Uitbreiding van geheugenvoltmeter tot piekvoltmeter
Vorige week beschreven we een door PAoBJG ontworpen eenvoudige geheugenvoltmeter. In dit tweede deel beschrifft dezelfde auteur een uitbreiding van de schakeling waardoor nog veel meer mogelijkheden uitgebuit worden.
Na de schakeling met de CA3130 resp. CA3140 gemaakt te hebben kwam al ras de vraag bij me op of deze meter niet uit te breiden zou zijn tot een piekvoltmeter. Het principe is vrij eenvoudig, de realisering bleek minder eenvoudig te zijn. Het principe is getekend in fig. 1. Indien er een positieve puls wordt gezet op de niet inverterende ingang van de OpAmp dan zal de uitgangsspanning stijgen en daardoor de condensator C gaan laden.
Fig. 1. Principe piekvoltmeter
Zodra de spanning op de condensator, die met de inverterende ingang van de OpAmp is verbonden, gelijk wordt aan die van het signaal op de niet-inverterende ingang zal de uitgangsspanning van de OpAmp dalen en de condensator niet verder worden geladen. We zien hier uit dat de spanningsval over de diode volledig gecompenseerd wordt en geen invloed heeft op de spanning die de condensator uiteindelijk krijgt. Deze zal in principe exakt gelijk worden aan die van de spanning op de niet-inverterende ingang. Immers, elk spanningsverschil tussen de beide ingangen van de OpAmp zal resulteren in een grote positieve resp. negatieve uitgangsspanning t.g.v. de grote versterking van het IC. Zodra de ingangsspanning wegvalt wordt de uitgangsspanning van het IC sterk negatief, de spanning op de inverterende ingang wordt dan immers positief t.o.v. die op de niet-inverterende ingang. De diode zal dan gaan sperren en de condensator zal ontladen worden door de sperstroom van de diode, in de grootte orde van enige micro-amperes. De ingangsstroom van het IC, in dit geval een CA3130 resp. 3140 is zo gering dat we deze volledig kunnen verwaarlozen.
Vanzelfsprekend dienen we een voltmeter met een zeer hoge ingangsimpedantie te gebruiken om de spanning op de condensator te kunnen meten. De eerder besproken geheugenvoltmeter is daar bij uitstek voor geschikt. Helaas, ook al is de sperstroom van de diode klein, toch zal binnen een minuut de condensator weer geheel hierdoor ontladen zijn en dit maakte de schakeling voor praktisch gebruik ongeschikt.
Terloops zij nog vermeld dat er nog een aantal neveneffecten optraden. Wil men kortstondige pulsen kunnen meten dan mag de condensator niet te groot zijn, doch het IC kan niet zulke grote laadstromen leveren. Dit heeft weer tot gevolg dat de condensator door de diode nog sneller ontladen wordt.
Een tienmaal kleinere condensator zal bij gelijke spanning een tien maal kleinere lading bezitten (Q = CV) en bij eenzelfde ontlaadstroom (sperstroom diode) ook zoveel malen sneller ontladen worden. Een tweede nare bijkomstigheid is dat als we de spanning verwijderen, de condensatorspanning op de inverterende ingang blijft staan gedurende enige ogenblikken. Hierdoor kan een groot potentiaalverschil op de ingangen van het IC komen en wordt de uitgangsspanning zwaar negatief. Helaas mag een dergelijk potentiaalverschil vaak niet op de ingangen komen te staan; dit kan soms aanleiding geven tot vernieling van het IC. Een rechtgeaard amateur geeft het echter niet zo gauw op en dus maar weer eens proberen hoe deze problemen te omzeilen. Een tweede schakeling die uitg6probeerd werd is getekend in fig. 2. Het eerste IC is nu geen CA3130 maar een 741, welke intern is beveiligd tegen grote spanningsverschillen op de ingang.
Fig. 2. Verbeterde piekvoltmeter
Voorts is gekozen voor zowel positieve als negatieve voedingsspanningen. Het tweede IC van het type CA3140 is geschakeld als spanningsvolger en de uitgang er van teruggekoppeld via R naar de.inverterende ingang van de 741. Deze heeft weliswaar een veel hogere ingangsstroom dan de CA3140 doch de stroom kan eenvoudig door de uitgang van de CA3140 geleverd worden. Eerst moest de condensator deze leveren!
Diode D1 vervult dezelfde functie als in de eerste schakeling terwijl diode D2 ervoor zorgt dat de uitgangsspanning van de 741 niet zwaar negatief wordt. Immers, zodra deze negatief wordt gaat er via D2 een stroom lopen, over R ontstaat dan een spanningsval en de spanning op de inverterende ingang van de 741 wordt dan ook laag. Dit belet de uitgang van de 741 sterk negatief te worden. Op de uitgang van de CA3140 kan nu een normale universeelmeter aangesloten worden.
Blijft echter het feit dat ook nu de condensator t.g.v. de diodesperstroom snel ontladen zal worden. Goede raad is duur, om snelle pulsen te kunnen meten mogen we nu eenmaal de condensator niet te groot maken. Toch lag de oplossing voor de hand, we nemen een kleine condensator C in de schakeling en plaatsen een overigens geheel identieke schakeling, maar nu met een veel grotere condensator erachter. Ook al ontlaadt de eerste C vrij snel, hij doet er toch veel en veel langer over dan de tijdsduur van de ingangspuls bedraagt. De aldus gebouwde schakeling leek veelbelovend, over de tweede condensator werd zelfs een schakelaartje aangebracht om de condensator snel te kunnen ontladen voor een volgende meting; het duurde immers enkele minuten voordat de condensator geheel ontladen was! Helaas deden zich ook nu weer complicities voor. Tijdens zorgvuldig testen van de schakeling bleek de uitgangsspanning van de tweede CA3140 sours veel hoger te zijn dan de hoogte van de puls, vooral bij lagere spanningen.
Metingen m.b.v. een geheugen oscilloscoop toonden.aan dat de uitgangsspanning van de eerste 741 een veel hogere piek vertoonde dan de ingangspuls, hetgeen resulteerde in een te hoge spanning op de condensator. In sommige gevallen bijna het dubbele.
De reden hiervan heb ik niet kunnen achterhalen, misschien kan een electronicus pur sang dat eens duidelijk maken. De remedie ertegen heb ik wel gevonden, n.l. een weerstand van lk tussen de punten A en B. Weliswaar heb ik vermoedens omtrent de oorzaak maar die kan ik helaas niet hard maken; de schakeling werkte vanaf dat moment bevredigend! Als je zo aan het experimenteren bent probeer je steeds verder te komen. Mijn ideaal was een geheugenvoltmeter waarvan de aanwijzing, bij wijze van spreken, tot in de lengte van dagen blijft staan. Zo ontstond de schakeling van fig. 3.
Fig. 3. Complete piekvoltmeter met digitaal geheugen.
De ingang is volkomen identiek aan het schakelingetje van fig. 2. De uitgangsspanning wordt nu echter toegevoerd aan een als comparator geschakelde OpAmp (de helft van een 747, deze bestaat uit twee 741's). Zodra op de ingang van dit IC een positieve spanning komt te staan, wordt de uitgang sterk positief en dus ook de ingang van de hier achter geschakelde nand met drie ingangen. Als v66r de meting het IC 4024 (een 7 traps binaire counter) gereset is zijn alle uitgangen ervan nul.
Dus uitgang 10 van de nand die hier achter geschakeld is, is dan een. Met de een op ingang 8 wordt uitgang 9 van de volgende nand een nul en van de nand die hier weer achter staat (alle drie in de 4023) wordt uitgang 6 een. Hiermee wordt bereikt dat zolang de uitgang van de comparator positief is, de klokpulsen van de oscillator, gevormd door twee nands en gevolgd door een buffer, via de vierde nand (alle vier in de 4011) op ingang 1 van de counter 4024 komt te staan. Deze begirt te tellen.
Eerst wordt uitgang QO positief, vervolgens Q1, daarna QO en Q1, etc. Door nu de uitgangen via dioden met weerstanden, die steeds de helft in waarde van de voorafgaande zijn, te verbinden met de weerstand Rs zal over de laatste een spanning ontstaan die met gelijke stapjes verhoogd wordt.
De spanning over Rs wordt nu naar de andere helft van de 747 toegevoerd en versterkt en wel zodanig dat elke klokpuls de uitgangsspanning van dit IC met 0,1 volt doet stijgen. Deze spanning wordt nu weer toegevoerd aan de inverterende ingang van de comparator. Zodra deze spanning hoger wordt dan die op de niet-inverterende ingang (de piekspanning van de puls) zal de uitgang van de comparator negatief worden. Hierdoor zal (via de achtergeschakelde nands) de nand welke de klokpulsen doorlaat gesperd worden. De counter stopt met tellen en de spanning over Rs zal niet verder toenemen.
De schakeling is zo gemaakt dat het bereik van 0-10 volt loopt, met een resolutie van 0,1 volt. Bij hogere ingangsspanningen loopt de spanning op tot 11,2 volt en blijft daar staan, de counter wordt dan gestopt. Dit wordt gerealiseerd m.b.v. de laatste drie uitgangen van de counter. Zodra deze alle drie een worden, wordt eveneens via de nands het tellen verder belet. Zodoende worden we er op geattendeerd dat de ingangsspanning te hoog is geweest. In principe zouden we tot 12,7 volt kunnen tellen, maar dan komen we dicht bij de voedingsspanning en de meeste meters bezitten toch geen schaal hiervoor. Om hogere spanningen te kunnen meten dienen we een spanningsdeler op de ingang te maken. Bij vrij lage *spanningen kunnen we de universeehneter op een lager bereik zetten.
De klokfrequentie bedraagt ca 30 kHz. De dioden op de ingang van de comparator verhinderen met de weerstanden van 22k dat er te grote potentiaalverschillen op de ingang komen. De weerstand en de diode op de uitgang dienen om te voorkomen dat een te grote negatieve spanning op de nand komt.
De condensator over de resetknop is aangebracht om te voorkomen dat de meter bij inschakelen in de hoek vliegt; bij inschakelen komt er nu via de condensator een resetpuls op de counter. Met de potmeters van 10k worden de offsetspanningen van de IC's weggedraaid. De versterking van het laatste IC dienen we zo in te stellen dat de uitgangsspanning 11,2 volt bedraagt als de counter zichzelf gestopt heeft. Dit kunnen we eenvoudig bereiken door de ingang van de schakeling op 12V aan te sluiten of de ingang van de nand, die aan de comparator zit, via een weerstandje aan de pos. voeding te leggen.
Pulsen met een tijdsduur van 100 microseconden werden nog goed gedetecteerd, bij snellere pulsen werd de spanningsaanwijzing te laag. De door mij gebouwde meter gaf consequent 0,1 volt te hoog aan. Dit komt omdat de uitgangsspanning hoger moet zijn dan de ingangsspanning om de counter te doen stoppen, en de uitgangsspanning kan alleen maar met 0,1 volt stijgen!
Tot slot nog een praktische hint (voor velen misschien allang bekend) voor degenen die een printje voor deze schakeling willen maken. Alle lekstromen die de condensator willen ontladen dienen zoveel mogelijk beperkt te worden. We moeten in de eerste plaats dus een condensator van goede kwaliteit nemen (Oen elco), met een lage lekstroom, b.v. plastic foil. Verder kan de lekstroom die via de printplaat loopt, al is deze zeer klein, opgeheven worden door het knooppunt van de diode D1 en condensator C1 te omgeven met een ring en deze te verbinden met de uitgang van het tweede IC, zie fig. 4.
Fig. 4.
Er loopt dan wel een lekstroom vanaf de ring naar massa via de print, maar deze wordt nu geleverd door het IC en niet meer door C1 Immers, de ring en het knooppunt van D1 en C1 staan op dezelfde potentiaal en er kan dus geen stroom tussen beide gaan lopen. Ik houd mij altijd aanbevolen voor eventuele opmerkingen en verbeteringen die kunnen leiden tot een nog beter apparaat voor ons amateurs.
PA0BJG.