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 100x70 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