Danas je nabavljen precizni digitalni voltmetar i ommetar oznake modela 7004A, proizvod američke tvrtke Systron Donner iz 1972. godine.
Na stražnjoj strani nalazi se BCD priključnica na koju su dovedeni izlazni signali sa digitalnih brojača tako da se preko nje može spojiti neki kompatibilni vanjski pisač, snimač, displej ili kakav drugi uređaj za prohranu, obradu ili prikaz izmjerenih vrijednosti.
Naljepnice na zadnjoj strani nose dvije oznake mjesta proizvodnje: Zapadnja Njemačka i USA. Systron Donner je svakako američka tvrtka, no 1970-tih godina imala je svoje podružnice u Australiji, kao i u više evropskih zemalja poput Zapadne Njemačke, Engleske i Francuske.
Američka tvrtka Systron Donner osnovana je 1953. godine, 2015. godine preuzima ju tvrtka InnoVista Sensors, a od 2019. godine posluje kao podružnica američke korporacije Emcore. Tijekom samostalnog poslovanja tvrtka Systron Donner proizvodila je različite tipove visoko kvalitetnih elektroničkih mjernih instrumenta i testnih uređaja. Danas u sklopu Emcore korporacije proizvodi isključivo mjerne senzore i žiroskope za zrakoplove.
Multimetar 7004A omogućuje slijedeća mjerenja:
- Istosmjerni i izmjenični napon do 1000 V u pet mjernih opsega sa najmanjom rezolucijom od 10 µV na mjernom opsegu 0,1 V pri čemu je ulazni otpor 1000 MΩ na tri niža istosmjerna mjerna opsega, 10 MΩ na dva najviša istosmjerna mjerna opsega i 1 MΩ na izmjeničnim opsezima
- Istosmjerna ili izmjenična struja do 1 A u pet mjernih opsega sa najmanjom rezolucijom od 10 nA na mjernom opsegu 0,1 mA
- Električni otpor do 10 MΩ sa najmanjom rezolucijom od 0,1 Ω na mjernom opsegu 1 kΩ
Polaritet priključenog napona prepoznaje se i mjeri automatski, a brzina osvježavanja mjerenja (Sample Rate) je od 5 mjerenja u sekundi do jednog mjerenja u 10 sekundi. Točnost mjerenja kreće se u rasponu 0,01 – 0,5 % ovisno o mjernom opsegu i vrsti mjerenja.
Naš primjerak multimetra 7004A se na testu pokazao neispravnim, odnosno displej je blokiran na prikazu 10000 te ne reagira na bilo kakve kontrole ili ulazne napone. Za početak smo otvorili uređaj te detektirali osnove sklopove.
Kada se skine gornji poklopac otvara se prostor za opcionalan smještaj baterije sa pretvaračem napona čime se mjerni instrument može autonomno koristiti na terenu. Multimetar 7004A se 1973. godine prodavao po cijeni od 595$, a baterija se mogla kupiti za dodatnih 95$.
Kao i kod svakog digitalnog multimetara sklopovlje možemo podijeliti na analogni i digitalni dio, odnosno analogno-digitalni pretvarač. Analogni dio je lako shvatljiv sa blok sheme i kao kod svakog elektroničkog analognog mjernog instrumenta sastoji se od otporničkih djelitelja za određivanje mjernih opsega i stabilnog linearnog pojačala koje s jedne strane povećava ulazni otpor (impedanciju) instrumenta kako bi isti imao što manji utjecaj na mjereni strujni krug, a s druge strane na izlazu daje umjereni izlazni napon za daljnju obradu, odnosno za digitalnu konverziju.
Za pretvaranje analogne veličine napona u digitalnu binarnu vrijednost pogodnu za prikaz na digitalnim displejima koristi se analogno-digitalni pretvarač (ADC). Postoji više vrsta ADC-a, a u našem slučaju radi se o AD pretvaraču sa dvostrukim nagibom ili kako se još prevodi o AD pretvaraču sa dvije rampe (eng. dual-slope ADC). AD pretvarači sa dvostrukim nagibom se vrlo često primjenjuju kod digitalnih multimetara jer su takvi tipovi pretvarača vrlo precizni i otporni na šumove (može potiskivati mrežne smetnje). Najveća mana im je sporost tako da se ne mogu koristiti za primjerice A/D konverziju audio signala, no za električna mjerenja su sasvim dostatni. Već smo naveli podatak da je najveća brzina mjerenja našeg multimetra 7004A pet mjerenja u sekundi, no ukoliko se namjesti duže vrijeme mjerenja to će i izmjereni rezultat biti točniji.
Princip rada dual-slope ADC-a nije kompliciran za shvatiti, a osnovni mjerni sklop čini integracijsko operacijsko pojačalo sa R i C elementima. U načelu se radi o pretvaranju napona u frekvenciju (vrijeme) preko dva mjerna ciklusa (dvije integracije) kod kojih onda na izlazu iz integratora dobivamo dvije linearne karakteristike rasta i pada napona na kondenzatoru C koji se puni i prazni preko otpora R (dva nagiba, dvije rampe ili dual-slope).
Prva integracija – punjenje kondenzatora ulaznim mjernim naponom u konstantnom vremenu trajanja
Na početku prvog ciklusa kondenzator je potpuno ispražnjen (kratkim spajanjem preko elektroničke sklopke), a na ulaz integratora se istovremeno elektroničkom sklopkom spoji ulazni napon. Od tog trenutka kondenzator se počinje nabijati i napon na njemu raste. Bez obzira na visinu ulaznog napona kondenzator se uvijek puni jedno određeno konstantno vrijeme. Tako će se ovisno o visini ulaznog napona, za to konstantno vrijeme punjenja kondenzator napuniti na određenu visinu napona, odnosno što je ulazni napon veći to će se i kondenzator napuniti na veću vrijednost napona.
Druga integracija – pražnjenje kondenzatora konstantnom brzinom
Kada se vrijeme punjenja završi, elektronička sklopka resetira digitalni brojač na nulu, te istovremeno prebacuje ulaz integratora na konstantnu vrijednost referentnog napona. S obzirom da se odabire onaj polaritet referentnog napona koji je suprotan prethodnom ulaznom naponu, od tog trenutka dostignuti napon na izlazu integratora počinje padati i to uvijek jednom konstantnom brzinom, a brojač započinje brojanje. U trenutku kad napon padne na vrijednost referentnog napona izlaz iz komparatora okida brojač i brojanje se zaustavi. Ovdje treba primijetiti da ukoliko je dosegnuta vrijednost napona u prvom ciklusu bila veća, proporcionalno tome će i vrijeme pražnjenja u drugom ciklusu biti dulje. Time smo dobili pretvaranje veličine napona u proporcionalno vrijeme.
Na grafičkom prikazu vide se ta dva ciklusa te se može jasno razlučiti kako se ulazna visina napona pretvara u proporcionalnu dužinu vremena, koja se zatim lako izmjeri klasičnim principom brojanja impulsa koje proizvodi oscilator takta, a koji stanu u taj vremenski okvir. Uloga komparatora je pretvaranje izlaza iz integratora (rampe slične trokutastom naponu) u pravokutne impulse koji okidaju binarne brojače (početak i završetak) te upravljaju (tranzistorskim) elektroničkim sklopkama preko dodatnih logičkih krugova.
Zanimljiva je izvedba znaka “minus” za indikaciju negativnog polariteta priključenog napona. Svjetlost se preko male žaruljice prenosi i reflektira na brušenoj gornjoj površini malog stakalca. Ovakav prijenos svjetlosti preko staklenih ili plastičnih oblika na prednju ploču ili displej uređaja nerijetko se i danas koristi s time da su današnji izvori svjetlosti uglavnom LED.
Kao što smo naveli displej našeg primjerka multimetra 7004A blokiran je na fiksnoj vrijednosti 10000 i ne reagira na kontrole ni ulazne napone, osim što se pomiče pozicija decimalne točke kod promjene mjernog opsega. Prvo smo provjerili osnovne napone napajanja (+5, +17, -18 i +200 V) te pronašli da napon od -18V dostiže vrijednost -18,8V, a napon od +17V uopće nije stabiliziran, odnosno dobivamo punovalni oblik izravno iz ispravljača. Oba ova napona reguliraju se integriranim regulatorima µA723 koji je u jednom slučaju konfiguriran kao pozitivni, a u drugom slučaju kao negativni regulator. Kod pozitivne linije +17V došlo je do pregaranja filtarskog kondenzatora 500µF/50V i tranzistora u krugu serijske regulacije napona 2N3072 kojima upravljaju integrirani podesivi regulatori µA723. Nakon što su te komponente zamijenjene izmjeren je stabilizirani napon +17,5V. Vidimo da se ovo simetrično napajanje koristi za napajanje svih sklopova multimetra, a iz ovih napona se dobivaju i svi referentni naponi. U našem slučaju na regulatore µA723 vezani su fiksni otpornici tako da nije moguća fino podešavanje ovih napona. Operacijska pojačala predviđena su za napone od 18V pa smo odlučili modificirati regulatore i dodati im potenciometre kojima smo u konačnici podesili ove napone na točnih +17V i -18V.
Ulazni napon se u integrator dovodi preko posebnog minijaturnog rastalnog osigurača nominalne vrijednosti 15mA / 125V. Radi se o proizvodu američke tvrtke Littelfuse (LF) koja je ovakve osigurače izvorno razvila za potrebe američkog svemirskog programa. Osigurači ovog tipa mogu biti za struje vrijednosti od 2 mA do 5 A. S obzirom da se za male struje koristi vrlo tanka žica, ista ima određeni eletrični otpor bez obzira što je njena dužina unutar tijela osigurača svega oko 2,5 mm. Tako naš osigurač od 15 mA ima otpor od oko 44 Ω, dok najtanji osigurač za struje od 2 mA ima otpor od čak 2200 Ω. Prilikom provjere ispravnosti ovakvih osigurača ovo je potrebno uzeti u obzir.
Ovdje vidimo našu modifikaciju dva regulatora napona µA723 za -18V i +17V tako da se ovi naponi mogu lako i precizno podesiti na nominalnu vrijednost. Za regulacijsku granu +17V zamijenjen je i serijski regulacijski tranzistor 2N3072.
Također su zamijenjena oba filtarska kondenzatora za napone -18V i +17V.
Nakon ovoga displej reagira na promjenu opsega, brojači su aktivirani, no i dalje ne mjeri ulazne napone, odnosno nema pravilne reakcije na ulazne priključnice. Izlaz iz pojačala na kraju analognog lanca ne daje očekivane promjene napona. Prvo je provjeren dvostruki FET ulaznog diferencijalnog pojačala i zaštitne diode što se pokazalo ispravnim. Slijedeća komponenta za provjeru bilo bi operacijsko pojačalo LM301A. Bilo kakva promjena pojačanja ili kalibracija pojačala ne daje nikakav odgovor na izlazu te se može pretpostaviti da mjerno pojačalo ne radi. Također, pozitivni i negativni referentni naponi su potpuno neodgovarajući i ne reagiraju na kalibraciju pa su vjerojatno i operacijska pojačala u tim krugovima neispravna.
Ovdje moramo navesti kako su svi elementi izravno lemljeni na dvostranu tiskanu pločicu, pri čemu su završeci nožica svinuti radi lakše prvobitne montaže i kao takvi prelemljeni na tiskanu vezu. Ovo prilično otežava odlemljivanje i provjeru pojedinih komponenti s više nožica kao što su dvostruki FET-ovi i operacijska pojačala. Također, ove komponente (SU2365A, LM301A) danas već spadaju u vintage elektroničke elemente, tako da su teško nabavljivi i relativno skupi, a to se posebno odnosi na operacijska pojačala u okruglim metalnim kućištima. Iako se radi o operacijskom pojačalu opće namjene, upitno je koliko je isto zamjenjivo za neki pristupačniji tip sa kompatibilnim pinovima jer svaki tip operacijskog pojačala ipak ima neke svoje specifične karakteristike, a to je posebno kritično kod preciznih mjernih pojačala poput ovog našeg.
Daljnjom promatranjem uočili smo da se većina operacijskih pojačala (i neki tranzistori) griju više nego bi to bilo normalno prema njihovim nominalnim disipacijama topline, a posebno se intenzivno griju tranzistori u regulatorima napajanja za +17V i -18V. Ovo ukazuje da sklopovlje troši previše struje, odnosno da su neke komponente djelomično ili potpuno neispravne (u kratkom spoju). Ovakvo stanje je i bilo za očekivati jer je kompletno sklopovlje tko zna koliko vremena bilo podvrgnuto poluvalnom nefiltriranom naponu sa vršnim vrijednostima preko 23V koliko daje mrežni transformator. Za početak bi stoga trebalo zamijeniti svih 5 operacijskih pojačala, a samo to bi mogao biti trošak od 60-tak dolara. Ako bi se išlo na nešto jeftinija operacijska pojačala u DIL8 kućištima trebalo bi napraviti neke prikladne adaptere za koje nema baš puno mjesta između komponenti.
Na tiskanoj pločici jasno se uočavaju tragovi prijašnjih (pokušaja) popravaka i prepravki, posebno na analognom dijelu sklopovlja (otpornički djelitelji, zaštitne diode, ulazna FET pojačala). Ovaj instrument vjerojatno je bio uništen zbog pogrešno odabrane vrste mjerenja ili preniskog mjernog opsega, no svakako su dodatna oštećenja nastala i zbog proboja regulatora napajanja +17V. Elementi ADC-a koji se napajaju linijom od +5V čini se da rade ispravno, dobili smo čisti signal sa oscilatora 120 kHz, brojači i dekoderi rade, nixie cijevi su ispravne, no kontrolne logičke sklopove koji upravljaju tranzistorskim sklopkama i vratima brojača za sada nema smisla provjeravati jer će se eventualne greške na tom dijelu svakako lakše locirati kad budu ispravni ostali sklopovi. Zbog svega ovoga u ovoj fazi odustajemo od daljnjeg popravka, a nastavak slijedi ukoliko negdje naletimo na operacijska pojačala LM301 i LM311 u okruglim metalnim kućištima.
Danas već svi posjedujemo multimetre sa automatskim odabirom mjernog opsega i vrlo učinkovitim zaštitama od pogrešno odabrane vrste mjerenja. Onaj tko se dugo bavi elektronikom zna kako je, unatoč znanju i stručnosti, dovoljan samo trenutak nepažnje, brzopletosti ili dekoncentracije pa da se (često i nepopravljivo) uništi mjerni instrument. Stoga su moderni multimetri sa ugrađenim svim vrstama zaštite odličan izbor za svakodnevni rad kako amatera tako i profesionalaca u svom poslu, jer svi smo ljudi i svi smo skloni pogreškama, pa koliko god one bile kasnije ocijenjene kao namjerne ili nenamjerne 🙂
