« ウィーンブリッジ発振回路の発振条件 - Excelで複素数の計算 | トップページ | 台風19号による東京の気圧変化 2014/10/12- »

2014年10月11日 (土)

交流電圧計(ミリバル)の簡単な作り方

DMMで測れるから関係ない、という方も読んでいただいた方がいいかもしれません。DMMの交流電圧は正確に測れるのはふつう数百Hzから1kHzくらいまでのようです。でもこのミリバルは100kHzくらいまで測れます。

100kHzまで測れるDMMというのもあるにはあります。
  日置電機 - DT4281  \48,000._

------

まず最初にどうしてこういう記事を書くのかを説明します。

今「ウィーンブリッジ発振回路の帰還量(増幅率)と波形の関係」とか「ウィーンブリッジ発振回路の発振条件 - Excelで複素数の計算」みたいな実験をしています。

とうぜん発振器の出力は何Vだろうとかローパスフィルターを通したあとは何mVになるだろうというようなことを測定したくなります。電圧を測るんだったらテスター(DMM)を使えばいいわけですがテスターによっては交流電圧のレンジはAC電源の電圧を測るためのレンジつまり200Vしかないものがあります。

こういうテスターでも直流電圧は2Vや200mVのレンジがあるわけで、これを利用して交流の数V以下できれば数mVまで測ろうというのがこの記事の目的です。

とても手軽に作れるものですが、周波数特性は意外といいみたいです。
  「簡単に作った交流電圧計(ミリバル)の周波数特性

このミリバルの問題は出力電圧がグランドから浮いていることです。測定結果をグランドに対するとして得たい場合はこういうのがあります。
  「一歩進んだ交流電圧計(ミリバル)の製作 - 1

簡単なんじゃおもしろくない、という方にはこんなのもあります。
  「ちょっと凝った交流電圧計(ミリバル)の作り方 - 1
要するに“ベクトル電圧計”です。

========

交流を直流電圧計で測るためには整流しなければならないわけですがどんなダイオードにしても低い電圧では非直線性がひどくなり単に整流して測っただけでは正しい電圧は表示されませんし数mVというような電圧は測ること自体ムリがあります。

そこでオペアンプの出番になるわけですが、一般にオペアンプを使う整流回路というのは複雑です。よく見かけるものはオペアンプを3個と精度の高い抵抗なんか使ってます。
この複雑になる原因は整流された電圧をグランドに対する直流電圧として得ようとすることにあります。

テスターで測るのであればグランドに対する電圧になっていなくてもぜんぜん問題ありません。そう考えるととても簡単に作ることができます。

テストに使った回路を示します(実用にするのであればちょっと手直しした方がいいところがあり、それについては最後に書きます)

Meter

この回路だとオペアンプのIN+ピンがGNDに落とされていますのでIN端子からR1を通してIN-ピンに流れるのと同じ値の電流がIN-からOUT端子に対して流れることになります。

つまりダイオードの特性にはまったく無関係にR2(+C2)には入力に比例した電流が流れます。全波整流回路になっているのでR2(+C2)には入力の正負にかかわらず電流は一方向に流れるので直流電圧計で電圧を読み取ることが可能です。

R1とR2を同じ値にしておけば入力電圧とだいたい同じ電圧がR2の両端に得られます(なぜ“だいたい“なのか、またまったく同じにするにはどうしたらいいかはあとで書きます)

実際に上の回路を作りINの電圧とR2の両端の電圧を比較してみました。
INの電圧はとうぜん交流でAC60mVまでのレンジがあるDMMを使って測り、R2の端子電圧は最初に書いたACは200Vのレンジしかないが直流電圧は200mVのレンジまであるテスターで測ります。

Meter_1_2

これだけではよくわからないのでグラフにしてみます。
Meter_2

一つおかしなデータが混じっていますが、これを見る限り0.01Vから3Vの範囲で直線性が保たれています。十分満足できる結果です。

参照用に使ったDMM、PC700の確度が問題になるのですが、例えばAC60mVレンジであれば±(2.2.%+6dgt.)です。これ直流電圧の確度と比べると1桁以上、2桁近く悪いです。
交流電圧の測定というのはこういうものだと思っていたほうがいいです。


------

測定値が入力電圧がちょっと低めになっている理由です。100kΩの抵抗はただのカーボン皮膜抵抗を実測することもなく使ってしまったのでそれによるばらつきの影響もあると思いますが、もっと本質的な理由があります。

交流電圧計は実効値を表示しています。一方測定電圧は全波整流された波形の直流成分になります。入力は正弦波に近いものでしたので次のような関係になります。

入力電圧(実効値)をVとします。
入力のピーク値はV * √2
全波整流後の直流成分は V * √2 / π * 2

つまりこの方法だと正弦波の場合表示は90%くらいになります。

直流成分を求めるときπで割って、つまり1/πをかけていますが、この1/πは何かと言うsin(x)を半波分つまりx=0,πの範囲で積分したものを積分範囲で割ったものです。そのあと2を掛けているのは全波整流だからです。

-----

実際に作るときのヒント

上の測定結果からすると200mVフルスケールでぜんぜん問題なさそうですが、これはバイアス電流の少ないJFET入力のオペアンプを使用しています。必要な感度や周波数範囲を考えて適当なオペアンプを選択してください。

オフセット電圧は目をつぶって使うかゼロ点調整するようにします。もっともオフセット電圧をゼロ点調整したくなるような方はこういうのは使わない方がいいかもしれません。

回路図をご覧になるとわかるようにINに直流の電圧が与えられてもR2には電流が流れます。直流分をカットするように入力にはコンデンサーを入れておく必要があります

上の回路は入力インピーダンスが100kΩですからちょっと実用とするにも物足りないと思います。いちばんいい方法はこの回路の前にボルテッジフォロワーを入れることでしょうか。そんなに高い入力インピーダンスが必要なく感度を追求するのでもなければR1を1MΩくらいにするだけでいいと思います。

もし実効値表示の電圧計と同じ値を表示したいのであればR2はR1の1.1倍くらいにします。またこのときR1に比較的大きな抵抗を使ったときは測定に使うテスターの内部抵抗の影響も出ますのでその点も考慮します。1.1倍“くらい”と書いたのですが交流の電圧なんて測り方や測定対象の波形でいくらでも変わるものなのでそんなに神経質になってもあんまり意味はないと思うからです。

ダイオードはふつうのスイッチング用シリコンダイオードで問題ありません。別にゲルマニウム・ダイオードやショットキー・バリア・ダイオードを使う必要はありません。ただ順方向の電圧降下が大きいほど測定電圧の範囲がその分狭くなりますのでそのあたりが気になる方はゲルマなりショットキーバリアなり使えばいいと思います。

<== 原理的にはダイオードの特性にはまったく無関係なんですが、実際はそうでもありません。

  「
ミリバル(交流電圧計)の周波数特性はゲルマニウムダイオードで改善する?

----

ところでこの記事は「交流電圧のレンジはAC電源の電圧を測るためのレンジつまり200Vしかない」DMMで交流電圧を測るのが目的なのでこれでいいのですが、PICなどを使って交流電圧を測ったり、記録したいということもあると思います。

電圧を測るべきところがGNDから浮いていますのでそういうときはオペアンプとは電源を別に用意する必要が出てきます。でも差動入力があるDAC(デジタル・アナログコンバータ)があれば電源を共通にすることも可能です。例えばこんなものがあります。

  「
MCP3425のもうちょっと詳しい使い方(ソース付き)

こういうときは入力端子電圧の制限(ふつう電源電圧の範囲内)に注意が必要です


<== 勢いでつい書いてしまったのですが、こういうのを実際に作ろうとするといろいろ問題があります。電源は別にした方がいいです。5V入力からアイソレートされた±5Vを出力するDCコンバータというようなものが売っていますからそういうのを利用した方がいいと思います。

----

なおちゃんとしたものを作りたい方は以下のような記事が参考になると思います。

6畳間の真空管アンプたち」にある
    「デジタルテスターをACミリボルトメーター化してみよう
    「1000円テスター用のミリバル・アダプタ

それから何をするにしても
  「株式会社NF回路設計ブロック - 計測お役立ち情報
に参考になる情報があると思います。


--------

関連

  「交流電圧計(ミリバル)の簡単な作り方
  「簡単に作った交流電圧計(ミリバル)の周波数特性
  「DMM交流電圧の周波数特性を調べてみた
  「24ビットバイナリーカウンター

  「ウィーンブリッジ発振回路の帰還量(増幅率)と波形の関係
  「ウィーンブリッジ発振回路の発振条件 - Excelで複素数の計算

  「続・インダクタンスの測り方 - 5 - 交流ブリッジ

  趣味の電子工作

  趣味の実験

« ウィーンブリッジ発振回路の発振条件 - Excelで複素数の計算 | トップページ | 台風19号による東京の気圧変化 2014/10/12- »

趣味の電子工作」カテゴリの記事

コメント

ひとつ教えてください。
表の中にしあるPC700とは何になるのでしょうか?
PICとかですか?

あれ、すみません。説明が入っていないですね。
これはDMMの型番です。測定の確度がけっこう高くまた低いAC電圧も測定可能なものです。
表の左がこのDMMの交流レンジで測定した結果、右が記事にある回路を使い別のDMMの直流レンジで測定した結果です。

苦労しましたが、なんとか実験出来ました(≧∇≦)

はい、今拝見したのでコメントしてきました。
最近の記事やコメントを拝見していると、惑さんもご自身でなんとなく感じがつかめてきたという実感があるんじゃないでしょうか。
これからが楽しみですね (^^)

あまりにも基本的なことなのかもしれませんが教えてください^^;
今、インダクタ測定の実験をしようとしているのですが、
ウィーンブリッジ発振回路とミリバル測定回路をそれぞれ別のブレッドボードにして、
モジュール化しようとしています。
その場合、オペアンプが2つ必要になってくるのですが、
ミリバルのオペアンプの方もVcc+とVcc-の接続は必要になるのでしょうか?

ウィーンブリッジ発振回路もミリバルは応用が聞くのでモジュール化しておくといいですよね。
じつはウィーンブリッジ発振回路は振幅制限を入れて、ローターリースイッチと二連の可変抵抗で発振周波数を可変にしてモジュール化し記事にするつもりだったのですが先を越されました (^^;;
別々にモジュール化したほうが何かと便利ですがそうなると両方に電源が必要ですね。
一つの電源から両方にV+、V-を供給してもいいですし、別々に電源を用意してもいいと思います。
ミリバルは両方の端子をGNDに接続しないで使いたいケースもあるのでほんとうは別々に電源を用意した方がいいんですが、面倒ですよね。
両方に同一の電源から供給するときは二つのモジュールのGNDも共通にします。

4558Dの電源電圧が±4V〜になっているのでニッケル水素電池4本だと単電源では足りなくなるので、やるとしたら9V電池を使うぐらいですかね、、、

二連の可変抵抗というのもあるのですね〜

二連の可変抵抗は
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-03606/
とか
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-07209/
みたいなものがありますね。右に回したとき周波数が高くなるように作るのであればAカーブのものがいいように思いますが、これは目的に応じてよく考えてください。
ついでに書いておくとローターリースイッチはこんなのを使います。
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-00101/
電源は私はこれに近い感じのものを使っています。
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-04266/
入力と出力が絶縁されているのでミリバルなんかには最適な気がします。
ウィーンブリッジ発振回路はちょっとだけ回路が複雑になりますが単電源で動作させるというのもありでしょう。
ミリバルはちゃんと二電源にした方がよさそうです。オペアップが片側余っているのでそれを使って単電源を二電源に見せるという方法はあると思いますが、ちゃんと作ろうとすると意外と面倒だと思います。そこで上にリンクしたようなものを買ってしまうのですが (^^;;

ロータリースイッチをどのように使うのか気になります(¬_¬)

ところで最後の電源のパーツは5V入力で15Vを取り出して、二つに分けて使うということでしょうか?

周波数可変の製作例も探せばありますね。
http://gomisai.blog75.fc2.com/blog-entry-21.html
実際作るときは振幅制限がなかなかたいへんそうです。
振幅制限は“手動”にしようかなあ (^^;;

それからリンクを貼った電源は5Vを入力すると(入力とは絶縁された)GNDに対して+15Vと-15Vの両方が得られます。
じっさい私が使っているのは±12Vとか±5Vのものです。低い電圧のものの方が出力電流を大きく取れるからというちょっとみみっちい理由です (^^)

ロータリースイッチでコンデンサを切り替えるのですか(≧∇≦)
なかなか回路が複雑になりそうですね^^;

電源の+と−が得られるのは魅力的ですね〜
ちょっとお値段が高いのがネックです。。。
まずは9V電池で試してみます。

はい、ちょっと二の足を踏むお値段ですね。
でも作るとなるとけっこう面倒なのでこの値段なんでしょう。
これは3Wタイプで1Wタイプが半分くらいのお値段だったと思います。

それから基板にこんなものもあります。
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-04303/

ブレッドボードで作ったものを完成品にするとき便利です。
ブレッドボードのレイアウトをそのまま持って行けますから。
1PPS発光器などこれを使って作っています。
パターンを切ったり工夫しても実装密度はあんまり上がりませんが。

電流を図る場合はC1とD2の間にDC電流計を入れればいいのでしょうか?

じつはこのままでも電流計になっています。
DMMのフルスケールが200mVとするとフルスケール2uA内部抵抗100kΩの電流計です。
2mAフルスケールの電流計にしたければ(約)100Ωの分流器を入れればいいということになります。
回路の中に入れた抵抗の電圧降下をこのミリバルで測るという考え方もできますが、もちろん結果(=できあがる回路)は同じになります。

ついでに書いておくと100kΩがあってもなくてもフルスケール2uAの電流計です。
この回路は原理的には電流を測っています。フルスケール2uAの電流計に直列に100kΩの抵抗が入っているからフルスケール200mVの電圧計として機能している考えた方が自然かもしれません。

よく分かっていなくてすみません(ノ_<)
400mVレンジだとしたら4μAの電流計となって、例えば200mVとDMMに表示されたら2μAだったというふうに使うのでしょうか?

はい、そういう意味です。
なおこのくらいのオーダーの電流を測ろうとするとオペアンプのバイアス電流やオフセット電圧の影響が出ます。2uAとか4uAとか測るのでしたらバイポーラのオペアンプだと使いものにならないと思います。最初は20uAフルスケールくらいと考えて始めた方が無難かもしれません。
(記事にある結果はJFET入力のオペアンプで測定したものです。記事に書き忘れてました)
また使える周波数範囲もオペアンプのスペックで決まります。
最初はあんまりムリをせずに実験した方が無難でしょう。

コメントを書く

(ウェブ上には掲載しません)

トラックバック

この記事のトラックバックURL:
http://app.f.cocolog-nifty.com/t/trackback/1994983/57643904

この記事へのトラックバック一覧です: 交流電圧計(ミリバル)の簡単な作り方:

« ウィーンブリッジ発振回路の発振条件 - Excelで複素数の計算 | トップページ | 台風19号による東京の気圧変化 2014/10/12- »

フォト

サイト内検索

  • 記事を探されるんでしたらこれがいちばん早くて確実です。私も使ってます (^^;; 検索窓が表示されるのにちょっと時間がかかるのはどうにかしてほしいです。

新着記事

リンク元別アクセス数

  • (アクセス元≒リンク元、原則PCのみ・ドメイン別、サイト内等除く)

人気記事ランキング

  • (原則PCのみ、直近2週間)
無料ブログはココログ