Измерение переменного тока с помощью avr. Как измерить отрицательное напряжение с помощью АЦП

Простой вольтметр переменного напряжения с частотой 50 Гц, выполнен в виде встраиваемого модуля, который может использоваться как отдельно, так и быть встроен в готовое устройство.
Вольтметр собран на микроконтроллере PIC16F676 и 3-разрядном индикаторе и содержит не очень много деталей.

Основные характеристики вольтметра:
Форма измеряемого напряжения - синусоидальная
Максимальное значение измеряемого напряжения - 250 В;
Частота измеряемого напряжения - 40…60 Гц;
Дискретность отображения результата измерения - 1 В;
Напряжение питание вольтметра - 7…15 В.
Средний ток потребления - 20 мА
Два варианта конструкции: с БП на борту и без
Односторонняя печатная плата
Компактная конструкция
Отображение измеряемых величин на 3-разрядном LED-индикаторе

Принципиальная схема вольтметра для измерения переменного напряжения

Реализовано прямое измерение переменного напряжения с последующим вычислением его значения и вывода на индикатор. Измеряемое напряжение поступает на входной делитель, выполненный на R3, R4, R5 и через разделительный конденсатор C4 поступает на вход АЦП микроконтроллера.

Резисторы R6 и R7 создают на входе АЦП напряжение 2,5 вольта (половина питания). Конденсатор C5, относительно малой ёмкости, шунтирует вход АЦП и способствует уменьшению ошибки измерения. Микроконтроллер организует работу индикатора в динамическом режиме по прерываниям от таймера.

--
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»

▼ 🕗 01/07/14 ⚖️ 19,18 Kb ⇣ 239 Здравствуй, читатель! Меня зовут Игорь, мне 45, я сибиряк и заядлый электронщик-любитель. Я придумал, создал и содержу этот замечательный сайт с 2006 года.
Уже более 10 лет наш журнал существует только на мои средства.

Хорош! Халява кончилась. Хочешь файлы и полезные статьи - помоги мне!

Подключение датчика тока к микроконтроллеру

Ознакомившись с основами теории, мы можем переходить к вопросу считывания, преобразования и визуализации данных. Другими словами мы спроектируем простой измеритель постоянного тока.

Аналоговый выход датчика подключается к одному из каналов АЦП микроконтроллера. Все необходимые преобразования и вычисления реализуются в программе микроконтроллера. Для отображения данных используется 2-строчный символьный ЖК индикатор.

Экспериментальная схема

Для экспериментов с датчиком тока необходимо собрать конструкцию согласно схеме, приведенной на Рисунке 8. Автор использовал для этого макетную плату и модуль на базе микроконтроллера (Рисунок 9).

Модуль датчика тока ACS712-05B можно приобрести готовый (на eBay он продается совсем недорого), или изготовить самостоятельно. Емкость конденсатора фильтра выбрана равной 1 нФ, по питанию установлен блокировочный конденсатор 0.1 мкФ. Для индикации включения питания припаян светодиод с гасящим резистором. Питание и выходной сигнал датчика подведены на разъем с одной стороны платы модуля, 2-контактный разъем для измерения протекающего тока расположен с противоположной стороны.

Для экспериментов по измерению тока регулируемый источник постоянного напряжения подключим к токоизмерительным выводам датчика через последовательный резистор 2.7 Ом / 2 Вт. Выход датчика подключен к порту RA0/AN0 (вывод 17) микроконтроллера. Двухстрочный символьный ЖК индикатор подключен к порту B микроконтроллера и работает в 4-битном режиме.

Микроконтроллер питается напряжением +5 В, это же напряжение используется в качестве опорного для АЦП. Необходимые вычисления и преобразования реализуются в программе микроконтроллера.

Математические выражения, используемые в процессе преобразования, приведены ниже.

Чувствительность датчика тока Sens = 0.185 В/А. При питании Vcc = 5 В и опорном напряжении Vref = 5 В расчетные соотношения будут следующими:

Выходной код АЦП

Следовательно

В итоге, формула для вычисления тока получается следующей:

Важное замечание. Представленные выше соотношения основаны на предположении, что напряжение питания и опорное напряжение для АЦП равны 5 В. Однако последнее выражение, связывающее ток I и выходной код АЦП Count, сохраняет силу даже при флуктуациях напряжения источника питания. Об этом шла речь в теоретической части описания.

Из последнего выражения видно, что разрешение датчика по току составляет 26.4 мА, чему соответствуют 513 отсчетов АЦП, что на один отсчет превышает ожидаемый результат. Таким образом, мы можем заключить, что данная реализация не позволяет измерять малые токи. Для увеличения разрешения и повышения чувствительности при измерении малых токов потребуется использование операционного усилителя. Пример такой схемы показан на Рисунке 10.

Программа микроконтроллера

Программа микроконтроллера PIC16F1847 написана на языке Си и скомпилирована в среде mikroC Pro (mikroElektronika). Результаты измерений отображаются на двухстрочном ЖК индикаторе с точностью до двух десятичных знаков.

Выход

При нулевом входном токе выходное напряжение датчика ACS712 в идеальном случае должно быть строго Vcc/2, т.е. с АЦП должно быть считано число 512. Дрейф выходного напряжения датчика на 4.9 мВ вызывает смещение результата преобразования на 1 младший разряд АЦП (Рисунок 11). (Для Vref = 5.0 В, разрешение 10-битного АЦП будет 5/1024= 4.9 мВ), что соответствует 26 мА входного тока. Заметим, что для уменьшения влияния флуктуаций желательно производить несколько измерений, и затем усреднять их результаты.

Если выходное напряжение регулируемого источника питания установить равным 1 В, через
резистор должен протекать ток порядка 370 мА. Измеренное значение тока в эксперименте - 390 мА, что превышает правильный результат на одну единицу младшего разряда АЦП (Рисунок 12).

Рисунок 12.

При напряжении 2 В индикатор покажет 760 мА.

На этом мы завершим обсуждение датчика тока ACS712. Однако мы не коснулись еще одного вопроса. Как с помощью этого датчика измерять переменный ток? Имейте ввиду, что датчик обеспечивает мгновенный отклик, соответствующий току, протекающему через измерительные выводы. Если ток течет в положительном направлении (от выводов 1 и 2 к выводам 3 и 4), чувствительность датчика положительная, и выходное напряжение больше Vcc/2. Если же ток меняет направление, чувствительность будет отрицательной, и выходное напряжение датчика опустится ниже уровня Vcc/2. Это означает, что при измерении переменного сигнала АЦП микроконтроллера должен делать выборки достаточно быстро, чтобы иметь возможность вычислять среднеквадратичное значение тока.

Загрузки

Исходный код программы микроконтроллера и файл для прошивки -

Вольтметр переменного Напряжения

Н. ОСТРОУХОВ, г. Сургут

В статье описан вольтметр переменного напряжения. Он собран на
микроконтроллере и может быть использован как автономный измерительный прибор
или как встроенный вольтметр в генераторе НЧ.

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 РС0 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 PC3 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 74АС00 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/-5 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, С10, С11 и С13 сле­дует соединить с общим проводом в одном месте проводами
минимальной длины. Элементы VT1, R20, С8, С10, С11 и С13 и компаратор DA1
должны быть размещены максимально компактно, конденсаторы С3, 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 высо-коомным 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.

От редакции . Программа для микроконтроллера находится на нашем
FTP-cep-вере по адресу ftp://ftp.radio.ru/pub/ 2011/02/Vmetr.zip

Предисловие

В былые, доцифровые времена любому из нас приходилось довольствоваться стрелочными измерительными приборами, начиная от обыденных часов, весов и заканчивая… хм, так вот сразу даже и не найти границу их применения! Ну, скажем – прецизионный лабораторный микро- или еще внушительнее – пикоамперметр. И классов точности их тоже имелось достаточно много, в зависимости от назначения.

Вот, к примеру, обыкновенный указатель количества топлива в баке автомобиля является ярчайшим примером максимальной неточности показаний! Не знаю ни одного автомобилиста, который бы полагался на этот «показометр» и не заправлялся бы заблаговременно. Отпетые пессимисты от шоферов вообще без канистры топлива в багажнике не выезжали!

Зато в лабораториях, особенно в Госповерке, имелись стрелочники с зеркальной шкалой и класом точности много лучше 0,5.

И практически все из нас были довольны и счастливы. А если не были довольны, то приобретали более точные приборы, конечно по-возможности!

Но вот настал цифровой век. Все мы ему обрадовались, — теперь видим на индикаторах сразу числа и счастливы от предлагаемой нам «точности». Причем в нынешние времена эти вездесущие «цифровики» стоят на порядок меньше ставших раритетом «неточных стрелочников». Однако мало кто задумывается, что показываемые нам в цифре величины по-прежнему остались аналоговыми, будь это вес или сила тока – значения не имеет. А это значит, что измеряются эти величины по-прежнему аналогово! И лишь для обработки и представления преобразуются в цифровую величину. Вот тут-то и скрываются погрешности, приводящие нас к удивлению, когда два различных комнатных термометра в одном и том же месте показывают разные значения!

Путь от измеряемой величины к индикатору

Давайте взглянем на весь процесс измерения-индикации. Причем я умышленно выбираю электрическую величину. Во-первых, мы всё-таки на сайте электронщиков, а не теплофизиков или пекарей, да простят они мою вольность сравнения! Во-вторых, хочу укрепить рассуждения примерами из личного опыта.

Для начала я выбираю силу тока!

Мне придется повторить банальность, что для получения цифрового представления аналоговой величины необходим аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Но поскольку сам по себе он нам еще мало пригоден, то понадобятся и другие узлы для завершения всего задуманного. А именно:

1. перед самим АЦП нужно нормирующее устройство, скажем: нормирующий усилитель или ослабитель, в зависимости от соотношения входной величины к диапазону преобразования АЦП;
2. декодер после АЦП, для представления преобразованного числового эквивалента в цифровой код соответствующего индикатора.

Существуют готовые микросхемы, объединяющие в себе и АЦП и декодер. Например, ICL7136 или подобные, применяемые в мультиметрах.

По существу, все эти узлы в том или ином виде просто необходимы. Я еще не назвал самого датчика – в данном случае – преобразователь тока в напряжение, или просто шунт.

Итак, пробежимся вкратце по всей цепочке. Ток, протекающий через шунт (мощный резистор с очень низким сопротивлением), создает на его полюсах разность потенциалов. Guten Tag, Herr Ohm! Но эта разность довольно мала и не каждый АЦП способен эту величину в полной мере преобразовать, поэтому сигнал (напряжение) с шунта необходимо усилить до приемлемой величины. Для этого и нужен нормирующий усилитель. Теперь АЦП, получив на вход удобоперевариваемое напряжение, выполнит преобразование с минимально возможной погрешностью. На выходе из него получим число, соответствующее текущему значению измеренного тока в выбранном диапазоне, которое для вывода на индикатор нужно соответствующим образом декодировать. К примеру, преобразовать в код семисегментного индикатора.

Здесь я не вижу необходимости более подробно останавливаться на каждом из приведенных этапов, поскольку в статье я преследую иную цель. А подробности найдутся в интернете с избытком.

Конкретика

Есть у меня т.н. электронная нагрузка с индикатором силы протекающего тока. Базовая схема самой нагрузки есть и , но там для более точной установки тока потребуется внешний амперметр. Я же решил соединить оба устройства, чтобы экономить место и не разводить целую стаю мультиметров.

Мой встроенный амперметр собран и запрограммирован на МК Tiny26L. Частью этого амперметра является второй (свободный) ОУ микросхемы LM358, входящей в составбазовой схемы балласта. Т.е. это мой нормирующий усилитель, поскольку максимальное падение напряжения на шунте (5 А х 0,1 ом) составляет всего 0,5 вольта, что явно недостаточно для полного диапазона преобразования с внутренним опорным напряжением.

Согласно Т.О. (англ.= Datasheet) номинальное напряжение встроенного опорного источника (ИОН) составляет 2,56 вольта. Очень удобная величина! Однако, на практике получается не так уж и здорово: выверенное напряжение ИОН-а моего МК оказалось 2,86 вольта! Каким образом я это определил – отдельная тема. Давайте все-таки вернемся к удобным 2,56 вольтам. Смотрите, что получается: на шунте падает максимально 0,5 вольта, АЦП преобразует максимально 2,56 вольта. Напрашивается нормирующий усилитель с коэффициентом усиления 5, тогда и полученное при преобразовании число не потребует какой-либо развитой арифметики для представления результата: 5 ампер = 2,5 вольта = 250 единиц (для 8-битного преобразования). Придется всего лишь умножить результат на два и поставить десятичную точку между сотнями и десятками, чтобы получить совсем удобное представление: единицы, десятые и сотые доли ампера. Конечное преобразование в семисегментные знаки – дело техники. Всё прекрасно, можно воплощать в «железо»!

Однако, как я уже показал на примере встроенного ИОН-а, приемлемой (я уже не говорю – высокой!) точности на используемых компонентах получить так легко не получится. Можно пойти по пути компенсации погрешностей математически, с помощью программы в МК, хотя для этого придется производить градуировку. Этот путь довольно просто реализуется на Си и других языках высокого уровня. Но мне, упертому ассемблерщику, разводить математику инструкциями RISC – лишняя головная боль!

Я выбрал другой путь, — коррекцию коеффициента усиления нормирующего усилителя (НУ). Много для этого не потребуется – один подстроечный резистор! Значение его нужно правильно выбрать, чтобы диапазон подстройки был достаточным, но не преувеличенным.

Подбор элементов нормирующего усилителя

Итак, необходимо определить диапазон подстройки. Первым делом нужно определиться с допусками компонентов. Например, мой шунт имеет допустимую погрешность 1%. Прочие резисторы в схеме нормирующего усилителя могут имеют допуск до10%. И не забываем неточность нашего ИОН-а, которая составила в моем случае почти +12%! Это значит, что реально преобразованное число будет меньше почти на 12%. Но поскольку эта погрешность у меня уже известна, то я учитываю ее в коэффициенте усиления НУ, который должен составить 5,72. А поскольку реальные погрешности прочих компонентов не известны, то остается найти максимально возможную суммарную погрешность, чтобы расчитать диапазон подстройки.

Напрашивается простая сумма этих вот «процентов»: 1% шунта плюс 2 раза по 10% резистороров обратной связи ОУ. Итого: 21%.

Посмотрим, так ли это на самом деле. Для этого взглянем на часть схемы, где представлен этот НУ с уже подобранными номиналами:

Как видно, имеет место неинвертирующий усилитель с перестраиваемым коэффициентом передачи, теоретически регулируемым от 4,979 до 6,735 при указанных на схеме номиналах. Но, если учесть наши ±10% возможной погрешности каждого из резисторов, то получим при найхудшем сочетании Ку = 5,864 – 8,009 , что явно превышает необходимый коэффициент! Если это сочетание будет иметь место, то придется взять другие номиналы. А лучше сразу увеличить номинал подстроечного резистора, например, до 39к. Тогда нижняя граница Ку будет 5,454 , что уже приемлемо.

Ну, мне – «настоящему радиохламеру» — пришлось выбирать подстроечник из того, что было, и просто повезло вложиться в диапазон! Был бы подстроечник другого номинала – не беда, пересчитал бы R2 и R3, которые в моем случае имеют допуск 5%, поэтому мне не пришлось брать другой подстроечник.

Преодоление своих недочетов и упущений

Казалось бы, всё продумано и расчитано – разводи плату. А давай-ка испытаем эту конструкцию сперва на макетке! Сказано – сделано! Ку перестраивается не совсем как ожидалось, но в пределах необходимого. Однако индикатор не собирался показывать 0.00 при отсутствии тока нагрузки! Первым делом я заподозрил программу в МК, но при закорачивании входа АЦП на общий провод заветные нолики появлялись. Значит, что-то таки приходит на вход МК, отличное от нуля вольт. Проверка мультиметром подтвердила это предположение и поставила очередную задачу. Не вдаваясь в подробности моих изысканий, опишу лишь их результат.

Причина оказалась в следующем: я совершенно не учел, что примененный мною ОУ далеко не лучшего качества. Он даже не т.н. «rail-to-rail». Это означает, что его выходной потенциал никогда не достигнет ни одного из полюсов питания, т.е. в моем случае никогда не будет равен 0 вольт! Вот если бы он питался от двуполярного источника, тогда бы на выходе получился ожидаемый ноль. Но у меня источник питания однополярный и усложнять схему каким-либо преобразователем я не намеревался. Выход был найден в создании «виртуальной земли», т.е. благодаря отдельному источнику питания (в отличие от базовой схемы) мне удалось с помошью диода сдвинуть потенциал общего провода относительно минусового полюса батареи.

Итак, плата вытравлена и спаяна. Пора бы эту конструкцию упаковать в корпус. Что, собственно, и было сделано. Однако, во время эксплуатации вылез еще один маленький недочет – дрейф входных цепей ОУ. Это выражалось в отрицательном сдвиге показаний, т.е. при токе в пару десятков миллиампер на индикаторе по-прежнему были нули, что меня не устраивало! Я бы допустил сдвиг в несколько мА – все равно единицы миллиампер не отображаются. Пришлось вводить схему смещения на вход НУ.

Номиналы R4 и RZ подобраны так, что бы обеспечить смещение плюс/минус несколько десятков милливольт относительно «виртуальной земли». У меня не было желания переделывать готовую плату и я довесил необходимый подстраиваемый делитель на место подстроечника Ку.

В общем и целом получившийся приборчик удовлетворяет мои потребности. Усовершенствовать его, конечно же, можно еще долго, но пока нет необходимости!

О цифровой части и математике я расскажу в следующий раз на примере вольт-амперметра лабораторного блока питания.

Довольно простой прибор измеряющий напряжение, ток и показывающий полную мощность потребляемую нагрузкой на частоте 50 Гц.

При ремонтных работах или при проверке и испытаниях новых устройств часто требуется подавать напряжение от ЛАТР’а, при этом необходимо контролировать напряжение и ток. Для этих целей был разработан и собран вольтметр-амперметр на микроконтроллере с LCD индикатором. Поскольку, напряжение и ток измеряются, то легко вычисляется и полная мощность. В результате получился весьма компактный измеритель.
Технические характеристики
1. Пределы изменения измеряемого напряжения 0 – 255 Вольт, дискретность 0,5 вольта. Показания отображаются с шагом 1вольт.
2. Пределы изменения измеряемого тока 0 – 10 Ампер, дискретность 20 ма. Показания отображаются с шагом 10 ма.
3. Полная мощность вычисляется, как произведение величины тока на напряжение и отображается только целочисленное значение в Вольт-амперах.

Принципиальная схема

Исключён фрагмент. Наш журнал существует на пожертвования читателей. Полный вариант этой статьи доступен только

В схеме применено прямое измерение переменного напряжения и тока микроконтроллером.
Измеряемое напряжение через делитель R7, R9, R12 и C12 поступает на вход микроконтроллера через конденсатор C10. Конденсатор C12 совместно с делителем входного напряжения образует интегрирующую цепь, которая препятствует проникновению импульсных помех.

Измеряемый ток протекает по шунту R1, напряжение, снимаемое с него, усиливается операционным усилителем и через цепочку R8 и C8 поступает на вход микроконтроллера. Первый каскад на OP1 представляет собой инвертирующий усилитель с интегрирующим конденсатором C3 в цепи обратной связи. В связи с тем, что размах напряжения, снимаемого с OP1 должен быть около 5 Вольт, на микросхему усилителя поступает повышенное питание (9-15 Вольт). Второй каскад на OP2 включен повторителем и особенностей не имеет. Конденсатор C3 служит для уменьшения помех при работе АЦП микроконтроллера.

На измерительные входы RA0 и RA1 поступает постоянное стабилизированное смещение 2,5 вольта через резисторы R11 и R13. Это напряжение позволяет правильно измерять положительный и отрицательный полупериоды входных напряжений.
К микроконтроллеру PIC16F690 подключен LCD дисплей, с отображением 2-х строк по 16 символов. Резистор R14 служит для установки оптимальной контрастности дисплея. Резистор R15 определяет ток подсветки дисплея.
Питание прибора осуществляется от отдельного трансформатора на 9 – 12 Вольт. Стабилизатор питания +5 Вольт собран на микросхеме 78L05 и особенностей не имеет.

Я запитал прибор от телефонного адаптера. В связи с тем, что на плате есть свой мост Br1, полярность подключения не имеет значения. Важно, чтобы на конденсаторе C4 было напряжение в пределах 10 – 15 Вольт.

--
Спасибо за внимание!

▼ 🕗 20/08/12 ⚖️ 18,04 Kb ⇣ 442 Здравствуй, читатель!

--
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»

▼ 🕗 20/08/12 ⚖️ 6,41 Kb ⇣ 457 Здравствуй, читатель! Меня зовут Игорь, мне 45, я сибиряк и заядлый электронщик-любитель. Я придумал, создал и содержу этот замечательный сайт с 2006 года.
Уже более 10 лет наш журнал существует только на мои средства.

Хорош! Халява кончилась. Хочешь файлы и полезные статьи - помоги мне!