Analoges AC-Millivoltmeter

Millivoltmeter Front

Mit dem neuen True RMS-Millivoltmeter war das vor vielen Jahren entstandene analoge Millivoltmeter eigentlich überflüssig geworden. Das dort verbaute 10µA-Drehspulinstrument von Hartmann&Braun hat es dann doch nicht verdient, so sang und klanglos auf's Altenteil geschoben zu werden. Wäre schon schade. So wurde mit den inzwischen gewonnenen Erfahrungen eine Neukonzeption mehr Herzenssache als Notwendigkeit.

Dieses alte Millivoltmeter, mehrfach mit Anleihen aus [1] und später [2] aufgemöbelt, hatte einen alles andere als berauschenden Frequenzgang und eine eher bescheidene Anzeigegenauigkeit wegen eines nicht optimal frequenzkompensierten Eingangsteilers. Hier könnte das im o.g. True RMS-Millivolt-meter eingesetzte Konzept einer geteilten Spannungsteilung - hochohmig und grob am Eingang und nachfolgend niederohmig und feiner gestuft einen Schub bringen.

Die durch den RMS-Konverter im True RMS-Millivoltmeter bestimmte obere Grenzfrequenz sollte ganz nebenbei auch deutlich nach oben zu schrauben sein. Aber - geschenkt wird einem ja nichts - dieses Millivoltmeter kann nur Sinus.

Erreichte Daten des Mustergerätes:

  • Messbereiche 3mV bis 100V in 10 dB-Schritten,
  • Frequenzgang 10Hz bis 200kHz ± 0%, 10Hz bis 550kHz ± 1%, gemessen im 10mV-Bereich,
  • Genauigkeit, abhängig vom Drehspulinstrument, hier geschätzt 2% vom Skalenendwert,
  • Kalibrierung in RMS (nur) für sinusförmige Spannungen.

 

Referenzen

[1]  Stefan Sans, Voltmeter für Gleich- und Wechselspannungen, Funkschau 20/1980
[2]  Max Perner, mV-Meter für Gleich- und Wechselspannungen, FA 3/1999
[3]  Wechselspannungs-Millivoltmeter, ELRAD 8/9/1984
       http://theimann.com/Analog/Misc_Tech/NF_Milli/index.html
[4]  http://sound.whsites.net/appnotes/an002.htm
[5]  https://nanopdf.com/download/gleichrichter-vorsatz-fr-dvm_pdf

 

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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=390Ω, Spulenstrom etwa 20mA).

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.

 

2 Realisierung

Da das Drehspulinstrument die Hälfte der Frontplatte des TEKO AUS23-Gehäuses für sich beanspruchte, musste darauf verzichtet werden, den Drehschalter direkt in die Verstärkerplatine einzulöten. Er ist stattdessen auf einem Winkel montiert, so dass die Achse zur Schmalseite zeigt.

Millivoltmeter PCB

Abb. 2.1: (Prototyp-) Verstärkerplatine im Weißblechgehäuse.

Die Platinenmaße 51x106mm wurden passend zu einem vorhandenen Schubert-Gehäuse Nr. 6a (55x111x50mm) gewählt. Der rote Kondensator C2 links oben verbindet die Schaltungsmasse an der BNC-Buchse (mit Kunststoff-Außengewinde) mit der Gehäusemasse.

Die Bestückung ist komplett auf der Leiterseite. Ausnahme: die gewinkelte BNC-Buchse; die Stiftleisten werden ebenfalls von der Rückseite her montiert.
Beim Verlöten der vier Germaniumdioden D3 bis D6, hier 1N34A, ist auf gute Wärmeabfuhr mit einer Pinzette zu sorgen. Sie sterben sonst schnell den Hitzetod. Die Lötpads (Abb. 2.1 rechts unten) sind für DO7-Gehäuse ältlicher Ge-Dioden ausgelegt.

So ganz klar ist allerdings nicht, ob es sich bei den als "1N34A Germaniumdioden" gekauften Typen tatsächlich um solche handelt. Das im Vergleich zu dem originalen DO7 viel kleinere DO35-Gehäuse lässt eher einen Schottky-Nachfolger der 1N34A vermuten. Die 1N60 gibt es auch als "doppeltes Lottchen", Original Ge in DO7 und aktuelle Schotty-Version in DO35. Gemessen wurden jedenfalls Durchlassspannungen von ca. 0,3V bei 1mA, vergleichbar etwa mit einer Schottky BAT43.

Anders als hier, unterhalb von IC2, mittlerer IC, sollte C10 auf der Platinenunterseite an die Pins 2 und 6 von IC2 angelötet werden. Hierzu ist ein Präzisionssockel mit Bohrlöchern vorgesehen. Mit C10 wurde am Prototyp experimentiert, auch noch an den wieder freigeräumten Pads für einen C-Trimmer auf der Prototyp-Platine zu erkennen. Ein direktes Einlöten von IC2 ohne Sockel könnte ggf. den Frequenzgang noch etwas verbessern. Bei weniger Ehrgeiz in Bezug auf den Frequenzgang könnten ggf. auch Billig-OpAmps wie TL071 oder TL081 für IC2 und IC3 versucht werden. Der Audiobereich müsste damit auch zu schaffen sein, abhängig von der für das jeweilige Drehspulinstrument erforderlichen Verstärkung von IC2.

Die Instrumentenskala wurde nach bewährter Manier mit CorelDraw neu gemalt, siehe hier.

Norbert, DG1KPN, hat das Gerät nachgebaut, Auslegung für sein 1mA/1%-Drehspulinstrument mit dem Excel-Sheet (stimmte auf Anhieb).

Drehspulinstrument, Strom 1mA
Drehspulinstrument, Spannung 600mV
Drehspulinstrument, Innenwiderstand 600Ω
R15 120R
R16 120R
R17 2k
Spannungsverstärkung IC2 17,7
R20 47R
R21 47R
P3 10R

Hier wird die Verteilung der Spannungsverstärkung in IC2 und der Stromverstärkung in IC3 besonders deutlich. Für Vollausschlag bei 3,162mV RMS Eingangsspannung benötigt das Drehspulinstrument 1mA bzw. 600mV. Ergäbe eine Spannungsverstärkung von 1,111 * 600 / 3,162 = 211 für eine RMS-Anzeige. Die Spannungsverstärkung von IC2 hat Norbert für eine große Bandbreite mit nur 17,7 eingestellt. Folglich ist der Instrumentenstrom bestimmende Widerstand R21 + P3 ~ 50Ω. Wesentlich niederohmiger kann IC3 wohl nicht mehr ausgelegt werden. Zu beachten ist hier außerdem, dass für die Schutzdiode D7 wegen der Instrumentenspannung von 600mV bei Vollausschlag zwei Si-Dioden in Serie einzusetzen sind.

DG1KPN Millivoltmeter

Abb. 2.2: Millivoltmeter von DG1KPN.

3 Einstellungen

Nach den ersten Funktionstests sollte das Gerät für mindestens einen Tag vorgeglüht werden.

  1. Offseteinstellung von IC1
    Eingang kurzschließen, DC-Millivoltmeter am oberen Ende von R8 (Ausgang IC1) anschließen und mit P1 den Offset auf 0mV einstellen.
     
  2. Offseteinstellung von IC2
    Bei kurzgeschlossenem Eingang die Anzeige des Drehspulinstruments auf Minimum vorab mit P2 einstellen.
     
  3. Frequenzkompensation des Eingangsteilers
    In Stellung "V" (100:1 Eingangsteiler ist aktiviert) ein Rechtecksignal, z.B. vom Scope, anlegen. Scope-Tastkopf am oberen Ende von R8 (Ausgang IC1) anschließen: Auf dem Scope ein gerades Signaldach mit C3 einstellen.
     
  4. Kalibrierung
    Ein bekanntes Sinussignal anlegen. Halbwegs brauchbare DMM zeigen im AC-Modus Frequenzen von 400 bis 1.000Hz noch genau an.
    Den dazu passend Messbereich wählen.
    Mit P3 die korrekte Anzeige am Drehspulinstrument einstellen.
     
  5. Schritte 2 und 4 wiederholen, bis Nullpunkt und Anzeige stabil stehen.
     
  6. Gegebenenfalls das Anzeigeverhalten des Drehspulinstruments, d.h. die Dämpfung des Zeigers, überprüfen. Ein nervöser Zeiger lässt sich mit einem größeren C15 beruhigen, aber nicht zu groß, sonst schleicht der Zeiger zu behäbig auf den Endwert . Danach ist die Kalibrierung zu korrigieren.
     

4 Messungen

Wie zu erwarten stellt sich IC2 als Nadelöhr in Bezug auf den Frequenzgang heraus. Insbesondere bestimmt C10 das Verhalten am oberen Frequenzende. Bei der eingestellten Spannungsverstärkung von 22 erwies sich C10=2,2pF als geeignet für eine angemessene Frequenzkompensation in der Gegenkopplung.

Millivoltmeter frequency response

Abb. 4.1: Frequenzgang über alles im Messbereich 10mV.

Von 10Hz bis 200kHz blieb die Anzeige wie festgeklebt (± 0%). Bei ca. 550kHz fällt sie um 1% (~ 0,1dB) ab. Damit wird das True RMS-Millivoltmeter weit übertroffen, allerdings mit der Einschränkung auf saubere Sinussignale. Der Frequenzgang wurde mit dem FA-NWT-VFO mit Tantal-Kondensatoren parallel zu den Ausgangs-C's aufgenommen.

 

5 Download

Hier noch die Unterlagen zum Millivoltmeter, Schaltung, PCB und Excel-Sheet zur Auslegung.