Вольтметр змінного Напруги

Н. Остроухов, м. Сургут

У статті описаний вольтметр змінної напруги. Він зібраний намікроконтролері і може бути використаний як автономний вимірювальний приладабо як вбудований вольтметр в генераторі НЧ.

 

Пропонований вольтметр призначенийдля вимірювання змінної напруги синусоїдальної форми частотою від 1 Гц до800 кГц. Інтервал вимірюваної напруги – 0 … 3 В (або 0 … 30 В з зовнішнімдільником напруги-ня 1:10). Результат вимірювання відображається начотирирозрядний світлодіодному індикаторі. Точність вимірювання визначаєтьсяпараметрами вбудованих в мікроконтролер АЦП і джерела зразковогонапруги і дорівнює 2 мВ (для інтервалу 0 … 3 В). Харчується вольтметр відджерела стабілізованої напруги 5 В і споживає струм 40 … 65 мА вЗалежно від застосованого індикатора і яскравості його світіння. Струм, споживанийвід вбудованого перетворювача полярності, не перевищує 5 мА.

До складу пристрою (див. схему нарис. 1) входять перетворювач змінної напруги в постійне, буфернийпідсилювач постійної напруги, цифровий вольтметр і перетворювачполярності живлячої напруги. Перетворювач постійної напруги впостійне зібраний на компараторі DA1, генераторі імпульсів на елементахDD1.1-DD1.4 і перемикальні транзисторі VT1. Рас-дивимося його роботудокладніше. Припустимо, що на вході пристрою сигналу немає. Тоді напругана інвертується вході компаратора DA1 дорівнює нулю, а на неінвертуючий визначаєтьсядільником напруги R19R22 і при вказаних на схемі номіналах дорівнює близько -80мВ. На виході компаратора в цьому випадку присутній низький рівень, якийдозволяє роботу генератора імпульсів. Особливість генератора в тому, що прикожному спаді напруги на виході компаратора DA1 на виході генератора (висновок 8елемента DD1.2) формується один імпульс. Якщо до моменту його спаду вихіднастан компаратора не зміниться, сформується наступний імпульс і т. д.

Тривалість імпульсів залежить відноміналів елементів R16, С5 і дорівнює приблизно 0,5 мкс. При низькому рівнінапруги на виході елемента DD1.2 відкривається транзистор VT1. Номіналирезисторів R17, R18 і R20 підібрані так, щоб через відкритий транзисторпротікав струм 10 мА, який заряджає конденсатори С8 і С11. За час діїкожного імпульсу ці конденсатори заряджаються на частки мілівольта. У сталомурежимі напруга на них зросте від -80 мВ до нуля, частота проходженняімпульсів генератора зменшиться і імпульси колекторного струму транзистора VT1будуть компенсувати тільки повільну розрядку конденсатора С11 через резисторR22. Таким чином, завдяки невеликому початковому негативного зсуву,навіть у відсутність вхідного сигналу, перетворювач працює в нормальномурежимі. При подачі вхідної змінної напруги через зміни частоти проходженняімпульсів генератора напруга на конденсаторі С11 змінюється відповідно доамплітудою вхідного сигналу. ФНЧ R21C12 згладжує вихідна напругаперетворювача. Слід зазначити, що фактично перетвориться тількипозитивна напівхвиль вхідної напруги, тому якщо воно несиметричновідносно нуля, виникне додаткова похибка.

Буферний підсилювач з коефіцієнтомпередачі 1,2 зібраний на ОП DA3. Підключений до його виходу діод VD1 захищаєвходи мікроконтролера від напруги мінусовій полярності. З виходу ОП DA3через резистивні подільники напруги R1R2R3 і R4R5 постійна напруганадходить на лінії РС0 і РС1 мікроконтролера DD2, які сконфігуровані яквходи АЦП. Конденсатори С1 і С2 додатково пригнічують перешкоди і наводки. Власнецифровий вольтметр зібраний на мікроконтролері DD2, в якому використанівбудований 10-розрядний АЦП і внутрішнє джерело зразкового напруги 1,1 В.

Програма для мікроконтролеранаписана з використанням середовища BASCOM-AVR і допускає застосування трьох-абочотирирозрядний цифрових світлодіодних індикаторів з загальним анодом або загальнимкатодом і дозволяє відображати чинне (для синусоїдального сигналу) абоамплітудне значення напруги вхідного сигналу, а також змінювати яскравістьсвітіння індикатора Логічний рівень сигналу на лінії PC3 задає тип застосованогоіндикатора – з загальним анодом (низький) або з загальним катодом (високий), а на лініїРС4 – число його розрядів, чотири – для низького і три – для високого. Про-грамина початку роботи один раз зчитує рівні сигналів на цих лініях і налаштовуємікроконтролер на роботу з відповідним індикатором. Для чотирьох-розрядногоіндикатора результат вимірювання відображається у вигляді Х.ХХХ (В), для трехразрядного- XXX (мВ) до 1 В і Х.ХХ (В), якщо напруга більше 1 В. При застосуваннітрехразрядного індикатора висновки його розрядів підключають як висновки трьохстарших розрядів чотирирозрядний на рис. 1.

 

Рівень сигналу на лінії РС2 управляємноженням результату вимірювань на 10, що необхідно при застосуванні зовнішньогодільника напруги 1:10. При низькому рівні результат не множиться Сигнал налінії РВ6 управляє яскравістю світіння індикатора, при високому рівні воназнижує-ся. Зміна яскравості відбувається в результаті зміни співвідношення міжчасом свічення і часом гасіння індикатора всередині кожного циклу вимірювання.При заданих в програмі константах яскравість змінюється приблизно вдвічі.Діюче значення вхідної напруги відображається при подачі на лінію РВ7високого рівня і амплітудне – низького. Рівні сигналів на лініях РС2, РВ6 іРВ7 програма аналізує в кожному циклі вимірювання, і тому вони можуть бутизмінені в будь-який момент, для чого зручно застосовувати перемикачі. Тривалістьодного циклу вимірювання дорівнює 1.1 с. За цей час АЦП виконує близько 1100відліків, з них вибирається максимальний і множиться, якщо необхідно, напотрібний коефіцієнт.

Для постійного вимірюваногонапруги достатньо було б одного виміру на весь цикл, а для змінногоз частотою менше 500 Гц напруга на конденсаторах С8. С11 помітно змінюєтьсяпротягом циклу. Тому 1100 вимірювань з інтервалом 1 мс дозволяютьзафіксувати максимальне за період значення. Перетворювач полярностіживлячої напруги зібраний на мікросхемі DA2 за стандартною схемою. Його вихіднанапруга -5 В живить компаратор DA1 і ОУ DA3. Роз’єм ХР2 призначений длявнутріапаратної програмування мікроконтролера.

У вольтметрі застосовані постійнірезистори С2-23, МЛТ, підлаштування – фірми Bourns серії 3296, оксидніконденсатори – імпортні, решта – К10-17. Мікро-схему 74АС00 можназамінити на КР555ЛАЗ, транзистор КТ361Г – на будь-який з серії КТ3107. Діод 1N5818замінимо будь-яким германієвих або діодом Шотки з допустимим прямим струмом не менше50 мА. Заміна для мікросхеми ICL7660 автору невідома, але перетворювачполярності напруги +5 / -5 В можна зібрати по одній з опублікованих вжурналі “Радіо” схем. Крім того, перетворювач можна виключитизовсім, застосувавши двополярний стабілізований джерело живлення. Особливослід зупинитися на виборі компаратора, оскільки від нього залежить діапазонробочих частот. Вибір компаратора LM319 (аналоги КА319, LT319) обумовлений двомакритеріями – необхідним швидкодією і доступністю. Компаратори LM306,LM361, LM710 більш швидкодіючі, але придбати їх виявилося важче, дотого ж вони дорожче. Більш доступні LM311 (вітчизняний аналог КР554САЗ) іLM393. Коли в пристрій компаратора LM311, як і слід було очікувати,частотний діапазон звузився до 250 кГц. Резистор R6 має порівняноневеликий опір, оскільки пристрій було застосоване як вбудованийвольтметр в генераторі НЧ. При використанні приладу в автономному вимірнику йогоопір можна збільшити, але похибка вимірювання зросте через порівняновеликого вхідного струму компаратора DA1.

Схема дільника напруги 1:10показана на рис. 2. Тут функції резистора R2 в дільнику виконує резисторR6 (див. рис. 1). Налагоджують дільник напруги в певній послідовності.На його вхід подають прямокутні імпульси з частотою кілька кілогерц,амплітудою 2 … 3 В (такий калібрувальний сигнал є в багатьохосцилографах), а до виходу (до висновку 5 DA1) підключають вхід осцилографа. Підстроюваннямконденсатора С1 домагаються прямокутної форми імпульсів. Осцилограф слідзастосувати з вхідним дільником напруги 1:10. Всі деталі, крім індикатора, змонтованіна макетної платі розмірами 100×70 мм із застосуванням проводовогомонтажу. Зовнішній вигляд одного з варіантів пристрою показаний на рис. 3. Длязручності підключення цифрового індикатора застосований роз’єм (на схемі непоказаний). При монтажі загальний провід вхідної вилки ХР1 і відповідні висновки конденсаторівС8, С10, С11 і С13 слід з’єднати з загальним проводом в одному місці проводамимінімальної довжини. Елементи VT1, R20, С8, С10, С11 і С13 і компаратор DA1повинні бути розміщені максимально компактно, конденсатори С3, С6 – як можнаближче до висновків компаратора DA1, а С4, С14, С15 – до висновків мікроконтролераDD2. Для налагодження вхід пристрою замикають, загальний висновок щупа осцилографаприєднують до плюсового висновку конденсатора С13, а сигнальний – до емітеромтранзистора VT1. На екрані повинен з’явитися імпульс негативної полярностіамплітудою близько 0,6 В і тривалістю 0,5 мкс. Якщо через малу частотипроходження імпульсів їх буде важко спостерігати, то тимчасово паралельноконденсатору С11 підключають резистор опором 0,1 … 1 кОм. Напругана конденсаторі С12 контролюють висо-коомним вольтметром, воно повинно бутиблизько до нуля (плюс-мінус кілька мілівольт).

Напруга на виході ОП DA3(Який не повинен перевищувати декількох мілівольт) резистором R27встановлюють рівним нулю. Необхідний режим роботи мікроконтролеравстановлюють подачею необхідних рівнів на лінії РВ6, РВ7, РС2-РС4, для чого їхз’єднують із загальним проводом або з лінією живлення +5 В через резисториопором 20 … 30 кОм. До входу пристрою підключають зразковийвольтметр і подають постійна напруга 0,95 … 1 В. підрядковий резисторомR4 зрівнюють свідчення обох вольтметрів. Потім напруга підвищують до2,95 … 3 В і резистором R1 знову зрівнюють свідчення. Підбіркою резисторівR8-R15 можна встановити бажану яскравість світіння індикатора. Спочатку підбили-раютьнеобхідний номінал тільки одного з них, а потім установлюють інші. Придобірці слід пам’ятати, що максимальний вихідний струм порту застосованогомікроконтроллера не повинен перевищувати 40 мА, а загальний споживаний струм – 200мА.

Від редакції. Програма для мікроконтролера знаходиться на нашомуFTP-cep-вірі за адресою ftp://ftp.radio.ru/pub/ 2011/02/Vmetr.zip