzionamento di un display digitale o di uno strumento puntatore. Il rilevatore più semplice è del tipo a semionda media, che ci dice poco sul segnale e può nascondere un'escursione significativa di tensione nel semiciclo non rilevato.

All'altra estremità della scala di complessità c'è il rilevatore "true-RMS", etichettato come "vero" per distinguerlo da un rilevatore medio il cui guadagno è stato ottimizzato per leggere il valore RMS di un segnale d'onda ma non di tutti gli altri. Questo va bene se vuoi conoscere il valore RMS del segnale, ma l'unico dispositivo dal prezzo ragionevole è l'AD736, che è limitato a 200 kHz, mentre l'amplificatore funziona fino a 1 MHz e oltre.

Il terzo tipo di rilevatore è il rilevatore di picco a onda intera e può essere costruito a un prezzo ragionevole. Molto spesso è necessario misurare il valore di picco di un segnale, poiché potrebbe indicare che qualcosa nella catena del segnale è sovraccarico e con picchi tagliati. È anche facile trovare il valore RMS di un segnale sinusoidale (anche con una distorsione fino al 10% circa) dividendo il valore di picco per 1,4 o moltiplicando per 0,7, purché la forma d'onda non sia significativamente tagliata. Questo è facilmente realizzabile perché richiede l'inserimento di un attenuatore da 3 dB.