Conception d'un compteur de tension et de courant analogique à large bande

Il peut être surprenant de proposer un compteur purement analogique alors que les compteurs numériques sont désormais si largement utilisés. Cependant, on ne sait pas très bien que les compteurs numériques disposent de circuits analogiques précédant le convertisseur analogique-numérique (CAN). Les voltmètres analogiques à large bande, avec des fréquences inférieures à 20 Hz jusqu'à 200 kHz, ont été largement utilisés dans le passé et sont toujours très utiles.

Avec des amplificateurs opérationnels (amplis opérationnels) modernes, la conception de notre compteur analogique peut être considérablement simplifiée. Cette conception offre une bande passante plate de 20 Hz à 1 MHz (-1 dB à 10 Hz) en utilisant des composants à un prix raisonnable.

Il n'est pas difficile d'ajouter la possibilité de mesurer des courants dans des circuits dans lesquels l'insertion d'une résistance de 0,1 Ω à l'extrémité mise à la terre ne réduit pas le courant de manière significative. Si le compteur fonctionne sur batterie ou est de construction de classe de sécurité 2, la connexion mise à la terre ne doit pas nécessairement être une véritable mise à la terre.

Les six plages de tension sont 1, 10, 100 mV et 1, 10, 100 V pleine échelle, tandis que les quatre plages de courant sont 10, 100 mA et 1, 10 A pleine échelle. La conception intègre un détecteur de crête à large bande, dont la sensibilité peut être commutée pour lire la tension de crête ou la tension quadratique moyenne (RMS) d'un signal sinusoïdal.

Il est possible d'insérer des filtres externes pour fournir des réponses en fréquence spéciales. Cette fonctionnalité permet également d'utiliser le compteur comme deux amplificateurs séparés avec gain variable commuté.

L'instrument fonctionnera avec deux piles 9 V ou un bloc d'alimentation secteur 9-0-9 V. La consommation de courant est inférieure à 25 mA pour chaque batterie (sans aucun indicateur de diode électroluminescente (DEL)), ce qui permet de prédire une longue durée de vie.

Le schéma fonctionnel de l'instrument est présenté à la figure 1.

Le sélecteur de mode atténuateur d'entrée/courant est nécessaire puisque nous voulons mesurer des tensions jusqu'à 100 V, et ils ne peuvent pas être appliqués directement à l'amplificateur. Le mode courant est sélectionné de manière à ce qu'il n'y ait aucun contact de commutation en série avec la résistance de détection de courant, éliminant ainsi une source potentielle d'erreur. Le petit prix à payer est qu'un connecteur séparé est requis pour le fonctionnement en mode courant.

L'amplificateur nécessite un gain d'environ 1 000 (60 dB) pour donner une lecture à pleine échelle pour une entrée de 1 mV. Ceci est réalisé en utilisant les deux amplis opérationnels du LM4562, avec des gains de 31,62 chacun. Le LM4562 est en fait destiné aux préamplis hi-fi, il présente donc un faible bruit et une faible distorsion, ainsi qu'une large bande passante. La tension de décalage n'est pas si chaude, mais cela peut être surmonté dans cette application.

Comme il y a deux étages amplificateurs, il est facile de prévoir des connecteurs et des commutations pour que d'autres circuits puissent être insérés entre les deux amplificateurs, et ils peuvent également être utilisés comme amplificateurs indépendants si un connecteur supplémentaire est ajouté à la sortie du deuxième amplificateur.

Une décision importante doit être prise concernant le type de détecteur fourni pour transformer le signal amplifié en courant continu pour faire fonctionner soit un affichage numérique, soit un instrument à pointeur. Le détecteur le plus simple est du type moyenne demi-onde, qui nous en dit peu sur le signal et peut masquer une excursion de tension significative dans le demi-cycle non détecté.

À l'autre extrémité de l'échelle de complexité se trouve le détecteur « vrai-RMS », étiqueté « vrai » pour le distinguer d'un détecteur moyen dont le gain a été modifié pour lire la valeur RMS d'un signal d'onde mais pas de tous les autres. C'est bien si l'on veut connaître la valeur RMS du signal, mais le seul appareil à un prix raisonnable est l'AD736, limité à 200 kHz, alors que l'amplificateur fonctionne jusqu'à 1 MHz et au-delà.

Le troisième type de détecteur est le détecteur de crête pleine onde, et il peut être construit à un prix raisonnable. Il est très souvent nécessaire de mesurer la valeur crête d'un signal, car cela peut indiquer que quelque chose dans la chaîne du signal est surchargé et écrêté. Il est également facile de trouver la valeur efficace d'un signal sinusoïdal (même avec une distorsion allant jusqu'à environ 10 %) en divisant la valeur maximale par 1,4 ou en multipliant par 0,7, à condition que la forme d'onde ne soit pas écrêtée de manière significative. Ceci est facile à organiser car cela nécessite l’activation d’un atténuateur de 3 dB.