Сделай сам вольтметр. Амперметр цифровой своими руками. Цифровые амперметры и вольтметры. Особенности измерения напряжения микроконтроллером

Рассмотрены не сложные схемы цифровых вольтметра и амперметра, построенных без использования микроконтроллеров на микросхемах СА3162, КР514ИД2. Обычно, у хорошего лабораторного блока питания есть встроенные приборы, - вольтметр и амперметр. Вольтметр позволяет точно установить выходное напряжение, а амперметр покажет ток через нагрузку.

В старых лабораторных блоках питания были стрелочные индикаторы, но сейчас должны быть цифровые. Сейчас радиолюбители чаще всего делают такие приборы на основе микроконтроллера или микросхем АЦП вроде КР572ПВ2, КР572ПВ5.

Микросхема СА3162Е

Но существуют и другие микросхемы аналогичного действия. Например, есть микросхема СА3162Е, которая предназначена для создания измерителя аналоговой величины с отображением результата на трехразрядном цифровом индикаторе.

Микросхема СА3162Е представляет собой АЦП с максимальным входным напряжением 999 mV (при этом показания «999») и логической схемой, которая выдает сведения о результате измерения в виде трех поочередно меняющихся двоично-десятичных четырехразрядных кодов на параллельном выходе и трех выходах для опроса разрядов схемы динамической индикации.

Чтобы получить законченный прибор нужно добавить дешифратор для работы на семисегментный индикатор и сборку из трех семисегментных индикаторов, включенных в матрицу для динамической индикации, а так же, трех управляющих ключей.

Тип индикаторов может быть любым, -светодиодные, люминесцентные, газоразрядные, жидкокристаллические, все зависит от схемы выходного узла на дешифраторе и ключах. Здесь используется светодиодная индикация на табло из трех семисегментных индикаторов с общими анодами.

Индикаторые включены по схеме динамической матрицы, то есть, все их сегментные (катодные) выводы включены параллельно. А для опроса, то есть, последовательного переключения, используются общие анодные выводы.

Принципиальная схема вольтметра

Теперь ближе к схеме. На рисунке 1 показана схема вольтметра, измеряющего напряжение от 0 до 100V (0...99,9V). Измеряемое напряжение поступает на выводы 11-10 (вход) микросхемы D1 через делитель на резисторах R1-R3.

Конденсатор СЗ исключает влияние помех на результат измерения. Резистором R4 устанавливают показания прибора на ноль, при отсутствии входного напряжения А резистором R5 выставляют предел измерения так чтобы результат измерения соответствовал реальному, то есть, можно сказать, им калибруют прибор.

Рис. 1. Принципиальная схема цифрового вольтметра до 100В на микросхемах СА3162, КР514ИД2.

Теперь о выходах микросхемы. Логическая часть СА3162Е построена по логике ТТЛ, а выходы еще и с открытыми коллекторами. На выходах «1-2-4-8» формируется двоичнодесятичный код, который периодически сменяется, обеспечивая последовательную передачу данных о трех разрядах результата измерения.

Если используется дешифратор ТТЛ, как, например, КР514ИД2, то его входы непосредственно подключаются к данным входам D1. Если же будет применен дешифратор логики КМОП или МОП, то его входы будет необходимо подтянуть к плюсу при помощи резисторов. Это нужно будет сделать, например, если вместо КР514ИД2 будет использован дешифратор К176ИД2 или CD4056.

Выходы дешифратора D2 через токоограничивающие резисторы R7-R13 подключены к сегментным выводам светодиодных индикаторов Н1-НЗ. Одноименные сегментные выводы всех трех индикаторов соединены вместе. Для опроса индикаторов используются транзисторные ключи VT1-VT3, на базы которых подаются команды с выходов Н1-НЗ микросхемы D1.

Эти выводы тоже сделаны по схеме с открытым коллектором. Активный ноль, поэтому используются транзисторы структуры р-п-р.

Принципиальная схема амперметра

Схема амперметра показана на рисунке 2. Схема практически такая же, за исключением входа. Здесь вместо делителя стоит шунт на пятиваттном резисторе R2 сопротивлением 0,1 От. При таком шунте прибор измеряет ток до 10А (0...9.99А). Установка на ноль и калибровка, как и в первой схеме, осуществляется резисторами R4 и R5.

Рис. 2. Принципиальная схема цифрового амперметра до 10А и более на микросхемах СА3162, КР514ИД2.

Выбрав другие делители и шунты можно задать другие пределы измерения, например, 0...9.99V, 0...999mA, 0...999V, 0...99.9А, это зависит от выходных параметров того лабораторного блока питания, в который будут установлены эти индикаторы. Так же, на основе данных схем можно сделать и самостоятельный измерительный прибор для измерения напряжения и тока (настольный мультиметр).

При этом нужно учесть, что даже используя жидкокристаллические индикаторы прибор будет потреблять существенный ток, так как логическая часть СА3162Е построена по ТТЛ-логике. Поэтому, хороший прибор с автономным питанием вряд ли получится. А вот автомобильный вольтметр (рис.4) выйдет неплохой.

Питаются приборы постоянным стабилизированным напряжением 5V. В источнике питания, в который будут они установлены, необходимо предусмотреть наличие такого напряжения при токе не ниже 150mA.

Подключение прибора

На рисунке 3 показана схема подключения измерителей в лабораторном источнике.

Рис. 3. Схема подключения измерителей в лабораторном источнике.

Рис.4. Самодельный автомобильный вольтметр на микросхемах.

Детали

Пожалуй, самое труднодоставаемое - это микросхемы СА3162Е. Из аналогов мне известна только NTE2054. Возможно есть и другие аналоги, о которых мне не известно.

С остальным значительно проще. Как уже сказано, выходную схему можно сделать на любом дешифраторе и соответствующих индикаторах. Например, если индикаторы будут с общим катодом, то нужно КР514ИД2 заменить на КР514ИД1 (цоколевка такая же), а транзисторы VТ1-VТЗ перетащить вниз, подсоединив их коллектора к минусу питания, а эмиттеры к общим катодам индикаторов. Можно использовать дешифраторы КМОП-логики, подтянув их входы к плюсу питания при помощи резисторов.

Налаживание

В общем-то оно совсем несложное. Начнем с вольтметра. Сначала замкнем между собой выводы 10 и 11 D1, и подстройкой R4 выставим нулевые показания. Затем, убираем перемычку, замыкающую выводы 11-10 и подключаем к клеммам «нагрузка» образцовый прибор, например, мультиметр.

Регулируя напряжение на выходе источника, резистором R5 настраиваем калибровку прибора так, чтобы его показания совпадали с показаниями мультиметра. Далее, налаживаем амперметр. Сначала, не подключая нагрузку, регулировкой резистора R5 устанавливаем его показания на ноль. Теперь потребуется постоянный резистор сопротивлением 20 От и мощностью не ниже 5W.

Устанавливаем на блоке питания напряжение 10V и подключаем этот резистор в качестве нагрузки. Подстраиваем R5 так чтобы амперметр показал 0,50 А.

Можно выполнить калибровку и по образцовому амперметру, но мне показалось удобнее с резистором, хотя конечно на качество калибровки очень влияет погрешность сопротивления резистора.

По этой же схеме можно сделать и автомобильный вольтметр. Схема такого прибора показана на рисунке 4. Схема от показанной на рисунке 1 отличается только входом и схемой питания. Этот прибор теперь питается от измеряемого напряжения, то есть, измеряет напряжение, поступающее на него как питающее.

Напряжение от бортовой сети автомобиля через делитель R1-R2-R3 поступает на вход микросхемы D1. Параметры этого делителя такие же как в схеме на рисунке 1, то есть для измерения в пределах 0...99.9V.

Но в автомобиле напряжение редко бывает более 18V (больше 14,5V уже неисправность). И редко опускается ниже 6V, разве только падает до нуля при полном отключении. Поэтому прибор реально работает в интервале 7...16V. Питание 5V формируется из того же источника, с помощью стабилизатора А1.

При проектировании цифровых вольтметров или мультиметров большинство радиолюбителей операются либо на аналого-цифровые преобразователи серии К572ПВ, либо прибор строят по схеме частотомера с аналогоцифровым преобразователем "напряжение-частота" или "напряжение-период". Но есть другой способ - непосредственного измерения. Его сущность заключается в том, что счетчик прибора, работающий на индикацию, одновременно вырабатывает ступенчато-изменяющееся напряжение, которое поступает на один из входов компаратора, а на его другой вход поступает напряжение от измеряемой цепи.

В момент совпадения этих напряжений на выходе компаратора изменяется логический уровень, который, обычно останавливает счетчик в этом положении на некоторое время. Таким образом прибор работает как простой (медленный) частотомер, в течении некоторого времени происходит измерение напряжения (нарастание ступенчатого напряжения до уровня измеряемого), затем следует индикация, затем обнуление, и все сначала.

Используя микросхемы серии К176, а именно дешифраторы К176ИД2, имеющие на своих входах триггеры памяти можно построить вольтметр, показания которого будут столь же оперативно изменяться как и в приборах построенных на микросхемах К572ПВ2 или К572ПВ5.

Принципиальная схема трехразрядного вольтметра, измеряющего напряжение от нуля до 9,99В показана на рисунке 1. Основу прибора составляет трехразрядный счетчик на микросхемах D3-D5. На вход этого счетчика постоянно поступают импульсы частотой около 3 кГц от мультивибратора на элементах D1.1 и D1.2. Счетчик все время считает по кругу от нуля до 999, он не имеет никаких входов кроме информационного и не может устанавливаться в нуль какими-то внешними импульсами. На выходе счетчика кроме дешифраторов с семисегментными индикаторами включена резистивная матрица, состоящая из резисторов R5-R16.

Сопротивления резисторов соответствуют весовым значениям выходных кодов счетчика. Все резисторы имеют одну общую точку соединения. Именно в этой точке, во время работы счетчика получается ступенчато-нарастающее напряжение. Оно изменяется от нулевого уровня до уровня логической единицы с числом промежуточных ступеней 999. Затем резко падает до нуля, и снова постепенно нарастает до единицы.

Это напряжение поступает на прямой вход компаратора D2. Задача компаратора состоит в том, чтобы зарегистрировать момент совпадения этого напряжения с напряжением, поступающим с входного делителя (на самом деле не совпадения а минимального превышения, не более чем на одну ступень).

В этот момент на выходе компаратора устанавливается логическая единица. Она запускает одновибратор на элементах D1.3, D1.4, который вырабатывает короткий импульс. Этот импульс поступает на входы "X" дешифраторов D6-D8 и записывает в их триггеры тот код, который был в этот момент на выходах счетчика. Это число отображается индикатором до тех пор пока не поступит следующий импульс от одновибратора.

Таким образом счетчик все время ходит по кругу и синтезирует нарастающее напряжение, а на индикацию выводится только то значение, которое численно соответствует измеряемому напряжению.

Источник питания должен быть стабилизирован, поскольку он принимает непосредственное участие в формировании ступенчатого напряжения.

Номиналы резисторов R5-R16 рассчитаны и их сопротивления не соответствуют номинальному ряду, поэтому некоторые из них нужно набирать из двух-трех. Класс точности должен быть не менее 4%, от него в первую очередь зависит точность показаний прибора. Удобно взять обычные резисторы сопротивлением на 5-20% меньшего сопротивления чем на схеме, например, вместо R11 на 90 кОм берем на 82 кОм, а затем контролируя сопротивление точным омметром при помощи мелкой шкурки стачиваем резистивный слой с одной стороны корпуса резистора до получения нужного сопротивления.

Рисунок 2
Установив сопротивления указанные на схеме можно получить класс точности прибора 4-6%. Более высокую точность с серией К176 получить трудно. Если требуется более высокая точность напряжение на каждый резистор следует подавать через пару ключей микросхемы К561КТ3 (рисунок 2). В этом случае можно получить класс точности 0,1-0,5%, но это сильно усложняет схему.

Существенно повысить класс точности (1-2%) можно если счетчики К176ИЕ2 заменить на К561ИЕ14. К тому же нужно разделить цепи питания счетчиков с компаратором и светодиодных индикаторов, поскольку индикаторы потребляют большой ток и могут оказывать дестабилизирующее действие на формирователь ступенчатого напряжения. Калибруют прибор подбором номинала R3. Точно установить прибор на нуль можно включением резистора сопротивлением в несколько мегаом между выводом 4 и 11 компаратора.

Скорость работы прибора можно существенно увеличить если поднять частоту мультивибратора, например до 10-15 кГц, но в этом случае нужно соответствующим образом сократить длительность импульса, вырабатываемого одновибратором на элементах D1.3 и D1.4, таким образом, чтобы длительность вырабатываемого им импульса была меньше периода импульсов на выходе мультивибратора.

Верхний предел измерения можно установить подбором номинала R3, например, если нужно измерять 0..,99,9В его сопротивление должно быть около 1 Мом (окончательно подбирается при калибровке).

Эта конструкция описывает простой вольтметр, с индикатороми на двенадцати светодиодах. Данное измерительное устройство позволяет отображать измеряемое напряжение в диапазоне значений от 0 до 12 вольт с шагом в 1 вольт, причем погрешность в измерении очень низкая.

На трех операционных усилителях LM324 собраны компараторы напряжения. Их инверсные входы подсоединены к резисторному делителю напряжения, собранного на резисторах R1 и R2, через который на схему идет контролируемое напряжение.

На неинвертирующие входы операционных усилителей поступает опорное напряжение с делителя, выполненного на сопротивлениях R3 - R15. Если на входе вольтметра отсутствует напряжение, то на выходах ОУ будет высокий уровень сигнала и на выходах логических элементов будет логический ноль, поэтому светодиоды не светятся.

При поступление на вход светодиодного индикатора измеряемого напряжения, на определенных выходах компараторов ОУ установится низкий логический уровень, соответственно на светодиоды поступит высокий логический уровень, в результате чего загорится соответствующий светодиод. Для предотвращения подачи уровня напряжения на входе устройства имеется защитный стабилитрон на 12 вольт.

Этот вариант рассмотренной выше схемы отлично подойдет любому автовладельцу и даст ему наглядную информацию о состоянии заряда аккумуляторной батареи. В данном случае задействованы четыре встроенных компаратора микросборки LM324. Инвертирующими входами формируются опорные напряжения 5,6V, 5,2V, 4,8V, 4,4V соответственно. Напряжение аккумулятора напрямую поступает на инвертирующий вход через делитель на сопротивлениях R1 и R7.

Светодиоды выступают в роли мигающих индикаторов. Для настройки, вольтметр, подсоединяют к АКБ, затем регулируют переменный резистор R6 так, чтобы нужные напряжения присутствовали на инвертирующих выводах. Зафиксируйте индикаторные светодиоды на передней панели авто и нанесите рядом с ними напряжение аккумулятора, при котором загораются тот, или иной индикатор.

Итак, хочу сегодня рассмотреть очередной проект с применением микроконтроллеров, но еще и очень полезный в ежедневных трудовых буднях радиолюбителя. Это цифровое устройство на современном микроконтроллере. Конструкция его была взята из журнала радио за 2010 год и может быть с легкостью перестроена под амперметр в случае необходимости.

Это простая конструкция автомобильного вольтметра используется для контроля напряжения бортовой сети автомобиля и расчитана на диапазон от 10,5В до 15 вольт. В роли индикатора применены десять светодиодов.

Сердцем схемы является ИМС LM3914. Она способна оценить уровень входное напряжение и отобразить приблизительный результат на светодиодах в режиме точка или столбик.

Светодиоды выводят текущее значение напряжения аккумулятора или бортовой сети в режиме точки (вывод 9 не подключен или подсоединен на минус) или столбика (вывод 9 к плюсу питания).

Сопротивление R4 регулирует яркость свечения светодиодов. Резисторы R2 и переменный R1 образуют делитель напряжения. При помощи R1 осуществляется настройка верхнего порога напряжения, а при помощи резистора R3 нижнего.

Калибровка схемы делается по следующуму принципу. Подаем на вход вольтметра 15 вольт. Затем изменяя сопротивление R1, добивемся, зажигания светодиода VD10 (в режиме точка) или всех светодиодов(в режиме столбик).

Затем на вход подаем 10,5 вольт и R3 добиваемся свечения VD1. А затем увеличиваем уровень напряжение с шагом в половину вольта. Тумблер SA1 используется для переключения между режимами индикации точка/столбик. При замкнутом SA1 – столбик, при разомкнутом – точка.

Если напряжение на аккумуляторной батареи ниже уровня 11 вольт, стабилитроны VD1 и VD2 не пропускают ток, из-за чего светится только HL1, говорящий о низком уровне напряжения бортовой сети автомобиля.

Если напряжение лежит в интервале от 12 до 14 вольт, стабилитрон VD1 отпирает VT1. HL2 горит, указывая на нормальный уровень АКБ. Если напряжение батареи выше 15 вольт, стабилитрон VD2 отпирает VT2, и загорается светодиод HL3, показывающий значительное превышение напряжения в сети автомобиля.

В роли индикатора, как и в предыдущей конструкции, применены три светодиода.

При низком напряжении уровне загорается HL1. Если норма HL2. А более 14 вольт, вспыхивает третий светодиод. Стабилитрон VD1 формирует опорное напряжение для работы ОУ.

Целью этого дела было собрать очень точный вольтметр, с 3 цифрами после запятой. Нужен был вольтметр постоянного напряжения показывающий значения напряжения в диапазоне 0-10 В. не подходили. Поэтому после принятия решения о самостоятельном исполнении выбор пал на микросхему ICL7135.

Схема точного цифрового вольтметра

Генератор сделан на микросхеме 4047, он должен также питать преобразователь отрицательного напряжения. Вольтметр имеет три диапазона измерений: 2 V, 20 V, 200 V.

В делителе применены резисторы 0,1%. При запуске системы возникла проблема её калибровки. Не имея доступа к эталонному прибору с точностью не менее 5 цифр, решено было купить готовый источник стабильных напряжений для калибровки. Основан он на AD584KH обеспечивает четыре уровня: 2,5 V и 5,0 V, 7,5 V и 10,0 V.

На прилагаемых фотографиях видно измеренные значения. Корпус вольтметра была изготовлен из листовой стали, выдранной из корпуса старого компьютера. Питание идёт постоянным напряжением от БП на 15 В.

Точность действительно сверх высокая. Показания реально стабильны, даже на открытых (не экранированных) измерительных проводах последняя цифра не «прыгает».

Придумать все самому не получается – пока знаний программирования микропроцессоров не достаточно (только учусь), а отставать не хочется. Серфинг Интернета дал несколько разных вариантов как по сложности схемотехники и выполняемых функций, так и самих процессоров. Анализ ситуации на местных радиорынках и трезвый подход (покупать то что по карману; делать то, что реально сможешь, а процесс изготовления да время настройки не затянется на неограниченное время) остановил мой выбор на схеме вольтметра описанного на www.CoolCircuit.com.

Итак, нижеприведенная принципиальная схема уже исправлена . Прошивка осталась родная (main.HEX - приобщаю).

Те, кто процессоры «держит в руках часто» дальше могут не читать, а остальным, особенно кто в первый раз, расскажу, как все сделать хоть и не оптимально (да простят мне профессионалы стиль изложения), но в итоге правильно.
Итак, для справки: семейство процессоров РІC на 14 ножек имеют разную распиновку поэтому нужно проверить подходит ли имеющийся у Вас программатор с панельками под этот чип. Обратите внимание именно на 8-пиновую панельку, как правило, именно она и подходит, а крайние справа выводы просто висят. Я пользовался обычным программатором «PonyProg» .

Следует учесть при пограммировании РІС важно не затереть калибровочную константу внутреннего генератора чипа ибо внешний кварц здесь не используется. Она записана в последней ячейке (адресе) памяти процессора. Если использовать IcProg, выбрав тип МК, то в окне – «Адрес программного кода» в последней строке обозначенной адресом - 03F8 крайние справа четыре символа и есть указанная индивидуальная константа. (Если микросхема новая и ни разу не программированная то после кучи символов 3FFF – последним будет что то типа 3454 – это самое то).

Чтобы расчет показаний вольтметра соответствовал истине, все сделать правильно и понять процесс происходящего предлагаю хоть не оптимальный но надеюсь понятный алгоритм:

Перед программированием МК, необходимо в IcProg сначала дать команду «Читать все» и посмотреть на вышеуказанную ячейку памяти – там будет значится индивидуальная константа этого чипа. Ее надо переписать на бумажку (в памяти не держать!- забудешь).
- загрузить программный файл прошивки МК – с расширением *.hex (в даном случае -"main.hex") и проверить какая константа записана в той же ячейке в данном программном продукте. Если она отличается – поставить курсор и ввести туда данные, ранее записанные на бумажке.
- нажимаем команду программировать - после появившегося вопроса типа: «использовать ли данные осцилятора из файла» – соглашаетесь. Ибо Вы уже проверили, что там то что надо.

Еще раз прошу прощения у тех, кто программирует много и так не делает, но я пытаюсь донести до начинающих информацию о достаточно важном программном элементе данного микропроцессора и не потерять его из-за разных иногда совсем непонятных, а то и необъяснимых потом ситуаций. Особенно если дрожащими от волнения руками воткнул чип в только что сооруженный и впервые соединенный с компом программатор и, волнуясь, нажимаешь кнопку программировать, а оное чудо техники начинает еще и непонятные вопросы задавать – вот тут то все неприятности и начинаются.

Итак, если все этапы пройдены верно, – микросхема МК готова к использованию. Дальше дело техники.
От себя хочу добавить, что транзисторы здесь не критичные – подходят любые р-n-р структуры, в т.ч. советские, в пластмассовом корпусе. Я использовал выпаянные из импортной бытовой техники после проверки на соответствие структуры проводимости. В этом случае присущ еще один нюанс – расположение вывода базы транзистора может быть по середине корпуса или с краю. Для работы схемы это безразлично, нужно только соответственно формировать выводы при пайке. Постоянные резисторы для делителя напряжения – именно указанного номинала. Если найти импортный подстроечный резистор на 50 кОм не удастся, то советского производства желательно взять чуточку больше - 68 кОм, а 47 кОм брать не рекомендую ибо в случае одновременного совпадения пониженных номиналов - потеряется расчетное соотношение сопротивлений делителя напряжения, которое может быть трудно исправить подстоечником.

Как я уже писал у моего блока питания два плеча – поэтому сделал сразу два вольтметра на одной плате, а индикаторы вывел на отдельную плату для экономии места на лицевой панели. Развел под обычные элементы. Файлы с разводкой плат, исходник и hex прилагаются в архиве. У Вас - SMD, то переделать ее не трудно, если надо обращайтесь.

Для тех, кто захочет повторить этот вольтметр и имеет, как у меня, двухполярный блок питания с общей средней точкой - напоминаю о необходимости питания обоих вольтметров от двух отдельных (гальванически разделенных) источников. Скажем - отдельных обмоток сылового трансформатора или, как вариант – импульсный преобразователь, но обязательно с двумя обмотками по 7 Вольт (нестабилизированных). Для тех, кто будет делать «импульсник»: ток потребления вольтметра от 70 до 100 мА в зависимости от размера и цвета индикатора. Иначе никак ибо на порт МК нельзя подавать отрицательное напряжение.
Если кому понадобится и схема преобразователя, спрашивайте на форуме, я сейчас над этим вопросом работаю.

Архив с нужными даными и печатками в SLayout-5rus:
▼