Расширение шкалы стрелочного вольтметра

Abel Raynus

EDN

Испытательное оборудование для производственной линии должно быть простым для понимания пользователя (читай «защищенным от дураков») и обеспечивать минимальное время тестирования. Во многих случаях испытательная установка должна давать оператору только один ответ: годен или брак. Обычно эту роль выполняют два индикатора: зеленый для годных изделий и красный для брака. В большинстве приложений датчик преобразует проверяемый параметр в напряжение, а испытательная установка должна измерить это напряжение и отобразить результат. Но иногда оператору необходимо наблюдать за динамикой контролируемого параметра, чтобы убедиться, что результаты находятся в допустимой «зеленой зоне». Например, при анализе поведения регулируемой системы оператору часто интересно знать отклонение параметра и оценку его среднего значения после того, как процесс достигнет установившегося состояния (Рисунок 1). В этой ситуации использование аналогового измерителя с отмеченными на шкале красной и зеленой зонами предпочтительнее использования цифрового или шкального светодиодного дисплея.

Рисунок 1.	Желательно наблюдать отклонения значений напряжения внутри допустимой «зеленой зоны».

Рисунок 2.	Когда зеленая зона составляет всего 10% от полной шкалы, трудно увидеть отклонения от нормы.

Предположим, что диапазон тестируемого напряжения составляет от 4.75 до 5 В. Чтобы сделать вольтметр с максимальным показанием 5 В на основе микроамперметра постоянного тока со шкалой 100 мкА, вы должны были бы использовать последовательный резистор 50 кОм. Шкала измерителя линейна, и на зону тестируемого напряжения приходится всего 5% от полной шкалы (Рисунок 2). Наблюдать за показаниями прибора в такой узкой зоне оператору сложно. Было бы желательно расширить зону тестируемых напряжений, скажем, до 90% от полной шкалы (Рисунок 3). Именно это и делает схема на Рисунке 4. Если контролируемое напряжение V_TEST ниже порогового напряжения V₂, диод D₁ закрыт, и вольтметр состоит из микроамперметра и резистора R₁. Когда контролируемое напряжение превышает порог V₂, диод открывается, и резистор R₂ подключается параллельно R₁. Сопротивление вольтметра уменьшается, тем самым, расширяя шкалу измерений. Сопротивления резисторов R₁, R₂ и R₃ можно рассчитать описанным ниже способом.

Рисунок 3.	Расширение зеленой зоны до 90% от полной шкалы значительно упрощает считывание показаний.

Рисунок 4.	Эта простая схема расширяет наблюдаемый диапазон результатов испытаний до 90% от полной шкалы.

Напряжение 4.75 В в начале тестируемой зоны должно составлять 10% шкалы при соответствующем токе 10 мкА. Следовательно, без учета внутреннего сопротивления микроамперметра сопротивление резистора R₁ равно 4.75 В/10 мкА или 475 кОм.

После того, как измеряемое напряжение превысит пороговый уровень 4.75 В, сопротивление вольтметра становится равным

Следовательно,

и