Акустический микроометр окажется очень полезным для восстановления схемы по печатным платам заводских устройств, особенно сложных и миниатюрных схем (так называемый обратный инжиниринг). Преимуществом является полная безопасность полупроводниковых компонентов, установленных на тестируемой плате.
Кроме того, многие электронщики хотят измерять очень маленькие сопротивления для явного любопытства.
Например, надо знать сопротивление длины провода или длины проводника на печатной плате, например, 20-сантиметровое длина провода с поперечным сечением один квадратный мм имеет сопротивление около 3,6 миллиома. МОП-транзисторы в полностью открытом состоянии (Rnsua) имеют такие и даже намного более низкие значения сопротивления. Но информация о низком сопротивлении - не просто праздное любопытство.
В некоторых ситуациях они также помогают решить важные проблемы. Вот пример: участок проводника длиной 10 сантиметров шириной 0,305 мм, на стандартной печатной плате, должен иметь сопротивление около 0,170 Ом или 170 миллиомов. Прибор отлично подойдет при поиске КЗ между проводниками при изготовлении печатных плат.
Кроме того хорошо бы знать сопротивление контактов переключателей, реле, разъемов,т.д. Обычно это сопротивления порядка миллиомов. Однако все контакты под нагрузкой подвержены износу. Одним из симптомов износа является увеличение сопротивления, сначала медленное, а затем быстрое.
Периодически контролируя сопротивление таких контактов, мы можем предотвратить дорогостоящий отказ, заменив контактный элемент. Также нужно очень точно измерить небольшие сопротивления и проверить на небольшие различия, часто чуть ниже 1 миллиома. Более близким примером для радиолюбителей являются клеммы аккумулятора, например, в автомобиле. Окисление - коррозия, ускоренная присутствием кислоты и других вредных факторов, может привести к увеличению сопротивления соединения, что уменьшит пусковой ток и вызовет контактный нагрев.
Чтобы предотвратить это, стоит проверять сопротивление соединений, в которых протекают самые большие токи.
Моторы с щетками и коммутаторами являются еще одним примером. Если мы точно измерим сопротивление двигателя (ротора), мы сможем обнаружить его увеличение, вызванное износом коммутатора и щеток.
Это в основном предназначение заводских микроометров: обнаруживая небольшие изменения в сопротивлении щеток-коммутаторов, они позволяют диагностировать их состояние и своевременно предотвращать сбои.
Следует подчеркнуть, что сопротивления часто бывают порядка миллиомов или ниже 1 миллиома. Хотя мы скорее не сталкиваемся с сопротивлением диапазона микроомов, однако, в этих случаях важны изменения сопротивления порядка нескольких сотен, нескольких десятков, а иногда даже нескольких микроомов.
В статье описано несколько способов измерения очень малых сопротивлений с высокой точностью. Читатель может использовать «максимальную» версию или одну из упрощенных версий.
Любой мультиметр может использоваться для считывания измеренного значения сопротивления. В статье описано несколько способов измерения очень малых сопротивлений с высокой точностью. Однако во многих случаях очень полезной и гораздо более удобной функцией будет «Акустическое считывание», а именно частота генерируемого звука, которая прямо пропорциональна сопротивлению из-за использования генератора управляемого напряжением (VCO). Генератор VCO, используемый в этом проекте, также может найти интересные применения во многих совершенно разных устройствах.
«Звуковое» измерение наименьшего сопротивления очень поможет при диагностировании микросхем на печатных платах. Часто речь идет о крошечных платках с узкими дорожками которые надо проверять с помощью мощного увеличительного стекла, и именно тогда «акустическое считывание» является огромным преимуществом, потому что вам не нужно наблюдать за цифровым дисплеем, и вы может сосредоточиться на плате.
Описанное устройство, показанное на титульном фото, изначально было создано для помощи в реверс-инжиниринговых работах, а точнее для реконструкции схемы устройства, собранного на печатной плате, содержащей компоненты SMD и размещенная в миниатюрном многослойном устройстве.
В простейшем случае для таких «акустических измерений» достаточно любого мультиметра. Практически каждый мультиметр имеет функцию звуковой сигнализации короткого замыкания.
Однако такое сигнальное устройство довольно примитивно и просто сигнализирует о том, что сопротивление меньше определенного значения. В частности у мультиметров эта функция совмещена или с самым низким диапазоном омметра или с измерением прямого напряжения диода. При измерении «диодов» мультиметр показывает падение напряжения на диодах, которое, когда известен ток, также позволяет определить сопротивление.
Однако из-за низкого измерительного тока невозможно измерить действительно маленькие сопротивления таким способом.
Кто хочет быстрее ознакомиться с окончательной версией микроометра, могут пропустить следующий фрагмент материала и сразу перейти к заголовку "Описание схемы" и рисунку 17. Однако стоит прочитать всю статью.
Четырехточечное измерение Кельвина
Существует несколько способов измерения сопротивления. Чтобы измерить небольшие сопротивления, нужно знать только закон Ома. В принципе, можно использовать схему согласно рис.1а и соотношение Rx = Ux / lx. Однако измерительная схема в соответствии с рисунком 1b была бы очень непрактичной при измерении очень малых сопротивлений. Измеряемый ток Ix должен быть как можно больше, чтобы падение напряжения Ux имело разумное значение.
Например, при токе Ix = I0 мА падение напряжения Ux при Rx, равном 10 миллиомах, будет составлять только 100 микровольт, то есть 0,1 милливольт. Это значение очень мало, его трудно измерить, потому что распростроненые мультиметры (так называемые 3,5-разрядные) имеют самый низкий диапазон 200 мВ, а разрешение тогда составляет всего 0,1 мВ. Чтобы измерить небольшое сопротивление с разумной точностью, вы должны работать с испытательными токами Iх1А и более.
Источник питания применяемый для измерения малых сопротивлении должен будет выдавать доли вольта при большой нагрузочной способности.
Например, если сопротивление Rx было бы 100 миллиом (0,1 Ом), то при напряжении Ux = 0,1 В, через него будет протекать ток 1 А.
В то время как при Ux = 0,1 В и Rx = 1mOm (0,001 Ом) ток будет 100А.
Мы должны использовать другой способ.
Кстати, нужно обратить внимание на важную проблему измерителей. А именно, амперметр имеет ненулевое внутреннее сопротивление, и на нем происходит падение напряжение. Вольтметр также имеет конечное сопротивление (цифровые имеют постоянное входное сопротивление 10 МОм, самые дешевые - 1 МОм), и во время измерения через него протекает небольшой ток. В схеме из рисунка 1b напряжение на тестируемом сопротивлении Ux не будет равно выходному напряжению источника питания Uz, как показано на рисунке 2a.
Падение напряжения на внутреннем сопротивлении амперметра (Ua) может быть сопоставимо и даже намного больше, чем напряжение Uх. Однако ток, потребляемый измерительной цепью вольтметра, пренебрежимо мал, порядка доли микроампер,если измеряемый ток составляет один или несколько ампер.
Поэтому при измерении малых сопротивлений при больших измерительных токах очевидной ошибкой будет использование измерительной схемы в соответстви рисунком 2б. Тем не менее, эта схема подключения подходит для измерения больших сопротивлений, когда измеряемый ток очень мал, а напряжение велико.
Поскольку в схеме из рисунка 1b испытательный ток будет сильно зависеть от проверяемого сопротивления Rx, что является недостатком, на практике необходимо ограничить значение испытательного тока.
Самый простой способ - добавить ограничивающий резистор Rw последовательно с Rx.
Значение этого резистора не критично: достаточно того, что при нулевом значении Rx (короткое замыкание) текущий ток меньше максимального тока используемого источника питания. Затем можно использовать схему из рисунка 3а, но на практике удобнее использовать два вольтметра (или измерять одно напряжение на двух резисторах) согласно рисунку 3b.
Значение напряжения питания не является значимым, и если мы знаем значение сопротивления Rw, также не нужно измерять ток, поскольку проверяемое сопротивление Rx определяется из коэффициента напряжения: Rx = Rw (Ux/Uw).
Этот метод, вероятно, самый простой, но он также не очень удобен. Но измерение можно упростить: хорошо, если ток будет иметь постоянное значение (Iх = const.), Тогда напряжение прямо пропорционально измеренному сопротивлению (Rx = Ux / lx), как показано на рисунке 4.
Однако, если результаты измерений очень малых сопротивлений должны быть достоверными , они должны быть сделаны, используя четырехточечный метод Кельвина.
Четырехточечное измерение Кельвина устраняет ошибки, возникающие из-за сопротивления проводов и соединений (контактов).
Проблема заключается в том, что схемы из предыдущих чертежей не учитывают паразитное сопротивление соединительных проводов и контактное сопротивление. И такие сопротивления неизбежны. Контактные сопротивления не постоянны, в зависимости от различных факторов, включая давление. Эти сопротивления соединения и контакта могут быть сопоставимы с измеренным сопротивлением Rx. Проблема проиллюстрирована в некотором упрощении на рисунке 5а.
Если тестовый ток протекает через эти вредные сопротивления, то, поделив напряжение Ux, считанное с вольтметра, на значение тока, мы вычисляем сумму сопротивлений Rx и всех паразитных сопротивлений.
Чтобы избежать ошибок, напряжение следует измерять как можно ближе к сопротивлению Rx, как показано на рисунке 5b.
Принцип прост, и на практике прибор для измерения малых сопротивлений требует использования четырех проводов: двух для «тока» и двух для «напряжения», как показано на рисунке 6. Только тогда можно устранить влияние сопротивления соединения и контакты.
Конструктивные соображения (только для любознательных)
Использование точной схемы с постоянным поддержанием тока сегодня не является проблемой. На рисунке 7 показаны две «дополняющие» схемы источников тока любой мощности в зависимости от значения сопротивления Rw. Поскольку рабочий ток должен быть большим, на практике мощность потерь в резисторе Rw и транзисторе Т1 также будет ограничена.
Более простой пример практичной измерительной схемы показан на рисунке 8.
Значение сопротивления измеряется здесь между точками подключенияы вольтметра.
Когда текущее значение точно равно 1А, то напряжение в вольтах соответствует измеренному значению сопротивления Rx в омах.
В самом младшем диапазоне мультиметра 200,0 мВ разрешение составляет 0,1 милливольт, что означает, что вы можете напрямую измерять сопротивление от 100 миллиом (0,1 миллиом = 0,0001 Ом).
Следует отметить, что в этой версии при напряжении питания 5 В диапазон измеренного сопротивления достигает максимума около 1,75 Ом.
Максимальное напряжение здесь ограничено,которое при питании 5 В будет падать на измеренном сопротивлении Rx. Согласно рисунку 9, требуемое минимальное падение напряжения между входом и выходом стабилизатора LM317 при токе 1 А составляет около 2 В, а на сопротивлении R1 падение напряжения равно 1,25 В, что дает 3,25 В. Таким образом, максимальное падение напряжения на Rx, которое при питании 5 В не изменит рабочий ток 1А, составляет около 1,75В.
Стоит отметить, что в худшем случае это дает мощность потерь в тестируемом сопротивлении 1,75 Вт, 1,25 Вт на резисторе R1 и около 2 Вт на стабилизаторе LM317, который следует "посадить" на небольшой радиатор,чтобы корпус стабилизатора был не слишком горячим.
Серьезная проблема полупроводников.
Если устройство из рисунка 8 было использовано для измерения сопротивления проводника и
для прозвонки соединений в собранной схеме, содержащей полупроводники, почти наверняка, из-за случайного или неправильного подключения зондов ток 1А будет протекать через некоторые полупроводниковые структуры,что может вызвать их быстрое разрушение.
Чтобы исключить риск повреждения полупроводников, нет необходимости уменьшать измеряемый ток до «безопасного значения» в несколько или несколько десятков миллиампер. Сегодня мы не используем германиевые элементы, а кремниевые компоненты имеют прямое напряжение не менее 0,6 В. Чтобы исключить риск повреждения полупроводников, ограничьте испытательное напряжение ниже 0.5V.
Не нужно бояться больших токов, потому что при напряжениях ниже 0,5 В они не будет протекать через кремниевые полупроводниковые структуры.
В этой схеме достаточной защитой будет один диод Шоттки, подключенный параллельно с проверяемым сопротивлением Rx в соответствии с рисунком 10. Это не позволит напряжению подняться выше безопасного предела 0,5 В.
Однако нас интересует тот факт, что даже при напряжениях значительно ниже 0,5 В некоторый ток будет протекать через этот диод, что уменьшит ток, протекающий через Rx, и исказит результат измерения. А это значит, что использование диода Шоттки значительно уменьшает диапазон измеряемых сопротивлений, и он будет значительно ниже 0,5 Ом. Можно предположить, что измерения будут точными, когда через этот защитный диод Шоттки во время измерения ток не будет превышать 1% (или чуть больше) от измерительного тока.
На рисунке 11 показаны графики изменения U от I популярных диодов Шоттки 1N5817 - 5819 (1A) и IN5822 (3A). Были измерены напряжения диодов при комнатной температуре и 10 мА : диод IN5817 имел прямое напряжение 245 мВ, а 1N5822 только 169 мВ.
Во многих случаях достаточно простой схемы рисунка 10 на стабилизаторе LM317, работающим с током 0,5 ... 1,5 А.
Однако, если сопротивление с точностью до 1 миллиома должно измеряться с высокой точностью, необходимо что-то изменить.
Одним из направлений является увеличение испытательного тока, что требует использования сильноточного источника тока. Можно использовать стабилизатор с более высоким током,
например, LM338 на 5 А и даже параллельно подключать некоторые из таких стабилизаторов в соответствии с рисунком 12. Но надо помнить об увеличении мощности потерь.
Гораздо меньшие потери мощности могут быть получены в схеме из рисунка 7, когда падение напряжения на сопротивлении Rw небольшое.
Однако для этого потребуется источник питания с напряжением 1...2 В и силой тока не менее нескольких ампер.
На практике легкодоступным решением является использование блока питания компьютера и его напряжение + 3,3 В. Общая мощность потерь будет тогда P = 3,3 В * Ip, что при 5 А даст 16,5 Вт, которые бдут рассеиваться в окружающей среде.
Поэтому стоит рассмотреть второе направление: вместо увеличения измерительного тока использовать усилитель напряжения,снимаемый с сопротивления Rx.
В обсуждаемой версии на рисунке 10 можно использовать любой операционный усилитель, чьи входы и выходы могут работать на уровне отрицательного напряжения питания. Пример схемы показан на рисунке 13.
Усиление (Ra, Rb) лучше всего настроить так, чтобы показания вольтметра отображали непосредственно значение сопротивления (с возможным умножением / делением показаний на 10 или 100).
В версии с усилителем это можно получить при любом значении тока, не обязательно "округлять" до 1,0А. Тем не менее, усиление не может быть увеличено произвольно.
В этой версии напряжение дисбаланса и стабильность будут ограничены.
В усилителе (рис.13.) можено использовать практически любой усилитель с однополярным питанием, чьи входы могут работать на отрицательном уровне шины питания - был использован TlC271 - просто был под рукой.
Это также может быть популярный двойной LM358, но лучше использовать один,имеющий большую точность,который имел бы две ножки для коррекции напряжения дисбаланса.
Если усиление будет большим, порядка 100х или более, следует использовать точный, стабильный операционный усилитель со схемой коррекции напряжения дисбаланса.
Можно также питать операционный усилитель симметричным напряжением, что позволило бы использовать «стандартные» прецизионные ОУ OP07 или OP77.
Если надо очень точно измерить малые сопротивления с разрешением микрона, что реально, следует использовать оба метода: и использовать самый точный / стабильный
операционный усилитель, и увеличить измерительный ток до 3 ... 20А. Однако в подавляющем большинстве случаев такое разрешение и точность не обязательны. Однако во всех случаях следует использовать четырехточечную схему измерения (метод Кельвина).
Стоит отметить, что из-за термической и долговременной стабильности операционного усилителя очень часто для измерения очень малых сопротивлений используют сигнал прямоугольной формы, а затем усиливают этот сигнал (имеющий очень малую величину), возникающий на тестируемом сопротивлении ( что исключает влияние дрейфа напряжение дисбаланса усилителя). Наконец, измеряется (меж) пиковое значение усиленного сигнала, которое указывает значение сопротивления.
Описанное здесь решение не предусматривает измерения с использованием переменных сигналов, а только простого усилителя мощности постоянного тока.
А именно, к выходу операционного усилителя можно подключить управляющий вход генератора, управляемого напряжением (ГУН) и динамик, который выдаст акустический сигнал значения сопротивления.
Хотя невозможно точно определить значение сопротивления на слух, легко оценить, является ли сопротивление выше или ниже, на основе различий в высоте звука. И в некоторых случаях это наиболее желательное свойство, потому что вам не нужно отрывать глаза от схемы, чтобы посмотреть показания на дисплее.
Этот акустический измеритель идеально подходит для обнаружения микротрещин в миниатюрных схемах с компонентами SMD и для реверс-инжиниринговых работ,т.е. для реконструкции схемы по компонентам на плате.
В состав микросхемы CMOS 4046 входит очень простой в использовании генератор VCO.
При напряжении питания 4,5 ... 6 В стоит использовать версию 74HC4046. Чтобы оптимально и осознанно использовать эту микросхему в этом микроометре, необходимо учитывать её специфику.
Схема, возможно, самого простого генератора VCO с двумя внешними компонентами показана на рисунке 14.
необходимо отметить, что частотная зависимость от напряжения постоянного тока на ножке 9 микросхемы не является линейной, как показано на рисунке 15. Казалось бы, если мы хотим использовать такой генератор в качестве акустического индикатора измеряемого сопротивления, то нам не следует работать в диапазоне входных напряжений, близких к нулю и близких к положительному напряжению питания. Более точные измерения и практические испытания показали, что работа в диапазоне близких к нулю управляющих напряжений может иметь смысл.
На рисунке 16 представлены реальные измерения схемы с конденсатором Cy = 100 пФ и различными значениями резистора Ry = R1. Хотя полученные частоты выше 3 кГц не используются в данной схеме,показано что такой генератор также может использоваться для совершенно других целей, чем описанный микрометр, на гораздо более высоких частотах).
В диапазоне самых низких входных напряжений наблюдается заметное изменение частоты, как показано в таблице 1 с результатами измерений (это также можно увидеть в работающей схеме).
Наибольшая линейность работы ГУН достигается при высоких значениях сопротивления Rf (R1). Однако в случае рассматриваемого акустического микрометра ни линейность, ни широкий диапазон работы генератора ГУН не имеют решающего значения.
Однако желательно иметь максимально возможную чувствительность, то есть небольшие изменения входного напряжения ГУН должны вызывать наибольшее изменение частоты.
И это получается при низких значениях сопротивления Rf, порядка киломом и менее.
Описание схемы
Принципиальная схема полной версии устройства показана на рисунке 17. Роль и работа ключевых цепей обсуждалась ранее. Система питается от стабилизированного источника питания напряжением 5 В (4,5 ... 6 В) и силой тока 1 А, соответствующей рабочему току.
В предложенном варианте с тремя резисторами R1A ... R1C со значением 4,7 Ом ток составляет около 0,8А. Выходная мощность составляет всего 4 Вт, поэтому радиатор Т1
и резистор R1 сильно греются.
Диоды D3, D4 защищают входы операционного усилителя от возможного повышения входного напряжения .Интегральная схема TLC271 представляет собой программируемый операционный усилитель CMOS, свойства которого могут быть существенно изменены и адаптированы к потребностям. 8 ножка позволяет настроить потребление тока и скорость: при замыкании на землю (минус источник питания) скорость усилителя и коэффициент полезного действия - самые высокие.
Диод D2 повышает напряжение в точке X и создает лучшие рабочие условия для операционного усилителя и генератора VCO на микросхеме 4046.
Следует отметить, что напряжение с выхода операционного усилителя (точка V +) подается не только на управляющий вход VCO, то есть на ножку 9 4046, но также и на ножку 5 (запрещение). Высокое состояние ножки 5 отключает генератор, когда измеренное сопротивление Rx велико, и благодаря этому устройство не издает раздражающего непрерывного звука в состоянии покоя.
Другим разумным решением было бы замкнуть ножку 5 на землю и выбрать Ry, Cr таким образом, чтобы в состоянии покоя частота была выше 18 кГц(неслышимой человеческому уху).
Сигнал прямоугольной формы с выхода VCO OUT (ножка 4)идет прямо на пьезозуммер.
Вместо него можно подключить небольшой динамик или наушники - только тогда понадобится конденсатор С3.
В базовой версии резистор Rc не установлен.
В большинстве случаев значения сопротивления R1 (3 x 4,7 Ом, подключенных параллельно), определяющие рабочий ток (0,8 А) и Ra (I5 кОм) и Rb (1,3 кОм), устанавливающие усиление около 12,5х, будут оптимальными. В результате получается коэффициент преобразования 0,10 Ом на вольт. Это означает, что если вольтметр показывает напряжение 2 В, измеренное сопротивление составляет 0,2 Ом, когда оно показывает 200 мВ, измеренное сопротивление 20 миллиомов.
Диапазон измерения с помощью популярного 3,5-разрядного мультиметра:
в диапазоне 200 мВ: от 0,01 до 20 мОм(милиом);
в диапазоне 2В: 0,1мОм до 200мОм;
в диапазоне 20 В: От 1 до 200...250 мОм
По сути, последний диапазон может измерять сопротивление примерно до 0,3 Ом, потому что с источником питания 5 В операционный усилитель TLC271, который не является схемой «rail-to-rail», может выдавать выходное напряжение до + 3,7 В, что после учета падения напряжения на диоде D2 позволяет получить показания вольтметра до 3,3 В, что соответствует 0,33 Ом. Однако при измеренном сопротивлении Rx = 0,33 Ом и испытательном токе 0,8 А падение напряжения на диоде D1 будет превышать 250 мВ, поэтому через диод будет протекать значительный ток, что приведет к искажению результата измерения.
Поэтому верхний предел измеряемого сопротивления должен составлять 0,2 Ом.
При испытательном токе 0,8 А падение напряжения на сопротивлении Rх = 0,2 Ом составит около 160 мВ, поэтому ток диода 1N5422 типа D1 должен давать ошибку ниже 1%.
Внимание! В базовой версии, даже когда гнезда U +, U- закорочены, то есть имеют точно нулевое сопротивление Rx, вольтметр покажет небольшое напряжение, которое является усиленным напряжением дисбаланса операционного усилителя. (TLC271 обычно + - 1,1 мВ, макс. 10 мВ, усиление в 12,5 раз).
В модели, показанной на фотографиях, она составляла около 6 мВ, что соответствует 0,6 мОм. Мультиметр будет показывать другое, возможно, немного более высокое напряжение, когда испытательные зонды, изготовленные в соответствии с фотографией 18, имеют короткое замыкание, которые являются оптимальными для работ по реверс-инжинирингу. В модели с укороченными концами этих зондов вольтметр показывает около 100 мВ, что указывает на сопротивление наконечника зонда 10 миллиомов. Это нормально и неизбежно.
При измерении сопротивления этого порядка вместо таких датчиков используйте соединение Кельвина с четырьмя зажимами типа «крокодил» или другими соответствующими решениями (которые обсуждаются во второй части статьи).
Испытанное сопротивление Rx будет разницей с таким «значением короткого замыкания в состоянии покоя». При разрешении цифрового вольтметра O0,1 мВ (в диапазоне 200 мВ) наименьшее измеримое сопротивление равно 10 мкОм (0,01 мОм).
Изготовление устройства
Схема (рис.17) может быть размещена на печатной плате см. рис.19.
Для удобства предусмотрено место для четырех резисторов в качестве R1. Как правило, мы монтируем схему, начиная с самых маленьких элементов и заканчивая самыми большими. При рабочем токе, близком к 1А, на стабилизаторе LM317 будет падать 2...3,5 Вт потерь мощности, поэтому он размещается на небольшом радиаторе.
Базовая версия не включает в себя: резистор Rc и конденсатор C3. Этот конденсатор нужен, только если кто-то захочет использовать небольшой динамик вместо пьезозуммера
или наушники - закоротите C3 (см.схему).
Схема, собранная из исправных компонентов, не требует налаживания и работет сразу.
Возможные изменения
Вы можете изменить значение емкости Cf (1 нФ ... 4,7 мкФ), чтобы получить другой частотный диапазон.
Для повышения точности можно точно выбрать значения Ra, Rb, чтобы получить общий коэффициент преобразования 0,1000Ом/В. Затем резисторы R1, Ra. Rw должны иметь низкий термический коэффициент и быть высокостабильными (металлизированные и 1%).
В модели, показанной на фотографиях провода, ведущие к зондам, впаяны в плату. Кто хотел бы использовать разные сменные датчики, могут припаять два дополнительных разъема ARK2 на плате - посадочные места на печатной плате для них предусмотрены.
В базовой версии отсутствует резистор Rc, смещающий выходное напряжение покоя (вниз) для изменения диапазона частот генератора VCO и возможно также для вольтметра, чтобы показать ноль при сопротивлении Rx. Однако при нулевом Rx вольтметр, вероятно, будет показывать ненулевую индикацию, которая является усиленным напряжением дисбаланса операционного усилителя.
Чтобы эффективно минимизировать это напряжение, вы можете подключите потенциометр напряжения дисбаланса (см. рис.21).
Такой потенциометр позволит вам получить показание вольтметра «покоя», равное нулю, по крайней мере, в течение некоторого времени. Важно помнить о старении и наличии
дисбаланса входного теплового дрейфа напряжения. Для TLC271 тепловой дрейф составляет 1 ... 2 мкВ / ° C, что после усиления дает от 12 до 25 микровольт на градус Цельсия.
Разрешающая способность вольтметра в самом низком диапазоне 200 мВ составляет 100 мкВ, поэтому изменение температуры усилителя на 4 ... 2 градуса может изменить его выходное напряжение на 100 мкВ, что соответствует изменению сопротивления в 10 мкВ. Это очень хороший результат, но, конечно, вы можете использовать операционный усилитель с еще меньшим дрейфом.
Для точного измерения контакта, провода и другого небольшого сопротивления не требуется генератор или генератор VCO. Установите усиление таким образом, чтобы вольтметр показывал 10 Ом/В; 0,1 Ом / В или 0,01 Ом / В (между точками V--. V-).
Например, если R1 будет иметь значение 1,25 Ом, то номинальный рабочий ток будет 1 А, а напряжение на сопротивлении Rx будет изменяться с коэффициентом 1 В / Ом.
Чтобы получить чувствительность 10 В / Ом между точками V - .. V, нам нужно усилить этот сигнал в 10 раз.
Например, используя Rb = 10 кОм, Ra => 90 кОм (91 кОм), поскольку это неинвертирующий усилитель с усилением G = Ra / Rb + 1.
Не обязательно работать с током 1,0А; Вы можете пользоваться меньшим (0,1 ... 1А), в зависимости от эффективности взаимодействующего стабилизированного источника питания. Например, если R1 будет иметь значение 3,0 Ом, номинальный рабочий ток будет 0,416 (6) А (1,25 В / 30). Так что напряжение на сопротивлении Rx изменится с коэффициентом 0,416 (6) В / Ом. Чтобы получить показание вольтметра 1 В для сопротивления Rx 1 Ом, то есть 0,1 Ом / В, нам нужно увеличить падение напряжения на Rx в 24 раза (10 / 0,41666 ...), то есть Ra / Rd-23. Мы можем использовать например Rp = 3,9 кОм, Ra = 91 кОм.
Следует помнить, что падение напряжения на Rx не должно превышать 0,2 В из-за тока диода Шоттки D1.
При измерении «безопасных сопротивлений», когда повреждение полупроводниковых компонентов, впаянных в плату,отсутствует, диод D1 может быть удален.
Тем не менее диод Шоттки DI, ограничивающий измерительное напряжение ниже 0,5 В, необходим для того, чтобы не повредить полупроводники.
Иногда точное значение протестированного Rx-сопротивления не имеет значения, и единственным ключом является обнаружение незначительных различий в сопротивлении на основе изменений высоты тона.
В этой версии взаимодействующий вольтметр вообще не нужен, и для получения больших различий в частоте звука усиление усилителя может быть значительно увеличено, и ему не нужно давать «округлое» значение для преобразования сопротивления Rx в напряжение. И именно в этой версии звукового миллиомметра может быть желательным резистор Rc. Диод D2 и резистор Rc позволят получить желаемое минимальное напряжение на входе генератора VCO, когда наконечники зонда касаются одной и той же точки проводика на плате (Rx = 0). Вы можете выбрать сопротивление Rc (в диапазоне 70 ... 100 кОм), чтобы когда наконечники зондов были закорочены, напряжение на входе генератора VCO было порядка 0,1 вольт или меньше, что будет давать очень низкую частоту, а не звук стука или щелчок динамика.
Но вы можете решить иначе: используйте диод 1N5401..1N5404 в качестве D2 и выберите Rc (>222 кОм), поэтому при замыкании клемм датчика напряжение на входе генератора VCO должно быть в начале прямого участка характеристики (рис. 15), т.е. оно должно составлять около 0,5 ... 0,6 В. Тогда вам также нужно будет увеличить значение конденсатора Cf.
Зонды кельвина
Измерения очень малых сопротивлений, порядка миллиомов, имеют смысл только с использованием четырехпроводного измерения Кельвина, то есть четырех отдельных точек и измерительных проводов в соответствии с предыдущим рисунком 6. В принципе достаточно четырех зажимов для крокодилов в соответствии с фотографией 22.
Однако стоит знать, что также имеются специальные двойные зажимы типа «крокодил», в которых обе челюсти изолированы друг от друга. Примеры на фотографиях 23, 24.
Лучшие версии стоят дорого, но вы также можете купить дешевые китайские версии, как на фото 25. Стоит поискать актуальные предложения, особенно под лозунгом: мерный крокодиловый зажим.
Вы также можете сделать этот вид зажима Кельвина самостоятельно, даже из зажима для одежды. Такие «двойные» зажимы идеально подходят для типичных измерений сопротивления, но если описанное устройство будет использоваться для поиска повреждений и проверки сопротивления дорожек на печатной плате, зажимы "крокодил" вообще выйдут из строя. Нужны небольшие контакты - зонды, желательно с острыми концами.
Стоит еще раз знать, что эти типы зондов Кельвина производятся и доступны в заводской версии.
Примеры двухконтактных и коаксиальных показаны на фотографиях 26 ... 28.
Нетрудно догадаться, что они редки и дороги, хотя бы из-за игольчатых пружинных механизмов.
Несовершенной, но дешевой альтернативой, полезной для поиска коротких замыканий и определения сопротивления печатных проводников, является пайка «кабелей напряжения» к наконечникам зондов(фото 29).
При таком решении возникает определенная ошибка, в результате чего напряжение на концах штырей падает на контактном сопротивлении, которое изменяется в зависимости от давления.
Однако для подобных работ этот простой метод оказывается наиболее оптимальным.
Стоит использовать разные наконечники Кельвина, как зажимы для крокодилов, так и щупы, чтобы использовать их в соответствии с вашими потребностями и возможностями.
Материал взят из журнала Elektronika dla Wszystkich за 2016.2 и 2016.3
