Автор разработки: А.Романчук
Схема принципиальная Трехразрядный цифровой вольтметр с тремя диапазонами измерения
Вольтметр с цифровой индикацией несложно изготовить на основе БИС аналого-цифрового преобразователя (АЦП) КР572ПВ2 (КР572ПВ5). О принципе работы и рекомендациях по применению этой БИС неоднократно рассказывалось в популярной радиолюбительской литературе. Введение же в прибор, построенный на ее основе, устройств автоматического выбора предела измерения (УАВПИ) заметно усложняет его изготовление, так как требует применения дополнительных микросхем средней степени интеграции. Между тем, при ремонте и налаживании бытовой и любительской аппаратуры в большинстве случаев в диапазоне напряжений до 10 В достаточна точность измерений 0,01 В и соответственно — 0,1 В и 1 В на пределах до 100 В и 1000 В. А при многочисленных замерах, например, на выводах телевизионных микросхем, транзисторов и т.п., к тому же желательно иметь не только автоматический выбор предела, но и возможно меньшие размеры и массу. Тогда и подключение вольтметра и считывание показаний становится возможным, так сказать, "с одного раза" — без дополнительной фиксации взгляда, как это обычно бывает, вначале на точке подключения, а затем уже на индикаторе, чаще всего удаленном от этой точки.
Предлагаемый вольтметр предназначен для измерения постоянных напряжений в трех поддиапазонах с верхними пределами 10 В, 100В и 1000 В с указанной выше точностью. В нем предусмотрен автоматический выбор предела и его индикация на трехразрядном цифровом жидкокристаллическом индикаторе (ЖКИ). Небольшой потребляемый ток (не более 3 мА) и доступные микросхемы, а также, что немаловажно, печатная плата и простота настройки, надеюсь, заинтересуют радиолюбителей. Тем более что преобразователь вольтметра, выполненный в виде отдельного блока, может быть встроен в уже готовый прибор, например в частотомер или любой счетчик импульсов на КМОП микросхемах.
Вольтметр (рис.1) состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), содержащего компаратор DA1, цифро-аналоговый преобразователь DA2 (ЦАП), управляемый генератор импульсов DD2.1, DD2.2, двоичный счетчик, выполняющий функцию регистра последовательного приближения (РПП) DD4. Элемент DD2.4 обеспечивает такие режимы работы преобразователя как преобразование, индикация и установка в ноль АЦП и счетчика после каждого цикла преобразования. АЦП дополнен схемой УАВПИ, в которой работают DD2.3 и диоды VD3...VD7, образующие элемент совпадения, выходной сигнал которого появляется при достижении определенного состояния выходов РПП и служит для переключения выходов счетчика-дешифратора DD3. Выходные сигналы DD3 включают определенный ключ микросхемы DD1 — в зависимости от величины измеряемого напряжения. Ключи, в свою очередь, коммутируют резисторы R2...R4, образующие вместе с R1 входной делитель напряжения. В состав преобразователя вольтметра входит также источник опорного напряжения. Указанные элементы составляют законченный блок преобразователя "напряжение — число импульсов" со схемой УАВПИ и термостабильным источником опорного напряжения.
На рис.2 представлена схема счетчика импульсов, работающего совместно с преобразователем. Выходы микросхем DD2...DD4 подключены к ЖКИ HG1. Для обеспечения его нормальной работы — питания сегментов и точек переменным напряжением — на общий электрод (выводы 1 и 34 HG1) и вход С DD2...DD4 подается прямоугольное напряжение с выхода 50-герцевого генератора. Генератор выполнен на двух верхних по схеме рис.2 элементах DD1. Нижние по схеме элементы этой микросхемы обеспечивают нормальный режим работы точек ЖКИ. Незадействованные точки индикатора подключают к общему электроду.
В АЦП использован метод последовательного приближения. Суть его в общем случае — возможность быстрого уравновешивания входного напряжения напряжением с выхода ЦАП при последовательном изменении кода на входах ЦАП. При этом ЦАП используется в качестве элемента обратной связи. В предлагаемом преобразователе микросхема типа КР572ПА1 включена по малоизвестной схеме — с "перевернутой" матрицей входящих в нее резисторов, что дает определенные преимущества: питание всех цепей от однополярного источника, получение на выходе ступенчато изменяющегося напряжения, а не тока как при обычном включении. Поэтому, если опорное напряжение (его в этой схеме подают на вывод 1 DA2, а выходное напряжение ЦАП снимают с вывода 15) выбрать численно равным десятичному эквиваленту двоичного кода задействованных входов (для КР572ПА1 десятиразрядный двоичный код соответствует числу 1024), выраженным, например, в мВ, то при каждом изменении цифрового кода на единицу на выходе получим ступенчато изменяющееся напряжение дискретом 1 мВ. Разрешающая способность АЦП в этом случае получается не хуже 1 мВ, а вывод результата преобразования (определенное для каждого входного напряжения количество импульсов, поданных на ЦАП) достаточно просто подсчитать декадным счетчиком.
Коротко о работе преобразователя и УАВПИ (рис.1). В момент подачи на схему напряжения питания разряженный конденсатор С3 работает подобно короткозамыкающей перемычке, поэтому на выходе DD2.4 появляется логическая "1". Она устанавливает выходы РПП и декадный счетчик в ноль. На выходе ЦАП и подключенном к нему инверсном входе DA1 напряжения нет. Если на вход преобразователя напряжение не поступает, то на выходе DA1 (вывод 6) устанавливается низкий уровень напряжения. Он запрещает работу генератора по выводу 1 DD2.1 и закрывает нижний по схеме ключ DD1. На вход R счетчика УАВПИ DD3 подается напряжение через R5, поэтому счетчик устанавливается в ноль, коммутируя ключи DD1 так, что включается резистор наиболее чувствительного (1:1) первого предела. Одновременно логическая "1" с выхода "0" DD3 поступает на первую слева точку индикатора (рис.2). Поскольку на всех выходах РПП — логический "0", на выходе элемента совпадения DD2.3 — логическая "1". Она не влияет на работу DD2.4. Это исходное состояние преобразователя.
При поступлении на вход вольтметра даже небольшого положительного напряжения за счет большого усиления ОУ DA1 напряжение на его выходе скачком увеличивается почти до напряжения источника питания, что дает разрешение на работу управляемого генератора. Начинается зарядка конденсатора С3 через диод VD2 до напряжения переключения логического элемента (для КМОП-структур это напряжение равно примерно половине напряжения питания). После срабатывания DD2.4 на вход R DD4 и декадного счетчика подается низкий логический уровень, разрешающий счетный режим. Одновременно открывается нижний по схеме ключ DD1, соединяя вход R DD3 с общим проводом. Так как регистру DD4 разрешен счетный режим, на его счетный вход (вывод 10) поступают импульсы с работающего генератора, на выходах начинается увеличение двоичного кода и, соответственно, напряжения на выходе ЦАП.
При равенстве напряжений на прямом и инверсном входах DA1 на выходе устанавливается низкий уровень напряжения, который запрещает работу генератора. Изменение состояния выходов DD4 прекращается, а па индикаторе счетчика (его счетный вход подключен к преобразователю через выход 1) фиксируется количество поступивших в счетчик импульсов. Показания индикатора с учетом коэффициента деления входного делителя при опорном напряжении 1,024 В соответствуют величине входного напряжения с точностью 0,01 В. На этом собственно преобразование аналогового напряжения в число импульсов закончено. Цикл преобразования на первом пределе происходит один раз — как описано, на втором пределе — повторяется дважды, причем второй раз цикл преобразования начинается после срабатывания элемента совпадения DD2.3. Короткий импульс логического "0" на его выходе возникает при достижении определенного состояния выходов DD4 за счет подключения входа DD2.3 и катодов диодов VD3...VD7. В предлагаемой схеме после поступления на ЦАП 1000 импульсов логический "0" переключает счетчик DD3 в состояние 1, включается резистор делителя второго предела R3, точка на первом индикаторе гаснет, на втором — появляется. Через вывод 9 DD2.4 происходит обнуление DD4 и декадного счетчика. Поскольку напряжение на инверсном входе DA1 все еще меньше, чем на прямом, работа генератора разрешена. Начинается второй цикл преобразования с "весом" каждого импульса, поступающего на декадный счетчик — 0,1 В. Если же измеряемое напряжение превышает порог и второго диапазона, цикл преобразования повторяется и в третий раз. При этом подключается резистор R4 делителя, а точки на индикаторе исчезают, "вес" каждого импульса в этом цикле соответствует 1 В.
Время преобразования в каждом цикле зависит от величины измеряемого напряжения и скорости поступления импульсов в DD4. Его несложно рассчитать. Так, если срабатывание элемента совпадения происходит при 1000 импульсах, то на DD4 из-за отсутствия выходов первых разрядов их необходимо подать в три раза больше — 3000. Если частоту генератора выбрать кратной этому числу (для удобства расчета), например 300000 Гц, то время рассчитывается делением этого числа па 3000, т.е. получаем 100 Гц, что соответствует 0,01 с. Таким образом, на первом пределе время преобразования равно примерно 0,01 сек, на втором пределе оно в 2 раза, а на третьем — в 3 раза больше, чем на первом.
После каждого преобразования начинается цикл индикации. Конденсатор С3 медленно разряжается через большое обратное сопротивление VD2, вход логических элементов и выход DA1. Продолжительность разрядки этого конденсатора собственно и определяет время индикации (примерно 1000 пФ на с). После разрядки С3 до напряжения переключения элемента нижний по схеме ключ DD1 закрывается и счетчик-дешифратор DD3 независимо от количества циклов преобразования и наличия или отсутствия напряжения на входе вольтметра устанавливается в нулевое состояние, подключая ко входу делителя резистор первого предела R2 и индицируя точкой на индикаторе первый поддиапазон измерений. Одновременно логическая "1" с выхода DD2.4 устанавливает выходы DD4 и декадный счетчик в "0". Выходное напряжение ЦАП также уменьшается до нуля и преобразователь устанавливается в исходное состояние.
Точность преобразования в предлагаемой схеме вольтметра зависит только от точности и стабильности опорного напряжения, поэтому схема формирования его выбрана относительно сложной. В ней стабильное по величине и температуре напряжение формируется как разность напряжений на светодиоде VD8 и эмиттерном переходе VT2. VT1 — источник стабильного по величине тока. R8 — нагрузка генератора опорного напряжения. С него термостабильное напряжение подается на вывод 1 ЦАП. С4, С5 сглаживают импульсные помехи. VD1 защищает вход DA1 и резисторы делителя от повышенных напряжений. Постоянная времени R6С2 определяет частоту работы управляемого генератора.
Все элементы вольтметра, показанные на рис.1 и 2, установлены на единой плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5мм. Плата разработана так, что возможно разделение ее на блок преобразователя (рис.1) и счетчика (рис.2). При установке на плату микросхем необходимо обратить внимание на правильное расположение DD4 и микросхем блока счетчика. Диоды VD3...VD7 впаиваются в плату катодными выводами в обозначенные отверстия. Выводы анодов соединяются вместе и подключаются согласно электрической схеме. Для обеспечения хорошего теплового контакта VT1, VT2 и VD8 установлены в металлической обойме из алюминия или меди. Их выводы соединены между собой согласно схеме навесным способом. На рис.3 показан рисунок проводников со стороны установки микросхем и деталей и их расположение на плате. При этом ЖКИ располагается над микросхемами счетчика после их установки. Выводы ЖКИ подпаиваются к обозначенным точкам. На рис.4 — рисунок проводников со стороны пайки. Проводники, подходящие к одному и тому же выводу с противоположных сторон платы, также пропаиваются с обеих сторон. Дополнительные соединения, показанные тонкой линией, выполнены монтажным проводом в изоляции.
Налаживание вольтметра начинают с установки опорного напряжения — 1,024 В — с максимально возможной точностью, подбирая резистор R8. Затем измеряют потребляемый стабилизатором ток. Ток должен быть не менее 1...1,5 мА. При меньшем токе стабильность работы матрицы резисторов ЦАП заметно ухудшается, а ток более 2 мА — напрасный расход энергии батареи питания. Уменьшить ток стабилизации VT1 можно включив дополнительный резистор между истоком и затвором, подобрав его значение (ориентировочно — от 10 кОм до 500 кОм). После этого прямой вход DA1 соединяют с общим проводом и проверяют показания на индикаторе. Если показание отличается от "000", требуется коррекция начального разбаланса входов DA1, для чего к выводу 1 или 8 (определяют экспериментально) и плюсовому выводу подключают дополнительный резистор (5,1 кОм — 47 кОм), подбирая сопротивление так, чтобы показания стали нулевыми. При необходимости этот резистор подпаивают к ОУ со стороны выводов. В любительских условиях приобретение точных резисторов (0,1 % и лучше) чаше всего сложно, поэтому резисторы входного делителя в вольтметре подборные. Вначале выбирается R1 — его можно составить из двух-трех с сопротивлением 1...3 МОм (точность необязательна). Затем подают на вход вольтметра известное с точностью до 0,01 В напряжение в пределах первого поддиапазона, например 5,00 В. Подбирая R2, выставляют показание на индикаторе равное 5,00. Подавая соответствующее напряжение с необходимой точностью в поддиапазонах 100 В и 1000В, подборкой R3 и R4 добиваются показаний величины поданного напряжения.
В заключение несколько замечаний. Во-первых, схема и конструкция вольтметра не рассчитаны на измерение напряжений в высоковольтных цепях, поэтому следует ограничить верхний предел 500 вольтами. Вольтметр измеряет эффективное значение постоянных напряжений, поэтому плохо сглаженное, например, на выходе выпрямительных схем или имеющее значительные выбросы напряжение фиксируется как завышенное по сравнению с показаниями обычного тестера. Вольтметром также можно (приблизительно определить и значение переменных напряжений без применения дополнительного входного выпрямителя при низких значениях частоты (до 20 кГц). И еще одно уточнение: плата счетчика (она может использоваться и для других нужд) рассчитана на установку 4 ИМ К176ИЕ4.
Источник: А.Романчук, журнал "Радиолюбитель". Схемы и статьи публикуются с разрешения редакции журнала.
Похожие материалы:
|
