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.
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.
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.
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
