|
Frequentie-voorzet voor digitale universeelmeter |
|
klik hier voor compleet overzicht |
- Zet frequenties om in gelijkspanningen
- Bereik 100 Hz tot 200 kHz
- Gevoeligheid 200 mVeffectief
- Nauwkeurigheid beter dan 1 %
- Voeding uit twee 9 V batterijtjes
INLEIDING
Moderne digitale universeelmeters meten niet alleen spanningen, stromen en weerstanden, maar ook dB-verhoudingen en
capaciteiten. Frequentiebereiken treft men echter alleen aan bij de zeer dure modellen. Een bedrag van f 1.000,00
uitgeven voor een universeelmeter zal voor de meeste hobbyisten nu net even buiten de begroting vallen.
Met de op deze pagina beschreven eenvoudige schakeling kan men echter vrij nauwkeurig lage frequenties meten op gelijk weke
digitale universeelmeter. Het apparaatje is een frequentie-naar-gelijkspanning omzetter en zet dus de aangeboden frequentie om in
een gelijkspanning die proportioneel is met de ingangsfrequentie.
Het meetbereik loopt van 100 Hz tot 200 kHz en is dus goed genoeg voor de voorkomende metingen in audio-apparatuur. Hoewel op een
dergelijke manier frequenties meten niet zo nauwkeurig is als met een 'echte' digitale frequentiemeter werd de schakeling uitgebreid
getest en blijkt een gemiddelde nauwkeurigheid van 1 % gemakkelijk haalbaar. Goed genoeg voor de meeste toepassingen!
HET WERKINGSPRINCIPE
De schakeling bevat dus een frequentie naar gelijkspanning omzetter, die de grootte van de frequentie van het ingangssignaal
omzet in een gelijkspanning waarvan de waarde recht evenredig is met de frequentie. Of, om het ingewikkeld uit te drukken, de
schakeling voldoet aan de uitdrukking:
Uuit = fin * ß
Die ß is een constante factor en door daar een geschikte waarde aan toe te kennen kan men ervoor zorgen dat 1 kHz aan de
ingang precies overeenkomt met 100 mV aan de uitgang. Uiteraard zal dan een signaal met een frequentie van 12,34 kHz een spanning
van 1,234 V genereren. Als men dus de uitgangsspanning van de omzetter meet met een op het 1,999 V gelijkspanningsbereik
geschakelde digitale universeelmeter, dan zal de meter de frequentie van het ingangssignaal onder numerieke vorm
weergeven.
Wel moet men bij de interpretatie van de uitlezing rekening houden met de omzettingsfactor van 100 mV/kHz! Een veel logischer
omzettingsfactor van bijvoorbeeld 1 V/kHz zou de schakeling nodeloos compliceren en het onmogelijk maken om het geheel uit
twee 9 V batterijtjes te voeden.
De schakeling heeft een theoretisch bereik van 10 Hz tot 20 kHz, wat dus overeenkomt met een uitgangsspanning van 1 mV tot 2 V.
Theoretisch, omdat bij het meten van de laagste frequenties vervelende eigenschappen van de gebruikte onderdelen, zoals offset
en lekstroom, een rol gaan spelen. Maar toch is het mogelijk met een bevredigende nauwkeurigheid frequenties vanaf 100 Hz te
meten.
Omdat een maximaal bereik van 20 kHz natuurlijk wel erg laag is, is er een in- of uitschakelbare tiendeler in de schakeling
opgenomen. Met ingeschakelde tiendeler kan men meten tussen 1 kHz en 200 kHz.
Achter de ingang zit een versterkertje, waardoor de gevoeligheid van het apparaatje tot 100 mVeff wordt opgeschroefd.
Dat is ruim voldoende voor het eenvoudige werk in het hobbylab.
HET BLOKSCHEMA
Aan de hand van deze bespreking van de schakeling kan men het blokschema voorstellen als getekend in onderstaande figuur. De te
meten ingangsspanning wordt aangeboden aan een zeer eenvoudig opgezette x10 versterker, die direkt gevolg wordt door een CMOS
Schmitt-trigger. Deze versterker is noodzakelijk omdat de schakeldrempels van een CMOS-schakeling rond de 1,5 V liggen, wat
uiteraard veel te groot is. Met de versterking van tien maal komt de gevoeligheid op 100 mV effectief te liggen, wat in de
dagelijkse praktijk voldoet.
Figuur 1: Het blokschema.
De uitgang van de Schmitt-trigger gaat naar één contact van de bereikenschakelaar en naar de clock-ingang van de tiendeler. Ook deze schakeling is in CMOS opgebouwd. De uitgang van de teller stuurt uiteraard het tweede contact van de omschakelaar. Het moedercontact van de schakelaar gaat naar de eigenlijke FVC-schakeling.
|
Interessante elektronica links Klik hier ... Kattenschrikdraad installatie houdt katten in of uit uw tuin Klik hier ... Boeken voor de elektronicus Klik hier ... Software voor schema tekenen, print ontwerpen en simulatie Klik hier ... Goedkope digitale oscilloscopen, via USB aan te sluiten op uw PC Klik hier ... Goedkope meetapparatuur voor het testen van uw onderdelen Klik hier ... Draadloze elektronica in uw huis Klik hier ... Inbraakalarm van Marmitek en KlikAanKlikUit Klik hier ... Bespaar energie met PowerSafer |
HET VFC-PRINCIPE
Hoewel er diverse systemen te bedenken zijn om een frequentie in een spanning om te zetten werken alle geïntegreerde
omzetters volgens hetzelfde principe. Dat principe is getekend in onderstaande figuur en wordt toegelicht aan de verderop
gepubliceerde timingdiagrammen. De ingangsspanning (A) met frequentie fin wordt eerst omgezet in een mooie digitale
puls (B) met behulp van een Schmitt-trigger. Deze puls wordt gebruikt voor het triggeren van een monostabiele multivibrator.
Het gevolg is dat er voor iedere periode van het ingangssignaal een smalle puls (C) ontstaat.
Figuur 2: Het FVC-principe.
Hoe hoger de frequentie van het signaal, hoe meer pulsjes er op punt (C) per seconde zullen ontstaan. Alle pulsjes zijn natuurlijk even breed, zodat men kan stellen dat de puls/pauze-verhouding op punt (C) recht evenredig is met de frequentie van het ingangssignaal. Deze pulsen sturen een elektronische schakelaar S, die de schakel vormt tussen een stroombron en een integrerende operationele versterker. Deze twee schakelingen hebben tot taak de puls/pauze-verhouding van de pulstrein op punt (C) om te zetten in een gelijkspanning die ermee evenredig is.
Figuur 3: De timingdiagrammen.
Dat gaat al volgt. Als er op punt (C) een puls verschijnt, dan wordt de elektronische schakelaar gesloten en zal de stroombron
een constante stroom I1 in de weerstand R1 sturen. Omdat de niet-inverterende ingang van de operationele versterker
aan de massa hangt en dus op nul volt staat, zal de spanning op de inverterende ingang ook gelijk zijn aan 0 V. De stroom
i1 kan alleen afvloeien via de condensator C1 naar de uitgang van de op-amp. De condensator wordt gedurende de pulstijd
van C geladen met een constante stroom en het gevolg is dat de spanning over dit onderdeel lineair zal stijgen.
Omdat de schakeling echter de linker plaat van de condensator op nul volt houdt (vanwege de werking van de op-amp) zal de
uitgangsspanning (D) negatief worden. Na het wegvallen van de puls op C zal de condensator gaan ontladen via de parallel geschakelde
weerstand R2. Omdat de linker plaat van de condensator op de massa staat zal de grootte van deze stroom I2 alleen
afhankelijk zijn van de weerstandswaarde en de condensatorspanning.
De twee stromen, I1 die gedurende een korte tijd de condensator oplaadt en I2 die gedurende de rest van de
periode de condensator ontlaadt, zullen tot gevolg hebben dat er een evenwichtsituatie ontstaat, waarbij er evenveel lading in de
condensator wordt gepompt als er uit wordt gezogen. De spanning over het onderdeel en dus op de uitgang van de schakeling is een
gelijkspanning, waarop een kleine rimpel zit, die veroorzaakt wordt door het laden en ontladen.
Het zal duidelijk zijn dat als de frequentie van het signaal stijgt en er dus meer pulsstromen I1 per seconde naar
de condensator vloeien er meer spanning over de condensator ontstaat alvorens de evenwichttoestand bereikt is. Verder stijgt
de spanning over de condensator lineair met de frequentie. Er bestaat immers een recht evenredig verband tussen de frequentie en
de aan/uit-verhouding van de puls op C. Vanwege de constante stroombron bestaat er een tweede evenredig verband tussen de
aan/uit-verhouding van deze puls en de hoeveelheid lading die in de condensator wordt gepompt.
HET PRAKTISCH SCHEMA
Het volledige schema van de schakeling is getekend in onderstaande figuur. De ingangsversterker bestaat uit een
standaard inverterende versterker rond een op-amp. De toegepaste CA3140 heeft een bandbreedte die groot genoeg is om zonder
merkbare verzwakking signalen met een frequentie van 200 kHz tien maal te versterken. Om geen last te hebben van een eventueel op de
meetspanning aanwezige gelijkspanning wordt de ingang door middel van de scheidingscondensator C1 met de versterker verbonden. Als
Schmitt-trigger wordt een poort uit de viervoudige NAND-poort 4093 met ST-ingangen gebruikt.
Figuur 4: Het praktisch schema.
Ook de teller is een standaard CMOS-schakeling, namelijk een 4017. Deze tienteller heeft een hoog actieve RESET en CLOCK INHIBIT,
vandaar dat deze twee lijnen aan de massa worden gelegd. In deze toepassing moet de tienteller immers niets anders doen dan het
ingangssignaal continu tellen en om de tien pulsen een uitgangspuls opwekken.
De monostabiele generator wordt opgebouwd rond een tweede poort uit de 4093. De twee ingangen worden door de weerstand R4 met de
positieve voeding verbonden, zodat de uitgang laag is. Het ingangssignaal wordt gedifferentieerd door het netwerkje C2/R4,
zodat er smalle naaldpulsen ontstaan op de ingangen van de poort, zie onderstaande figuur. De positieve naalden hebben geen effect
op de schakeling, de negatieve naalden zorgen ervoor dat op de uitgang korte smalle positieve pulsen ontstaan met een constante
breedte. Deze positieve pulsen sturen de elektronische schakelaar IC4, een/vierde uit een 4066, in en uit geleiding.
Figuur 5: De werking van de MMV.
Omdat de inverterende ingang van de operationele versterker op de massa staat is het niet echt noodzakelijk een constante stroombron
te gebruiken. Deze stroombron kan vervangen worden door een weerstand R5, geschakeld tussen de gestabiliseerde negatieve
voedingsspanning van -5 V en de genoemde ingang. Omdat beide uiteinden van de weerstand op een constante spanning staan zal ook
de stroom die door de weerstand vloeit constant zijn.
Het voordeel van het gebruik van een negatieve referentiespanning is dat de stromen omgekeerd dan getekend door de schakeling gaan
vloeien en de uitgangsspanning van de FVC dus positief wordt.
Het is absoluut noodzakelijk de offset van de operationele versterker die de integrator vormt te compenseren, vandaar de
instelpotentiometer R9.
De schakeling wordt geijkt door het instellen van de ontlaadstroom van de condensator. Met behulp van instelpotentiometer R8 kan de
schakeling dus afgeregeld worden op volle schaal.
DE VOEDING
De schakeling is met opzet ontworpen met een lage symmetrische voeding van +/-5 V. Dit heeft als voordeel dat de schakeling uit
twee 9 V batterijen gevoed kan worden en een dure, plaatsrovende en vanwege de netkabel vervelende netvoeding kan vervallen. Uit de
twee batterijspanningen worden door middel van een 78L05 en een 79L05 symmetrische spanningen van +/-5 V afgeleid. De stabiliteit
van de -5 V is groot genoeg voor het voeden van de 'stroombron'
R5.
| WEERSTANDEN | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| R1 | 100 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % | R2 | 1 MOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % |
| R3 | 100 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % | R4 | 22 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % |
| R5 | 3,3 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % | R6 | 3,3 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % |
| R7 | 1 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % | R8 | 5 kOhm | 10-slagen instelpotmeter |
| R9 | 10 kOhm | 10-slagen instelpotmeter | - | - | - |
| CONDENSATOREN | |||||
| C1 | 470 nF | MKH | C2 | 820 pF | ceramisch |
| C3 | 1 µF | 16 V print-elco | C4 | 100 µF | 16 V print-elco |
| C5 | 100 µF | 16 V print-elco | C6 | 100 µF | 16 V print-elco |
| C7 | 100 µF | 16 V print-elco | - | - | - |
| HALFGELEIDERS | |||||
| IC1 | CA3140 | op-amp, mini-DIL | IC2 | 4093 | CMOS Schmitt-trigger 4 x NAND |
| IC3 | 4017 | CMOS tiendeler | IC4 | 4066 | CMOS 4 x analoge schakelaar |
| IC5 | CA3140 | op-amp, mini-DIL | IC6 | 78L05 | +5 V stabilisator |
| IC7 | 79L05 | -5 V stabilisator | - | - | - |
| DIVERSEN | |||||
| 2 | 2 x OM | drukschakelaar, print | 2 | IC-voetje | 8 pennen |
| 2 | IC-voetje | 14 pennen | 1 | IC-voetje | 16 pennen |
| 7 | 3 mm | soldeerlipje | - | - | - |
DE BOUW VAN DE SCHAKELING
Voor de omvormer is een klein printje ontworpen, waarvan de componentenopstelling wordt voorgesteld in figuur 6.
Figuur 6: De componentenopstelling.
Let op de draadbrug naast R4! Voor de twee instelpotentiometers worden langwerpige CERMET meerslagen trimmers gebruikt, omdat het alleen met
dit soort onderdelen mogelijk is de schakeling nauwkeurig af te regelen.
In het prototype werden drukschakelaars voor printmontage van Schadow gebruikt, maar men kan deze uiteraard ook vervangen door gewone
tuimelschakelaars die in het frontplaatje van het kastje worden gemonteerd en door middel van draadjes met de print verbonden.
HET AFREGELEN
In eerste instantie wordt de voedingsspanning ingeschakeld en een op 1,999 V gelijkspanningsbereik geschakelde digitale universeelmeter
op de uitgang gezet. Met behulp van R9 wordt de offset van de op-amp gecompenseerd, men verdraait de loper dus tot op de uitgang precies
0,000 V af te lezen is.
Nadien schakelt men een sinusgenerator, die een frequentie van precies 20 kHz levert, op de ingang en verdraait R8 tot op de uitgang een
spanning van +1,999 V ontstaat. Uiteraard moet bij deze afregeling de bereikenschakelaar in de stand 20 kHz staan!
Ter controle kan men de sinusgenerator instellen op 10 kHz en observeren of de meter inderdaad de verwachte 1,000 V aanwijst. Men
heeft te maken met analoge schakelingen, vergeet dus niet dat er steeds een fout aanwezig is, maar de schakeling moet in dit gebied van het
meetbereik toch wel een nauwkeurigheid van ongeveer 1 % hebben.
EXTRA SERVICE: DOWN-LOADEN VAN HET PRINTONTWERP
U kunt het ontwerpje van de print van deze nabouwschakeling uit onze Internet-site down-loaden. Het ontwerp werd gescand met een resolutie van 300 dpi en staat ter beschikking als TIF-file, LZW-compressie.
Deze file kan in ieder grafisch programma geopend worden en geprint op transparante folie. Gebruik hiervoor bij voorkeur een inkjet-printer!
Druk het ontwerpje af met de afmetingen die hieronder staan vermeld!
Nadien kunt U met dit transparant een stukje foto-gevoelige printplaat belichten.
Klik hier ... en ga terug naar het begin van deze pagina
Klik hier ... en ga terug naar de bouwbeschrijvingen van Vego
Klik hier ... en ga terug naar het hoofd-menu van de Vego-site