Например TDA7294

РадиоКот >Схемы >Аналоговые схемы >Измерения >

Приставка для автоматического переключения предела (двухдиапазонный амперметр на ICL7107)

Автор: KomSoft
Опубликовано 22.05.2014.
Создано при помощи КотоРед.

Предназначена для переключения пределов измерения вольт-амперметров на микросхеме 572ПВ2/5 (ICL7106/7107).

Вводная часть.

Как известно, существует специализированная микросхема АЦП ICL7106/7107 (аналог 572ПВ2/5) для построения цифровых вольтметров-амперметров (и других *метров на их основе), обладающая очень неплохими характеристиками. В Интернете схем на их основе лежит очень много, в том числе на Datagorе и РадиоКоте.

Не вдаваясь в полемику относительно преимуществ и недостатков по сравнению с аналогичными устройствами на микроконтроллерах PIC/Atmel, просто примем за основу, что такой приборчик у нас есть.

У меня история началась с того, что в столе лежали десятка полтора двухразрядных семисегментных индикаторов от старых компов (которые индицировали частоту проца). Спаять их в кучу и применить в качестве динамических не удалось из-за слабого свечения. Но советское воспитание не позволяет выбросить то, что досталось на халяву. В закромах нашлась одна 572ПВ, а на eBay обнаружилось, что ICL7107 стоят $4.85 за 5 шт.! Остальная рассыпуха почти вся имелась. В результате этого было собрано 3 вольтметра и 3 амперметра для своих нужд. Собраны они по типовой схеме, поэтому останавливаться на ней нет смысла.

Сразу договоримся, что эта статья для тех, кто уже имеет ВА-метер на такой микросхеме (или аналогичный), или имеет большую часть деталей для него. Ибо если все детали покупать с нуля, то обойдется дороже, чем купить готовый прибор.

Недостатком (или скорее неудобством) этих микросхем является их разрядность, составляющая 3.5 знака или "1999". Это неудобство проявляется, когда измеритель нужно встроить в лабораторный блок, у которого максимальное напряжение (например) 30В, а ток 2,5А, как раз такой я сейчас заканчиваю собирать. Получается, что для вольтметра нужно установить диапазон 199,9В, а для тока - 19,99А. Если для вольтметра это в моем случае некритично, т.к. сотые а тем более тысячные доли вольта мне не нужны, то в амперметре хотелось бы видеть миллиамперы, тем более, что как правило, все мелкие устройства потребляют ток до 1А.

Вспомнил, что когда-то более 20 лет назад, когда китай еще не наводнил рынок дешевыми тестерами типа DT8**, я собирал себе "Цифровой вольтметр с автоматическим выбором предела измерения" из журнала "Радио". Его схема есть в сети (elektronik.3dn.ru/load/11-1-0-426) и обеспечивает переключение 4-х диапазонов. Принцип ее работы основан "на оценке состояния разрядов сотен и тысяч 3,5-разрядного выходного параллельного кода КР572ПВ5". Для своей реализации она требует 5 логических микросхем, 5 аналоговых коммутаторов и кучи прецезионных резисторов. Слишком громоздко для моего случая.

Поэтому для двухдиапазонного амперметра была разработана настоящая конструкция.

 

Первый вариант.

Планировался так: схема коммутирует десятичную точку на индикаторе и подает сигнал на вход измерителя напрямую или через делитель 1:10.

Работает схема следующим образом: опорное напряжение переключения (около 180мВ) сравнивается компаратором со входным напряжением и в результате переключается реле, коммутируя точку и делитель.

Резистор R4 задает гистерезис, определяемый делителем R4-RA1 и напряжением питания, примерно так: RA1/(R4+RA1) = dU/Usup, где dU - гистерезис, Usup - напряжение питания (на резисторе R3).

При R4 >> RA1 приблизительно можно считать, что R4 = RA1*Usup/dU. При питании около 7В и таких номиналах гистерезис составит около 50 мВ, что при токовом шунте 0,1 Ом даст 500 мА гистерезиса.

При разводке платы из-за реле получились слишком большие габариты. Кроме того, обычно реле потребляет ток 60-80мА, что сравнимо с током измерителя на 7107. Поэтому этот проект заморожен, хотя имеет право на существование.

 

Вариант второй.

Проанализируем исходные данные. Измеряемое напряжение снимается с токового шунта, сопротивление которого обычно составляет 0,01-0,1 Ом. Входное сопротивление измерителя ICL7017 очень велико (с ходу не нашел, но подозреваю, что оно составляет мегаомы). Отсюда вытекает, что делитель величиной в килоомы не должен оказывать существенного влияния на "вход" и "выход" системы.

Кроме того, учитывая малое сопротивление открытого канала полевых транзисторов (для 2N7000 - до 2 Ом, для мощных - миллиомы) ими вполне можно заменить реле.

Исходя отсюда, переделываем схему:

Точность опорного напряжения нам не нужна, поэтому для уменьшения места на плате TL431 заменяем стабилитроном. Делитель R2-RA1 используется для задания порогового напряжения инвертора U2A около 2В. Компаратор U2B сравнивает входное напряжение (сигнал с шунта) с опорным. Он управляет десятичной точкой DP3 (например 3-го разряда) индикатора.

Компаратор U2A работает как инвертор, управляя другой точкой DP4 (например 4-го разряда) и полевым транзистором Q1. Инверсия получается за счет сравнения выходного сигнала компаратора U2B с пороговым напряжением, задаваемым делителем R2-RA1.

Когда входное напряжение Ui ниже опорного, выходной транзистор компаратора U2B закрыт, на его выходе высокий уровень, точка индикатора, подключенная к DP3 не светится. На выходе U2A - низкий уровень (его выходной транзистор открыт), светится точка индикатора, подключенная к DP4. Транзистор Q1 закрыт и измеряемое напряжение проходит через резистор R5 на вход измерительного модуля. При высоком входном сопротивлении модуля измерения резистор R5 не оказывает заметного влияния на измеряемый сигнал.

Когда входное напряжение Ui выше опорного - с компараторами все наоборот (и с точками DP3-DP4 тоже), на выходе U2A - высокий уровень (его выходной транзистор закрыт). В результате транзистор Q1 открывается, его сопротивление становиться около 0 и цепочка R5-R6 начинает работать как делитеть 1:10.

 

Детали и конструкция.

Схема питается от модуля измерения напряжением +5В. Не бойтесь, что на схеме указано +5-15В, это не критично, просто у меня на каждом измерителе стоит свой стабилизатор 78L05 и все питается от общего нестабилизированного источника.

Вообще как мне кажется, схема допускает большие вольности (+-20%) по всем номиналам, кроме R5 и R6.

Соотношение резисторов делителя R5 и R6 должно быть 9:1, т.е. R5 = 9 * R6. При R5 = 8К2 получаем номинал R6 = 911 Ом - практически идеально!

Втекающий ток компараторов LM393 - до 16мА, поэтому резисторами R8, R9 устанавливаем яркость десятичной точки, но при этом ток через них не должен быть более 10-12мА. Для зеленого светодиода с падением напряжения 2В и питанием индикаторов 3.3В номинал резисторов R8, R9 должен быть 110-130 Ом.

Посчитаем гистерезис и номинал R4.

Uvd1 = 3.3В - напряжение стабилизации VD1; U0 = 0,18В - опорное напряжение (напряжение переключения); dRA1 - часть резистора RA1 (нижняя по схеме) при котрой достигается U0; Usup = 5В - напряжение питания; dU - гистерезис.

Из простых соображений получаем dRA1 = U0 * ( R2 + RA1 ) / Uvd1

При напряжении на выходе компаратора равном 0 (выходной транзистор открыт) резистор R4 почти не оказывает вляияния на U0. При закрытии выходного транзистора компаратора на его неинвертирующий вход подается прибавка напряжения от питания через R3 и R4. Эта прибавка (гистерезис) равна

dU = U0*Usup*(R2+RA1) / (Uvd1*(R3+R4)),

а отсюда номинал резистора R4 для нужного нам гистерезиса

R4 = ( U0 * Usup * ( R2 + RA1 ) / ( Uvd1 * dU ) ) - R3)

Таким образом, при напряжении питания +5В и указаных на схеме номиналах гистерезис составит dU = 0.18*5*(10+20)/(3.3*(10+240)) = 0.033В, что соответствует (при шунте 0,1 Ом) измеряемому току 330мА.

Если мы хотим задать гистерезис переключения 500мА, т.е. на верхний предел при 1,8А (180 мВ), а на нижний при 1,3А (130 мВ), что соответствует dU=0.05В, то получим

R4 = 0.18*5*(10+20)/(3.3*0.05) - 10 = 150К

А для гистерезиса dU=0.01В (100мА) получим R4=750K

Для себя я установил R4 330К (на фото - 153К) и гистерезис получился около 30мВ / 300мА. Слишком маленький ставить не стоит из-за возможного нечеткого переключения пределов. При настройки и подключенном к среднему движку подстроечника вольтметра В7-46 он оказывал заметное влияние на работу схемы - размазывался порог переключения и светились обе десятичные точки, что свидетельствовало о постоянном срабатывании обоих компараторов. Возможно это происходило из-за наводок на длинные щупы, т.к. при отключении щупов от схемы все работало четко. Учтите это при настройке.

Защита по входам для уменьшения габаритов не ставилась. Поэтому при обрыве шунта возможен пробой компаратора.

Плата разведена под SMD-элементы, резисторы 1206. Резистор 910 Ом на фотографии большой просто, чтобы не бежать в магазин - впаял тот, который имелся в наличии. Транзистор 2N7002 - с материнской платы, обозначение 702, в принципе любой аналогичный полевой. Стабилитрон и подстроечник, чтобы не нарушать фен-шуй, также впаяны со стороны дорожек.

Рисунок платы, вид с пустой стороны (дорожки и детали - на обратной), как обычно в OrCAD. Желающим повторить придется перерисовать, но это несложно по готовому.

 

Наладка.

Подаем питание, замыкаем вход на землю и выставляем подстроечником RA1 опорное напряжение переключения около 180-190мВ - это будет верхний предел переключения. Если подключены десятичные точки, то засветится подключенная к DP4.

Вот и все!

Теперь можно на вход подать напряжение (например с переменного резистора) в диапазоне 0-1В и проверить переключение точек и открытие транзистора Q1. Только переменный резистор для экспериментов должен иметь малое стпротивление (до 1К), чтобы не оказывать влияния на делитель R5-R6.

В принципе, можно подстроечник RA1 заменить двумя резисторами 24К и 2К.

 

Подключение.

Питается приставка от самого измерителя и имеет с ним общую землю. Включается в разрыв измеряемого сигнала - напряжение с шунта (0-2В) подается на XP2, снимается (0-0,2В) на измеритель с XP4. К XP5 подключаются десятичные точки индикаторов.

Важно! Как известно, приборы на основе ICL7107 имеют два входных диапазона: +-2В при опорном напряжении 1В и +-0.2В при опорном напряжении 0.1В. Учитывая, что эта приставка при увеличении входного напряжения выше 0.2В делит его на 10, то опорное напряжение микросхемы ICL7107 на ноге 36 необходимо выставить 100мВ.

 

Ограничения.

  1. Работает только с положительными значениями напряжения (хотя сами измерители на 7107 могут мерять положительные и отрицательные значения).
  2. Для адаптации под вольтметры придется переделать схему, чтобы делитель R5-R6 был частью делителя входного напряжения. Вариант не прорабатывался, просто отмечаю, чтобы в будущем не наступать на грабли.

 

Фото в работе.

Повышаю ток (входное напряжение):

При значении выше 1,7А (входное 170мВ) произошло переключение на верхний предел - можно мерять до 19,99.

Теперь движемся вниз:

Переключение произошло при токе меньше 1.4А (140мВ), т.е. гистерезис около 300мА / 30мВ.

:-) Если присмотреться к фотографиям, то видно отблеск на столе от десятичной точки - как известно, индикаторы в 386/486 шли без точек, вместо них высверлено отверстие и вставлен зеленый светодиод - кошачья бережливость и любовь к зеленым глазам непобедима!


Файлы:
архив со схемой и симуляцией


Все вопросы в Форум.


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

48 4 1