広帯域アナログ電圧および電流計の設計

デジタルメーターが現在非常に広く使用されているときに、純粋なアナログメーターを提供することは驚くべきかもしれません。 しかし、デジタル メーターにはアナログ デジタル コンバーター (ADC) の前にアナログ回路があることはあまり知られていません。 周波数が 20 Hz 未満から 200 kHz までの広帯域アナログ電圧計は、過去に広く使用されており、今でも非常に便利です。

最新のオペアンプ (オペアンプ) を使用すると、アナログ メーターの設計を大幅に簡素化できます。 この設計は、手頃な価格のコンポーネントを使用して、20 Hz ～ 1 MHz (10 Hz で -1 dB) のフラットな帯域幅を提供します。

接地端に 0.1 Ω の抵抗を挿入しても電流が大幅に減少しない回路に電流測定機能を追加することは難しくありません。 メーターが電池式または安全クラス 2 構造の場合、接地接続は実際の接地である必要はありません。

6 つの電圧範囲は 1、10、100 mV、および 1、10、100 V フルスケールであり、4 つの電流範囲は 10、100 mA、および 1、10 A フルスケールです。 この設計には広帯域ピーク検出器が組み込まれており、その感度を切り替えて正弦波信号のピーク電圧または二乗平均平方根 (RMS) 電圧を読み取ることができます。

特別な周波数応答を提供するために外部フィルターを挿入する機能があります。 この機能により、メーターを可変ゲインを切り替えた 2 つの別々のアンプとして使用することもできます。

この機器は、2 つの 9 V バッテリーまたは 9-0-9 V の主電源ユニットで動作します。 各バッテリーの消費電流は 25 mA 未満であるため (発光ダイオード (LED) インジケーターなし)、長寿命が予測できます。

機器のブロック図を図 1 に示します。

最大 100 V までの電圧を測定したいため、入力アッテネータ/電流モード セレクタが必要ですが、電圧をアンプに直接印加することはできません。 電流モードは、電流検出抵抗と直列のスイッチ接点が存在しないように選択されるため、潜在的な誤差の原因が排除されます。 わずかな代償として、電流モード動作には別のコネクタが必要になります。

1 mV 入力でフルスケールの読み取り値を得るには、アンプには約 1000 (60 dB) のゲインが必要です。 これは、LM4562 の 2 つのオペアンプをそれぞれ 31.62 のゲインで使用することによって実現されます。 LM4562 は実際には Hi-Fi プリアンプ向けに設計されているため、低ノイズ、低歪みであり、広い帯域幅を備えています。 オフセット電圧はそれほど高くありませんが、このアプリケーションではそれを克服できます。

増幅段が2段あるため、コネクタやスイッチの取り付けが容易で、2つのアンプの間に他の回路を挿入することができ、2段目のアンプの出力にさらにコネクタを追加すれば独立したアンプとして使用することもできます。

デジタルディスプレイまたはポインタ計器のいずれかを操作するために、増幅された信号を DC に変換するために提供される検出器のタイプに関して重要な決定を下す必要があります。 最も単純な検出器は半波平均タイプです。これでは信号についてほとんど情報が得られず、検出されない半サイクルでの重大な電圧変動が隠蔽される可能性があります。

複雑さのスケールの対極にあるのは、「真の RMS」検出器です。これは、他のすべての波信号ではなく波動信号の RMS 値を読み取るためにゲインが調整されている平均検出器と区別するために、「真」とラベル付けされています。 これは信号の RMS 値を知りたい場合に適していますが、手頃な価格のデバイスは AD736 だけであり、アンプは 1 MHz 以上まで動作するのに対し、200 kHz に制限されています。

3 番目のタイプの検出器は全波ピーク検出器で、これはリーズナブルな価格で構築できます。 信号チェーン内の何かが過負荷でピーククリップされていることを示す可能性があるため、信号のピーク値を測定する必要があることがよくあります。 また、波形が大幅にクリップされていない限り、ピーク値を 1.4 で割るか、0.7 を掛けることで、正弦波信号の RMS 値を簡単に見つけることができます (最大約 10 % の歪みがあっても)。 3 dB 減衰器を切り替える必要があるため、これは簡単に調整できます。