Цифровий вольтометр з автоматичним вибором меж вимірювання.

У різних пристроях для реалізації функції аналого-цифрового перетворення (АЦП) стали використовувати спеціалізовані БІС. Редакція журналу познайомила читачів з одним з варіантів мультиметра, зібраному на подібній БІС, – КР572ПВ2, (К572ПВ2) [1]. В даний час вітчизняна промисловість випускає іншу БІС цієї серії – КР572ПВ5. Вона має виходи для роботи з рідкокристалічними індикаторами (ЖКИ) і може працювати від однополярного джерела живлення напругою 9 В, що дозволяє використовувати її в малогабаритних і економічних вимірювальних приладах (мультиметр). АЦП КР572ПВ5 перетворює вхідний постійна напруга (Uвх.макс .= ± 199,9 мВ) у паралельний семісегментний код, безпосередньо керуючий 3,5-розрядним РКІ. Однополярної напруга живлення 9 В перетворено внутрішньою схемою в стабілізоване позитивне і негативне нестабілізованого напруги (2,8 і -6,2 В) щодо виведення 32 (аналогова загальна шина). Ці напруги необхідні для живлення аналогової частини КР572ПВ5. Цифрова частина також харчується від внутрішнього стабілізованого джерела АЦП напругою 5 В з висновками 1 і 37 (цифрова загальна шина). Тактовий генератор БІС підключений до вив. 21 через дільник 1:800 і при частоті генератора 50 кГц на вив. 21 отримано сигнал прямокутної форми частотою 62,5 Гц, необхідний для роботи РКІ. Принцип роботи КР572ПВ5 аналогічний описаному в [1] для КР572ПВ2 і в даній статті не розглядається.

Пропонований увазі читачів вимірювальний прилад призначений для виміру напруги постійного струму і опору.

Основні технічні характеристики:

Верхні межі вимірювання, В, кОм ……………………………………. …………………………….. 2, 20, 200, 2000

Вибір межі вимірювання ……………………………………….. ………………………………………… автоматичний

Час встановлення показів, при тактовій частоті 50 кГц, с, не більше ……………………… 2,5

Вхідний опір, МОм, не менше ……………………………………. …………………………………. 9

Споживаний струм, мА, не більше ……………………………………. ………………………………………….. …. 1


Принципова схема приладу приведена на рис. 1.

Вона складається з перемикача режиму вимірювання SA1, аналогових ключів DD2-DD6 із зразковими резисторами R2-R5 і R7-R10, АЦП DD1 з джерелом зразкового напруги VT1, РКІ HG1 й пристрої автоматичного вибору межі вимірювання (УАВПІ) на мікросхемах DD7-DD11. З метою спрощення на схемі показано підключення лише тих сегментів індикатора, які містять необхідну інформацію для роботи УАВПІ. Повна нумерація висновків РКІ показана на рис. 2.


Рис. 2.

Принцип роботи УАВПІ заснований на оцінці стану розрядів сотень і тисяч 3,5-розрядного вихідного паралельного коду КР572ПВ5 (сегменти a, b, g, f – сотень і b, с – тисяч). Якщо вхідна напруга U BX АЦП за абсолютною величиною більше, ніж 199,9 мВ, то наступає режим перевантаження і на індикаторі буде 1 в розряді тисяч, а в розряді сотень (і в решті розрядах) індикація відсутня. Такий сигнал на виході БІС викликає перемикання вимірювального приладу на самий грубий межа. З іншого боку, якщо | U BX | <20 мВ, то на індикаторі 0 або 1 в розряді сотень, при цьому в розряді тисяч індикації немає. Такі комбінації вихідного коду дають дозвіл на перехід до більш чутливому межі.

Сигнал перевантаження і «недовантаження» АЦП видає декодер на елементах DD7, DD8, DD9.1. Сигнали з декодера керують роботою лічильника DD10.1 і лічильника-дешифратора DD11. Послідовно включені лічильники DD10.1 і DD10.2 (в останнього використовується тільки один розряд) здійснюють розподіл частоти 62,5 Гц (вив. 21 DD1) на 32. Отримана частота (близько 2 Гц) надходить на рахунковий вхід DD11 і є тактовою при перемиканні меж вимірювання. У разі перевантаження АЦП вихід DD8.4 має рівень 1, який скидає лічильник DD11 до нульового відліку, при цьому рівень 1 на виході молодшого розряду цього лічильника відповідає включенню найбільшого межі вимірювання. Одночасно рівень 0 на виході DD8.3 забороняє рахунок DD10.1. При «недовантаження» АЦП на вході СР DD10.1 буде 1, роздільна рахунок, при цьому в роботу включається і лічильник DD11. На його виході при кожному рахунковому такті в розряді, відповідному номером такту, буде високий логічний рівень. Число використовуваних розрядів DD11 дорівнює числу меж вимірювання. Якщо оптимальний межа вимірювання досягнуто, то 0 на виході DD8.3 зупинить лічильник DD10.1, а разом з ним DD10.2 і DD11. При досягненні мінімальної межі DD10.1 блокується через вхід R, навіть якщо АЦП все ще перебуває в стані «недовантаження». Переключення меж вимірювання вольтомметра здійснюють аналогові ключі DD2-DD5. Їх стан визначає вихідний код DD11. Ключі мають достатньо великий опір в який проводив стані (кілька сотень Ом), але включені таким чином, що практично не вносять похибки ні на одному з меж вимірювання. Вимірюється напруга поступає на вхід DD1 через перемикач роду роботи SA1 (верхнє положення) і дільник, верхнім плечем якого є резистор R1, нижнім – один з резисторів R2-R5 залежно від стану ключів DD2, DD3. Максимальна напруга нижнього плеча дільника обмежено діодами VD1-VD4. Джерело зразкового напруги виконаний на транзисторі VT1, що працює в термостабільної точці. Зразкове напруга 100 мВ з резистора R16 подано на вив. 36 DD1 через один із ключів DD6.


Рис. 3.

У вольтомметре застосований нетрадиційний спосіб вимірювання опору [2]. Він пояснив схемою на рис. 3. Через послідовно з'єднані зразковий резистор R06P і вимірюваний резистор Rx протікає деякий струм 10 під дією напруги U0-Вимірюваний резистор підключений до входу АЦП, а зразковий – замість джерела зразкового напруги. Так як через резистори R0gp і Rx протікає один і той же струм, то ставлення падінь напруги на них дорівнює відношенню їх опорів. Таким чином,

Аінд = Uх / Uобр = IoRx / IoRобр = Rx / Rобр

де: Аінд – показання індикатора.

Перевага цього способу вимірювання опору полягає в простоті його реалізації і незалежності точності вимірювань від нестабільності напруги U 0 . У режимі вимірювання опорів перемикач SA1 переводять в нижнє положення. Позитивне напруга джерела живлення подано через VD7 і R6 на ключі DD4, DD5, що здійснюють необхідну комутацію зразкових резисторів R7-R10 залежно від межі вимірювання вибраного УАВПІ. Напруга на зразковому вимірюваної резистора обмежено діодами VD5 і VD6 для виключення режиму перевантаження інтегратора АЦП. Для цієї ж мети служить нижній (за схемою) ключ DD6. З його допомогою стала часу інтегратора при вимірюванні опорів збільшена в два рази. Транзистор VT2 служить інвертором сигналу, керуючого ключами DD6. Харчування вольтомметра здійснюється від батареї напругою 9 В («Крона ВЦ», «Корунд») або від акумулятора 7Д-0 ,115-У 1.1. На всі мікросхеми, крім DD6, харчування подано від внутрішнього стабілізатора DD1, так як споживаний ними струм надзвичайно малий при роботі з низькою частотою перемикання.

Конструкція розрахована на підготовлених радіоаматорів, тому опис монтажної плати та конструкції приладу не наводиться. Необхідно тільки звернути увагу, щоб перемикач SA1 мав між групами контактів надійну ізоляцію, розраховану на максимальне вимірюється напруга. На це ж напруга повинен бути розрахований і резистор R1, на якому падає більша частина вимірюваної напруги. Його можна скласти з кількох низьковольтних резисторів відповідних номіналів. Слід зазначити, що точність приладу обмежена практично тільки точністю і стабільністю джерела зразкового напруги і резисторів R2-R5, R7-R10, які повинні бути прецизійними. У крайньому випадку їх можна вибрати з поширених резисторів з допуском не гірше 5%, але температурна і тимчасова стабільність цих резисторів буде невисокою. Як резистора R16 можна використовувати недротяні багатооборотні резистор СПЗ-37. У разі застосування дротяного резистора типу СП5-2 його номінал треба зменшити до 100 … 150 Ом і ввімкнути послідовно з ним постійний резистор на 300 … 360 Ом, інакше точно виставити зразкове напруга буде важко через великий дискретності зміни його опору при підстройці. Конденсатори С4, С5 повинні бути з малим коефіцієнтом діелектричної абсорбції – К71-5, К72-9, К73-16 і т. п. До встановлення транзистора VT1 в схему приладу потрібно знайти його термостабільна робочу точку. Для цього потрібно зібрати джерело зразкового напруги (VT1, R13, R16), включити послідовно з резистором R16 міліамперметр з максимальним струмом 1 мА та подати на затвор VT1 напруга +2,8 В відносного нижнього (за схемою) виведення резистора R16 від будь-якого стабілізованого джерела напруги. Далі, змінюючи температуру транзистора VT1 (наприклад. торкаючись його корпуса спочатку гарячим, потім холодним металевим предметом), домогтися найменшого зміни струму стоку в робочому діапазоні температури (0 … 40 ° С) підбором резистора R13. Номінал цього резистора може значно відрізнятися від зазначеного на схемі.

Правильно зібраний вольтомметр починає працювати відразу і потребує лише встановлення резистором R19 частоти тактового генератора КР572ПВ5 50 кГц і резистором R16 зразкового напруги 100 мВ (в режимі вимірювання напруги).

Вольтомметр може вимірювати і змінні напруги, для цього необхідно передбачити включення детектора средневипрямленних значень в розрив дроту, що йде від SA1 до резистори R14. У зв'язку з тим, що детектор вносить своїм фільтром додаткову постійну часу (інерційність) в контур системи автоматичного вибору межі вимірювання, то можливе виникнення коливань в цьому контурі, в внаслідок чого вольт-метр може «проскакувати» потрібний межа вимірювання. Для усунення цього недоліку необхідно лише зменшити ємність фільтра, що можливо лише до певної межі, або зменшити тактову частоту перемикання меж вимірювання. Останній спосіб дуже легко реалізуємо. Досить при переході на вимірювання змінної напруги переключити вхід CN DD11 на вихід наступного незадіяного розряду DD10.2 (вив. 12). В результаті перемикання меж буде відбуватися у два рази повільніше. Це збільшить час встановлення показів до 5 с і забезпечить впевнену роботу УАВПІ.

В. ЦІБІН, м. Березовський Свердловській обл.

ЛІТЕРАТУРА:

1. Ануфрієв Л. Мультиметр на БІС .- Радіо, 1906, № 4, с. 34-39.

2. Oswald G. Widerstand-Messung mit DVM .- Funkschau, 1981, № 8, S. 98.

3. Raatsch P. Bereichsautomatik fur C7136D .- Radio fernsehen elektronik, 1986, № 10, S. 636 – 638.

Радіо № 10, 1989

Джерело матеріалу