광대역 아날로그 전압 및 전류 측정기 설계

현재 디지털 계량기가 널리 사용되고 있는데 순수 아날로그 계량기를 제공한다는 것은 놀라운 일이 아닐 수 없습니다. 그러나 디지털 미터에는 아날로그-디지털 변환기(ADC) 앞에 아날로그 회로가 있다는 사실은 잘 알려져 있지 않습니다. 20Hz 미만에서 최대 200kHz까지의 주파수를 갖는 광대역 아날로그 전압계는 과거에도 널리 사용되어 왔으며 여전히 매우 유용합니다.

최신 연산 증폭기(op amp)를 사용하면 아날로그 미터의 설계가 크게 단순화될 수 있습니다. 이 설계는 합리적인 가격의 구성 요소를 사용하여 20Hz ~ 1MHz(10Hz에서 -1dB)의 균일한 대역폭을 제공합니다.

접지단에 0.1Ω 저항을 삽입해도 전류가 크게 감소하지 않는 회로에 전류 측정 기능을 추가하는 것은 어렵지 않습니다. 계기가 배터리로 작동되거나 안전 등급 2 구성인 경우 접지 연결이 실제 접지일 필요는 없습니다.

6개 전압 범위는 1, 10, 100mV 및 1, 10,100V 풀 스케일이고, 4개 전류 범위는 10, 100mA 및 1, 10A 풀 스케일입니다. 이 설계에는 사인파 신호의 피크 전압 또는 RMS(평균 제곱근) 전압을 판독하도록 감도를 전환할 수 있는 광대역 피크 감지기가 통합되어 있습니다.

특별한 주파수 응답을 제공하기 위해 외부 필터를 삽입하는 규정이 있습니다. 이 기능을 사용하면 미터를 가변 게인 전환 기능을 갖춘 두 개의 별도 증폭기로 사용할 수도 있습니다.

기기는 2개의 9V 배터리 또는 9-0-9V 주 전원 장치로 작동됩니다. 전류 소모는 각 배터리(발광 다이오드(LED) 표시기 제외)에 대해 25mA 미만이므로 긴 수명을 예측할 수 있습니다.

장비의 블록 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다.

입력 감쇠기/전류 모드 선택기는 최대 100V의 전압을 측정하려고 하는데 증폭기에 직접 적용할 수 없기 때문에 필요합니다. 전류 감지 저항기와 직렬로 연결된 스위치 접점이 없도록 전류 모드가 선택되어 잠재적 오류 원인이 제거됩니다. 지불해야 할 작은 가격은 전류 모드 작동을 위해 별도의 커넥터가 필요하다는 것입니다.

증폭기는 1mV 입력에 대한 전체 범위 판독값을 제공하기 위해 약 1000(60dB)의 이득이 필요합니다. 이는 각각 31.62의 이득을 갖는 LM4562의 연산 증폭기 2개를 사용하여 달성됩니다. LM4562는 실제로 하이파이 프리앰프용으로 제작되었기 때문에 잡음과 왜곡이 낮고 대역폭도 넓습니다. 오프셋 전압은 그다지 뜨겁지 않지만 이 애플리케이션에서는 극복할 수 있습니다.

앰프단이 2개이므로 두 앰프 사이에 다른 회로를 삽입할 수 있도록 커넥터와 스위칭을 제공하기 쉽고, 두 번째 앰프의 출력에 커넥터를 추가하면 독립 앰프로도 사용할 수 있다.

디지털 디스플레이나 포인터 장비를 작동하기 위해 증폭된 신호를 DC로 변환하기 위해 제공되는 검출기 유형과 관련하여 중요한 결정을 내려야 합니다. 가장 간단한 검출기는 반파 평균 유형으로, 이는 신호에 대해 거의 알려주지 않으며 감지되지 않은 반주기에서 상당한 전압 편위를 숨길 수 있습니다.

복잡성 척도의 반대편에는 "true-RMS" 검출기가 있는데, 이는 파동 신호의 RMS 값을 읽도록 조정되었지만 다른 모든 신호의 RMS 값은 읽지 않은 평균 검출기와 구별하기 위해 'true'로 표시되어 있습니다. 신호의 RMS 값을 알고 싶을 때 유용하지만 합리적인 가격의 유일한 장치는 200kHz로 제한되는 AD736이지만 증폭기는 최대 1MHz 이상까지 작동합니다.

세 번째 형태의 검출기는 전파장 피크 검출기로서 합리적인 가격으로 구성할 수 있다. 신호 체인의 무언가가 과부하되어 피크 클리핑되었음을 나타낼 수 있으므로 신호의 피크 값을 측정해야 하는 경우가 매우 많습니다. 또한 파형이 크게 잘리지 않는 한 피크 값을 1.4로 나누거나 0.7을 곱하여 사인파 신호(최대 약 10% 왜곡 포함)의 RMS 값을 쉽게 찾을 수 있습니다. 이는 3dB 감쇠기를 켜야 하기 때문에 쉽게 정리할 수 있습니다.