Схема. Двухканальный вольтметр для лабораторного блока питания

Налаживание и контроль работоспособности многих современных электронных устройств зачастую требуют подачи на них питающего или входного напряжения с точностью не хуже 0,1 В. Как правило, высокая точность нужна при измерении относительно небольших напряжений Применение для этого отдельного мультиметра не всегда удобно, так как он обычно используется для контроля параметров в других узлах, а переключение его режимов снижает удобство и оперативность работы. Для обеспечения точности установки напряжения 0,1 В необходимо отображать напряжение на индикаторе еще точнее.

Встроенные цифровые измерители напряжения и тока в блоках питания последних лет можно условно разделить на две группы. В первую входят измерители на микросхемах серии ICL7107 и их отечественных аналогов — серии КР572 [1, 2]. Такие устройства обеспечивают точность 0,01 В только в интервале напряжений до 20 В (при использовании входного делителя 1:100), а также требуют специальных мер (конденсаторов с малым ТКЕ) для получения высокой термостабильности. Для построения двухканального вольтметра напряжений плюсовой и минусовой полярностей потребуются два таких устройства.

Во вторую группу входят измерители на микроконтроллерах со встроенными АЦП [3, 4]. Широкораспространенные микроконтроллеры содержат, как правило, 10-разрядные АЦП, что не позволяет получить разрешение лучше, чем 0,1 В в широком интервале измеряемых напряжений. Если требуется разрешение 0,01 В в интервале до 24 В, АЦП должен быть как минимум 12-разрядным. Предложенное решение проблемы в [4] основано на применении входного программируемого делителя напряжения, однако при этом разрешающая способность на разных пределах измерения получается различной. Некоторые микроконтроллеры семейства MSP430 фирмы Texas Instruments имеют встроенный 16-разрядный АЦП, но они значительно менее популярны среди радиолюбителей.

С ростом числа разрядов АЦП вес младшего из них уменьшается экспоненциально и становится сравнимым с шумом и паразитными наводками в измеряемых цепях Это особенно сильно проявляется, если микроконтроллер одновременно используется для выполнения энергоемких операций, например, управления светодиодными индикаторами. Шум и наводки приводят к нестабильности информации в младших разрядах АЦП даже при стабильном входном напряжении. Некоторые микроконтроллеры имеют раздельные выводы питания цифровой и аналоговой частей и дифференциальные входные каскады АЦП, что делает измерители на их основе менее чувствительными к шуму и наводкам. Другой подход к решению этой проблемы основан на усреднении нескольких измерений [3], но в таком случае существенно снижается быстродействие.

Одним из решений этой проблемы является применение отдельного высококачественного АЦП. В предлагаемом вольтметре, схема которого показана на рис. 1, использован двухканальный АЦП МСР3422 (DD2), его применение обеспечивает вполне приемлемый компромисс между ценой и качеством. Его стоимость сравнима с ценой 8-разрядного микроконтроллера среднего класса, а качество несравненно выше, чем встроенных в них АЦП. Связь АЦП МСР3422 с микроконтроллером производится по интерфейсу I²С, резистор R9 — нагрузочный. АЦП содержит встроенный источник эталонного напряжения 2,048 В, чем и определяется максимальное напряжение на его входах.

Перед каждым измерением АЦП автоматически производит самокалибровку и компенсацию дрейфа нуля встроенного предусилителя. Он также содержит устройство подавления помех, проникающих в цепи питания и эталонного напряжения, что существенно упрощает его использование — в цепь питания достаточно установить всего два блокировочных конденсатора (на рис. 1 это С8 и С9). АЦП МСР3422 является 18-разрядным, но в данном случае задействовано всего четырнадцать с коэффициентом передачи предусилителя 1:1. Но поскольку его старший разряд всегда содержит 0, он фактически работает как 13-разрядный, чего вполне достаточно для достижения требуемой разрешающей способности без переключения пределов измерения.

Измерение напряжений плюсовой полярности производится вторым каналом АЦП. Напряжение в интервале от О до +24 В. поступающее на «Вход +», делится резистивным делителем R2R5R6 в соотношении 1:12. В результате напряжение на входе СН2+ (вывод 7) DD2 не превысит 2 В и, соответственно, эталонного. Входное напряжение минусовой полярности делится резистивным делителем R1R4R7 в соотношении 1:13. Верхний по схеме вывод резистора R7 подключен к источнику напряжения 2.048 В. собранного на резисторе R3 и стабилизаторе DA1. Поэтому при изменении напряжения, поступающего на «Вход -» от 0 до -24 В, напряжение на входе первого канала АЦП (вывод 1 DD2) изменяется от 1,89 В до 0,044 В, т. е. остается всегда положительным, что необходимо для нормальной работы АЦП, и также не превышает эталонного.

Такое схемное решение позволило отказаться от инвертирующего ОУ для преобразования полярности входного минусового напряжения, как это сделано, например, в [3]. Подстроечные резисторы R4 и R5 служат для точной подстройки коэффициентов деления резистивных делителей. Конденсаторы СЗ и С4 снижают напряжение шумов на входах АЦП. Как показали эксперименты с АЦП МСР3422, флюктуация показаний в младшем разряде практически отсутствует, что исключает необходимость усреднения нескольких измерений. Входное сопротивление каждого канала вольтметра — около 40 кОм, что вполне достаточно для применения в блоках питания.

Отличительной особенностью предлагаемого вольтметра является применение специализированной микросхемы МАХ7221 (DD3) фирмы Maxim для управления семиэлементными светодиодными индикаторами. Она обеспечивает динамическую индикацию на 8-разрядном индикаторе с частотой переключения разрядов около 1 кГц без участия микроконтроллера. Эта микросхема имеет встроенный тактовый генератор, регистры памяти каждого разряда и источники тока для питания элементов индикатора Загрузка данных производится микроконтроллером по интерфейсу SPI. Средний разряд индикатора не задействован и использован как разделительный.

Резистором R12 можно изменять яркость свечения элементов индикатора HG1 и адаптировать ее к условиям освещенности рабочего места. Сопротивление этого резистора должно быть не менее 9,53 кОм. Для оперативной регулировки яркости индикатора вместо постоянного резистора 33 кОм устанавливают последовательно соединенные переменный сопротивлением 33 кОм и постоянный сопротивлением 10 кОм. При этом импульсный ток каждого элемента индикатора можно будет изменять в интервале от 6 до 39 мА. Меньшему сопротивлению соответствует больший ток.

Применение специализированной микросхемы исключает надобность в токоограничивающих резисторах в цепях питания элементов индикатора [3, 4] и разгружает сам микроконтроллер, что снижает требования к последнему. Достаточно применить самый простой и, соответственно, недорогой микроконтроллер с шестью портами ввода— вывода (в 8-выводном корпусе), как это и сделано в данном устройстве. Микроконтроллер DD1 работает на частоте 4 МГц от встроенного RC-генератора. Конденсаторы С6 и С7 — блокировочные в цепи питания микросхем DD1 и DD3.

Стабилизированное напряжение 5 В для питания всех узлов устройства обеспечивает импульсный преобразователь на микросхеме DA2. На его вход можно подавать напряжение 8…25 В, например, непосредственно от выпрямителя блока питания Ток, потребляемый по цепи 5 В, зависит от сопротивления резистора R12 и для указанного номинала составляет около 72 мА В авторском варианте на вход преобразователя поступало напряжение 19,8 В, а потребляемый ток составил 24 мА Таким образом, КПД преобразователя оказался около 75 %. Если взамен преобразователя применить линейный стабилизатор напряжения, например 7805, то его КПД не превысит 25 %. При этом на нем будет рассеиваться мощность около 1 Вт, что потребует его установку на теплоотвод.

Преобразователь работает на частоте 500 кГц и разработан с помощью программы SwitcherPro, доступной на сайте фирмы Texas Instruments (   www.focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/switcherpro.html   ). Расчетное напряжение пульсаций на выходе (10 мВ) и температура компонентов (35 °С) при нагрузке до 340 мА (соответствует минимальному сопротивлению резистора R12 = 10 кОм при подсветке всех элементов индикатора HG1) и использовании приведенных ниже типов дросселя L1, диода VD1 и конденсаторов С1 и С5 полностью подтвердились на практике Указанная программа позволяет выбирать эти элементы из довольно большого списка.

Программа для микроконтроллера написана на языке ассемблера и занимает 440 слов из 512. помещающихся в его память. Ее записывают в память микроконтроллера по интерфейсу ICSP через разъем XS1. При записи напряжение питания вольтметра должно быть включено. Допустимо на время программирования питать устройство и от программатора, так как контроллер дисплея — микросхема DD3 — гасит все сегменты индикатора при включении и потребляет при этом не более 1 мА.

Работа программы начинается с инициализации регистров микроконтроллера и затем входит в основной цикл. Каждая итерация этого цикла начинается с задержки в 200 мс между измерениями. Затем в АЦП засылается команда измерения напряжения минусовой полярности U_. Продолжительность измерения — не более 20 мс, по истечении которых выходной код АЦП переписывается в микроконтроллер. После этого аналогично проводится измерение напряжения плюсовой полярности U₊. Так как вес младшего разряда АЦП равен 2.048/2¹³ В, принимая во внимание коэффициент деления входного напряжения 1:12 получим U₊12 = 2,048С₊ /2¹³, где С — код на выходе АЦП. Аналогично и для минусового напряжения (12*2.048 — U_)/13 = 2.048*С_/2¹³. Учитывая, что 2,048 = 2¹¹/1000, эти выражения можно переписать в виде 1000*u = 3*С. и 1000*U_= 24576 — З.С_ — С_/4, где присутствуют операции с целыми числами. Вычисленные по этим формулам значения U₊ и U_ (после деления на 1000) отображаются на индикаторе.

Все вычисления производятся подпрограммой bin2BCD после чего полученные значения засылаются в регистры микроконтроллера подпрограммой display. Длительность основного цикла не превышает 255 мс. таким образом, производится примерно четыре измерения обоих напряжений за 1 с.

Все элементы устройства монтируют на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой показан на рис. 2, а размещение элементов — на рис. 3. Все детали, кроме индикатора, — для поверхностного монтажа, и расположены они со стороны печатных проводников Сам индикатор размещен на обратной стороне платы вместе с тремя проволочными перемычками. Внешний вид смонтированной платы показан на рис. 4 и рис. 5.

Применены постоянные резисторы РН1-12 типоразмера 0603, подстроечные — 12-оборотные резисторы SM4A102 фирмы Vishay Конденсаторы С5 и С9 — танталовые типоразмера 3528 на напряжение 6,3 В, причем С5 должен иметь возможно меньшее эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), например, Т520В686М006АТЕ040 фирмы Kemet. Остальные конденсаторы — керамические типоразмера 0603, кроме С1 и С6 — у них типоразмер 1206. Кроме того, конденсатор С1 также должен иметь малое значение ESR, подойдет, например, конденсатор ECJ-3YB1E106K фирмы Panasonic. Номинальное напряжение керамических — 6,3… 10 В, кроме С1, у него оно должно быть не менее 25 В.

Взамен стабилизатора напряжения LM4040D20IDBZR можно применить REF3020AIDBZR, но при этом придется доработать печатную плату в соответствии с назначением его выводов и исключить резистор R3. Резисторы R1, R2, R6 и R7 желательно подобрать с допуском 1%, иначе может оказаться, что скомпенсировать их разброс резисторами R4 и R5 для точной установки коэффициентов деления 1:12 и 1:13 входных напряжений не удастся. Чтобы исключить подбор этих резисторов, следует увеличить сопротивление R4 и R5 в 2…3 раза. Большее увеличение может привести к снижению плавности настройки. Дроссель L1 индуктивностью 100 мкГн должен иметь возможно меньшее сопротивление по постоянному току и рассчитан на ток не менее 0,5 А. Был применен дроссель SLF7045T-101MR50-PF фирмы TDK. Гнездо XS1 для программирования микроконтроллера — LPPB041NFSC-RC фирмы Sullins с шагом выводов 1,27 мм. Сопротивление резистора R11 должно быть близко к 3,24 кОм для обеспечения напряжения +5 В на выходе преобразователя напряжения.

Налаживание правильно собранного устройства после программирования сводится к установке подстроечными резисторами R4 и R5 показаний на индикаторе, соответствующих показаниям эталонного вольтметра. Для этого на входы поочередно подают напряжение 15…20 В соответствующей полярности, которое и контролируют эталонным вольтметром.

Предлагаемый вольтметр был встроен авторами в двухполярный регулируемый блок питания (рис. 6), собранный на основе микросхем линейных стабилизаторов напряжения LM317 и LM337, которые включены по стандартной схеме. Для грубой и точной установки выходного напряжения в каждом канале применены по два переменных резистора сопротивлением 5 кОм и 500 Ом соответственно, соединенные последовательно. Таким образом, оказалось возможным устанавливать выходные напряжения блока питания с точностью 0,01 В.

Прилагаемые файлы:      10_21_24__20_08_2010.zip

ЛИТЕРАТУРА
1. Бочарников В. Цифровой вольтметр для лабораторного БП. — Радио, 2005, № 8, с. 24, 25.
2. Голубков С. Вольтметр для лабораторного блока питания. — Радио, 2007, № 9, с. 38, 39.
3. Кузнецов А.   Цифровой ампервольтметр для лабораторного источника питания. — Радио, 2008. № 11, с. 27—29.
4. Озолин М. Вольтметр для лабораторных источников питания. — Радио, 2008, № 6, с. 27, 28.

В. АРИСТОВ, г. Северодвинск; С. БЕЗРУКОВ, г. Супериор, США
«Радио» №8 2010г.