Вимірювання змінного струму за допомогою avr. Як виміряти негативну напругу за допомогою АЦП

Простий вольтметр змінної напруги з частотою 50 Гц, виконаний у вигляді модуля, що вбудовується, який може використовуватися як окремо, так і бути вбудований в готовий пристрій.
Вольтметр зібраний на мікроконтролері PIC16F676 та 3-розрядному індикаторі та містить не дуже багато деталей.

Основні характеристики вольтметра:
Форма вимірюваної напруги - синусоїдальна
Максимальне значення вимірюваної напруги – 250 В;
Частота вимірюваної напруги – 40…60 Гц;
Дискретність відображення результату вимірювання – 1 В;
Напруга живлення вольтметра - 7…15 ст.
Середній струм споживання – 20 мА
Два варіанти конструкції: з БП на борту та без
Одностороння друкована плата
Компактна конструкція
Відображення вимірюваних величин на 3-розрядному LED-індикаторі

Принципова схема вольтметра для вимірювання змінної напруги

Реалізовано пряме вимірювання змінної напруги з наступним обчисленням його значення та виведення на індикатор. Вимірювана напруга надходить на вхідний дільник, виконаний на R3, R4, R5 і через конденсатор C4 надходить на вхід АЦП мікроконтролера.

Резистори R6 та R7 створюють на вході АЦП напругу 2,5 вольта (половина живлення). Конденсатор C5 відносно малої ємності шунтує вхід АЦП і сприяє зменшенню помилки вимірювання. Мікроконтролер організовує роботу індикатора в динамічному режимі переривання від таймера.

--
Дякую за увагу!
Ігор Котов, головний редактор журналу "Датагор"

▼ 🕗 01/07/14 ⚖️ 19,18 Kb ⇣ 239 Здрастуйте, читачу!Мене звуть Ігор, мені 45, я сибіряк і затятий електронник-аматор. Я вигадав, створив і утримую цей чудовий сайт з 2006 року.
Вже понад 10 років наш журнал існує лише за мої кошти.

Гарний! Халява скінчилася. Хочеш файли та корисні статті - допоможи мені!

Підключення датчика струму до мікроконтролера

Ознайомившись із основами теорії, ми можемо переходити до питання зчитування, перетворення та візуалізації даних. Тобто ми спроектуємо простий вимірювач постійного струму.

Аналоговий вихід датчика підключається до одного з АЦП каналів мікроконтролера. Усі необхідні перетворення та обчислення реалізуються у програмі мікроконтролера. Для відображення даних використовується 2-рядковий символьний РК індикатор.

Експериментальна схема

Для експериментів з датчиком струму необхідно зібрати конструкцію згідно зі схемою, наведеною на Малюнку 8. Автор використовував для цього макетну плату та модуль на базі мікроконтролера (Малюнок 9).

Модуль датчика струму ACS712-05B можна придбати готовий (на eBay він продається зовсім недорого) або виготовити самостійно. Ємність конденсатора фільтра обрана рівною 1 нФ, живлення встановлений блокувальний конденсатор 0.1 мкФ. Для індикації включення живлення припаяний світлодіод з резистором, що гасить. Живлення і вихідний сигнал датчика підведені на роз'єм з одного боку плати модуля, 2-контактний роз'єм для вимірювання струму, що протікає, розташований з протилежної сторони.

Для експериментів з вимірювання струму регульований джерело постійної напруги підключимо до вимірів вимірювання датчика через послідовний резистор 2.7 Ом / 2 Вт. Вихід датчика підключений до порту RA0/AN0 (висновок 17) мікроконтролера. Дворядковий символьний РК індикатор підключено до порту B мікроконтролера і працює у 4-бітному режимі.

Мікроконтролер живиться напругою +5 В, ця ж напруга використовується як опорний для АЦП. Необхідні обчислення та перетворення реалізуються у програмі мікроконтролера.

Математичні вирази, що використовуються у процесі перетворення, наведені нижче.

Чутливість датчика струму Sens = 0.185 В/А. При живленні Vcc = 5 В та опорному напрузі Vref = 5 В розрахункові співвідношення будуть наступними:

Вихідний код АЦП

Отже

У результаті формула для обчислення струму виходить наступною:

Важливе зауваження. Представлені вище співвідношення засновані на припущенні, що напруга живлення та опорна напруга для АЦП дорівнюють 5 В. Однак останній вираз, що зв'язує струм I і вихідний код АЦП Count, зберігає чинність навіть при флуктуаціях напруги джерела живлення. Про це йшлося у теоретичній частині опису.

З останнього виразу видно, що дозвіл датчика струму становить 26.4 мА, чому відповідають 513 відліків АЦП, що на один відлік перевищує очікуваний результат. Таким чином, ми можемо зробити висновок, що дана реалізація не дозволяє вимірювати малі струми. Для збільшення роздільної здатності та підвищення чутливості при вимірюванні малих струмів потрібно використання операційного підсилювача. Приклад такої схеми показано на малюнку 10.

Програма мікроконтролера

Програма мікроконтролера PIC16F1847 написана мовою Сі і скомпільована серед mikroC Pro (mikroElektronika). Результати вимірювання відображаються на дворядковому РК індикаторі з точністю до двох десяткових знаків.

Вихід

При нульовому вхідному струмі вихідна напруга датчика ACS712 в ідеальному випадку повинна бути Vcc/2, тобто. з АЦП має бути раховано число 512. Дрейф вихідної напруги датчика на 4.9 мВ викликає усунення результату перетворення на 1 молодший розряд АЦП (Малюнок 11). (Для Vref = 5.0 В, роздільна здатність 10-бітного АЦП буде 5/1024 = 4.9 мВ), що відповідає 26 мА вхідного струму. Зауважимо, що зменшення впливу флуктуацій бажано проводити кілька вимірів, і потім усереднювати їх результати.

Якщо вихідну напругу регульованого джерела живлення встановити рівним 1 В, через
резистор повинен протікати струм близько 370 мА. Виміряне значення струму в експерименті - 390 мА, що перевищує правильний результат одну одиницю молодшого розряду АЦП (Малюнок 12).

Малюнок 12.

При напрузі 2 В індикатор покаже 760 мА.

На цьому ми завершимо обговорення датчика струму ACS712. Однак ми не торкнулися ще одного питання. Як за допомогою цього датчика вимірювати змінний струм? Майте на увазі, що датчик забезпечує миттєвий відгук, що відповідає струму, що протікає через вимірювальні висновки. Якщо струм тече в позитивному напрямку (від висновків 1 і 2 до висновків 3 і 4), чутливість датчика позитивна, і вихідна напруга більша за Vcc/2. Якщо струм змінює напрям, чутливість буде негативною, і вихідна напруга датчика опуститься нижче рівня Vcc/2. Це означає, що при вимірі змінного сигналу АЦП мікроконтролера повинен робити вибірки досить швидко, щоб мати можливість обчислювати середньоквадратичне значення струму.

Завантаження

Вихідний код програми мікроконтролера та файл для прошивки -

Вольтметр змінної напруги

М. ОСТРОУХІВ, м. Сургут

У статті описано вольтметр змінної напруги. Він зібраний на
мікроконтролера і може бути використаний як автономний вимірювальний прилад
або як вбудований вольтметр у генераторі НЧ.

Пропонований вольтметр призначений
для вимірювання змінної напруги синусоїдальної форми частотою від 1 Гц до
800 кГц. Інтервал вимірюваної напруги - 0...3 В (або 0...30 В із зовнішнім
дільником напруги 1:10). Результат вимірювання відображається на
чотирирозрядний світлодіодний індикатор. Точність виміру визначається
параметрами вбудованих в мікроконтролер АЦП та джерела зразкового
напруги та дорівнює 2 мВ (для інтервалу 0…3 В). Живиться вольтметр від
джерела стабілізованої напруги 5 і споживає струм 40 ... 65 мА в
залежно від застосованого індикатора та яскравості його свічення. Струм, споживаний
від вбудованого перетворювача полярності, що не перевищує 5 мА.

До складу пристрою (див. схему
Мал. 1) входять перетворювач змінної напруги в постійне, буферний
підсилювач постійної напруги, цифровий вольтметр та перетворювач
полярності напруги живлення. Перетворювач змінної напруги в
постійне зібрано на компараторі DA1, генераторі імпульсів на елементах
DD1.1-DD1.4 та перемикальному транзисторі VT1. Розглянемо його роботу
Детальніше. Припустимо, що на вході сигналу немає. Тоді напруга
на вході, що інвертує, компаратора DA1 дорівнює нулю, а на неінвертуючому визначається
дільником напруги R19R22 і при вказаних на схемі номіналах дорівнює близько -80
мВ. На виході компаратора в цьому випадку є низький рівень, який
дозволяє роботу генератора імпульсів. Особливість генератора в тому, що при
кожному спаді напруги на виході компаратора DA1 на виході генератора (висновок 8
елемента DD1.2) формується один імпульс. Якщо на момент його спаду вихідний
стан компаратора не зміниться, сформується наступний імпульс тощо.

Тривалість імпульсів залежить від
номіналів елементів R16, С5 дорівнює приблизно 0,5 мкс. За низького рівня
напруги на виході елемента DD1.2 відкривається транзистором VT1. Номінали
резисторів R17, R18 та R20 підібрані так, щоб через відкритий транзистор
протікав струм 10 мА, який заряджає конденсатори С8 та С11. За час дії
кожного імпульсу ці конденсатори заряджаються на частки мілівольта. У встановленому
режимі напруга на них зросте від -80 мВ до нуля, частота слідування
імпульсів генератора зменшиться і імпульси колекторного струму транзистора VT1
компенсуватиме лише повільну розрядку конденсатора С11 через резистор
R22. Таким чином, завдяки невеликому початковому негативному зміщенню,
навіть у відсутності вхідного сигналу, перетворювач працює у нормальному
режимі. При подачі вхідної змінної напруги через зміну частоти прямування
імпульсів генератора напруга на конденсаторі С11 змінюється відповідно до
амплітудою вхідного сигналу ФНЧ R21C12 згладжує вихідну напругу
перетворювача. Слід зазначити, що фактично перетворюється лише
позитивна напівхвиля вхідної напруги, тому якщо вона несиметрична
щодо нуля, виникне додаткова похибка.

Буферний підсилювач з коефіцієнтом
передачі 1,2 зібрано на ОУ DA3. Підключений до його виходу діод VD1 захищає
входи мікроконтролера від напруги мінусової полярності. З виходу ОУ DA3
через резистивні дільники напруги R1R2R3 та R4R5 постійна напруга
надходить на лінії РС0 та РС1 мікроконтролера DD2, які налаштовані як
входи АЦП. Конденсатори С1 та С2 додатково пригнічують перешкоди та наведення. Власне
цифровий вольтметр зібраний на мікроконтролері DD2, у якому використані
вбудований 10-розрядний АЦП та внутрішнє джерело зразкової напруги 1,1 В.

Програма для мікроконтролера
написана з використанням середовища BASCOM-AVR і допускає застосування трьох-або
чотирирозрядних цифрових світлодіодних індикаторів із загальним анодом або загальним
катодом і дозволяє відображати діючу (для синусоїдального сигналу) або
амплітудне значення напруги вхідного сигналу, а також змінювати яскравість
свічення індикатора Логічний рівень сигналу на лінії PC3 задає тип застосованого
індикатора - із загальним анодом (низький) або із загальним катодом (високий), а на лінії
РС4 – число його розрядів, чотири – для низького та три – для високого. Програма
на початку роботи один раз зчитує рівні сигналів на цих лініях та налаштовує
мікроконтролер працювати з відповідним індикатором. Для чотирирозрядного
індикатора результат вимірювання відображається у вигляді Х.ХХХ (В), для трирозрядного
- XXX (мВ) до 1 В і Х.ХХ (В), якщо напруга більша за 1 В. При застосуванні
трирозрядного індикатора висновки його розрядів підключають як три висновки
старших розрядів чотирирозрядного на рис. 1.

Рівень сигналу лінії РС2 управляє
множенням результату вимірів на 10, що необхідно при застосуванні зовнішнього
дільника напруги 1:10. При низькому рівні результат не збільшується.
лінії РВ6 управляє яскравістю свічення індикатора, за високого рівня вона
знижується. Зміна яскравості відбувається в результаті зміни співвідношення між
часом свічення та часом гасіння індикатора всередині кожного циклу вимірювання.
При заданих у програмі константах яскравість змінюється приблизно вдвічі.
Чинне значення вхідної напруги відображається під час подачі на лінію РВ7
високого рівня та амплітудне - низького. Рівні сигналів на лініях РС2, РВ6 та
РВ7 програма аналізує у кожному циклі вимірювання, і тому вони можуть бути
змінені у будь-який момент, для чого зручно застосовувати перемикачі. Тривалість
одного циклу виміру дорівнює 1.1 с. За цей час АЦП виконує близько 1100
відліків, з них вибирається максимальний і множиться, якщо необхідно, на
Необхідний коефіцієнт.

Для постійного вимірюваного
напруги достатньо було б одного виміру на весь цикл, а для змінного
із частотою менше 500 Гц напруга на конденсаторах С8. С11 помітно змінюється
протягом циклу. Тому 1100 вимірів з інтервалом 1 мс дозволяють
зафіксувати максимальне значення за період. Перетворювач полярності
напруги живлення зібраний на мікросхемі DA2 за стандартною схемою. Його вихідний
напруга -5 живить компаратор DA1 і ОУ DA3. Роз'єм ХР2 призначений для
Внутрішньоапаратне програмування мікроконтролера.

У вольтметрі застосовані постійні
резистори С2-23, МЛТ, підстроювальні - фірми Bourns серії 3296, оксидні
конденсатори – імпортні, інші – К10-17. Мікросхему 74АС00 можна
замінити на КР555ЛАЗ, транзистор КТ361Г – на будь-якій із серії КТ3107. Діод 1N5818
замінимо будь-яким германієвим або діодом Шотки з допустимим прямим струмом не менше
50 мА. Заміна для мікросхеми ICL7660 автору невідома, але перетворювач
полярності напруги +5/-5 можна зібрати по одній з опублікованих в
журналі “Радіо” схем. Крім того, перетворювач можна виключити
Зовсім, застосувавши двополярний стабілізований джерело питания. Особливо
слід зупинитися на виборі компаратора, оскільки від нього залежить діапазон
робочих частот. Вибір компаратора LM319 (аналоги КА319, LT319) обумовлений двома
критеріями - необхідною швидкодією та доступністю. Компаратори LM306,
LM361, LM710 більш швидкодіючі, але придбати їх виявилося важче,
тому ж вони дорожчі. Більш доступні LM311 (вітчизняний аналог КР554САЗ) та
LM393. При установці у пристрій компаратора LM311, як і слід очікувати,
частотний діапазон звузився до 250 кГц. Резистор R6 має порівняно
невеликий опір, оскільки пристрій був застосований як вбудований
вольтметр у генераторі НЧ. При використанні приладу в автономному вимірнику
опір можна збільшити, але похибка виміру зросте через порівняно
великого вхідного струму DA1 компаратора.

Схема дільника напруги 1:10
показано на рис. 2. Тут функції резистора R2 у дільнику виконує резистор
R6 (див. рис. 1). Налагоджують дільник напруги у певній послідовності.
На його вхід подають прямокутні імпульси з частотою кілька кілогерців,
амплітудою 2…3 (такий калібрувальний сигнал є у багатьох
осцилографах), а до виходу (до висновку 5 DA1) підключають вхід осцилографа. Підстроюванням
конденсатора С1 досягають прямокутної форми імпульсів. Осцилограф слід
застосувати із вхідним дільником напруги 1:10. Усі деталі, крім індикатора, змонтовані
на макетній монтажній платі розмірами 100×70 мм із застосуванням провідного
монтажу. Зовнішній вигляд одного з варіантів пристрою показано на рис. 3. Для
зручності підключення цифрового індикатора застосовано роз'єм (на схемі не
показаний). При монтажі загальний провід вхідної вилки ХР1 та відповідні висновки конденсаторів
С8, С10, С11 та С13 слід з'єднати із загальним проводом в одному місці проводами
мінімальної довжини. Елементи VT1, R20, С8, С10, С11 та С13 та компаратор DA1
повинні бути розміщені максимально компактно, конденсатори С3, С6 – як можна
ближче до висновків компаратора DA1, а С4, С14, С15 - висновків мікроконтролера
DD2. Для налагодження вхід пристрою замикають, загальний висновок осцилографа щупа
приєднують до плюсового виведення конденсатора С13, а сигнальний - до емітера
транзистор VT1. На екрані має з'явитися імпульс негативної полярності
амплітудою близько 0,6 В та тривалістю 0,5 мкс. Якщо через малу частоту
слідування імпульсів їх буде важко спостерігати, то тимчасово паралельно
конденсатор С11 підключають резистор опором 0,1 ... 1 ком. Напруга
на конденсаторі С12 контролюють висококоомним вольтметром, воно має бути
близько до нуля (плюс-мінус кілька мілівольт).

Напруга на виході ОУ DA3
(яке не повинно перевищувати кількох мілівольт) резистором R27
встановлюють рівним нулю. Необхідний режим роботи мікроконтролера
встановлюють подачею необхідних рівнів лінії РВ6, РВ7, РС2-РС4, навіщо їх
з'єднують із загальним проводом або з лінією живлення +5 через резистори
опором 20...30 кОм. До входу пристрою підключають зразковий
вольтметр і подають постійну напругу 0,95… 1 В. Підрядковим резистором
R4 зрівнюють показання обох вольтметрів. Потім напруга підвищують до
2,95…3 і резистором R1 знову зрівнюють показання. Добіркою резисторів
R8-R15 можна встановити бажану яскравість індикатора. Спочатку підбирають
необхідний номінал лише однієї з них, та був встановлюють інші. При
добірці слід пам'ятати, що максимальний вихідний струм порту застосованого
мікроконтролера не повинен перевищувати 40 мА, а загальний споживаний струм - 200
мА.

Від редакції. Програма для мікроконтролера знаходиться на нашому
FTP-cep-вірі за адресою ftp://ftp.radio.ru/pub/ 2011/02/Vmetr.zip

Передмова

У минулі, доцифрові часи кожному з нас доводилося задовольнятися стрілочними вимірювальними приладами, починаючи від звичайних годин, ваг і закінчуючи ... хм, так от відразу і не знайти межу їх застосування! Ну, скажімо - прецизійний лабораторний мікро-або ще солідніше - пікоамперметр. І класів точності їх також було досить багато, залежно від призначення.

Ось, наприклад, звичайний покажчик кількості палива в баку автомобіля є найяскравішим прикладом максимальної неточності показань! Не знаю жодного автомобіліста, який би покладався на цей «показометр» і не заправлявся завчасно. Відспівані песимісти від водіїв взагалі без каністри палива в багажнику не виїжджали!

Натомість у лабораторіях, особливо в Держповірці, були стрілочники із дзеркальною шкалою та класом точності набагато кращі за 0,5.

І практично всі з нас були задоволені та щасливі. А якщо не були задоволені, то набували точніших приладів, звичайно по-можливості!

Але ось настав цифровий вік. Всі ми йому зраділи, — тепер бачимо на індикаторах одразу числа та щасливі від пропонованої нам «точності». Причому в нинішні часи ці всюдисущі «цифровики» стоять на порядок менше «неточних стрілочників», які стали раритетом. Однак мало хто замислюється, що величини, що показуються нам у цифрі, як і раніше залишилися аналоговими, чи це вага або сила струму – значення не має. А це означає, що вимірюються ці величини, як і раніше, аналогово! І лише обробки і уявлення перетворюються на цифрову величину. Ось тут і ховаються похибки, що приводять нас до подиву, коли два різних кімнатних термометри в тому самому місці показують різні значення!

Шлях від вимірюваної величини до індикатора

Погляньмо на весь процес вимірювання-індикації. Причому я навмисне вибираю електричну величину. По-перше, ми все-таки на сайті електронників, а не теплофізиків чи пекарів, хай вибачать вони мою вільність порівняння! По-друге, хочу зміцнити міркування прикладами з особистого досвіду.

Для початку я вибираю силу струму!

Мені доведеться повторити банальність, що для отримання цифрового представлення аналогової величини потрібний аналогово-цифровий перетворювач (АЦП). Але оскільки сам він нам ще мало придатний, то знадобляться й інші вузли для завершення всього задуманого. А саме:

1. перед самим АЦП потрібно нормуючий пристрій, скажімо: підсилювач або послаблювач, що нормує, залежно від співвідношення вхідної величини до діапазону перетворення АЦП;
2. декодер після АЦП, для представлення перетвореного числового еквівалента цифровий код відповідного індикатора.

Існують готові мікросхеми, що поєднують у собі і АЦП, і декодер. Наприклад, ICL7136 або подібні, які застосовуються в мультиметрах.

Фактично, всі ці вузли у тому чи іншому вигляді просто необхідні. Я ще не назвав самого датчика – в даному випадку – перетворювач струму у напругу, або просто шунт.

Отже, побіжимо коротко по всьому ланцюжку. Струм, що протікає через шунт (потужний резистор з дуже низьким опором), створює на його полюсах різницю потенціалів. Guten Tag, Herr Ohm! Але ця різниця досить мала і кожен АЦП здатний цю величину повною мірою перетворити, тому сигнал (напруга) з шунта необхідно посилити до прийнятної величини. Для цього і потрібен підсилювач, що нормує. Тепер АЦП, отримавши на вхід напругу, що зручно перетравлюється, виконає перетворення з мінімально можливою похибкою. На виході з нього отримаємо число, яке відповідає поточному значенню виміряного струму у вибраному діапазоні, яке для виведення на індикатор потрібно декодувати відповідним чином. Наприклад, перетворити на код семисегментного індикатора.

Тут я не бачу необхідності докладніше зупинятися на кожному з наведених етапів, оскільки в статті я маю іншу мету. А подробиці знайдуться в інтернеті з надлишком.

Конкретика

Є в мене т.зв. електронне навантаження з індикатором сили струму, що протікає. Базова схема самого навантаження є і , але там для більш точної установки струму потрібний зовнішній амперметр. Я ж вирішив з'єднати обидва пристрої, щоб заощаджувати місце і не розводити цілу зграю мультиметрів.

Мій вбудований амперметр зібраний та запрограмований на МК Tiny26L. Частиною цього амперметра є другий (вільний) ОУ мікросхеми LM358, що входить до складу базової схеми баласту. Тобто. це мій підсилювач, що нормує, оскільки максимальне падіння напруги на шунті (5 А х 0,1 ом) становить всього 0,5 вольта, що явно недостатньо для повного діапазону перетворення з внутрішньою опорною напругою.

Відповідно до Т.О. (англ. = Datasheet) номінальна напруга вбудованого опорного джерела (ІОН) становить 2,56 вольта. Дуже зручна величина! Однак, на практиці виходить не так вже й здорово: вивірена напруга ІОН-а мого МК виявилася 2,86 вольта! Як я це визначив – окрема тема. Давайте таки повернемося до зручних 2,56 вольтів. Дивіться, що виходить: на шунт падає максимально 0,5 вольта, АЦП перетворює максимально 2,56 вольта. Напрошується підсилювач, що нормує, з коефіцієнтом посилення 5, тоді і отримане при перетворенні число не вимагатиме якої-небудь розвиненої арифметики для представлення результату: 5 ампер = 2,5 вольта = 250 одиниць (для 8-бітного перетворення). Доведеться лише помножити результат на два і поставити десяткову точку між сотнями і десятками, щоб отримати зовсім зручну виставу: одиниці, десяті та соті частки ампера. Кінцеве перетворення на семисегментні знаки – справа техніки. Все чудово, можна втілювати в "залізо"!

Однак, як я вже показав на прикладі вбудованого ІОН, прийнятної (я вже не кажу – високої!) точності на використовуваних компонентах отримати так легко не вийде. Можна піти шляхом компенсації похибок математично, за допомогою програми в МК, хоча для цього доведеться проводити градуювання. Цей шлях досить просто реалізується на Сі та інших мовах високого рівня. Але мені, наполегливому асемблерщику, розводити математику інструкціями RISC – зайвий головний біль!

Я вибрав інший шлях — корекцію коефіцієнта посилення нормуючого підсилювача (НУ). Багато для цього не потрібно – один підстроювальний резистор! Значення його потрібно правильно вибрати, щоб діапазон підстроювання був достатнім, але не перебільшеним.

Підбір елементів підсилювача, що нормує.

Отже, необхідно визначити діапазон підстроювання. Насамперед потрібно визначитися з допусками компонентів. Наприклад, мій шунт має припустиму похибку 1%. Інші резистори в схемі підсилювача, що нормує, можуть мати допуск до 10%. І не забуваємо неточність нашого ІОН-у, яка склала в моєму випадку майже +12%! Це означає, що реально перетворена кількість буде меншою майже на 12%. Але оскільки ця похибка у мене вже відома, то я враховую її у коефіцієнті посилення НУ, який має становити 5,72. А оскільки реальні похибки інших компонентів не відомі, залишається знайти максимально можливу сумарну похибку, щоб розрахувати діапазон підстроювання.

Напрошується проста сума цих «процентів»: 1% шунта плюс 2 рази по 10% резисторирів зворотного зв'язку ОУ. Разом: 21%.

Подивимося, чи це так насправді. Для цього поглянемо на частину схеми, де представлено цей НУ із уже підібраними номіналами:

Як видно, має місце неінвертуючий підсилювач з коефіцієнтом передачі, що перебудовується, теоретично регульованим від 4,979 до 6,735 при зазначених на схемі номіналах. Але, якщо врахувати наші ±10% можливої ​​похибки кожного з резисторів, то отримаємо за найгіршого поєднання Ку = 5,864 – 8,009 , що явно перевищує необхідний коефіцієнт! Якщо це поєднання матиме місце, доведеться взяти інші номінали. А краще відразу збільшити номінал підстроювального резистора, наприклад, до 39к. Тоді нижня межа Ку буде 5,454, що вже прийнятно.

Ну, мені - «справжньому радіохламеру» - довелося вибирати підрядник з того, що було, і просто пощастило вкластися в діапазон! Був би підстроєчник іншого номіналу – не біда, перерахував би R2 та R3, які в моєму випадку мають допуск 5%, тому мені не довелося брати інший підстроєчник.

Подолання своїх недоліків та недоглядів

Здавалося б, все продумано та розраховано – розводь плату. А давай випробувамо цю конструкцію спершу на макетці! Сказано зроблено! Ку перебудовується не зовсім, як очікувалося, але в межах необхідного. Однак індикатор не збирався показувати 0.00 за відсутності струму навантаження! Насамперед я запідозрив програму в МК, але при закорочуванні входу АЦП на загальний провід заповітні нулики з'являлися. Значить, щось таки приходить на вхід МК, відмінне від нуля вольт. Перевірка мультиметром підтвердила це припущення та поставила чергове завдання. Не вдаючись у подробиці моїх досліджень, опишу лише їхній результат.

Причина виявилася наступним: я зовсім не врахував, що застосований мною ОУ далеко не кращої якості. Він навіть т.зв. "rail-to-rail". Це означає, що його вихідний потенціал будь-коли досягне жодного з полюсів харчування, тобто. в моєму випадку ніколи не дорівнюватиме 0 вольт! От якби він харчувався від двополярного джерела, тоді на виході вийшов би очікуваний нуль. Але в мене джерело живлення однополярне і ускладнювати схему будь-яким перетворювачем я не мав наміру. Вихід знайдено у створенні «віртуальної землі», тобто. завдяки окремому джерелу живлення (на відміну від базової схеми) мені вдалося з допомогою діода зрушити потенціал загального дроту щодо мінусового полюса батареї.

Отже, плату витравлено і спаяно. Пора б цю конструкцію запакувати в корпус. Що, власне, і було зроблено. Однак, під час експлуатації виліз ще один невеликий недолік - дрейф вхідних ланцюгів ОУ. Це виражалося негативному зрушенні показань, тобто. при струмі в пару десятків міліампер на індикаторі, як і раніше, були нулі, що мене не влаштовувало! Я б допустив зрушення в кілька ма - однаково одиниці міліампер не відображаються. Довелося запроваджувати схему зміщення на вхід НУ.

Номінали R4 і RZ підібрані так, щоб забезпечити зміщення плюс/мінус кілька десятків мілівольт щодо «віртуальної землі». У мене не було бажання переробляти готову плату і я доважив необхідний дільник, що підлаштовується на місце підбудовника Ку.

Загалом і в цілому приладчик, що вийшов, задовольняє мої потреби. Удосконалити його, звичайно ж, можна ще довго, але поки що немає необхідності!

Про цифрову частину та математику я розповім наступного разу на прикладі вольт-амперметра лабораторного блоку живлення.

Досить простий прилад, що вимірює напругу, струм і показує повну потужність споживаного навантаженням на частоті 50 Гц.

При ремонтних роботах або при перевірці та випробуваннях нових пристроїв часто потрібно подавати напругу від ЛАТРу, при цьому необхідно контролювати напругу та струм. Для цих цілей було розроблено та зібрано вольтметр-амперметр на мікроконтролері з LCD індикатором. Оскільки напруга та струм вимірюються, то легко обчислюється і повна потужність. В результаті вийшов компактний вимірювач.
Технічні характеристики
1. Межі зміни напруги 0 – 255 Вольт, дискретність 0,5 вольта. Покази відображаються з кроком 1 вольт.
2. Межі зміни струму 0 – 10 Ампер, дискретність 20 ма. Покази відображаються з кроком 10 ма.
3. Повна потужність обчислюється, як добуток величини струму на напругу і відображається тільки ціле значення у Вольт-амперах.

Принципова схема

Виключено фрагмент. Наш журнал існує на пожертвування читачів. Повний варіант цієї статті доступний тільки

У схемі застосовано прямий вимір змінної напруги та струмумікроконтролерів.
Вимірювана напруга через дільник R7, R9, R12 і C12 надходить на вхід мікроконтролера через конденсатор C10. Конденсатор C12 спільно з дільником вхідної напруги утворює інтегруючий ланцюг, який перешкоджає проникненню імпульсних перешкод.

Вимірюваний струм протікає по шунту R1, напруга, що знімається з нього, посилюється операційним підсилювачем і через ланцюжок R8 і C8 надходить на вхід мікроконтролера. Перший каскад на OP1 являє собою підсилювач, що інвертує, з інтегруючим конденсатором C3 в ланцюгу зворотного зв'язку. У зв'язку з тим, що розмах напруги, що знімається з OP1, повинен бути близько 5 Вольт, на мікросхему підсилювача надходить підвищене живлення (9-15 Вольт). Другий каскад на OP2 включений повторювачем і особливостей немає. Конденсатор C3 служить зменшення перешкод при роботі АЦП микроконтроллера.

На вимірювальні входи RA0 та RA1 надходить постійне стабілізоване зміщення 2,5 вольта через резистори R11 та R13. Ця напруга дозволяє правильно вимірювати позитивний та негативний напівперіоди вхідної напруги.
До мікроконтролера PIC16F690 підключено LCD дисплей, з відображенням 2-х рядків по 16 символів. Резистор R14 використовується для встановлення оптимальної контрастності дисплея. Резистор R15 визначає струм підсвічування дисплея.
Живлення приладу здійснюється від окремого трансформатора на 9-12 Вольт. Стабілізатор живлення +5 Вольт зібраний на мікросхемі 78L05 та особливостей не має.

Я запитав пристрій від телефонного адаптера. У зв'язку з тим, що на платі є свій міст Br1, полярність підключення не має значення. Важливо, щоб конденсаторі C4 було напруга не більше 10 – 15 Вольт.

--
Дякую за увагу!

▼ 🕗 20/08/12 ⚖️ 18,04 Kb ⇣ 442 Здрастуйте, читачу!

--
Дякую за увагу!
Ігор Котов, головний редактор журналу "Датагор"

▼ 🕗 20/08/12 ⚖️ 6,41 Kb ⇣ 457 Здрастуйте, читачу!Мене звуть Ігор, мені 45, я сибіряк і затятий електронник-аматор. Я вигадав, створив і утримую цей чудовий сайт з 2006 року.
Вже понад 10 років наш журнал існує лише за мої кошти.

Гарний! Халява скінчилася. Хочеш файли та корисні статті - допоможи мені!