[毫伏表的制作纪实]

Jack2017

各档的输入电压通过分压器或放大器，最终都变成了10mV或30mV的信号供给表头放大器。
我设计的毫伏表还有一个特点。以往的毫伏表产品，输入端都是开路的，当量程被调在比较灵敏的档位时，环境的交流电场干扰会十分严重，表头会频繁过载，打到超满度，很容易伤及表针及动圈系统，我设计的毫伏表，有一个继电器的常闭触点平时把输入端短路到地了，在接好探头以后，按下测试开关，输入通道才被打开，可以显示读数，而平时表针总是在零位上的。面板上的手动开关我也使用了特殊的器件，向上拨动控制直流表，向下拨动控制交流表。
原来的开关板被我拆除了，后做的开关板利用了原来的两只波段开关，把一些二极管和多圈电位器装配在开关板上。另外，我使用了两个从仪器中拆出来的金属屏蔽盒，用来分别安装直流表和交流表电路，然后把这两个金属盒分别固定在原来的隔板两侧，这样的结构屏蔽了机箱中的电源变压器和交流电场干扰，使电路工作得更稳定，还有，原来的变压器被我换成了一支特殊的全屏蔽产品，还用一个工业滤波器电源插座替换了原来的插座，把电源干扰降到最低。
电路板的设计是比较吃力的，我也没有想到竟然耗费了3天时间，设计好了又推倒重来，总是感觉设计得不够理想。一块4052内部有两个组开关，一块AD712中也是两个运放，它们的输入输出都要接到开关上，如此必然使印板的走线往返交复，很容易引起反馈而自激，因此，我设计了好几遍，最后把难走通的线改为飞线才感觉合理了一点儿。表头放大器有15倍以上的增益，线路放大器又有10倍的增益，整表增益超过150倍，灵敏度很高，假如电路的输入端稍有交流声干扰信号，那么即便没有信号输入，表头指针也会有偏转，由此引入误差。为了改善这种情况，在印板的设计中，我特别注意了地线的连接方式。印板在AD712的输入级附近有一个集中地线区，不仅AD712的前级，而且它的线路放大级和表头放大器级的地线，都是直接接到这一点的，还有那几个继电器的地线端，也是直接分别接到这里的，如此，机内的输入地端是最低电位处，后级的电流不会被反馈到前级，不会引起干扰，自激和噪音，而当连接外接机壳时，来自外地线的杂散信号也被直接送到电源地了，不会走过印板电路，形成电压降而产生交流声和干扰。印板是双层的，我设计过三次不同的格局，最后采用了表面贴布局，所有的带引脚元件都弯角后直接汉在表面电路上，所有的贴片元件也直接贴到表面上，这样设计有一个最明显的优点，即所有的器件和电路都可触及，非常便于调试和更换器件，改动电路，我最常采用这种设计，电路板的背面被作为大面积屏蔽板了。
表头放大器的制作一样费周折，最关键的问题在于调零。按照原理，运放的两个输入端只要没有电压，通过多大的电阻接地以后，输出端都应该是零电位，但这仅仅是理论，实际上由于集成块内部的电路设计有不对称性，两组正负电源电压也不可能精确对称，因此，做好的电路输出端肯定会出现高电压或低电压。实际上，运放理想的工作方式一定需要加入直流电压负反馈，使其输出端的电压反馈回in-，自动调整使得最终输出端的电压接近0电位。然而，在交流毫伏表电路上，这种负反馈却不能使用！如果让交流，直流共用一个负反馈网络，由于放大器的增益需要较高（小信号时弥补二极管的非线性），所以下反馈电阻的阻值很小，上反馈电阻的阻值较大，两者的比值很大，这就相当于，仅仅有极小部分的输出电压被反馈回in-端，其调整作用非常微小，不足以弥补运放的误差电压；而如果在电路中并列安排两个负反馈网络来分别处理直流/交流反馈，那一样会有矛盾，因为实际上直流负反馈也具有交流负反馈的作用，如果直流负反馈的比例太小，虽然工作点可以稳定，但交流放大倍数就不够了；如果相反，让直流负反馈的比值较大，不至于影响交流放大倍数，那工作点就会依然不稳。我也做过这样的实验，设计了100:1的直流负反馈网络，虽然工作点还算稳定，但是由于交流放大倍数不够，而使表头的刻度出现了很明显的非线性误差；还有一个看似合理的办法，在负反馈下电阻对低端串联一个电容器，用来隔直流，就可以让全部的输出电压都反馈回in-端，而交流负反馈的电阻却不影响直流负反馈。这种设计原理上没问题，但是由于交流负反馈电阻大约只有9欧姆，所以这个串连的电容必须要足够大才能具备良好的低频性能。我曾用2700u的大电容作了试验，结果发现最低频响只能到达30HZ，再低的话指示读数就会下降。试验了各种方案以后，我还是决定坚持原设计，使用调零电路来稳定输出电位，在正电源端和（1）脚调零端之间接一支10K电阻在串联5K电位器并联4K7电阻，构成了合适的调零电路，零点基本在电位器行程的终点。该电路的10mV档需要9欧姆左右的负反馈电阻，我用10欧电阻并联200欧多圈微调电阻；而30mV大概需要26欧姆的电阻，我用39欧电阻并联200欧的多圈微调电阻。
表头电路很容易调整，给它分别输入10mV/30mV的200HZ音频信号，用标准毫伏表校准信号源，然后分别调整两只多圈微调电阻，使表头满度即可（调30mV需让继电器J3动作）。电路的频响在200KHZ以内是平坦的。
什么事情都有意外，而这种意外是人所不能预料的！本来我的前级后级单独都调整得十分顺利，可谁会知道当把前后级连接起来以后却出现了致命故障！只要把后级的输入端与模拟开关的（13）脚连接，开机后表针就会立即打到过载，并且保持这种态势。此时测得NE5534N的（6）脚输出电压达到2.4V，in+端0.17V，in-端0.45V，尤其是（7）脚电压降落到了9.4V！这是怎么一种状况？本来前后级之间是有电容隔断直流的，即便开机有一个冲击，很快也会恢复正常，而出现in-端电压高，out端又是正电压的情况完全是意外的，不应该的。用示波器测试IC的各脚，发现没有自激震荡。经过分析，我认为这是一种直流[自锁]现象！当in+端的电容被连接进入电路以后，开机瞬间该电容的充电使in+端产生电流，内部电路出现瞬间过流，过流使电源在滤波电阻100欧上产生了较大的压降，使正电源电压下降，而这种下降又产生了内部正反馈，使状态保持，正电源电流很大，出现上述情况。我是第一次遇到这种情况！想了很多办法都不能解决这个问题，例如控制模拟开关的INH端，使开机一瞬间开关呈高阻态，经过一段时间以后再恢复电路，但是，只要电路从高阻态恢复正常，后级又会立即自锁，表针打到最大！无奈之下，我用LM318运放替换下来NE5534N，结果一试，还是同样的故障，不过这次负电源电压成了9.6V，输出成了-1.988V了，还是不行！分析这种情况的出现，可能是因为直流负反馈太小的原因，于是我把原来的负反馈电路又改成在下电阻上串联一个2700u大电容的形式，这下再通电试验，一切都正常了，开机仅仅是一个冲击，然后就恢复了零点，这时的调零电路也变了，改接在（1）/（5）脚之间，5K电位器两端各串联一个10K电阻接（1），（5）脚，电位器滑臂接正电源。改进后的电路终于正常了，放大器的增益和原先一样，几乎不用调整，频率响应稍好一点儿，可达30HZ-400KHZ。这个实验给我留下了一个经验，[使用运放无论组成什么电路，足够深度的直流负反馈都是必需的！]。
前级的调整就相对简单得多了，因为都是深度负反馈放大器，所以输出端基本都在零电位，也没有必要调零了。前级跟随器不需要调整，中间线路放大器也很容易调整，在电路的输入端加入10mV200HZ信号，测试AD712的7脚，应该有100mV的输出，调整负反馈微调电阻10K，使其输出刚好为100mV即可。我没有安装上负反馈电阻并联的小电容，在200KHZ以内没有什么影响。电路实际的工作电平是1mV输入，10mV输出。
还有一个调整点在前级衰减器，它的上下电阻上都并联了补偿电容，调整这两个电容的容量，使得在200KHZ以内频响平坦，对于在音频范围内使用，有200KHZ足亦，要得到200KHZ以上的通频带相当困难，需要增加很多的补偿网络。调整它的方法很简单，先用200HZ10mV信号校准表头满度，然后输出200KHZ的信号，可以发现表头指针移动了，可能增加刻度，也可能减小刻度，这时调节12p微调电容器，使表头回到准确的满度即可。

***附记：原设计中还有一个错误，刚开始我一直没有能解决，昨天才找到原因。可能你会发现，做好的交流毫伏表在300mV档总是灵敏度不够，测300mV信号时不能满度，而30mV档却已经调好，其他量程也全都准确，很奇怪的故障。后来我发现，这是并联在输入端上的两个二极管造成的故障。虽说硅二极管的导通电压是600mV，但是在高阻抗状态，它的导通门限会下降到100mV，到300mV时内阻已经变低了，结果使表针不能满度。解决的方法很简单，或者你用两支对接的5V稳压管来替换两只二极管，或者你干脆把二极管都去除了事。解决以后，300mV档就变得很准确了！　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
   还有关于有源高频探头的试验，结果是失败！现象为，即便没有输入信号，表针也会偏转，出现很大的误差。分析原因，我的有源放大器设计了JFET跟随前级加uPC1651宽带放大器，输入阻抗很高，增益也很高，在空载状态下，一是电路自身的噪音会引起表针偏转，二是空间的杂散电场也能引起很强的噪音干扰，结果失去了测量的意义！，而且，我发现高频信号是不能用开关来转换的，即便开关断开了，信号也能[飞]过去。最后我放弃了此方案，还是沿用了传统的检波探头电路，就是把探头信号通过一个150p的隔直电容引入倍压整流电路，在输出端接上22K电阻和5n电容构成的派型滤波器，输出的直流电压被引入直流毫伏表。两只二极管应该经过挑选，需要高频特性好的，正向导通电阻小的锗管，比如国产的2AP30E，我用的是美国的1N60。探头可安装在直径不大的金属笔壳里，探针用黄铜棒磨成，我用了一个粗大的金属圆珠笔芯改制，利用了它原来前后塑料堵头，电路安装在一小条印板上，用了一些贴片元件，金属外壳要接地，导出电缆用普通的音频屏蔽电缆。这个探头在5-18MHZ的短波段工作得很出色，频响平滑，可以测出小到100uV的信号，但是如果频率超过83MHZ以后，在88-120MHZ的频段里，就出现了频响曲线的明显峰谷，测量误差会明显增大，看起来要自制一个性能出色的高频探头还是比较困难的，主要是工艺上的问题和二极管的性能，如果为了实用，简单的方法是直接买一个高频探头。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
Jackwrh 201301021

wanwenhao1

看不到楼主的电路图，虽然弄得有点云里雾里的，还是感兴趣。

Jack2017

不得已换马甲，原来的ID无法登陆了。
很奇怪，我这里可以明白地看到图片，为什么别的坛友不能看到图？可惜目前我无权发链接。

yhg

楼主花了很多心血，论述清晰，值得观看，但是看不到图片，先收藏一下，慢慢体会。

cd713

不知为什么看不到电路图

顽童50

从头到尾仔细阅读了，收益匪浅。真正的技术经验交流贴，感谢LZ无私奉献！赞！

linyou168

感谢LZ无私奉献！赞！