Zasady projektowania i konstruowania urządzeń w.cz.

Dzień dobry!

Chcę zbudować sobie miernik, który będzie mierzył napięcie w zakresie do 20 kHz (1 mV-10 V).
Moje pytanie jest następujące:

Jak projektować płytki, prowadzić przewody i masy, aby nie było zakłóceń i błędnych wskazań na wyższych częstotliwościach? (pola masowe, grubość ścieżek, odległość ścieżek, przewody, co "masować" itd.)

Co mogę ulepszyć w tym układzie, aby działanie jego było lepsze?
Projekt jest budowany amatorsko, więc akurat taki łatwy układ wybrałem. Wystarczy mi te 3% dokładności.

Zasilacz mam już fizycznie gotowy - działa poprawnie (nap. dodatnie 9,2 V, ujemne -8,9 V). Jestem w trakcie projektowania tłumika. Diody na drugim obwodzie przełącznika wyprowadzę na panel i będą wskazywały wybrany zakres.

Do 20 kHz to m.cz.

Teoretycznie tak, ale już przy takich częstotliwościach pojemność i indukcyjność zaczyna mieć znaczenie.

Unitrowiec6 napisał:

Teoretycznie tak, ale już przy takich częstotliwościach pojemność i indukcyjność zaczyna mieć znaczenie.

Nie praktycznie i nie teoretycznie.

Dziwne. Ja słyszałem, że już zaczyna wpływać przy 20 kHz.

Unitrowiec6 napisał:

Teoretycznie tak, ale już przy takich częstotliwościach pojemność i indukcyjność zaczyna mieć znaczenie.

Nie. Pojemności pasożytnicze nie przekroczą 1 pF, a indukcyjności 0,1 uH. 0,1 uH przy 20 kHz da reaktancję 0,01 om, a 1 pF ma impedancję 8 Mom. Takie wartości nie zaburzają pracy przeciętnych układów. Ale zły sposób prowadzenia masy może zaszkodzić.

Przy w.cz. masa to zazwyczaj płaszczyzna masy na całą płytkę, bo taka ma najmniejszą indukcyjność pasożytniczą. Przy okazji taka masa częściowo ekranuje od zewnętrznych pól zakłócających. Możesz masę poprowadzić w postaci płaszczyzny, bo nawet jeśli twój układ nie pracuje na w.cz., to pole elektromagnetyczne w.cz. jest wszędzie, każdy nosi kilka nadajników w kieszeni.

Należało by wyciąć płaszczyznę masy pod punktem masy pozornej (wejście odwracające).

Sposób prowadzenia ścieżek i ich szerokość przy tej częstotliwości nie będą miały dużego znaczenia, jak masz wątpliwości, to wrzuć projekt na forum do sprawdzenia.

Układ z pierwszego postu warto zamknąć w metalowej, ekranującej, umasionej obudowie z powodu, że masz duże rezystancje. Jak w układzie jest 1 Mom, to już zakłócenia z sieci może łapać "z powietrza".

Aby pojemności i indukcyjności pasożytnicze były takie małe, połączenia musiałyby być krótkie - inaczej mogą być nieco większe, ale tylko nieco, rząd wielkości jest poprawny. Niemniej jednak trzeba chyba uważać na pojemności między wyjściem a wejściem '+' - ten wzmacniacz może się od nich wzbudzić na dużej częstotliwości. Poza tym kondensator ceramiczny (ze 100 nF) między zasilaniami (+9 V i -9 V) - a może kondensatory między zasilaniami a masą?

Dobrze, dziękuję za pomoc.
Co zmienić w tym układzie (ten z wzmacniaczem, czy w ogóle trzeba coś zmieniać)?

1. Rozmyślałem nad kondensatorem wejściowym (zmiana pojemności, wystarczy ograniczyć do 20/30 kHz - więcej mi nie trzeba).
2. Nie wiem, czy do mostka trzeba dawać jakiś kondensator (oscylacje na niskich częstotliwościach).
3. R5 chcę dać potencjometr precyzyjny 2 kom, żeby móc skorygować wychylenie wskaźnika.

1. Kondensator wejściowy ogranicza pasmo od dołu - decyduje o tym stała czasowa z opornikiem szeregowym (wybieranym przełącznikiem).
2. Można, można też pomyśleć o tłumieniu wahań wskazówki (jeśli to jest miernik wskazówkowy).
3. Może lepiej np. opornik 1 kom i równolegle do niego potencjometr 20 kom? Albo i 15 kom z szeregowym opornikiem 5,1 kom.

2. Co to "tłumienie wahań wskazówki"? Domyślam się, lecz nie wiem, o co dokładnie chodzi. Jak się coś takiego realizuje?

Jak chcesz tłumik, to należy dołożyć wtórnik na wzmacniaczu operacyjnym. Na wejściu "plus" tego wzmacniacza operacyjnego trzeba zrobić tłumik.

Tłumienie wahań wskazówki uzyskuje się poprzez dobranie impedancji "widzianej" przez wskaźnik do wskaźnika. Przy zbyt małej impedancji wskazówka "pełznie", przy zbyt dużej waha się. Ten układ daje chyba "nieskończoną" (wymusza prąd) i trzeba by dodać opornik równoległy do wskaźnika (co zmniejszy jego czułość).

We wzmacniaczach z prostownikiem wzmacniacz kompensuje nieliniowość diod. Przy przejściu napięcia przez zero wzmacniacz musi szybko zmienić napięcie wyjściowe, kompensując spadek napięcia na diodach. Zarówno zwiększanie częstotliwości, jak i wzmocnienia zwiększa wymagania co do wzmacniacza. LF356 nie jest bardzo szybkim wzmacniaczem (GBW 5 MHz, SR 7,5 V/us). Ten układ w zakresie 1 mV ma mieć wzmocnienie powyżej tysiąca, czyli pasmo wzmacniacza skończy się ok. 1 kHz, a gdzie do 20 kHz?

Zatem układ nie spełnia wymagania:

Cytat:

Chcę zbudować sobie miernik, który będzie mierzył napięcie w zakresie do 20 kHz (1 mV-10 V).

Proponuję dołożyć dodatkowy stopień wzmocnienia na wejściu dołączany na niskich zakresach.

A co wpływa na to, że pasmo będzie aż tak ograniczone? Projekt miał teoretycznie działać to 50 kHz.

Wzmacniacz na wyjściu powinien dawać z 5V (1mA przez oporniki 2,7kΩ i 900Ω, diody i wskaźnik), przy 1mV na wejściu oznacza to wzmocnienie 5000, co przy GBW 5MHz oznacza częstotliwość 1kHz; i trzeba zwrócić uwagę, że to oznacza 1mV błędu - a jeśli błąd ma być np. do 2% mierzonego sygnału, to wychodzi zakres częstotliwości do 20Hz... już przy 50Hz zaniży wynik o 5% (na zakresie 1mV~ RMS).

Unitrowiec6 napisał:

Projekt miał teoretycznie działać to 50 kHz.

Ale nie w pełnym zakresie wzmocnień.

Poniżej charakterystyka w otwartej pętli, dla prądów stałych mamy ponad 100 dB (100000×), ale wraz ze wzrostem częstotliwości wzmocnienie spada. Załóżmy, że chcemy uzyskać wzmocnienie 60 dB (1000×). Przy zastosowaniu rezystorów w stosunku 1/1000 powstanie charakterystyka jak na czerwono, w uproszczeniu liczymy częstotliwość graniczną, dzieląc GBW przez wzmocnienie, co w teorii daje 5 kHz, w praktyce już koło 1 kHz charakterystyka zacznie się zaginać.


W uproszczeniu - najważniejsza zasada układów z ujemnym sprzężeniem zwrotnym jest taka, że poprawiamy parametry dzięki redukcji wzmocnienia. Jeśli pracujemy w zakresie ok. 1 kHz, żadnego istotnego zapasu wzmocnienia już nie ma, dlatego wzmocnienie już nie jest dokładnie wyznaczone rezystorami, wzmacniacz też "nie da rady" z linearyzacją diod. Żeby układ na wzmacniaczu operacyjnym był precyzyjny, potrzebujemy dużego zapasu wzmocnienia, zapas wzmocnienia zaznaczyłem na zielono.


Jak obejrzymy charakterystykę takiego wzmacniacza w powiększeniu, można zauważyć, że choć pasmo 3 dB wynosi 5 kHz, to jeśli chcielibyśmy uzyskać dokładność 1%, to już nie możemy przekroczyć 670 Hz (z symulacji poniżej), a to jeszcze nie uwzględnia obecności diod, których spadek napięcia wzmacniacz musi skompensować

1% błędu dla miernika to nie jest wynik, którym można się chwalić, 0,2% uzyskamy przy 200 Hz.

Dodano po 30 [minuty]:

Zasymulowałem układ w całości i dla zakresu 1 mV spadek wzmocnienia o 1% mamy dla 62 Hz.

Unitrowiec6 napisał:

Projekt miał teoretycznie działać to 50 kHz.

To masz 60 Hz.
Za to przy najmniejszej czułości spadek o 1% mamy przy 30 kHz.

50 kHz to nie jest w.cz., ale oczywiście błędnie prowadzona masa czy zasilanie mogą mieć wpływ na przydźwięk sieci i zakłócenia, np. od zasilaczy impulsowych.

Kurde, nie wiem, co teraz. Mam kupiony miernik wskazówkowy 1 mA i muszę taki wykorzystać.

Unitrowiec6 napisał:

Kurde, nie wiem, co teraz.

Sam miernik z prostownikiem zrób bez wzmocnienia (zakres 1 V i wyższe), do tego trzy wzmacniacze 10× i zależnie od wymaganego zakresu dołączasz jeden, dwa lub trzy wzmacniacze.

Sam używam takich wzmacniaczy, nawet do oscyloskopu, czasem trzeba obejrzeć coś co ma < 1 mV i pasmo < 100 kHz.

Unitrowiec6 napisał:

Mam kupiony miernik wskazówkowy 1 mA i muszę taki wykorzystać.

Nikt nie mówi, że taki jest zły. Pewnie magnetoelektryczny, w takich miernikach tłumienie drgań wskazówki zapewnia ramka, na którą nawinięto cewkę wewnątrz miernika, więc problem, o którym piszą koledzy, nie jest bardzo istotny.

A jakby to zrobić normalnie, wybierając zakres przełącznikiem obrotowym (tłumik)?

Dołączyć drugi LF356 albo jakiś tranzystor unipolarny?

Użyć przełącznika z dwiema sekcjami, pierwszą przełączać wejście do dzielników lub wzmacniaczy, drugą wyjścia z dzielników lub wzmacniaczy.

Można też zrobić tak, jak są zrealizowane wzmacniacze/tłumiki w.cz. - od każdego ogniwa tłumika lub wzmacniacza oddzielny przełącznik, na każdym opisane +20 dB lub -20 dB i sumujesz wzmocnienia/tłumienia.

Średnio mi odpowiada użycie przełącznika z dwiema sekcjami. Mam pojedynczy 6-pozycyjny. Zależałoby mi na wykorzystaniu miernika, który już mam (1 mA).

Unitrowiec6 napisał:

Średnio mi odpowiada użycie przełącznika z dwiema sekcjami.

To nie mam pomysłu, jak to zrobić, żeby było DOBRZE i wygodnie. Możesz zrobić wg schematu z pierwszego wpisu; zapomnijmy, że udowodniłem, że to nie będzie działać w pełnym paśmie, mogę skasować wpisy, jeśli chcesz; nikt nie będzie wiedział, że jest źle. :)

Przekaźniki miniaturowe sterowane przez przełącznik to jedno rozwiązanie.

Można zrobić dzielnik przełączany 0-20-40-60-80-100 dB, a za nim wzmacniacz 60 dB (w oscyloskopach bywało takie rozwiązanie), tylko w amatorskim wykonaniu to się może skończyć dużymi problemami, no i pierwszy lepszy przełącznik może się nie nadać.

Dodano po 1 [minuty]:

Unitrowiec6 napisał:

Zależałoby mi na wykorzystaniu miernika, który już mam (1 mA).

Jest OK.

W takim razie będę coś kombinował. Ewentualnie kupię ten dwusekcyjny.

Symulować sobie takie układy w LtSpice czy w czymś innym? W miarę realnie pokazuje to zachowywanie się układu?

Unitrowiec6 napisał:

Symulować sobie takie układy w LtSpice czy w czymś innym? W miarę realnie pokazuje to zachowywanie się układu?

Ja używam LTSpice, bo dobrze znam jego obsługę, wiem, jak w nim robić zaawansowane rzeczy, w tym przypadku, żeby wykreślić charakterystykę częstotliwościową, musiałem zrobić symulację krokową transient, wpisać instrukcję, żeby dla każdej wyliczył wartość średnią prądu R1 (który symuluje miernik) i z tego zrobić wykres. W praktyce sprowadza się to do pisania instrukcji w rodzaju ".step dec param fin 1 100k 4", co prawda można to wyklikać, ale i tak trzeba wiedzieć, czego się chce.

Prawdę mówiąc, żeby sprawnie posługiwać się symulacją, trzeba mieć wyczucie, jak zachowują się rzeczywiste układy, a tego nabiera się tylko dzięki uruchamianiu rzeczywistych układów. To, na ile dokładnie symulacja oddaje działanie rzeczywistego układu, zależy od tego, jak dokładne masz matematyczne modele elementów. Każdy program typu SPICE ma szanse liczyć dokładnie, jeśli modele będą wystarczająco dokładne, ale te zawsze są trochę na skróty, choćby po to, żeby się szybciej liczyło, i trzeba wiedzieć, gdzie i jakie skróty są akceptowalne.
Druga kwestia jest taka, że ja symulowałem ten układ wiedząc, gdzie się spodziewać słabych stron, taki "stres testing". Początkujący nie wiedzą, jak zadać trudne warunki, bo nie wiedzą, co jest trudne i gdzie sprawdzać, czy układ "daje radę", po czym poznać, że daje radę, dlatego zazwyczaj im wychodzi, że niesprawne układy "działają". Ale to nie jest problem symulacji, jak dasz początkującemu układ generator i oscyloskop, to też nie będzie umiał powiedzieć, czy układ działa.

Ja poszedłem trochę na skróty, symulując LF356 uniwersalnym wzmacniaczem o GBW = 5 MHz i SR = 7,5 V/us. Wiem, że rzeczywisty układ nie zachowa się lepiej, a też nie powinno być dużo gorzej. Teraz patrzę na ten 1 Mom w sprzężeniu zwrotnym i myślę, że bym to zmniejszył, żeby zmniejszyć wrażliwość na pojemności pasożytnicze, skoro układ nie musi wzmacniać 1000×, to i nie potrzeba tak dużego rezystora.

Możesz pobawić się moją symulacją, po otwarciu pliku na schemacie z menu kontekstowego wybierasz Run, wykreśli Ci nałożone na siebie wykresy wyprostowanego prądu na R1 dla różnych częstotliwości. Wybierając obszar z wykresu, można go powiększyć (np. po lewej, szczegóły dla wyższych częstotliwości).
Dalej wywołujesz Log przez Ctrl-l i na okienku, które się pojawiło, wybierasz z menu kontekstowego "plot .sepp'ed .meas data" i zobaczysz charakterystykę prądu średniego miernika w funkcji częstotliwości.


Zamiast ".step dec param fin 1 100k 4", czyli wykonania 21 symulacji, możesz wpisać np. ".param fin=1k" - będzie symulacja dla jednej częstotliwości 1 kHz lub innej, jaką wpiszesz. Klikając w dowolny punkt na schemacie albo na dowolny element, zobaczysz wykres prądu lub napięcia.

Zbudowałem układ na płytce prototypowej i nie rusza. Wskazówka lekko drgnie przy włączaniu zasilania...

Znalazłem jeszcze taki projekt. Dałoby się tam wstawić miernik 1 mA?

https://sound-au.com/project16.htm

Unitrowiec6 napisał:

Zbudowałem układ na płytce prototypowej i nie rusza. Wskazówka lekko drgnie przy włączaniu zasilania...

Zmierz napięcia na nóżkach scalaka 2, 3, 4, 6, 7.

Płytki stykowe lubią nie stykać. Poza tym mogłeś zrobić jakiś błąd.

Unitrowiec6 napisał:

Znalazłem jeszcze taki projekt. Dałoby się tam wstawić miernik 1 mA?

Projekt dopracowany w szczegółach, choć zasada działania ta sama, wart skopiowania. Żeby pracował z 1 mA, potrzeba zmienić VR2, zmieni to też inne parametry, np. pasmo, więc po przeróbce układ będzie trzeba przebadać na nowo.

Uruchom najpierw, to co złożyłeś.

A dałoby się może jakoś przerobić ten mój amperomierz 1 mA, tak aby pełna skala wynosiła np. 50 µA?
Może jakaś modyfikacja uzwojenia?

Unitrowiec6 napisał:

A dałoby się może jakoś przerobić ten mój amperomierz 1 mA tak aby pełna skala wynosiła np. 50 µ?

W jakim celu? Konstruktor zaleca miernik wychyłowy 1 mA.
To ma być miliamperomierz magnetoelektryczny prądu stałego o prądzie 1 mA.
Jak podłączysz 50 µA, to spalisz ustrój pomiarowy.
Popraw układ, zacznij od pomiaru napięć w układzie.

Unitrowiec6 napisał:

A dałoby się może jakoś przerobić ten mój amperomierz 1 mA, tak aby pełna skala wynosiła np. 50 µA?
Może jakaś modyfikacja uzwojenia?

Ustrój pomiarowy jest nierozbieralny.

Unitrowiec6 napisał:

A dałoby się może jakoś przerobić ten mój amperomierz 1 mA, tak aby pełna skala wynosiła np 50 µA?

To by wymagało nawinięcia 20× więcej zwojów drutem o 20× mniejszym przekroju (żeby się zmieścił). Amatorskimi środkami praktycznie niewykonalne, taki cienki drut to by było spore wyzwanie nawet dla fabryki, bo strasznie delikatny, do tego sporo nawijania. Ale elektronika może wzmocnić prąd bez przewijania uzwojenia...