В практике радиолюбителя нет-нет, да и возникнет необходимость достаточно точного измерения величин, выходящих за пределы имеющихся в распоряжении измерительных приборов. Примером может послужить задача измерения малых сопротивлений: сопротивления токового шунта, соединительных проводов, паразитного сопротивления катушки индуктивности. Другой пример - необходимость оценки емкости конденсаторов в десятки тысяч микрофарад. В этой ситуации на помощь может прийти предлагаемое устройство, которое позволяет существенно расширить пределы измерений обычного мультиметра в сторону малых сопротивлений - больших емкостей.

Как можно догадаться из названия статьи, устройство представляет собой умножитель импеданса, т.е. четырехполюсник (рис. 1), входной импеданс которого с левой стороны Z равен подключенному с правой стороны импедансу Zx, умноженному на постоянный коэффициент N.

 

Рис. 1.

 

Взяв N=1000 мы получим возможность измерять сопротивление в миллиомах (считывая показания в омах) и емкость в тысячах микрофарад (считывая показания в микрофарадах). Теоретически, с подобным прибором можно проводить и измерение индуктивностей, но эта задача, в силу некоторой специфики измерения малых индуктивностей, выходит за рамки данной статьи.

 

 

Упрощенная схема устройства, поясняющая принцип его работы, приведена на рис. 2.

 

Рис. 2.

 

Преобразователь ток-напряжение на ОУ DA1 вместе с вычитающим усилителем на ОУ DA2 поддерживают на резисторе R7 напряжение, пропорциональное падению напряжения на резисторе R1 независимо от величины напряжения на входе. Таким образом, ток через резистор R7, а, следовательно, и через измеряемый импеданс Zx, определяется входным током и отношением величин этих резисторов. Для нормальной работы устройства, вычитающий усилитель должен как можно точнее выполнять свою функцию, т.е. как можно точнее должно выполняться равенство R6/R2 = R4/R3 = K, где K - коэффициент передачи вычитающего усилителя. Ток через импеданс Zx тогда будет равен Izx = I×K×R1/R7, где I - входной ток. Неинвертирующий усилитель на ОУ DA3 усиливает напряжение на импедансе Zx и передает результат на вход устройства (напряжение между входами охваченного отрицательной обратной связью ОУ равно нулю), определяя таким образом значение входного напряжения. Проведя несложные преобразования можно увидеть, что импеданс со стороны входа Z = Zх×K×(R1/R7)×(1+(R3+R4)/R5). Важным частным случаем этого равенства является случай, когда все резисторы вычитающего усилителя равны между собой (R2=R3=R4=R6). Тогда K=1 и Z = Zх×(R1/R7)×(1+2×R3/R5), и, соответственно, N = (R1/R7)×(1+2×R3/R5). Легко видеть, что отношение R1/R7 определяет ток, которым возбуждается Zx, а усиление усилителя напряжения определяется резисторами R3, R4 и R5. Обе эти величины не зависят друг от друга. Данная особенность позволяет в достаточно широких пределах варьировать режимы работы устройства в зависимости от параметров примененных компонентов и требуемых методик измерения. 

 

 

Полная принципиальная схема устройства показана на рис. 3.

 

Рис. 3.

 

От приведенной выше схемы она отличается наличием защиты со стороны входа мультиметра и дополнительным узлом на ОУ DA3 формирующим искусственную среднюю точку с возможностью смещения ее потенциала в нужную сторону для более полного использования источника питания. Конденсаторы C5-C7 обеспечивают необходимую частотную коррекцию. Устройство питается от трех батареек типа AAA (LR03). Оно выполнено в виде двух смонтированных друг над другом небольших печатных плат (рис. 4) и размещено вместо четвертой батарейки в слегка доработанном стандартном корпусе типа SBH-441AS с выключателем. Там же расположен индикаторный светодиод с резистором (рис. 5). Все необходимые для повторения материалы находятся в приложении.

 

Рис. 4.

 

Рис. 5.

 

На принципиальной схеме приведены номиналы компонентов, которые реально установлены в экземпляре устройства, однако их величины можно варьировать в пределах примерно плюс-минус 50%, главное, чтобы точно выполнялись приведенные соотношения. Величину резистора R2 не следует выбирать большей 680 ом; при питании от трех батарей может не хватить запаса выходного напряжения ОУ DA1. Как уже говорилось, очень важно обеспечить точность работы вычитающего усилителя, для этого следует тщательно отобрать четыре одинаковых резистора (R3, R4, R5 и R8). Остальные резисторы (с допуском 1%) отбирать не нужно. Для облегчения расчета величин резисторов, в приложении дан файл RCalc.xlsx.

 

 

Перед использованием устройство необходимо откалибровать. Для калибровки подойдет любой резистор в диапазоне 100-200 ом (его номинал нужно выбрать таким, чтобы на табло омметра было как можно больше значащих цифр). Величину сопротивления этого резистора нужно измерить омметром и затем подключить его в качестве Zx к устройству. Далее нужно точно измерить значение преобразованного сопротивления (см. пункт "Измерение сопротивления с повышенной точностью") и отрегулировать подстроечным резистором R7 коэффициент преобразования так, чтобы значение сопротивления резистора в омах было равно показанию омметра в килоомах.

 

 

Для измерения сопротивлений и оценки емкости нужно измеряемый резистор или конденсатор подключить ко входу Zx и измерить сопротивление (емкость) на входе устройства. Полярность подключения щупов может быть любой. Иногда, при измерении относительно больших сопротивлений (малых емкостей), для получения результата может понадобиться выключить и заново включить питание устройства, не отключая измерительные цепи.

Следует обратить внимание, что перед измерением конденсаторов их следует тщательно разрядить. Устройство не содержит защиты от подключения заряженного конденсатора!

Необходимо также отметить, что на точность измерения емкости оказывают влияние частотные характеристики примененных ОУ. Отсутствие эталонной емкости величиной в несколько тысяч микрофарад не позволило достоверно оценить степень этого влияния. И, хотя, показания прибора выглядят более чем правдоподобно, речь может идти лишь об оценке измеряемой емкости. Тем не менее, устройство позволяет легко провести отбор и разбраковку конденсаторов большой емкости, а также определение их номинала.

 

 

В данном устройстве измерение сопротивления производится на постоянном токе, причем получение результата связано с измерением малых величин напряжений. Очевидно, что различного рода паразитные потенциалы оказывают существенное влияние на точность. Тем не менее, существует способ, позволяющий значительно снизить это влияние. Для этого нужно провести измерение сопротивления два раза, подключив щупы омметра (мультиметра) в разной (противоположной) полярности. В качестве результата нужно взять среднее арифметическое этих измерений, тогда влияние паразитных факторов взаимно скомпенсируется.