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Analog Multimeter im Eigenbau

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Gerhard Heigl
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26.Apr.13 11:15

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Ich habe mir ein analoges Multimeter selbst gebaut. Die Schaltung stammt, glaube ich, aus einem Elektor-Buch. Nach dem Abgleich und Eichung der Spannungsbereiche habe ich bemerkt, dass die Linearität der Anzeige stark abweicht. Zum Beispiel der 10V-Bereich. Geeicht wurde auf Endausschlag 10V im Vergleich mit einem Digital-Multimeter.  An PIN 3 liegen ca. 80mV bei Vollausschlag. Bei einer Spannung von 5V werden im DC-Modus 5,9V angezeigt. Im AC-Modus 2,9V. Der Einsatz von verschiedenen Operationsverstärker hat nichts gebracht.
Im Bild ist die Prinipschaltung des Messverstärkers zu sehen. Die Versorgungsspannung liefern 2 in Serie geschaltete 4,5V-Batterien. Die Mittelanzapfung bildet GND.  Das Widerstandsnetzwerk für die Spannungsbereiche wurde nicht gezeichnet.

Das zweite Bild zeigt die Fehlerkurven im DC- und AC-Modus.

Ich kann mir dieses Verhalten nicht erklären. Wer kann mich bitte aufklären?.

Dietmar Rudolph † 6.1.22
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26.Apr.13 18:20

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Die Schaltung ist im Prinzip richtig, aber....

Burr-Brown gibt folgende Schaltung an:

Die durch die Dioden bestehende Nichtlinearität wird dadurch, daß sie sich im Gegenkopplungszweig befindet, entsprechend zum Wert der Kreisverstärkung reduziert.

Die Kreisverstärkung hängt ab von der "Open Loop" Verstärkung des OpAmps. Beim 741 sinkt die open loop Verstärkung stark ab, wenn nicht die "normale" Versorgungsspannung von +- 15V verwendet wird.

Wenn aber die Kreisverstärkung nicht ausreicht, werden auch die Nichtlinearitäten nicht genügend linearisert.

Empfehlung:

  • Testen Sie die Schaltung Fig. 6.12 mit verschiedenen Betriebsspannungen um den für diesen Zweck minimal erforderlichen Wert zu ermitteln.
  • Verwenden Sie nicht mehr Einstellpotis als unbedingt notwendig.

MfG DR

Gerhard Heigl
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27.Apr.13 18:20

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Vielen Dank an Herrn Prof. Rudolph für die Denkanstösse, auch an Herrn Pius Steiner für die Schaltbeispiele die er mir per mail gesandt hat.
Die Versorgungsspannung habe ich auf 30V (+-15V) erhöht. Am Fehler hat sich nichts geändert. Dann wurde probeweise das Trimmpot "P2" entfernt. Das Instrument zeigt nach dem Abgleich linear über den ganzen Bereich, der Fehler ist verschwunden und das bei der ursprünglichen Versorgungsspannung von 9V (+-4,5V). Warum das so ist verstehe ich aber nicht. Allerdings kann durch das fehlende Trimmpot die Anzeige "DC" und "AC" nicht mehr angeglichen werden. Als Abhilfe wurden 2 Dioden in den "DC"-Kreis eingeschliffen, somit ist in jedem Betriebsmodus (AC und DC) die Anzahl der Dioden, in Serie mit dem Instrument, gleich. Die Anzeige ist nun in beiden Modis annähernd gleich. Ich werde noch weitere Versuche machen und über das Ergebnis berichten.

This article was edited 27.Apr.13 18:21 by Gerhard Heigl .

Dietmar Rudolph † 6.1.22
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27.Apr.13 18:53

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Der Nichtlinearitätsfehler entsteht, weil die Spannung am Ausgang des OPAmps die Nichtlinearitäten der Dioden ausgleichen muß. Anders ausgedrückt: die Ausgangsspannung des OpAmps stellt sich so ein, daß der Strom durch R1 in Abb. 6.12 exakt einen Spannungsfall von ei erzeugt. (Die Differenz-Eingangs-Spannung des OpAmps ist fast 0 - infolge seiner hohen Leerlaufverstärkung.)

Wenn nun in Ihrer ursprünglichen Schaltung mit Hilfe von P2 eine Teilspannung über den Dioden abgegriffen wird, ist darin genau die durch die Dioden bedingte Nichtlinearität enthalten. Damit ändert sich diese Teilspannung in nichtlinearer Weise.

Vorschlag:

  • Legen Sie P2 parallel zu P3 und schalten Sie damit zwischen DC und AC um. (jeweils am Schleifer)

Damit kann die Einstellung für AC und für DC unabhängig von einander eingestellt werden - und es werden keine zusätzlichen Dioden benötigt, die ja stromabhängige Durchlaßspannungen haben und damit Fehler in das Meßergebnis bringen.

MfG DR 

Franz Harder
 
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Hallo Gerhard,

ich habe vor vielen Jahren ein ähnliches Voltmeter gebaut und heute noch im Einsatz.

Die Gründe für die Nichtlinearität wurden von Herrn Rudolph ausführlich erläutert - eine Korrektur ist mit vertretbarem Aufwand nicht machbar. Meine Lösung besteht darin, dass ich keine AC-DC Umschaltung vornehme, sondern auch für die Gleichspannungsanzeige die Spannung  der Brückendiagonale verwende. Es wird also sowohl für DC als auch für AC die gleiche Skaleneinteilung verwendet, allerdings muss die Skala eventuell neu gezeichnet werden.

Nebenbei bemerkt hat uns die Technik der OP-Amps einen weiteren Vorteil gegenüber den Röhrenvoltmetern gebracht: Im Gegensatz zum VTVM, bei dem die Meßspannung bereits am Eingang gleichgerichtet wird, erfolgt bei der gezeigten Lösung die Gleichrichtung am Ausgang des Verstärkers. Damit wird der Gleichrichter immer im selben Spannungsbereich betrieben und für alle Messbereiche ist nur eine Skalenteilung notwendig. Die Röhrenvoltmeter mit Röhrengleichrichter im Tastkopf benötigten ja bekanntlich für den niedrigsten Meßbereich (meist 2,5 oder 3V Vollausschlag) eine weitere Skala!

Gruß Franz

Georg Beckmann
Georg Beckmann
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28.Apr.13 12:09

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Hallo zusammen,

es gibt eine Grundschaltung mit Operationsverstärkern, die als 'idealer Gleichrichter' bekannt ist.
Vielleicht sind solche Dinge auch in der digitalen Welt nocht interessant.
Deshalb habe ich dazu eine kurze Erklärung verfasst.

idealer Gleichrichter

 

Schöne Grüße

 

Georg Beckmann

 

Dietmar Rudolph † 6.1.22
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28.Apr.13 15:48

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Der Gleichrichter mit Eingang über die + Klemme des OpAmp unterscheidet sich von dem mit Eingang über die - Klemme durch seinen Eingangswiderstand Re.

  • Eingang über + Klemme: Re sehr hoch, bei FET OpAmp Re => unendlich (theoretisch)
  • Eingang über - Klemme: Re = R2 || R4 = 10kΩ (gemäß Schaltbild "idealer Gleichrichter")

"Ideal" arbeiten beide Varianten, solange die Kreisverstärkung sehr hoch ist. Diese hängt mit der Leerlaufverstärkung des OpAmp zusammen und ist frequenzabhängig. Der 741 hat eine typische "Durchtrittsfrequenz" (V =1) von 1MHz und eine typische Leerlaufvertstärkung (V0 >= 100dB). Das gibt eine 3dB Grenzfrequenz von ca. 10Hz (!) für die Leerlaufverstärkung.

Wird dann noch der 741 so beschaltet, daß die Verstärkung 100 wird, hat die Schaltung eine Grenzfrequenz von 10kHz.
Aus der Schaltung von Burr-Brown ist jedoch zu erkennen, daß die Verstärkung nur wenig größer als 1 zu sein braucht, woduch sich dann eine Grenzfrequenz bei ca. 1MHz ergibt. Das hat auch noch den Vorteil, daß der OpAmp nicht so schnell in die "Slew-Rate" Begrenzung kommt.

Die Amplitude einer sinusförmigen Ausgangsspannung muß bei höheren Frequenzen reduziert werden, sonst erhält die Spannung dreieckförmigen Verlauf. (Slew-Rate) Der Grund besteht darin, daß die im OpAmp vorhandenen Stromquellen die Schaltkapazitäten nicht schneller aufladen können. Man sieht diese "Slew-Rate" deutlich in der Steigung der Ausgangsspannung, wenn das Eingangssignal rechteckförmig ist.

In diesem Beispiel des Spannungsfolgers ist die Verstärkung auf 1 eingestellt, wodurch sich die maximal mögliche Kreisverstärkung ergibt.

MfG DR

Gerhard Heigl
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02.May.13 13:59

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Nun habe ich das Analogmultimeter auf Grund der Anregungen aus dem Kollegenkreis etwas geändert. Dafür meinen Dank an alle Beteiligten. Mein Ziel war, alle Bauteile des Multimeters auf einer einzigen Platine unter zu bringen. Als Platine wählte ich eine einseitig Cu-kaschierte Euro-Karte (100 x 160mm). Auf Grund der einseitigen Leiterplatte mussten auch einige Drahtbrücken in Kauf genommen werden. Verdrahtet müssen nur das Instrument und die Eingangsbuchsen werden. Die beiden Batterien (9V und 1,5V) sind auf der Cu-Seite der Platine untergebracht. Für den 9V-Block wurde eine handelsübliche Halterung verwendet, die Halterung der 1,5V Babyzelle mit 2 Blechwinkeln selbst gebaut.
Nun zur Schaltung. Das ursprüngliche Konzept mit dem LM741 war nicht aufrecht zu erhalten. Bei einer Versorgungsspannung von 9V durfte die Batteriespannung nur um 1V absinken, unter 7,8V wird das Messergebnis verfälscht. Weiters war ein Eingangswiderstand von 10MΩ nur bei einer hohen Verstärkung möglich (Teilung 10MΩ / 100kΩ). Zur Verwendung kam der modernere TLC271, damit war das Problem der Spannungsversorgung gelöst. Die Spannung kann bis 6V absinken, ohne das Messergebnis zu beeinflussen. Auch der Teilungsfaktor 10MΩ / 1MΩ ergibt eine kleinere Verstärkung was sicherlich eine höhere Grenzfrequenz bei AC zulässt. 
Im 1V-Bereich ist keine Abgleichmöglichkeit vorgesehen. Dieser Bereich wird daher mit dem Trimmpot "Verst." fix justiert. Bei einer Eingangsspannung von 1V liegen an PIN 3 des TLC271 100mV. Erst dann kann der Abgleich der anderen Bereiche erfolgen.
 

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