Вольтметр переменного напряжения на ATmega48-20PU

August 26, 2012 by admin Комментировать »

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

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты