毫伏表的原理

毫伏表是一種可以測量微弱信號的交流電壓表，是無線電制作中的常用儀表之一。本文介紹一款適合業余自制的毫伏表，由于在電路設計上采用了運算放大器，因此具有靈敏度高、測量電壓范圍寬、頻帶寬、輸入阻抗高 的特點，并且制作容易、調試簡單。該毫伏表的主要技術性能如下：
  ①測量交流電壓范圍：0．1mV～300V，共分11檔量程，即：3、10、30、100、300mV，l、3、10、30、100、300V檔
  ②被測電壓頻率范圍；20Hz～100kHz
  ③輸入阻抗：1MΩ
  ④測量誤差：土3％以內
一、電路原理與特點
    毫伏表電路圖見圖1，圖2是其方框圖。被測信號由X端輸入，經分壓器(1)分壓得到適當范圍的電壓送入電壓跟隨器IC—l。由于集成運放電壓跟隨器具有輸入阻抗極高、輸出阻抗極低的特點，所以接上后面的分壓器(2)和放大器后，仍可保證整個毫伏表具有高輸入阻抗的特點。IC—l的輸出信號經分壓器(2)再次分壓后送到放大器進行放大。Sl—l與S1—2是同軸聯動轉換開關，分壓器(1)與(2)組合分壓的結果，便實現了量程轉換，因此Sl即為量程選擇開關。
  集成運放IC-2和IC-3組成兩級反相輸入寬頻帶放大器，每級電壓放大倍數20倍(26dB)，兩級共放大400倍(52dB)，這樣設計的目的是為了展寬放大器的頻帶。放大后的信號電壓送往整流指示電路。   
    整流指示電路包括整流器和表頭。集成運放1C－4、二極管VDl～4等組成一個精密全波整流器，整流橋VDl～4接在集成運放的反饋回路中，直流微安表頭PA接在整流橋的對角線上。被測電壓正或負半周時，表頭PA中的電流方向始終不變，為全波整流電流，其值大小僅與被測電壓和電阻(R16+RPl)的阻值有關，而與反饋回路的電壓無關，即表頭內阻和整流二極管的非線性都不會影響測量精度，即使溫度引起的二極管特性的變化也不會影響表頭指示值，且表面刻度為線性均勻刻度。
二、元器件選擇
   集成運算放大器1C選用LM324，這是一種常用通用型四運放電路，其引腳如圖3所示。當然IC也可選用其它四運放電路，如TL084等。
  表頭PA選用磁電式微安表，滿度電流(靈敏度)100～300μA均可，內阻不限。
  整流二極管VD1～4選用2CK系列硅開關二極管。電阻全部選用1/4W以上的金屬膜電阻。分壓器電阻R1～R3、R5～R9要求阻值**，否則將影響毫伏表的精度。非標稱電阻可從相鄰近的標稱電阻中挑選。RPl為微調電阻。電容C1選用耐壓≥630V的無極性聚酯電容。其它電容耐壓≥35V即可。輸入插座X采用廉價的蓮花插座，可降低成本，探頭線亦相應地采用蓮花插頭。量程選擇開關Sl采用2刀11擲旋轉式波段開關。正、負電源GBl、GB2采用2節9V疊層電池。VD5是發光二極管，作電源指示用。
 三、制作與調試  
     1．結構特點：由于毫伏表具有很高的輸入阻抗和靈敏度，極易受到干擾，因此應采取電磁屏蔽措施，包括采用金屬機殼(可用鋁飯盒代用)并與電路中的地相連通，探頭線采用屏蔽線等，以抗干擾。分壓器各電阻直接焊在量程選擇開關上，減少了與印刷電路板之間的連線，且電路一點接地(機殼)，避免雜散耦合。采用電池供電，消除了由交流電源線引進噪聲的可能。這些措施保證了毫伏表正常可靠地工作。
    2．電路板制作：準備一塊7X7(cm)的敷銅板，按圖4制成印刷電路板，并打好元件引腳孔和安裝孔。然后按圖4將各元件焊入電路板，應先焊入其它元件，*后焊入集成運放。
    3．繪制表面刻度：刻度線為兩條，上面一條為0～10刻度，將刻度線等分10份，每份再等分10小格；下面一條為0～3刻度，將刻度線等分3份，每份再等分10小格(圖6b)。·將繪好的刻度貼在表頭原刻度上即可。
    4．整機組裝：首先按圖5將分壓器各電阻焊在量程選擇開關上，并將C6焊在表頭引腳上。其次將量程選擇開關Sl、表頭PA、輸入插座X、電源開關S2和發光二極管VD5固定在面板(鋁盒蓋)上，將電路板固定在量程選擇開關Sl上方(圖6a)，應注意各元器件均要與鋁盒蓋絕緣，只有輸入插座X的外層與鋁盒蓋電氣連通。然后按圖4、圖5將全部電路連接完成，由輸入插座X至量程選擇開關S1的連線應采用屏蔽線。*后將面板上各檔位及“輸入”、“電源”等字樣標好(圖6b)。
    5．制作探頭線：取約l米長的屏蔽線，一端接上蓮花插頭(屏蔽層接插頭外層)，另一端芯線接紅色魚夾、屏蔽層接黑色魚夾，如圖7所示。
    6．調試：整機電路對照圖l核對無誤后，裝上電池，探頭線插入輸入插座X，微調電阻RPl旋至阻值*大位置。首先將輸入端短路(紅、黑魚夾相接)，打開電源開關，表頭指針擺動數次后應指“0”(刻度*左邊)。如不為“0”，則可能電路自激，可用一小容量電容從前往后依次接到運放輸出端與地之間，以檢測并消除自激。該電容容量一般為100p～0．1μ，應盡可能用小容量的。然后用信號發生器經探頭線向輸入端送入3mV的交流信號(一般取f＝1kHz)，量程選擇開關S1置“3mV”檔，調節RPl使表頭指針滿度(指向刻度*右邊)即可。如無信號發生器，可用一小電源變壓器，初級接220V交流電源，次級電壓即可作為調試信號送入輸入端，用標準毫伏表(也可用萬用表，但精度較低)測出次級交流電壓值(例如6V)，則將量程選擇開關Sl置“10V”檔，調節RPl使表頭讀數為“6”即可。
    由于調試時機殼必須打開，因此調試場所應遠離各種干擾源。調試結束蓋上機殼后應再校驗一下，，如表頭讀數變化應重調。調試與使用中應注意，不要用該毫伏表直接測量220V市電，因機殼帶電！以免發生危險。