Например, устройство смещения нуля и усилитель с переключаемыми коэффициентами усиления 1, 10 и даже 100 сильно расширит область применения АЦП ADC 10 и того мощного программного обеспечения, которое к нему прилагается. Этот АЦП можно будет использовать даже для оцифровки звука!

Подача переменного напряжения с нулевым средним значением (иными словами, без постоянной составляющей) на вход аналого-цифрового преобразователя с входным диапазоном 0-5 В приводит к эффекту однополупериодного, выпрямления. Результаты измерений, выполненных без учета этого обстоятельства, конечно, окажутся неверными. Данная ситуация аналогична той, когда луч обычного осциллографа расположен у нижнего края экрана, а не в середине, или когда перо регистратора установлено на один из краев бумаги.

В обоих случаях регулировка положения луча или установки нуля позволяет решить проблему путем добавления регулируемого постоянного напряжения смещения к входному сигналу.

Хотя входной диапазон 0-5 В и подходит для решения многих задач, при измерениях с помощью 8-разрядного АЦП желательно использовать максимально возможное количество из 256 уровней, то есть нужно уложиться в последнюю треть шкалы. К примеру, входное напряжение, изменяющееся в пределах от 0 до 500 мВ, при преобразовании займет всего 25 уровней, что соответствует точности 4%, тогда как АЦП наверняка имеет точность не ниже 1%.

1-2-разрядные АЦП решают эту проблему, но они тоже не работают с сигналами переменного тока.

Входное сопротивление большинства микросхем АЦП значительно меньше 1 МОм, и из-за этого обычный делитель 1/10 будет слишком сильно подавлять сигналы, амплитуда которых лишь немногим больше уровня 5 В.

Предварительный усилитель с коэффициентом усиления 10 позволит измерять напряжения до 500 мВ с такой же точностью, с которой сам АЦП оцифровывает напряжения до 5 В. При входном сопротивлении 1 МОм предусилитель с единичным усилением позволит работать на пределе измерения «50 В» с использованием обычного делителя 1/10.

С учетом простоты схем описываемых АЦП был разработан самый простой усилитель. Действительно, не нужны ни широкая полоса (достаточно нескольких килогерц), ни высокая точность (достаточно 1%), ни смещение нуля на уровне микровольт, поскольку 8-разрядный АЦП с трудом определяет разницу между величинами 0 В и 20 мВ.

Не надо рассматривать схему, приведенную на рис. 6.1, как образец высокоточного прибора - это небольшое, но полезное устройство, предоставляющее немалые возможности.

Главный компонент схемы - сдвоенный операционный усилитель LM358, разработанный очень давно и широко распространенный. Он может работать с напряжениями, очень близкими к нулю, даже без двухполярного питания. Простой девятивольтовой гальванической батарейки вполне хватит для питания описываемого устройства, которое потребляет ток не более 1 мА (500 часов непрерывной работы с новой щелочной батареей).

Из напряжения питания +9 В микросхемой TLE2425 производства компании Texas Instruments формируется стабильное напряжение 2,5 В. Обычно эта микросхема используется в устройствах для получения «виртуальной земли».

Хотя напряжения 2,5 В даже при единичном усилении вполне достаточно для сдвига нуля в середину рабочего диапазона 0-5 В, при отсутствии микросхемы TLE2425 допустимо применение интегрального стабилизатора 78L05. При этом параметры будут менее стабильны, а потребление тока увеличится. Расположение выводов v обеих микросхем одинаково,

.Многооборотный потенциометр R9 с сопротивлением 10 кОм служит для подачи части выходного напряжения микросхемы TLE2425 на резисториый сумматор. На этот' же сумматор поступает и входное напряжение, которое может подаваться напрямую (разъем DC - открытый вход) или через разделительный конденсатор Ст (разъем AG - закрытый вход), как и у обычных осциллографов.

Использование входа АС позволяет убрать из входного сигнала постоянную составляющую (обычно присутствующую), а затем при помощи потенциометра R9 подобрать такую ее величину, которая максимально упростит проведение измерений. Емкость неэлектролитического конденсатора Ссх1 (желательно, чтобы он был рассчитай на напряжение 400 В) будет зависеть от условий измерений: величина 1 мкФ позволяет работать на очень низких частотах, а величины 0,1 мкФ достаточно для работы в звуковом диапазоне.

Номиналы резисторов (с точностью 1%) были рассчитаны таким образом, чтобы первый каскад имел единичное усиление, а входное сопротивление составляло 1 МОм. Резистор с сопротивлением 500 кОм можно получить, соединив параллельно два резистора но 1 МОм каждый.

Второй каскад имеет переключаемый коэффициент усиления 1, 10, 100, а многооборотный потенциометр R10 22 кОм позволяет либо точно откалибровать усиление при настройке, либо регулировать его плавно - так же, как это можно проделать при помощи обычного осциллографа, вращая ручку «Усиление плавно». ^j

Конечно, ничто не мешает использовать иные номиналы резисторов, чтобы получить другие коэффициенты усиления: 2, 5 и т.д.

Для реализации коэффициента усиления 100 в цени обратной связи операционного усилителя используется резистор с номиналом 1 МОм, для коэффициента усиления 10 — параллельное соединение резисторов 100 кОм и 1 МОм. Для реализации единичного усиления (схема повторителя) применена обычная перемычка.

Чтобы обеспечить высокую точность устройства, калибровку надо проводить при коэффициенте усиления 10, так как режим «ХЮ0» используется редко и, кроме того, в этом режиме операционный усилитель LM 358 подвержен влиянию эффекта смещения нуля (которое едва ли будет скомпенсировано полностью).

Следует обратить внимание на то, что, если не используется версия с оптронной развязкой, общий провод усилителя (в частности, входных разъемов) соединен с общим проводом АЦП и, следовательно, с корпусом ПК. Очевидно, что непреднамеренная подача слишком большого напряжения на вход усилителя или самого АЦП может привести и к его попаданию на материнскую плату ПК.

Описываемое устройство нельзя рассматривать как защитное: оно не предназначено для этой цели. Пользователь при проведении измерений сам должен предпринять все необходимые меры предосторожности и помнить, что ПК более уязвим, нежели осциллограф или мультиметр.

Рассмотрим конструкцию усилителя. На рис. 6.2 приведена топологическая схема печатной платы, на которой размещены все элементы устройства. Монтажная схема приведена на рис. 6.3; на ней показаны также соединительные колодки для подключения проводов входных и выходных сигналов. При необходимости можно подключить .внешний источник питания вместо гальванической батареи 9 В. Это может понадобиться, например, при проведении очень длительного измерительного процесса. Внешний вид платы с установленными элементами показан на рис. 6.4.

Вне платы будет смонтирован только входной конденсатор Coxt, размеры которого могут быть весьма большими, если выбран номинал 1 мкФ X 400 В.

Многооборотные подстроенные потенциометры R9 и R10 предназначаются как для печатного монтажа, так и для монтажа на панель. Второй подход предпочтителен, особенно для регулятора установки нуля, пользоваться которым придется довольно часто.

Выбор коэффициента усиления может осуществляться при помощи блока перемычек (при редком использовании) либо при помощи

тумблера или переключателя (при регулярном использовании). Но в большинстве случаев достаточно тумблера с положениями «X1» и "Х10".

Размеры платы позволяют разместить ее вместе с гальванической батареей в металлическом корпусе типа ЕМ 06/03 ESM. Несколько отверстий в корпусе позволят установить все органы управления, а также, если понадобится, две приборные розетки BNC (CP50-73).

Схему очень легко настроить, далее не подавая на нее внешний входной сигнал. При установке переключателя перемычек в положение «единичное усиление» и в режиме «открытый вход» (DC) необходимо «закоротить» вход усилителя. Простое вращение ручки регулятора «Установка нуля» должно привести к изменениям показаний виртуального вольтметра в пределах от 0 до 2,5 В (показания должны увеличиваться в десять раз при переходе на режим «Х10»). В таком случае, естественно, АЦП не может обработать входное напряжение выше 5 В.и будет формировать кодовую комбинацию, соответствующую максимуму шкалы.