Схема. Вольтметр переменного напряжения

       Предлагаемый вольтметр предна­значен для измерения переменного напряжения синусоидальной формы частотой от 1 Гц до 800 кГц. Интервал измеряемого напряжения — 0…3 В (или 0…30 В с внешним делителем напряже­ния 1:10). Результат измерения отобра­жается на четырехразрядном свето­диодном индикаторе. Точность измере­ния определяется параметрами встро­енных в микроконтроллер АЦП и источ­ника образцового напряжения и равна 2 мВ (для интервала 0…3 В).

      Питается вольтметр от источника стабилизированного напряжения 5 В и потребляет ток 40…65 мА в зависимо­сти от примененного индикатора и яркости его свечения. Ток, потребляе­мый от встроенного преобразователя полярности, не превышает 5 мА.
  Вольтметр переменного напряжения  
       В состав устройства (см. схему на рис. 1) входят преобразователь переменного напряжения в постоянное, бу­ферный усилитель постоянного напря­жения, цифровой вольтметр и преобра­зователь полярности питающего напря­жения. Преобразователь переменного напряжения в постоянное собран на компараторе DA1, генераторе импуль­сов на элементах DD1.1—DD1.4 и пере­ключательном транзисторе VT1. Рас­смотрим его работу подробнее. Пред­положим, что на входе устройства сиг­нала нет. Тогда напряжение на инверти­рующем входе компаратора DA1 равно нулю, а на неинвертирующем опреде­ляется делителем напряжения R19R22 и при указанных на схеме номиналах равно около -80 мВ. На выходе компа­ратора в этом случае присутствует низ­кий уровень, который разрешает работу генератора импульсов.

     Особенность генератора в том, что при каждом спаде напряжения на выходе компаратора DA1 на выходе генера­тора (вывод 8 элемента DD1.2) форми­руется один импульс. Если к моменту его спада выходное состояние компа­ратора не изменится, сформируется следующий импульс и т. д. Длитель­ность импульсов зависит от номиналов элементов R16, С5 и равна примерно 0,5 мкс.

       При низком уровне напряжения на выходе элемента DD1.2 открывается транзистор VT1. Номиналы резисторов R17, R18 и R20 подобраны так, чтобы через открытый транзистор протекал ток 10 мА, который заряжает конденса­торы С8 и С11. За время действия каж­дого импульса эти конденсаторы заря­жаются на доли милливольта. В устано­вившемся режиме напряжение на них возрастет от -80 мВ до нуля, частота следования импульсов генератора уменьшится и импульсы коллекторного тока транзистора VT1 будут компенси­ровать только медленную разрядку кон­денсатора С11 через резистор R22. Таким образом, благодаря небольшому начальному отрицательному смеще­нию, даже в отсутствие входного сигна­ла, преобразователь работает в нор­мальном режиме.

       При подаче входного переменного напряжения из-за изменения частоты следования импульсов генератора на­пряжение на конденсаторе С11 изменя­ется в соответствии с амплитудой входного сигнала. ФНЧ R21C12 сглаживает выходное напряжение преобразовате­ля. Следует отметить, что фактически преобразуется только положительная полуволна входного напряжения, по­этому если оно несимметрично относи­тельно нуля, возникнет дополнительная погрешность.

       Буферный усилитель с коэффициен­том передачи 1,2 собран на ОУ DA3. Подключенный к его выходу диод VD1 защищает входы микроконтроллера от напряжения минусовой полярности. С выхода ОУ DA3 через резистивные де­лители напряжения R1R2R3 и R4R5 по­стоянное напряжение поступает на ли­нии РСО и РС1 микроконтроллера DD2, которые сконфигурированы как входы АЦП. Конденсаторы С1 и С2 дополни­тельно подавляют помехи и наводки.

       Собственно цифровой вольтметр собран на микроконтроллере DD2, в котором использованы встроенный 10-разрядный АЦП и внутренний источник образцового напряжения 1,1 В. Про­грамма для микроконтроллера написана с использованием среды BASCOM-AVR и допускает применение трех- или четы­рехразрядных цифровых све­тодиодных индикаторов с об­щим анодом или общим като­дом и позволяет отображать действующее (для синусои­дального сигнала) или ампли­тудное значение напряжения входного сигнала, а также изменять яркость свечения индикатора.

        Логический уровень сигна­ла на линии РСЗ задает тип примененного индикатора — с общим анодом (низкий) или с общим катодом (высокий), а на линии РС4 — число его раз­рядов, четыре — для низкого и три — для высокого. Про­грамма в начале работы один раз считывает уровни сигна­лов на этих линиях и настраи­вает микроконтроллер на работу с соответствующим индикатором. Для четырех­разрядного индикатора ре­зультат измерения отобража­ется в виде Х.ХХХ (В), для трехразрядного — XXX (мВ) до 1 В и Х.ХХ (В), если напряжение более 1 В. При применении трехразряд­ного индикатора выводы его разрядов подключают как выводы трех старших разрядов четырехразрядного на рис. 1. Уровень сигнала на линии РС2 уп­равляет умножением результата изме­рений на 10, что необходимо при при­менении внешнего делителя напряжения 1:10. При низком уровне результат не умножается Сигнал на линии РВ6 управляет яркостью свечения индика­тора, при высоком уровне она снижает­ся. Изменение яркости происходит в результате изменения соотношения между временем свечения и временем гашения индикатора внутри каждого цикла измерения. При заданных в про­грамме константах яркость изменяется примерно вдвое. Действующее значе­ние входного напряжения отображает­ся при подаче на линию РВ7 высокого уровня и амплитудное — низкого. Уров­ни сигналов на линиях РС2, РВ6 и РВ7 программа анализирует в каждом цик­ле измерения, и поэтому они могут быть изменены в любой момент, для чего удобно применять переключатели. Продолжительность одного цикла измерения равна 1.1 с. За это время АЦП выполняет около 1100 отсчетов, из них выбирается максимальный и умно­жается, если необходимо, на нужный ко­эффициент. Для постоянного измеряе­мого напряжения достаточно было бы одного измерения на весь цикл, а для переменного с частотой менее 500 Гц напряжение на конденсаторах С8. С11 заметно изменяется в течение цикла. Поэтому 1100 измерений с интервалом 1 мс позволяют зафиксировать макси­мальное за период значение.

        Преобразователь полярности пита­ющего напряжения собран на микро­схеме DA2 по стандартной схеме. Его выходное напряжение -5 В питает ком­паратор DA1 и ОУ DA3. Разъем ХР2 предназначен для внутриаппаратного программирования микроконтроллера.

        В вольтметре применены посто­янные резисторы С2-23, МЛТ, подстроечные — фирмы Bourns серии 3296, оксидные конденсаторы — им­портные, остальные — К10-17. Микро­схему 74АСОО можно заменить на КР555ЛАЗ, транзистор КТ361Г — на любой из серии КТ3107. Диод 1N5818 заменим любым германиевым или дио­дом Шотки с допустимым прямым то­ком не менее 50 мА. Замена для микро­схемы ICL7660 автору неизвестна, но преобразователь полярности напряже­ния +5/-S В можно собрать по одной из опубликованных в журнале «Радио» схем. Кроме того, преобразователь можно исключить совсем, применив двухполярный стабилизированный ис­точник питания.

       Особо следует остановиться на вы­боре компаратора, поскольку от него зависит диапазон рабочих частот. Вы­бор компаратора LM319 (аналоги КА319, LT319) обусловлен двумя крите­риями — необходимым быстродейст­вием и доступностью. Компараторы LM306, LM361, LM710 более быстро­действующие, но приобрести их оказа­лось труднее, к тому же они дороже. Более доступны LM311 (отечественный аналог КР554САЗ) и LM393. При уста­новке в устройство компаратора LM311, как и следовало ожидать, частотный диапазон сузился до 250 кГц.

       Резистор R6 имеет сравнительно небольшое сопротивление, поскольку устройство было примене­но как встроенный вольт­метр в генераторе НЧ. При использовании прибора в автономном измерителе его сопротивление можно увеличить, но погрешность измерения возрастет из-за сравнительно большого входного тока компаратора DA1.
 Вольтметр переменного напряжения 
      Схема делителя напря­жения 1:10 показана на рис. 2. Здесь функции ре­зистора R2 в делителе выполняет резистор R6 (см. рис. 1). Налаживают делитель напряжения в определенной последова­тельности. На его вход по­дают прямоугольные им­пульсы с частотой не­сколько килогерц, ампли­тудой 2…3 В (такой калиб­ровочный сигнал имеется во многих осциллографах), а к выходу (к выводу 5 DA1) подключают вход осциллографа. Подстройкой конденсатора С1 доби­ваются прямоугольной формы импуль­сов. Осциллограф следует применить с входным делителем напряжения 1:10.

 Вольтметр переменного напряжения       
       Все детали, кроме индикатора, смонтированы на макетной монтажной плате размерами 100×70 мм с приме­нением проводного монтажа. Внешний вид одного из вариантов устройства показан на рис. 3. Для удобства под­ключения цифрового индикатора при­менен разъем (на схеме не показан). При монтаже общий провод входной вилки ХР1 и соответствующие выводы конденсаторов С8, СЮ, С11 и С13 сле­дует соединить с общим проводом в одном месте проводами минимальной длины. Элементы VT1, R20, С8, СЮ, С11 и С13 и компаратор DA1 должны быть размещены максимально компактно, конденсаторы СЗ, С6 — как можно ближе к выводам компаратора DA1, а С4, С14, С15 — к выводам мик­роконтроллера DD2.

       Для налаживания вход устройства замыкают, общий вывод щупа осцил­лографа присоединяют к плюсовому выводу конденсатора С13, а сигналь­ный — к эмиттеру транзистора VT1. На экране должен появиться импульс отрицательной полярности амплитудой около 0,6 В и длительностью 0,5 мкс. Если из-за малой частоты следования импульсов их будет трудно наблюдать, то временно параллельно конденсато­ру С11 подключают резистор сопротив­лением 0,1…1 кОм. Напряжение на конденсаторе С12 контролируют высокоомным вольтметром, оно должно быть близко к нулю (плюс-минус не­сколько милливольт). Напряжение на выходе ОУ DA3 (которое не должно пре­вышать нескольких милливольт) рези­стором R27 устанавливают равным нулю.

       Требуемый режим работы микро­контроллера устанавливают подачей требуемых уровней на линии РВ6, РВ7, РС2—РС4, для чего их соединяют с об­щим проводом или с линией питания +5 В через резисторы сопротивлением 20…30 кОм. Ко входу устройства под­ключают образцовый вольтметр и пода­ют постоянное напряжение 0,95… 1 В. Подстрочным резистором R4 уравни­вают показания обоих вольтметров. За­тем напряжение повышают до 2,95…3 В и резистором R1 вновь уравнивают по­казания.

       Подборкой резисторов R8—R15 можно установить желаемую яркость свечения индикатора. Сначала подби­рают требуемый номинал только одно­го из них, а затем устанавливают ос­тальные. При подборке следует пом­нить, что максимальный выходной ток , порта примененного микроконтролле­ра не должен превышать 40 мА, а об­щий потребляемый ток — 200 мА.

Прилагаемые файлы:   Vmetr.zip

Я. ОСТРОУХОВ, г. Сургут
«Радио» №2 2011г.

Похожие статьи:
Трехфазное реле напряжения
Цифровой вольтметр сетевого напряжения
Стабилизатор переменного напряжения

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *