1 Schaltung

Millivoltmeter schematics

Abb. 1.1: Analog-Millivoltmeter Gesamtschaltung

Der Eingangsspannungsteiler erlaubt eine Vorteilung im Verhältnis 100:1, d.h. Messbereiche mV bzw. V. Die Eingangsimpedanz 1MΩ / 30pF ermöglicht den Anschluss eines Scope-Tastkopfes. Eine Frequenzkompensation mit C3 auf ein gerades Rechteckdach am Ausgang von IC1 ist mit einem Scope einfach herzustellen. Die Umschaltung erfolgt über einen Kippschalter mit dem Reed-Relais. R4 kann verwendet werden, um z.B. ein 5V-Relais einzusetzen (R4=390 oder 470Ω, Spulenstrom etwa 20mA oder etwas weniger).

Auf die Möglichkeit, auch DC-Spannungen zu messen, wurde bewusst verzichtet. Hierzu wäre C1 zu überbrücken. Die restliche Schaltung könnte klaglos auch DC-Spannungen anzeigen, wobei der Brückengleichrichter D3 bis D6 keinen Unterschied zwischen positiven oder negativen Spannungen macht. Eine Polaritätsanzeige wäre dann noch vorzusehen. Schließlich müssten die Kalibrierungs-widerstände R21+P3 noch für AC und DC umschaltbar sein.

C2 stellt die einzige Verbindung der Schaltungsmasse zum Chassis und zum Schutzleiter her.

IC1, ein LF356 mit FET-Eingang, belastet den Spannungsteiler nicht. D2 schützt zusammen mit R5 den Eingang vor Überspannungen. Die verwendete Doppeldiode BAV199 zeichnet sich durch einen Leckstrom von <5nA und eine Sperrschichtkapazität von 2pF aus. Mit P1 lässt sich der Offset korrigieren.

Am niederohmigen Ausgang von IC1 liegt der zweite Spannungsteiler mit 10dB-Schritten. Die Abweichungen der Stufungen bei Verwendung der z.B. bei reichelt.de erhältlichen Metallfilmwiderstände sind in Abb. 1.1 links unten angegeben. Exakte 10dB-Stufen wären mit R8=6,84k, R9=2,16k, R10=684Ω und so fort, R13+R14=31,6Ω zu erreichen.

Am Schleifer des Bereichsschalters stehen 3,162mV zur weiteren Verstärkung an. IC2 besorgt die Spannungsverstärkung, eingestellt mit R16 und R17.

IC3 ist ein aktiver Brückengleichrichter, der die Eingangswechselspannung in einen entsprechenden Strom durch das Drehspulinstrument umsetzt. Der Brückengleichrichter ist in die Gegenkopplung eingebunden. Dadurch, dass bei quasi noch nicht leitenden Dioden unterhalb der Kniespannung IC3 mit Leerlaufverstärkung arbeitet, da noch keine Gegenkopplung wirksam ist, wird der nicht lineare untere Kennlinienteil der Dioden bei ausreichender Slew rate sehr schnell durchlaufen und damit wegkompensiert. Während der positiven Halbwelle sind nachfolgend D3 und D6 leitend, während der negativen Halbwelle D5 und D4, so dass ein Strom durch das Drehspulinstrument fließt, der durch R21 und P3 bestimmt wird.

C15 glättet die pulsierende Gleichspannung und wirkt als Dämpfung für das Drehspulinstrument, je nach Instrument experimentell auszuprobieren. Durch die Glättung erhöht sich der mittlere DC-Pegel, damit auch die mit P3 eingestellte Kalibrierung. D7 schützt das Instrument vor Überspannungen.

Die Auslegung der Verstärker IC2 und IC3 ist abhängig vom verwendeten Drehspulinstrument (10µA wie hier bis zu 1mA bei [3] und DG1KPN, siehe Abschnitt 2 unten). Die Hauptverstärkung hat IC2 zu liefern, IC3 nur noch einen kleinen Restfaktor. Beide IC müssen auf alle Fälle schnell sein

  • IC2 mit einem hohen Bandbreiten-Verstärkungsprodukt (Gain-bandwidth product), um die erforderliche Spannungsverstärkung bis zur gewünschten oberen Frequenzgrenze zu schaffen,
     
  • IC3 mit einer hohen Anstiegsrate (Slew rate), um die Kniespannungen von D3 bis D6 wirkungsvoll kompensieren zu können. Aus diesem Grund sollten die Dioden Germanium-, ersatzweise Schottky-Typen sein. Gepaart müssen sie nicht unbedingt sein, da hier Ströme maßgebend sind und nicht Spannungen.

Eingesetzt wurden hier jeweils OP37 (GBP 63MHz, Slew rate 17V/µs). Im Download ist ein Excel-Sheet zur Berechnung verfügbar. Dort ist zu beachten, dass die von IC2 zu liefernde Spannungsverstärkung deutlich geringer sein kann als die Gesamt-Spannungsverstärkung (Spannung am Drehspulinstrument für Vollausschlag dividiert durch Eingangsspannung) insbesondere für unempfindliche Drehspul-instrumente. Damit erhöht sich die erzielbare Bandbreite von IC2. Vollausschlag und somit der Instrumentenstrom lassen sich dann mit R21 und P3 einstellen.

Ein wesentlicher Punkt ist bei der Auslegung des aktiven Brückengleichrichters mit IC3 zu beachten. Der Brückengleichrichter liefert den Mittelwert des AC-Signal (average Voltage), ggf. mit C15 etwas geglättet. Gewünscht wird aber i.d.R. eine Spannungsanzeige in RMS. (Nur) für Sinusspannungen gilt:

Full wave rectifier

Abb. 1.2: Spannungsverhältnisse im Brückengleichrichter.

Der Ableitwiderstand R21+P3 (Abb. 1.1) ist also um den Kehrwert 0,9 zu vermindern, um einen entsprechend höheren Strom durch das Instrument fließen zu lassen. Die Glättungswirkung von C15 erhöht der Faktor 0,9 wieder etwas. Zur genauen Einstellung, d.h. Kalibrierung auf RMS-Anzeige, ist der Spindeltrimmer P3 vorgesehen. Mit dem Spindeltrimmer P2 wird zuvor die Offsetanzeige des Instruments bei kurzgeschlossenem Eingang minimiert.