音频毫伏表调试记录

1996

最近收家里翻出一台超高频毫伏表，可惜当初买来时候就没有探头，且体积巨大，想来想去，还不如用其表头（相邻刻度10：√10）、面板等零件改造成音频毫伏表，于是采用十四年前白居不易版主的电路制作，目前的状态是达成了部分目标
一、绘制电路图和PCB，雕刻机搞定，改了有两版，主要是分压网络安装的位置，原电路使用7系列电阻，我这里重新计算了一下，6.8系列电阻的误差也不大，就采用现成的E24系列阻值，硬着头皮联立解方程组，最后发现其实有规律，验证结果是否正确，理论误差多大可以采用此网址进行：https://www.23bei.com/tool/488.html
除运放LF356不小心上错电烧了，改为OP27G以外，图中其余元件的型号数值都是我实际采用的，此电路的原理很简单，在此不做分析，原理上可以将任意指针表头转换为一定电压值的交流表头，当然，也可以把表头换成电阻，用类似ICL7107之类的数字表头显示，RP1为满度调节，安装在电路板上，RP2调零，安装在面板上，白版主的原电路的输入电容是比较大，因为最开始使用的分压方式不是恒输入阻抗的，按照此图分压方式几个uF足够。

二、PCB雕刻和挑选分压电阻，雕刻PCB比上次有了进步，雕刻深度改为0.02，手写了一段锣边的G代码，钻孔因为没有3.175柄的钻头，还是在雕刻机上打1mm定位孔后在拿到小台钻上钻透+扩孔
值得一提的是挑选电阻，100Ω和2MΩ+200kΩ的三个电阻需要格外认真，因为这三个电阻对误差的影响比较大，挑选时尽量用一块表，这里比例比绝对值重要，不过这部分没有详细分析，我这里使用的是许老师的LCR电桥，因为我的UT61E大电阻读数不稳，小电阻没有四线测量，总之，一通操作后，从一大堆电阻里挑出来了图中这些。


三、安装分压电阻及直流测试，这里使用直流电源测试分压电阻是否准确，0.01V档位没分压，所以没有误差，表头实际满量程是1和√10的倍数，所以使用31.6V和3.16V测试，方便计算误差，图片不太好看，也不全，我抄下来，可以看到0.1V档和0.3V档误差较大，其余档位分毫不差，产生一串0.98的倍数原因就是没用7的倍数，而是用了6.8的倍数，我认为2%还可以接受
档位                输入值        输出值        理论值
300V                31.6V        0.98mV        1mV
100V                31.6V        3.16mV        3.16mV
30V                31.6V        9.87mV        10mV
10V                31.6V        31.58mV        31.6mV
3V                3.16V        9.86mV        10mV
1V                3.16V        31.6mV        31.6mV
0.3V                3.16V        98.70mV        100mV
0.1V                3.16V        307.5mV        316mV
0.03V        3.16V        930.4mV        1000mV



四、焊板子安装，这步没啥说的

五、安装完电路后，从输入电容后端输入，使用直流电压调整满度量程（RP1），调好后不再动，然后验证一下各档位，和第三步的结果一致，误差该大的还是大，该小的还是小，目前为止，一切顺利 ，不顺利的马上就到

五、进行交流信号测试，使用DDS信号源输出正弦波测试，这个信号源最高至40MHz，音频范围内输出幅值相当稳定，波形也相当好看，之前用示波器测过，我的UT61E带宽大约30kHz，频率再高读数会偏高，以此作为参考，需要说明的是，信号源显示的为峰峰值，万用表显示的有效值，此次制作的毫伏表，显示的“似乎”，“应该”也是峰峰值。

然后就出现了问题，运放使用OP07时，超过200Hz后读数随频率增加而下降，使用OP27时，超过1kHz后也出现读数下降的现象，分析原因，OP07的压摆率只有0.3V/us，OP27的压摆率有2.8V/us，且需要负载大于2kΩ，整流二极管使用的是1N4148，两个的导通压降就来到1.4V，这个表头是1mA的，实际压摆率还达不到上面的值，运放压摆率不足是造成问题的关键，整个表的带宽目前卡在运放上面了，可是手上可用的运放只剩下741……其他的都是双运放，PCB不兼容，即使将1N4148换成1N60降低一半导通压降，可用带宽也不够看，可惜弄坏了LF356，那个货有12V/us，再换几个二极管应该能勉强覆盖音频范围，买是不可能买的，本来就是为了去库存，翻翻家里还有几个妖孽LH0033，有1400V/us的压摆率 ，是OP27的足足500倍 ，可惜要重新做板，不知道带宽能不能也翻500倍

1996

补充：回去看了一眼LH0033，那个东西是个Buffer……只能当提高输入阻抗或者降低输出阻抗用……，那现在基本上就卡在运放上了，等哪天在什么地方看到了拆个吧

冰岛

既然做的是精密测量设备，为什么还用二极管整流法测量？二极管整流不仅有导通电压损耗，而且损耗不是固定值，有一种由二极管和运算放大器组成的“有源整流”电路，几乎可以消除二极管正向特性的影响。

顽童50

1996 发表于 2024-7-1 20:10
补充：回去看了一眼LH0033，那个东西是个Buffer……只能当提高输入阻抗或者降低输出阻抗用……，那现在基 ...

您看看我做音频毫伏表的经历，遇到的问题和您一样、就是频响达不到要求。不过最后我还是成功了，最高频率达到了45KHz，丝毫不衰减、再高就不行了，玩音响是足够了......http://www.crystalradio.cn/forum ... =1591744&extra=

lemontreen

运放芯片的速度问题不大，你用LM321/LM358这种垃圾运放都够用了。你要降低整流压降最好的办法肯定是使用同步整流或者运放整流，直接用二极管的话用1N5819这种肖特基二极管会压降更小

1996

顽童50 发表于 2024-7-1 20:24
您看看我做音频毫伏表的经历，遇到的问题和您一样、就是频响达不到要求。不过最后我还是成功了，最高频率 ...

这俩电路本质是一样的，所以毛病也是一样的，我看你采用的AD713有20V/us的SR，且表头是100uA的，运放的负载小些，我要达到这个指标需要更快的运放才行

1996

冰岛 发表于 2024-7-1 20:21
既然做的是精密测量设备，为什么还用二极管整流法测量？二极管整流不仅有导通电压损耗，而且损耗不是固定值 ...

称不上精密二字，这个电路的二极管再反馈环内，二极管压降对结果没有影响，只是对运放的压摆率有要求

大孔景元

运放正输入端对地不需要接电阻提供偏置吗？旋动开关会不会指针跳动？

1996

大孔景元 发表于 2024-7-2 00:35
运放正输入端对地不需要接电阻提供偏置吗？旋动开关会不会指针跳动？

会跳的，这就加个

1996

顽童50 发表于 2024-7-1 20:24
您看看我做音频毫伏表的经历，遇到的问题和您一样、就是频响达不到要求。不过最后我还是成功了，最高频率 ...

最近实验加仿真两方面验证了，这个电路只是看着正确，其实存在很多问题 ，负反馈端C3、C4、R12会带来严重误差，造成一种峰峰值测量的假象，拆除后正常显示平均值，仿真发现只有换二极管和高速运放才能扩宽频响 ，哪怕降低放大倍数，提高输入信号幅值都不行

小鬼头

要扩展整机的频响，除了更换GBW更大的运放外，最有效的方法是增加表头电路的负反馈深度，以拓展这部分电路的频响。

这需要：增加一级运放做n倍放大，并让让表头运放电路的放大倍数减少为原来的1/n。

1996

小鬼头 发表于 2024-7-8 23:19
要扩展整机的频响，除了更换GBW更大的运放外，最有效的方法是增加表头电路的负反馈深度，以拓展这部分电路 ...

试验过更换1N4148为1N60，降低运放压摆率要求，效果非常有限，大概提高数kHz，在10kHz后每增加1kHz，读数掉一小格
试验过增加R13到30欧及100欧，理论上表头由10mV变为30mV/100mV，频响能扩大3倍/10倍，实际效果达不到，而表头电感会导致频率升高后（R13=30欧时，50kHz~100kHz读数升高，然后随频率增加迅速下降，R13=100欧时类似）
使用200欧电阻代替表头，仿真看了下波特图，无论如何调整R13，增益在10kHz就掉了，这个电路直流还成，交流一塌糊涂，目前放弃此电路，另寻他法，考虑放大-整流-缓冲输出的路子，反正普通四运放手里一大把，使用TL082仿真，20倍放大（26dB）时带宽能到100kHz，目前比较困扰的是选择哪种整流电路，毕竟匹配电阻是个容易出力不讨好的事

小鬼头

1996 发表于 2024-7-9 01:04
试验过更换1N4148为1N60，降低运放压摆率要求，效果非常有限，大概提高数kHz，在10kHz后每增加1kHz，读 ...

1、你一楼的电路是依靠负反馈来拓展带宽的。最后得到的f-3dB带宽主要由所用运放的GBW、以及闭环放大倍数Av决定，其关系是f-3dB=GBW/Av。跟运放的SR性能基本无关。

2、一楼的表头电路中，每半个周期，都有2只二极管与表头串联。假如使用硅二极管，那么2只二极管的压降为1.4v。假设表头内阻200欧、满幅FS电路为1mA，那么，表头部分压降0.2v。因此，总压降是1.6V，这意味着，需要运放输出1.6V的电压，才能让指针指向满幅。

3、一楼的表头电路，额定输入的满幅电压为0.01v。这样可计得，这个表头电路的闭环放大倍数高达Av=160倍。

4、根据第1点的计算公式。假如使用GBW=10Mhz的宽带运放，也只能得到f-3dB=62.5khz的理论频响。由于-3dB=0.707=70.7%，误差高达近30%，因此实际可用（误差足够小的）频响也只有约20khz。如果使用普通的GBW=1Mhz运放，就只有2khz的可用测量带宽。

5、要拓展一楼电路的测量带宽，可以是：
（1）改用压降小的二极管。硅二极管改为肖特基二极管后，Av约下降一半，带宽因此可扩展一倍。（还可以改用一共只有两只二极管的有源全波整流电路，来进一步减少二极管的压降）
  （2）增加一级放大电路，比如10倍，那么表头电路可将Av降为16倍，带宽被扩展为原来的10倍。

6、这种电路总是要受运放的GBW限制，不是很理想，但他有一个优点，就是刻度盘为线性的，制作起来比较方便。

7、如果改用你一楼所称的方案，即放大-整流-放大的方案，因为整流部分是开环工作，受整流二极管的非线性特性影响、又缺少负反馈的线性化作用，那么，就需要专门制作非线性的刻度来配合，制作起来比较麻烦。

1996

小鬼头 发表于 2024-7-9 10:12
1、你一楼的电路是依靠负反馈来拓展带宽的。最后得到的f-3dB带宽主要由所用运放的GBW、以及闭环放大倍数A ...

一、刚刚仿真里搭了一个正向放大器，使用OP27时有一个莫名其妙的零点，换用其他运放仿真就没有这个问题，这可能解释了截止频率前读数异常上升后又迅速下降的原因
二、R13的值实际测试过10/20/30/100/1k，目前带宽表现最好的是20
R13值大于20欧时，零点来得早，随频率升高，读数出现先上升后下降
R13值小于20欧时，放大倍数又太大，随频率升高，读数先下降，后上升，再下降
要在这个电路上下文章，加一级放大，换用别的运放
三、我说的放大-整流-缓冲当中的整流指的是由两个运放组成的全波整流电路，除了要配对电阻，应该不存在非线性问题

快乐年

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