Voltmetro digitale True RMS

Schema elettrico di un voltmetro a vero valore efficace per misure in campo audio.

I voltmetri a vero valore efficace (True RMS) trovano largo impiego nell’esecuzione di misure precise e significative dei segnali alternati, in particolar modo quando quest’ultimi sono associati a forme d’onda complesse. Uno strumento sufficientemente accurato e sensibile, eventualmente accoppiato ad opportuni filtri, risulta particolarmente utile nell’ambito delle misure audio e dell’elettronica di potenza, permettendo la misura di rumore e distorsione, di segnali prodotti da circuiti di controllo con SCR o TRIAC, segnali PWM e così via.

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Fig. 1 – Voltmetro True-RMS e sonda di misura

Lo strumento presentato in questo articolo fornisce una banda passante costante entro l’1% da 10 Hz ad oltre 100 kHz, ed è pertanto particolarmente adatto alla misura di segnali in banda audio. L’indicatore digitale impiegato è da 4½ digit, e questo assicura una sensibilità di di 0,01 mV alla portata più piccola (200 mV), mentre la portata massima è di 200 V (eventualmente estendibile mediante un attenuatore esterno).

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Fig. 1b – Misura del valore efficace di un’onda quadra da 1 kHz

1. Funzionamento

1.1 Attenuatore d’ingresso

L’attenuatore all’ingresso permette la selezione di 4 portate (200 mV, 2 V, 20 V, 200 V) mediante un doppio commutatore, che provvede anche a definire la corretta posizione della virgola sull’indicatore digitale (mediante E4). Il condensatore C1 accoppia il circuito in alternata.

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Fig. 2 – Schema dell’attenuatore d’ingresso

Le tolleranze dei resistori impiegati nel partitore (ovvero, da R9 a R16) determinano l’accuratezza dello strumento, ed è pertanto raccomandato orientarsi su modelli selezionati con bassa tolleranza. Ad esempio, è possibile dimostrare che impiegando resistori all’1% di tolleranza l’errore sull’attenuazione del partitore è inferiore al ±2% (nel caso peggiore), mentre impiegando resistori allo 0,1 % l’errore è inferiore al ±0,2 %.

L’impedenza d’ingresso è di 200 kΩ per assicurare un’elevata banda passante senza ricorrere all’uso di compensatori che avrebbero richiesto una taratura periodica.

1.2 Convertitore da RMS a DC

I diodi veloci D3 e D4, e i diodi Zener D2 e D5, proteggono l’ingresso dell’amplificatore operazionale U1 nei confronti delle sovratensioni all’ingresso fino a ±400 V. In condizioni normali, D3 e D4 sono polarizzati inversamente in modo da ridurre la loro capacità di giunzione a meno di 1 pF, in modo da non peggiorare sensibilmente la banda passante del circuito.

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Fig. 3 – Schema del convertitore da RMS a DC

L’amplificatore operazionale U1 fornisce un’amplificazione pari a 10, affinché il segnale fornito al convertitore AD637 abbia ampiezza sufficiente da assicurare una buona precisione anche per piccoli segnali d’ingresso. In questo modo, è possibile ottenere una banda di 100 kHz (entro l’1% di errore) già per segnali di soli 10 mV. Anche in questo caso, le tolleranze di R19 e R20 condizionano l’accuratezza dello strumento con un errore all’ordine del ±1,8% impiegando resistori all’1% di tolleranza, o del ±0,18 % impiegando resistori allo 0,1% di tolleranza.

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Fig. 4 – Scheda di conversione

Il convertitore di precisione a larga banda AD637 di Analog Devices si occupa integralmente della conversione da vero valore efficace a tensione continua; quest’ultima è visualizzata direttamente attraverso lo strumento digitale da 2 Vfs.

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Fig. 5 – Convertitore AD637 in formato SMT

La costante di tempo, fornita da C10, è sufficientemente lunga da assicurare misure significative e con buona stabilità anche sul rumore o su segnali a bassa frequenza. In questo modo, lo strumento impiega qualche istante prima di assestarsi sulla misura definitiva.

Il trimmer R17 permette di annullare l’offset all’uscita del convertitore, in modo da azzerare il valore indicato sul display. Questo trimmer va regolato dopo aver selezionato la portata dei 200 mV e aver cortocircuitato i puntali d’ingresso.

1.3 Alimentatore

Gli strumenti digitali con display a LED a sette segmenti possono produrre una considerevole quantità d’interferenze sulla linea d’alimentazione. Pertanto, è stato impiegato un trasformatore a due secondari da 12 V~ e sono state previste due alimentazioni completamente indipendenti: una a +5 V per lo strumento digitale, ed una a ±12 V per la scheda di conversione analogica.

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Fig. 6 – Schemi delle alimentazioni

Inoltre, il selettore di portata (che si occupa anche di posizionare la virgola mobile nel display) è stato elettricamente isolato mediante tre optoisolatori (da U4 a U6) al fine di eliminare i disturbi elettromagnetici irradiati dalle connessioni con lo strumento digitale.

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Fig. 7 – Schermatura della scheda di conversione e dei suoi collegamenti

In questo modo, il commutatore rotativo impiega un segnale a corrente continua per pilotare gli optoisolatori; quest’ultimi, posizionati a distanza dai circuiti analogici, controllano il segnale digitale per il posizionamento della virgola mobile sul display.

2. Montaggio

Considerando l’elevata sensibilità dello strumento, è fondamentale prevedere la completa schermatura delle schede analogiche, dei rispettivi cavi di collegamento e del BNC d’ingresso nei confronti dei disturbi elettromagnetici irradiati dallo strumento digitale e dai circuiti d’alimentazione (in particolar modo, dal trasformatore e per effetto delle correnti impulsive che circolano nei diodi raddrizzatori).

Inoltre, può essere necessario dissipare il regolatore di tensione destinato all’alimentazione dell’indicatore digitale; se a questo scopo si decidesse di impiegare il contenitore in alluminio, si ricordi di isolare il corpo del regolatore con della mica isolante, al fine di evitare la formazione di un anello di massa (ground loop).

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Fig. 8 – Disposizione interna dei circuiti

A questo proposito, si presti attenzione alla disposizione dei percorsi dei collegamenti a massa; nello strumento presentato, le masse delle parti analogiche sono state tenute separate da quelle digitali, congiungendosi solo nello strumento digitale, e l’unico collegamento col contenitore in alluminio avviene mediante il BNC d’ingresso. In questo modo, il rumore d’ingresso è inferiore alla sensibilità dello strumento, assicurando una misura precisa anche per piccoli segnali.

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Autore: bsproj

Amante della musica, appassionato di progettazione elettronica.

2 pensieri riguardo “Voltmetro digitale True RMS”

    1. Salve,
      attualmente non sono disponibili scatole di montaggio, ma penso sia possibile procurare parte dei componenti e, forse, replicare le schede. Per questo, può contattarmi nella pagina contatti.
      Il display è un voltmetro da 2 V(fs) acquistato già assemblato.

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