USB логарифмический вольтметр – измеритель АЧХ

Автор: El-Eng
Опубликовано 14.04.2015
Создано при помощи КотоРед.

Идею разработки этого прибора подсказали участники форума сайта “РадиоКот”, которых заинтересовала моя статья USB DDS Функциональный генератор. В процессе обсуждения этого устройства, было высказано пожелание дополнить его приспособлением для автоматического измерения амплитудно-частотных характеристик. Идея показалась мне интересной и, в поиске вариантов ее реализации, я обратил внимание на микросхему AD8310 фирмы “Analog Devices”, которая представляет собой широкополосный логарифмический детектор, идеально подходящий для решения поставленной задачи: достаточно добавить АЦП и обеспечить передачу данных в компьютер. Получившийся широкополосный логарифмический вольтметр может быть использован и как самостоятельный прибор.

Краткие технические характеристики логарифмического вольтметра:

• Диапазон частот выходного сигнала (по уровню 3дБ): 35Гц – 100МГц*
• Максимальное напряжение входного сигнала: 1.13 В (действ.)*
• Входное сопротивление: 1 МОм
• Входная емкость: 10 пФ
• Максимальная ошибка измерения уровня в полном частотном диапазоне: 3дБ*
• Максимальная ошибка измерения уровня известной частоты: 0.4дБ*
• Уровень шума: не более 200мкВ (действ.)
• Форма измеряемого сигнала: синусоида, треугольник, меандр
• Питание вольтметра осуществляется от шины USB
• Обеспечивается гальваническая развязка измеряемой цепи

*В соответствии со справочными данными примененных микросхем.

Примечание: Максимальное напряжение входного сигнала и входное сопротивление прибора могут быть увеличены применением стандартного пассивного осциллографического щупа 10:1.

Принципиальная схема.

Рис.1.

Принципиальная схема вольтметра приведена на Рис.1. Входной сигнал поступает через разделительные конденсаторы C4, C7 на вход повторителя U1, обеспечивающего высокое входное сопротивление вольтметра. Интегратор U4 компенсирует напряжение смещения входного повторителя, обеспечивая максимально возможный размах его выходного напряжения. Это напряжение поступает на вход логарифмического детектора. Сигнал с выхода детектора, через RC-фильтр нижних частот (нужный для уменьшения шума наложения) подается на вход АЦП, управляемого микроконтроллером через узел гальванической развязки. Питание входного узла также гальванически развязано от шины питания компьютера. Микроконтроллер обеспечивает сбор данных от АЦП и их передачу по шине USB. Для поддержки протокола обмена данными по шине USB использована программная библиотека V-USB, позволяющая обойтись без применения дополнительных микросхем.

Печатная плата.

Печатная плата разработана для размещения в стандартном корпусе G431 фирмы Gainta. Корпус необходимо доработать – проделать отверстия для входного разъема и разъема типа B шины USB.
Рисунки печатной платы для позитивного и негативного процессов (слой Top дан в зеркальном отображении) находятся в файле 01.zip приложения. Там же содержатся список компонентов, принципиальная и монтажная схемы. В этом файле также находятся прошивка для микроконтроллера и картинка для пояснения правильной установки FUSE-битов.
На печатной плате, в фильтре напряжения питания измерительной цепи, предусмотрена установка как керамического чип-конденсатора (С21), так и выводного электролитического конденсатора (С29). Его номинал следует выбрать в районе 47.0 мкФ. Устанавливать оба конденсатора необходимости нет.
После проверки работоспособности устройства, на его входную часть нужно установить экран. Рисунок экрана дан в приложении. Экран можно изготовить из тонкого одностороннего фольгированного текстолита или (как сделано у меня) из куска медной луженой фольги с прокладкой из диэлектрика. В этом случае удобно распечатать рисунок экрана на листе плотной писчей бумаги, наклеить его клеящим карандашом на кусок фольги и обрезать по контуру. Экран монтируется пайкой на четыре штыря, установленные в переходные отверстия, отмеченные кружками на монтажной схеме (см. Рис.2, 3).

Рис.2.

Рис.3.

Рис.4.

Рис.5.

Следует отметить, что принципиальная схема вольтметра была изменена в процессе первичной отладки экземпляра устройства, соответственно была изменена и печатная плата. Однако экземпляр устройства с использованием модифицированной печатной платы не изготавливался.

 Проверка работоспособности.

Внимание! Считаю необходимым предупредить, что манипуляции с шиной USB вы производите на свой страх и риск. Хотя шина USB достаточно хорошо защищена от повреждений, а устройство не содержит узлов, способных вывести используемый компьютер из строя, вероятность такого исхода все же существует. Автор не несет никакой ответственности за последствия, наступившие в результате манипуляций, связанных с отладкой и использованием устройства.

Вольтметр не содержит каких-либо узлов, требующих настройки и регулировки. При условии исправных компонентов и правильного монтажа он сразу начинает работать. После подключения питания рекомендуется убедиться в наличии питания измерительной цепи (около 5В), а также проконтролировать опорное напряжение АЦП (~4.1В) и напряжение на выходе ОУ U1 (половина напряжения питания).
Перед первым подключением к шине USB рекомендуется запрограммировать микроконтроллер и FUSE-биты (будьте внимательны, микроконтроллер использует внутренний тактовый генератор!).
Если все сделано правильно, то после подключения к шине USB должна произойти стандартная процедура установки USB HID устройства TorLGV, при этом операционная система определяет его как USB устройство ввода.

Программа вольтметра.

Для работы с вольтметром в приложении 02.zip находится программа TorLGV.exe, окно которой приведено на Рис.6.

Рис.6.

Эта программа позволяет отображать измеренные значения напряжения в виде действующего значения (Vrms), децибел-милливатт на нагрузке 50 ом (dBm), децибел-милливатт на нагрузке 600 ом (dBu) и децибел-вольт (dBV) с учетом форм-фактора для синусоидального, треугольного и прямоугольного (меандр) сигнала. Кроме того, обеспечивается возможность использования пассивного осциллографического щупа 10:1, для которого предусмотрена отдельная калибровка.

Калибровка вольтметра.

Если калибровка вольтметра не была произведена, то программа выдаст об этом сообщение. Калибровка вольтметра производится по двум значениям синусоидального напряжения, которые рекомендуется выбирать отстоящими как можно далее друг от друга. Калибровка выполняется раздельно для режима x1 (кнопка [x10] отпущена) и для режима x10 (кнопка [x10] нажата). При калибровке входное напряжение не должно превышать 1В (действ.) режиме x1 и 10В (действ.) в режиме x10. Рекомендуемое значение частоты входного напряжения – около 1КГц, форма, как уже говорилось, синусоидальная.
Для калибровки вольтметра нужно нажать (при подключенном приборе) кнопку [C] и ввести значения входного напряжения в появляющиеся последовательно диалоговые окна. В режиме калибровки программа отображает в основном окне значения АЦП в шестнадцатеричном коде. Данные калибровки сохраняются в памяти вольтметра. Правильность сохраненных данных контролируется CRC-кодом.
Следует заметить, что калибровка вольтметра производится автоматически при подготовке к работе с программой измерения АЧХ.

Частотная компенсация щупа 10:1.

Использование пассивного осциллографического щупа10:1 рекомендуется для работы с логарифмическим вольтметром. Наиболее удобен щуп, имеющий переключатель x1 – x10. Перед использованием щупа 10:1 необходимо провести процедуру его частотной компенсации. Для этого на вход предварительно откалиброванного вольтметра необходимо подать меандр известной амплитуды с частотой около 1 КГц. Выбрав форм-фактор “меандр” необходимо при помощи компенсационного конденсатора переменной емкости щупа установить показания вольтметра, равные амплитуде меандра.
Примечание. Т.к. генератор TorDDS формирует однополярные (положительные) прямоугольные импульсы, а вольтметр TorLGV отсекает постоянную составляющую входного сигнала, показания вольтметра при правильно скомпенсированном щупе будут равны половине значения амплитуды, установленной в программе TorDDS.

Программа измерения АЧХ.

Основной целью разработки USB логарифмического вольтметра было его совместное использование с USB DSS функциональным генератором в составе комплекса для измерения амплитудно-частотных характеристик. В приложении 03.zip представлена предназначенная для этого программа TorFRA.exe. Для ее нормального функционирования необходимо наличие двух подключенных устройств TorDDS и TorLGV. При отсутствии какого-либо устройства программа перейдет в демо-режим.
Главное окно программы показано на Рис.7. Функциональное назначение органов управления, в основном, интуитивно понятно (надеюсь), остановлюсь лишь на некоторых особенностях.

Рис.7.

Органы управления в нижней части окна управляют разверткой по частоте и величиной выходного напряжения генератора. Диапазон развертки может быть задан как кнопками [Start] и [Stop], так и при помощи мыши. Кнопка [Lock] позволяет зафиксировать заданный диапазон от случайного изменения. Развертка может быть как непрерывная, так и однократная (задается кнопками [Auto] и [Single]), при обеих отпущенных кнопках генератор работает в режиме фиксированной частоты.
Органы управления в правой части окна предназначены для управления сбором данных и отображения результатов измерения. Группа органов Input управляет логарифмическим вольтметром. Кнопки Freq comp позволяют запомнить значение текущего измерения в специальный буфер, данные которого вычитаются из результатов последующих измерений. Действие отменяется автоматически при изменении частотного диапазона или времени развертки. При помощи кнопок Overlay значение текущего измерения можно запомнить в другом буфере, который будет отображаться на экране независимо от текущего измерения, если нажата кнопка [On]. Расположение буферов на оси частот индицируется цветом отрезка тонкой линии, разделяющей на экране график и установочную шкалу. Группа Cursors позволяет производить курсорные измерения полученной кривой АЧХ.
При помощи пункта меню <File>-<Save screen> можно сохранить изображение экрана программы в виде .bmp или .png файла, размер которого повторяет текущий размер экрана. Пункты меню <Utilities>-<Calibration> и <Utilities>-<Save calibration data> управляют калибровкой прибора (о них подробнее рассказано ниже), а при помощи <Utilities>-<Basic compensation off> можно отменить действие частотной компенсации, выполняемой в процессе калибровки. В этом случае для всех частот будут использоваться данные калибровки для частоты 1КГц. Этот режим может быть полезен для контроля АЧХ вольтметра, влияния соединительных кабелей и частотной компенсации щупа 10:1.

Подготовка к работе.

Перед началом использования прибора необходимо произвести его калибровку. Предварительно рекомендуется откалибровать функциональный генератор и при необходимости занести параметры канала синуса генератора и актуальное значение тактовой частоты в конфигурационный файл TorFRA.cfg, который должен располагаться в той же папке, что и файл программы TorFRA.exe. (см. файлы Readme.txt в соответствующих архивах). Для удобства, последняя на данный момент версия программы TorDDS.exe находится в приложении 04.zip.
Для калибровки прибора необходимо подключить вольтметр к выходу канала синуса генератора, установив требуемый коэффициент деления щупа и соответственно нажав/отпустив кнопку [Probe 10:1]. Выбрав пункт меню <Utilities>-<Calibration> и нажав кнопку [OK], следует дождаться окончания калибровки. Данные, полученные в результате калибровки необходимо сохранить в памяти логарифмического вольтметра. Это действие можно выполнить и позже, выбрав пункт меню <Utilities>-<Save calibration data>. Сохраняются только вновь полученные данные. Калибровку необходимо произвести раздельно для щупа 1:1 и для щупа 10:1.

Пример измерения АЧХ.

В заключение приведу пример измерения АЧХ лампового усилителя из статьи Современный ламповый ….

Рис.8.

Файлы:
Архив ZIP
Архив ZIP
Архив ZIP
Архив ZIP

Все вопросы в Форум.