1 Schaltung

Erstellt: DL6GL, 25.12.2017, letzte Änderung 07.04.2022

1.1  Analogteil

Abb. 1.1: Schaltung des Analogteils.

Der RMS-Konverter AD736 (IC5) verarbeitet Eingangsspannungen von bis zu 200mV mit optimaler Präzision. Demzufolge sind Verstärkung bzw. Abschwächung je nach Messbereich daraufhin ausgerichtet.

Abb. 1.2: Schaltstellungen der Messbereiche.

Der sonst übliche mehrstufige hochohmige Eingangsteiler mit schwierig zu bewerkstelligender Frequenzkompensation ist auf einen zweistufigen hochohmigen Eingangsteiler und mehrere niederohmige Teiler an den Ausgängen der OpAmps IC1 und IC3 aufgeteilt.

Der frequenzkompensierte 100:1-Eingangsteiler R1 bis R3 ist nur in den Messbereichen 20 und 200V wirksam. Mit einem Gesamtwiderstand von 1MΩ wie bei üblichen Oszillographen kann wahlweise mit einem 10:1-Tastkopf hochohmig gemessen werden. Messbereich dann 20mV bis 2.000V (wenn der Tastkopf das noch aushält).

IC1, ein LF356 mit FET-Eingang, belastet als Spannungsfolger 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.

Die CMOS-Schalter CD4066 (IC2 und IC4) besorgen die Bereichsumschaltungen. Deren Durchgangswiderstände in der Gegend von 100Ω haben angesichts der hochohmigen Eingänge von IC3 und IC5 keine nachteiligen Auswirkungen. Mit der symmetrischen Spannungsversorgung ±5V sind die AC-Signale symmetrisch um GND.

IC2a bis IC2c bilden einen Umschalter, der in den Messbereichen 2 und 20mV an den 100 fach-Verstärker IC3 durchschaltet. Hier ist ein schneller OpAmp erforderlich (LF357 oder OPA604 mit einem Verstärkungs-Bandbreitenprodukt von 20MHz oder LT1122 mit 14MHz). Unterstützend am oberen Frequenzende wirkt noch C9 in der Gegenkopplung von IC3; Einzelheiten dazu in Abschnitt 7. Im Messbereich 2mV schaltet IC4c zum AD736 durch, im Messbereich 20mV wird der 10:1 Spannungsteiler R15 bis R17 über IC4d wirksam.

Nach dem gleichen Prinzip aktivieren IC4a und IC4b die Messbereiche 200mV bis 200V, wobei für 20 und 200V zusätzlich der 100:1 Eingangsteiler geschaltet wird.

Die Schaltpegel für die sechs Messbereiche liefert der Digitalteil über ein zehnadrides Flachkabel an K2 und der zugehörigen Diodenmatrix D3 bis D10 (z.B. 1N4148). Trotz der auf den Steuerleitungen vom Digitalteil vorhandenen hochfrequenten Störsignale von einigen Millivolt haben wir keinen Einfluss auf die analoge Signalverarbeitung feststellen können.

Der RMS-Konverter IC5 ist nach Datenblatt [6] beschaltet. Für C12 und C13 sollten Low ESR- oder Tantal-Elkos eingesetzt werden. Der konvertierte DC-Ausgang geht über K3 an den ADC im Digitalteil, dort Konnektor K1.

Zwei zusätzliche Ausgänge über IC6 (TL082) ermöglichen die Beobachtung des NF-Signals mit einem Scope an K5 und die Anzeige des konvertierten DC-Signals mit einem kleinen Profil-Zeigerinstrument (100…500µA) an K4. Tendenzen, z.B. bei Frequenzgängen, sind damit leichter zu erkennen als mit der Digitalanzeige.

1.2  Digitalteil

Abb. 1.3: Schaltung des Digitalteils.

Auswertung, Anzeige und Steuerung übernimmt ein Arduino NANO mit einem ATmega328P-Controller. Wir haben hier einen Arduino NANO-Klon aus China, z.B. [9], eingesetzt. Für den Preis ist hierzulande nicht mal ein ATmega328P zu bekommen. Treiber-Inkompatibilitäten mit den dort verbauten billigen CH340G-Chips sollen uns nicht weiter stören, da die USB-Schnittstelle nicht benutzt wird.

Der DC-Ausgang vom Analogteil wird über K1 in den ADC MCP3421 (IC1) eingespeist. Dieser wird über I2C (SDA und SCL) vom Controller sowohl mit Verstärkung 1 und 18Bit-Auflösung konfiguriert als auch periodisch ausgelesen.

Zu beachten: Den MCP3421 gibt es in verschiedenen Versionen, MCP3421A0T , MCP3421A1T bis MCP3421A7T. Sie unterscheiden sich in den 3 Bit breiten Adressen "000" (A0T, default), "001" (A1T), "010" (A2T) usw., siehe hier. 
Die Software im Download verwendet die Default-Adresse "000" (A0T).
Wer Probleme mit dem Umprogrammieren hat, kann sich gerne über das Kontaktformular melden.

Zur Anzeige wird ein 2x 16-Zeichen Standard-LCD verwendet. Mit R5 kann ggf. die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung angepasst werden, etwa 47Ω oder kleiner. R6 erlaubt die Kontrasteinstellung der Anzeige.

Die Messbereiche (Range 1 bis 6) werden mit positiven Pegeln +5V an K2 (Range select) gewählt. Da die Ports PD0 (RX0) und PD1 (TX1) beim NANO keinen sauberen Low-Pegel abgaben, mussten mit T1 und T2 zusätzliche Schaltfunktionen eingefügt werden.

Die Bedienung erfolgt über vier Tasten

1. Mode: Wechsel der Betriebsarten
   Spannungsmessung 2mVRMS…200VRMS,
   Spannungspegelmessung (dBu bezogen auf 775mVRMS an undefinierter Last),
   Spannungspegelmessung (dBV bezogen auf 1VRMS an undefinierter Last),
   Leistungsmessung (dBm bezogen auf 775mVRMS an 600Ω Last = 0dBm),
   Relativpegelmessung (dB oder % bezogen auf einen frei wählbaren Pegel),
   Setup.
2. OK: Verschiedene Funktionen je nach Betriebsart
   Zuschalten eines 10:1-Tastkopfes bei der Spannungs- oder Pegelmessung,
   Setzen eines Referenzpegels bei der Pegelmessung,
   Durchtakten oder Abspeichern im Setup.
3. Up: Je nach Betriebsart
   Messungen: Wahl der Messbereiche,
   Setup: Einstellen von Werten.
4. Down: Je nach Betriebsart
   Messungen: Wahl der Messbereiche,
   Setup: Einstellen von Werten.

Details sind in der Bedienungsanleitung im Download zu finden.

1.3  Netzteil

Abb. 1.4: Schaltung des Netzteils.

Um den Analogteil mit einer sauberen Betriebsspannung zu versorgen, sind die Stromversorgungen für Analog- und Digitalteil getrennt ausgeführt. Zudem werden für die Versorgung des Analogteils etwas teurere, dafür aber rauscharme 5V-Regler eingesetzt. Die 78xx- bzw. 79xx-Spannungsregler erschienen uns hier nicht brauchbar.

Der Netz-Schutzleiter PE liegt an Gehäusemasse. Die Schaltungsmasse GND ist über einen 330nF-Kondensator damit verbunden.