Voltmetro digitale True RMS

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.

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).

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.

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.

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.

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 V_fs.

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.

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.

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).

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.