Universal Measurement Amplifier/Attenuator For laptop or PC
A computer is very suitable for making (audio) measurements thanks to the sound card that is usually built in. Unfortunately, the audio input on laptops is usually too sensitive to measure somewhat larger AC voltages. A small amplifier/attenuator circuit then comes in very handy.
By Michiel ter Burg (Netherlands)
If you build or repair audio equipment yourself, you don’t always need an oscilloscope. Any direct current or voltage can be measured with a multimeter. You can do a lot more if you happen to have a better model that can also measure (small) AC voltages. For more advanced measurements such as the frequency response or the
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distortion it is very handy to use the soundcard in a computer combined with some software. A laptop or notebook can also function without an AC outlet, which means you’ll avoid earth loops and hum during measurements. However, a laptop often has just an oversensitive (microphone) input, so that you need to make a range of voltage dividers for your measurements.
This measurement amplifier has been designed especially for these situations. It has an adjustable input attenuation and an input impedance of 1 MΩ, so that standard scope probes with built-in attenuators can be used for even larger AC voltages. The input signal is first attenuated and then amplified to get the required
Elektor 7/8-2012
Measure
V+ P3
K2
D1
R1 1M8
100k lin. C1
R2 1M8
1N4148
3
100n
R7 1M R6
2
1
IC1.A
10k R14
R5
4k7
1M
100k log.
1N4148
3
IC1 = TS922
V-
4 2 1
P4 D3
R3 1M8
100k lin.
R4 1M8
1N4148
3
100n
R10 1M D4
P2
R8
2
1
IC1.B
R11 10k
R9
R12 4k7
C2
1k
K3
K1
5
V+
100k log.
1N4148 V+
D5
1N4148
R15
LED2
3k9
V-
BT1
D6
C3
D7
10u 8
IC1
D8
The power is supplied by a 9 V battery that has its voltage split into a negative and positive component with a Ground in between. LED2 functions as a LowBattery LED (it has to be a type that lights up at 2.5 V); the addition of R15 makes it light up when the battery volt-
R13
1k
D2 P1
1M
transfer function. The input is DC coupled. The input signal is attenuated by at least a factor of 10; with the help of logarithmic potentiometers P1 and P2 the signal can be attenuated further. C1 and C2 provide DC decoupling after the input attenuators to prevent irritatingly large time-constants caused by high-impedance probes. This is followed by an amplification stage (built round IC1.A and IC1.B). Potentiometers P3 and P4 are used to vary the gain of this stage between 1x en 100x. Bear in mind what the value of the GBP (Gain Bandwidth Product) is for the opamp used. The author first tried an LM258 and a TS912, which should have a GBP of about 1 MHz (typical). In practice a bandwidth of 15 kHz was measured with the gain set to 30x and a 9 V supply voltage. This means that the GBP was 450 kHz, although that can be compensated for by the measurement software. The best opamp is a TS922 (GBP of 4 MHz), which managed the complete audio bandwidth at a gain of 100x. This is also the type that was used in the prototype built at Elektor Labs.
9V
4x 1N4148
4 D9 C4 LED1
10u
120272 - 11
V-
a computer soundcard running measurement software makes a useful tool age is above 7 V, which is high time to replace or recharge the battery! The inputs of the opamps are protected by diodes against very high input voltages or electrostatic discharges, since you can never be sure what voltages you’ll find in (switched off) audio cir-
Elektor 7/8-2012
cuits, especially when valves are used! A printed circuit board has been designed for this project, which has room for all components, including the connectors and potentiometers. The layout can be downloaded freely from the usual place [1]. Standard through-hole
components have been used throughout, which makes the construction very easy. The potentiometers are put through the solder side of the board and screwed into place, after which the solder tags are bent onto the pads on the board and subsequently soldered.
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COMPONENT LIST Resistors R1–R4 = 1.8MΩ R5,R9 = 1kΩ R6,R7,R8,R10 = 1MΩ R11,R13 = 10kΩ R12,R14 = 4.7kΩ R15 = 3.9kΩ P1,P2 = 100kΩ potentiometer, logarithmic law P3,P4 = 100kΩ potentiometer, linear law Capacitors C1,C2 = 100nF MKT, pitch 5mm C3,C4 = 10µF 16V, 6mm diam., pitch 2.5mm Semiconductors D1–D9 = BAT48 (DO-35 case) IC1 = TS922IN (dual opamp, DIP-8 case) LED1,LED2 = LED, green, 5mm Miscellaneous
9V
K1 = 3.5mm stereo socket (e.g. Lumberg 1503-09) K2,K3 = BNC connector, right angled pins, PCB mount (e.g. TE connectivity 1-1337543-0) BT1 = 9V battery clip PCB # 120272-1 (www.elektor.com/120272)
Since logarithmic input potentiometers can deviate by as much as ±20% it is best to calibrate them after they have been mounted in the box. The calibration should be carried out in steps of 10 dB (= a factor of 3.1623) using the measurement software. First mark out the calibration points on a piece of paper placed over the potentiometer, then scan this into the computer and use a drawing package to create a professionally looking scale. During the calibration P3 and P4 should be set to a gain of 1x, which is normally only used with very small input signals that still need some amplification. (120272)
Internet Link [1] www.elektor.com/120272
120
Elektor 7/8-2012
Messverstärker mit Abschwächer Für Laptop und PC
Computer der PC-Klasse sind heute Allround-Talente, die auch Signale im Audio-Bereich messen können. Leider haben die Audio-Eingänge feste Empfindlichkeiten, das Messen sehr starker und sehr schwacher Signale ist nicht direkt möglich. Was fehlt, ist eine Schaltung, die solche Signale abschwächt oder verstärkt.
Von Michiel ter Burg (NL)
Zum Bauen oder Reparieren von Audio-Equipment ist ein kostspieliges Oszilloskop nicht unbedingt nötig. Moderne Multimeter messen nicht nur Gleichspannungen und Gleichströme, auch kleine Wechselspannungen werden zuverlässig angezeigt. Zum Messen von Frequenzgängen und Verzerrungen bietet sich der Computer zusammen mit spezialisierter Software
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an. Laptops und Notebooks arbeiten unabhängig vom Stromnetz, so dass Messungen nicht durch Erdschleifen und Netzbrummen gestört werden können. Allerdings sind viele portable Computer nur mit einem empfindlichen Mikrofoneingang ausgestattet, so dass starke Signale von vorgeschalteten Spannungsteilern auf das erforderliche Niveau gebracht werden müssen.
Für die genannten Anwendungen wurde dieser Messverstärker mit Abschwächer am Eingang erdacht. Da der Eingangswiderstand 1 MΩ beträgt, ist das Messen mit üblichen 1:1- oder 1:10-Oszilloskop-Tastköpfen möglich. Um die gewünschte Übertragungscharakteristik zu erhalten, wird das Eingangssignal zuerst abgeschwächt und dann verstärkt. Die Abschwächung
Elektor 7/8-2012
Measure
V+ P3
K2
D1
R1 1M8
100k lin. C1
R2 1M8
1N4148
3
100n
R7 1M R6
2
1
IC1.A
R13 10k R14
R5
4k7
1M
1k
D2 P1 100k log.
1N4148
3
IC1 = TS922
V-
4 2 1
P4 D3
R3 1M8
100k lin.
R4 1M8
1N4148
3
100n
R10 1M D4
P2
R8
2
1
IC1.B
R11 10k
R9
R12 4k7
C2
1k
K3
K1
5
V+
1M
100k log.
1N4148 V+
D5
V-
1N4148
R15
LED2
3k9
beträgt mindestens 1:10, sie kann mit den Potentiometern P1 und P2 weiter herabgesetzt werden. Die Koppelkondensatoren C1 und C2 halten Gleichspannungsanteile von den nachfolgenden Verstärkern (IC1.A und IC1.B) fern, so dass extrem hohe Zeitkonstanten infolge hochohmiger Tastköpfe vermieden werden. Die Verstärkung lässt sich mit den Potentiometern P3 und P4 im Bereich 1...100 einstellen. Wichtig für die Eigenschaften des Messverstärkers ist das GBP (Gain Bandwidth Product) des verwendeten OpAmps. Erste Probeläufe wurden mit dem LM258 und dem TS912 durchgeführt, die ein typisches GBP von 1 MHz haben. Gemessen wurden jedoch die Bandbreite 15 kHz und die Verstärkung 30 bei der Betriebsspannung 9 V, was 450 kHz als GBP ergibt. Auf der Seite der Software ist es möglich, diesen niedrigen Wert zu kompensieren. Optimal arbeitet der TS922, dessen GBP bei 4 MHz liegt, er erreicht die volle Audio-Bandbreite bei der Verstärkung 100. Im ElektorLabor wurde die Schaltung mit diesem OpAmp-Typ getestet. Die Stromversorgung übernimmt eine 9-V-Batterie oder ein baugleicher Akku. Die vorhandene Spannung wird mit Dioden in einen positiven und negativen Zweig bei festem Nullpunkt unterteilt. LED2, ein Typ, der bei 2,5 V zu leuchten beginnt, dient als Indikator für den Zustand der Batterie oder des Akkus. Der Widerstand R15 ist so dimensio-
BT1
D6
C3
D7
10u 8
IC1
D8
9V
4x 1N4148
4 D9 C4 LED1
10u
120272 - 11
V-
Das Messen ist mit üblichen 1:1- oder 1:10-Oszilloskop-Tastköpfen möglich. niert, dass diese LED das Absinken der Spannung unter 7 V signalisiert. Wenn das geschieht, ist es höchste Zeit, die Batterie auszutauschen oder den Akku aufzuladen. Für die Schaltung wurde eine Platine entworfen, auf der sämtliche Kompo-
Elektor 7/8-2012
nenten einschließlich der Potentiometer und Anschlussbuchsen ihren Platz haben. Das Platinenlayout kann frei von der Elektor-Website [1] heruntergeladen werden. Alle Komponenten sind bedrahtete Typen, was den Aufbau stark vereinfacht. Die Potentiometer-
Achsen werden von der Lötseite durch die Platinenöffnungen gesteckt und dort befestigt. Nach dem Umbiegen in Richtung Platine können die Potentiometer-Anschlussfahnen an die zugehörigen Lötflächen auf der Platine gelötet werden.
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Stückliste Widerstände: R1...R4 = 1M8 R5,R9 = 1 k R6,R7,R8,R10 = 1 M R11,R13 = 10 k R12,R14 = 4k7 R15 = 3k9 P1,P2 = Potentiometer 100 k, logarithmisch P3,P4 = Potentiometer 100 k, linear Kondensatoren: C1,C2 = 100 n MKT, Raster 5 mm C3,C4 = 10 µ/16 V, ∅ 6 mm, Raster 2,5 mm Halbleiter: D1...D9 = BAT48, DO-35 IC1 = TS922IN (Dual OpAmp), DIP-8 LED1,LED2 = LED 5 mm, grün Außerdem:
9V
K1 = Klinkenbuchse 3,5 mm, Stereo (z. B. Lumberg 1503-09) K2,K3 = BNC-Buchse gewinkelt, für Platinenmontage (z. B. TE Connectivity 1-1337543-0) BT1 = Batterie 9 V, mit Anschlussclip Platine 120272-1 (siehe www.elektor.de/120272)
Da die Werte logarithmischer Potentiometer relativ stark streuen (±20 % und mehr), ist das Kalibrieren der Einstellungen zweckmäßig. Nachdem die Schaltung ihren Platz in einem Gehäuse gefunden hat, werden die Werte auf einem angelegten Stück Papier markiert, so dass eine Vorlage für die Frontplatte entsteht. Die Vorlage wird in den Computer eingescannt und mit einem Zeichenprogramm zur definitiven Frontplatte ausgestaltet. Mit einem (Audio-)Messprogramm lässt sich die Abschwächung in 10-dB-Schritten (Faktor 3,1623) kalibrieren. Dabei muss an den Potentiometern P3 und P4 die Verstärkung 1 eingestellt sein, normalerweise ist diese Verstärkung sehr kleinen Eingangssignalen vorbehalten. (120272)gd [1] www.elektor.de/120272
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Elektor 7/8-2012
ampli de mesure à gain variable pour PC ou portable
Un ordinateur est parfaitement capable de réaliser des mesures en audio, la majorité d’entre eux sont dotés d’origine d’une carte son. Mais sur les portables, l’entrée audio est souvent si sensible qu’elle ne peut accepter des tensions alternatives d’une certaine amplitude. La solution vient d’un petit amplificateur dont le gain peut aussi être inférieur à un.
Michiel ter Burg (Pays-Bas)
Pour construire ou réparer des appareils audio, un oscilloscope n’est pas toujours indispensable. Les tensions et courants, tout multimètre peut les mesurer. Si le vôtre est aussi apte à mesurer de petites tensions alternatives, ce n’est déjà pas si mal. Pour mesurer une caractéristique de fréquence et la distorsion, la carte son d’un ordinateur et un bon logiciel
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de mesure sont d’une grande utilité. Un portable ou un ultraportable peut en outre fonctionner sans liaison au secteur, ce qui élimine les boucles de masse et le ronflement lors de la mesure. Or un portable ne dispose généralement que d’une entrée très sensible pour microphone, il faut y ajouter différents diviseurs de tension pour réussir à mesurer de plus grands signaux.
C’est précisément pour ce genre d’applications que j’ai construit cet amplificateur de mesure avec atténuateur en tête et une résistance d’entrée de 1 MΩ, de manière à s’adapter aux sondes normalisées d’oscilloscope à atténuateur incorporé pour la mesure de plus hautes tensions alternatives. Le signal d’entrée est d’abord atténué, puis amplifié pour un trans-
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mesure
P3
K2
D1
R1 1M8
100k lin. C1
R2 1M8
1N4148
3
100n
R7 1M R6
R13 10k R14
R5
4k7
1M
1k
D2 P1
2
1
IC1.A
100k log.
1N4148
3
IC1 = TS922
V-
4
V+
2 1
P4 D3
R3 1M8
100k lin.
R4 1M8
1N4148
3
100n
R10 1M D4
P2
R8
2
1
IC1.B
R11 10k
R9
R12 4k7
C2
1k
K3
K1
5
100k log.
1N4148 V+
D5
V-
1N4148
R15
LED2
3k9
En pratique, la bande passante mesurée était de 15 kHz pour un gain de 30x sous une tension d’alimentation de 9 V, ce qui donne un GBP de 450 kHz, mais le logiciel de mesure peut le compenser. Le meilleur est un TS922 qui a un GBP de 4 MHz, il couvre toute la gamme audio avec une amplification de 100x. C’est celui qui a été utilisé sur le prototype construit par le laboratoire Elektor.
V+
1M
fert correct. L’entrée est couplée en continu. Le signal subit une atténuation de 10x au minimum et les potentiomètres logarithmiques P1 et P1 peuvent encore le diminuer davantage. C1 et C2 assurent le découplage en continu après les atténuateurs d’entrée pour réduire l’ennui causé par la grande constante de temps avec des sondes à haute impédance. Suit alors un étage amplificateur composé de IC1.A et IC1.B. On peut régler le gain de cet étage au moyen des potentiomètres P3 et P4 entre 1x et 100x. Il faut tenir à l’œil le GBP, le produit gain x bande passante de l’amplificateur opérationnel. J’avais d’abord essayé un LM258 et un TS912 qui ont un GBP typique de 1 MHz environ.
BT1
D6
C3
D7
10u 8
IC1
D8
9V
4x 1N4148
4 D9 C4 LED1
L’alimentation est fournie par une pile de 9 V et partagée par des diodes pour donner deux tensions, l’une positive, l’autre négative, avec un nul commun
10u
120272 - 11
V-
carte-son + logiciel de mesure + portable sur accu = trio gagnant « solide ». La LED2 fait office de témoin de sous-tension, elle doit être d’un type qui s’allume pour 2,5 V et R15 la fait s’allumer quand la pile descend à 7 V : temps de la changer ou de recharger l’accu. Les entrées des amplis op sont proté-
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gées par diodes contre les surtensions et la décharge électrostatique, on ne sait jamais, surtout quand on travaille sur des tubes ! La platine conçue pour ce circuit regroupe tous les composants, y compris les connecteurs et potentiomètres. Le
tracé est à télécharger gratuitement de www.elektor.fr/120272. Tous les composants sont à fils pour simplifier le montage. Les potentiomètres s’introduisent par le côté pistes et sont vissés sur la platine, après quoi les broches de connexion sont pliées vers les
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Liste des composants Résistances : R1 à R4 = 1,8 MΩ R5, R9 = 1 kΩ R6, R7, R8, R10 = 1 MΩ R11, R13 = 10 kΩ R12, R14 = 4,7 kΩ R15 = 3,9 kΩ P1, P2 = pot. log 100 kΩ P3, P4 = pot. lin 100 kΩ Condensateurs : C1, C2 = 100 nF MKT, au pas de 5 mm C3, C4 = 10 µF/16 V, Ø 6 mm, au pas de 2,5 mm Semi-conducteurs : D1 à D9 = BAT48, DO-35 IC1 = double ampli op TS922IN, DIP-8 LED1, LED2 = LED verte, 5 mm
9V
Divers : K1 = prise stéréo 3,5 mm (p. ex. Lumberg 1503-09) K2, K3 = connecteur coudé BNC encartable (p. ex. TE connectivity 1-1337543-0) BT1 = pile 9 V + coupleur à pression circuit imprimé 120272-1 (www.elektor.fr/120272)
pastilles pour établir le contact et y être soudées. Comme les potentiomètres logarithmiques d’entrée ont des tolérances larges (±20 %), il est utile d’étalonner le circuit après mise en coffret en dessinant sur la face avant quelques repères. Commencez par un brouillon au stylo, numérisez-le et mettez-le au propre dans un programme de dessin sur ordinateur, et vous aurez une échelle précise et présentable. Avec le logiciel de mesure, le pas d’étalonnage est de 10 dB, ce qui correspond à un facteur de 3,1623. Régler aussi P3 et P4 sur un gain de 1x, on ne l’utilise d’habitude qu’avec de très petits signaux qui ont encore besoin d’un peu d’amplification. (120272 – version française : Robert Grignard)
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Elektor 7/8-2012
Universele meetversterker/verzwakker Voor laptop of PC
Een computer is heel geschikt voor het verrichten van (audio)metingen, dankzij de (meestal) ingebouwde geluidskaart. Helaas is de audio-ingang bij laptops vaak zo gevoelig dat het niet mogelijk is om daarmee wat grotere wisselspanningen te meten. Een kleine versterker/verzwakkerschakeling is dan een handig hulpmiddel.
Michiel ter Burg (Nederland)
Als je zelf audio-apparatuur bouwt of repareert, heb je niet altijd een oscilloscoop nodig. De gelijkstroom/spanning kun je meten met een multimeter. Als je een goede hebt die ook (kleine) wisselspanningen kan meten, kom je een heel eind. Maar om ook makkelijk de frequentiekarakteristiek en de vervorming te meten is de soundcard van de computer
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gecombineerd met meet-software erg handig. Een laptop of notebook kan bovendien zonder lichtnet-aansluiting werken en daarmee voorkom je aardlussen en brom bij het meten. Maar een laptop heeft meestal alleen maar een overgevoelige (microfoon) ingang, zodat je allerlei spanningsdelers moet construeren om grotere signalen te kunnen meten.
Speciaal voor dit soort toepassingen is deze meetversterker ontworpen, die een instelbare ingangsverzwakker heeft en een ingangsweerstand van 1Â Mâ„Ś, zodat standaard scoop-probes met ingebouwde verzwakker kunnen worden aangesloten voor grotere wisselspanningen. Eerst wordt het ingangssignaal verzwakt en dan versterkt om de juiste
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Measure
V+ P3
K2
D1
R1 1M8
100k lin. C1
R2 1M8
1N4148
3
100n
R7 1M R6
2
1
IC1.A
R13 10k R14
R5
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1M
1k
D2 P1 100k log.
1N4148
3
IC1 = TS922
V-
4 2 1
P4 D3
R3 1M8
100k lin.
R4 1M8
1N4148
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100n
R10 1M D4
P2
R8
2
1
IC1.B
R11 10k
R9
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C2
1k
K3
K1
5
V+
1M
100k log.
1N4148 V+
D5
V-
1N4148
R15
LED2
3k9
overdracht te krijgen. De ingang is DCgekoppeld. Het ingangssignaal wordt minimaal 10x verzwakt; met de logaritmische potmeters P1 en P2 kan het signaal nog verder worden verkleind. C1 en C2 zorgen voor de DC-ontkoppeling na de ingangsverzwakkers om een irritant hoge tijdconstante met hoogohmige probes te vermijden. Daarna volgt een versterkertrap (opgebouwd rond IC1.A en IC1.B). Met de instelpotmeters P3 en P4 kan de versterking van deze trap ingesteld worden tussen 1x en 100x. Let daarbij op het GBP (Gain Bandwidth Product) van de gebruikte opamp. De auteur heeft eerst een LM258 en een TS912 geprobeerd, die een GBP van ca. 1 MHz (typical) zouden hebben. In de praktijk werd echter een bandbreedte van 15 kHz bij een versterking van 30x bij 9 V voedingsspanning gemeten, wat dus een GBP van 450 kHz oplevert, maar dat is met de meet-software te compenseren. Optimaal is een TS922 (GBP van 4 MHz), deze haalt nog de volledige audio-bandbreedte bij een versterking van 100x. Dit type is ook toegepast in het prototype dat in het Elektor-lab is opgebouwd. De voeding wordt verzorgd door een 9-V-batterij die met diodes gesplitst wordt in een plus/min spanning met een ‘harde’ nul. LED2 fungeert als LowBattery-LED (dit moet een type zijn dat oplicht bij 2,5 V), R15 zorgt er voor dat deze oplicht bij een batterijspanning
BT1
D6
C3
D7
10u 8
IC1
D8
9V
4x 1N4148
4 D9 C4 LED1
10u
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V-
de soundcard van de computer gecombineerd met meet-software is erg handig van ca. 7 V en dan is het de hoogste tijd om de batterij te vervangen of op te laden! De ingangen van de opamps zijn beveiligd met diodes tegen te hoge ingangsspaningen en elektrostatische ontladingen, want je weet maar nooit welke
Elektor 7/8-2012
spanningen je in (uitgeschakelde) audioschakelingen tegen komt, vooral als ze met buizen werken! Voor de schakeling is een print ontworpen waarop alle componenten een plaatsje vinden, inclusief de connectoren en potmeters (layout gra-
tis te downloaden van www.elektor. nl/120272). Voor alle onderdelen zijn bedrade exemplaren gebruikt, wat de opbouw eenvoudig maakt. De potmeters worden aan de soldeerzijde door de print gestoken en vervolgens vastgeschroefd, waarna de aansluitlip-
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Onderdelenlijst Weerstanden: R1...R4 = 1M8 R5,R9 = 1 k R6,R7,R8,R10 = 1 M R11,R13 = 10 k R12,R14 = 4k7 R15 = 3k9 P1,P2 = 100 k log potmeter P3,P4 = 100 k lin potmeter Condensatoren: C1,C2 = 100 n MKT, steek 5 mm C3,C4 = 10 µ/16 V, 6 mm diam., steek 2,5 mm Halfgeleiders: D1...D9 = BAT48, DO-35 IC1 = dual opamp TS922IN, DIP-8 LED1,LED2 = LED groen, 5 mm Diversen:
9V
K1 = 3,5 mm stereo-socket (bijv. Lumberg 1503-09) K2,K3 = haakse BNC-connector voor printmontage (bijv. TE connectivity 1-1337543-0) BT1 = 9-V-batterijclip Print 120272-1 (zie www.elektor.nl/120272)
pen zodanig worden omgebogen dat ze contact maken met de daaronder aanwezige soldeereilandjes en daarop kunnen worden vast gesoldeerd. Omdat de logaritmische ingangspotmeters een grote spreiding(±20%) hebben, kunnen we de schakeling het beste ijken door na inbouw van de schakeling in een kastje op het front enkele instellingen te markeren. Doe dit eerst met een pen op een kladfrontje, scan dit vervolgens en bewerk dit tot een fatsoenlijke schaal met behulp van een tekenprogramma op de computer. Het ijken gaat in stappen van 10 dB (= een factor 3,1623) met de aanwezige meet-software. Stel daarbij P3 en P4 in op een versterking van 1x, deze gebruikt u gewoonlijk alleen maar bij heel kleine ingangssignalen die toch nog wat versterking nodig hebben. (120272)
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Elektor 7/8-2012