Например TDA7294

РадиоКот > Схемы > Цифровые устройства > Измерительная техника

Амперметр для трансивера Mini Watt-Meter

Автор: Быканов Андрей (Shodan) (R3PAV), adm@shodtech.net
Опубликовано 28.01.2014.
Создано при помощи КотоРед.

Разработка: Shodan/Быканов Андрей (г.Тула) shodan@xn--h1aeegel.net R3PAV
Помощь в разработке: Nusik1975/Бучнев Андрей (Тульская обл.) RC2PAA

Предисловие:

Продолжая серию компактных высокоинтегрированных устройств, после разработки дозиметра Альфа-Микрон, задался вопросом: чтоб еще такого сделать?
Так как с разработки дозиков я медленно и уверенно переползаю на создание устройств для трансиверов, решил, что в моем "шеке" не хватает компактного и мощного амперметра.
Поиск по инету выдал пачку китайских модулей и любительских поделок, основными минусами которых являются:
- включение шунта с разрыв минусового провода;
- "одноканальная" архитектура (не забываем, что часто помимо самодельного трансивера на 5-20 ватт, есть еще и усилитель мощности ватт на 100-200);
- отсутствие статистики по пиковому и среднему току (очень важно при работе в SSB режиме);
- зачастую-отсутствие корпуса;
- соединение проводов "винтовыми зажимами" (что при полевых выездах требует таскать с собой отвертку).

Решение было мгновенным и неоспоримым: "Надо делать свой!".

Краткие характеристики устройства:

Напряжение источника питания: 9-17В
Максимальный(пиковый) ток через устройство: 32А (не более 20сек)
Максимальный(средний) ток через устройство: 24А (длительно)
Собственное потребление: 28мА
Количество каналов подключения нагрузки: 2 (с раздельным замером тока по каждому каналу)
Полное сопротивление устройства на канал: 8.5 миллиОм (вычисленное по замеру падения напряжения, на токе 10А и подключении щупов на кабеля питания)

Принцип:

Первое, на что надо обратить внимание - способ включения шунта.


Включение шунта в разрыв минуса недопустимо для 2х случаев: это полевой выезд на машине, и работа в полностью заземленном шеке.
В каждом из этих случаев, минус блока питания и минус трансивера может быть соединен между собой, и в месте этого соединения потечет

ток, а устройство будет значительно врать по показаниям.
Значит, надо шунт ставить в разрыв плюсового провода.
Сам же шунт должен быть как можно более низкоомным и мощным.
Для этой цели был выбран любимый мною производитель Vishay. Компания эта делает отличные высокотехнологичные и зачастую прецизионные компоненты.
Поиск по каталогу показал, что есть хорошие шунты под мою задачу Vishay Dale WSR32L000FEA 0.002 Ома, точность 1%, мощность 2W (пиковое 3W).

Для снятия и усиления напряжения падения был применен один из новейших усилителей Maxim MAX9938FEUK+T, он в отличии от предыдущих серий усилителей токовых шунтов характеризуется несколькими нововведениями: высокая линейность усиления, питание от измеряемой цепи, почти полное отсутствие "смещения при нулевом токе".

Вот уже вырисовывается концепт устройства:
В разрыв плюса каждого из двух каналов потребителей включается шунт, падение напряжение на нем усиливается и подается на АЦП в МК, также посредством резистивного делителя замеряется напряжение.
А далее программно можно получить любые вариации измеряемых параметров:
- Напряжение
- Ток (по каждому из каналов измерения)
- Суммарный ток
- Мощность
- Пиковый ток
- Средний ток

Описание схемы:

Источник питания подключается в разъем "Slot1".

Цепь R4-R5-D1-C1 выполняет роль резистивного делителя напряжения, для замера напряжения источника питания.
D1 отсекает броски напряжения, которые могут повредить МК, к примеру статика и внештатные ситуации.
С1 отсекает высокочастотный шум, который может внести погрешность в измерение.

Цепь Qpwr1-R1-R2-D2-Q2-R3 введена для включения-отключения нагрузки, скажем, при фиксации тока сверх допустимого.
Так как у Qpwr1 есть ограничения по напряжению G-S, которое недолжно превышать +-12В, пришлось ввести элементы R1-R2-D2, которые ни при каких условиях не позволят напряжению G-S выйти за придел -10В, предохраняя транзистор от повреждения. Q2-R3 адаптирует логические уровни МК для управления этим мосфетом.

Каналы нагрузки, выполненные на Rs1[Rs2]-U1[U2]-D3[D4] и фильтрующей RC цепи по входу MAX9938 выполнены по типовой (референсной) схеме.
Разводка платы такова, что позволяет установить любой из вариантов RC цепочек, описанных в даташите на MAX9938.

Хорошо себя показал вариант описанный на рисунке "Figure 1. Differential Input Filter" с номиналами Rin-33R Cin-100n. Но для отображения полной топологии платы на принципиальной схеме приведен более полный вариант согласно "Figure 2. Input Common-Mode Filter".
Т.к. при значительных бросках тока напряжение на выходе MAX9938 может превышать допустимые для МК 3.3 вольта в схему введен ограничительный стабилитрон D3[D4].

К разъемам Slot2 и Slot3 подключаются потребители, в моем случае, это трансивер и усилитель мощности.
Во-первых, скажу, что разъемы Slot1-2-3 это 2x3 Mini-Fit, часто используемые в компьютерах для питания современных видеокарт.
Стоит особо обратить внимание на то, что для достижения максимального расчетного тока в 32А к разъемам Slot применяются особые требования по допустимому току на контакт.
Практика показывает, что есть 3 группы разъемов этого типа:
Нонейм китай - ток на контакт не более 3А (в сумме на разъем 9А)
Стандартный, но фирменный MOLEX - ток на контакт не более 6А (в сумме на разъем 15.5А)
MOLEX повышенной мощности - ток на контакт не более 13А (в сумме на разъем 32А)
Применяемые разъемы мною очень тщательно подбирались по каталогу MOLEX'а, в результате были выбраны следующие составляющие:
Вставка: MOLEX - 39-01-2060 - RECEPTACLE, MINI-FIT, 6WAY, CRIMP
Контакты вставки: MOLEX - 45750-3112 - CONTACT, SOCKET, 16 AWG, CRIMP
Разъем на плату: MOLEX - 39-30-0060 - HEADER, MINI-FIT, R/A, DUAL ROW, 6WAY


Питание и ИОН (источник опорного напряжения) собраны на LDO U4-U5-U6, их "обвязка" конденсаторами составлена по сути по референсной схеме из соответствующих даташитов.
За исключением цепи R16-C10, она введена для дополнительного сглаживания бросков напряжения. С этой цепью на микросхему U4 приходит меньше пульсаций при работе трансивера в SSB режиме.
ИОН U6 введен для того, чтобы минимизировать погрешность работы АЦП микроконтроллера. Несмотря на то, что в микроконтроллере есть свой собственный ИОН, его работа, к сожалению, меня не устроила- слишком большой у него дрейф.

Кнопки Key1-Key2-Key3-Key4 дополнительно комплектуются защитными резисторами R6-R7-R8-R9. Эти резисторы не являются обязательными, и вместо них можно поставить перемычки 0R, но в случае сбоя программы МК защитные резисторы лишними явно не будут.

Двухстрочный дисплей WH1602D-TML-CT применен из соображений его большой информативности. Он изначально не совместим с 3.3В логическими уровнями, поэтому пришлось добавить дополнительную резистивную матрицу Rn1 для подтяжки ножек к 5В, а также все линии подключить к 5V tolerant портам МК, которые не выходят из строя при 5В логических уровнях, и работают в ключевом режиме, замыкая их на землю, когда надо получить логический 0.
Контраст дисплея выполнен не на подстроечном резисторе, как это делают многие, а постоянными резисторами R15-R14. Многолетняя практика применения серии дисплеев WH1602D показывает, что с этим включением практически никогда не бывает проблем с контрастом.
Q4-R12-R11-Q3-R13 выполняют роль ключей управления питанием дисплея и подсветкой.

Разъем SWD - создан с целью программирования устройства.

R10 - перемычка управления "экстренным" режимом бутлоадера МК, по умолчанию она устанавливается. При необходимости перевода МК в режим заводского бутлоадера-снимается.

Почти все важные компоненты платы скрыты за экраном производства компании Harwin, который состоит из 3х частей:
Фиксаторы прямые S0991-46R
Фиксаторы угловые S0981-46R
Крышка экрана S01-30200500
Экран введен исключительно для "перестраховки", т.к. при работе в полевых условиях на амперметр может наводится ВЧ излучение значительной мощности.

МК STM32F103T8U6 - Выбор пал на этот МК по причине массы полезностей для он-лайн измерительных цепей, такие как DMA каналы, высокое разрешение АЦП, быстрая работа с float переменными.
Ну и потому, что контроллеры серии AtMega давно уже устарели.

Нюансы сборки устройства:

Кнопки и толкатели применены OMRON B3F-3150 и B32-10**, выбор этих кнопок обусловлен их исключительной надежностью и малым усилием нажатия.

Корпус Gainta G1812, выбран из-за его небольших габаритов, и он мною уже неоднократно опробован в многих конструкциях.

Коннекторы MOLEX-39-01-2060, как и все подобные вставки, неспособны войти в разъем на 100% т.к. мешает плата дисплея. Чтобы устранить этот маленький недочет, достаточно на этих коннекторах совсем немного сточить торец защелки, чтобы он не упирался в плату дисплея.
После этого они отлично досылаются до конца и успешно защелкиваются.

Дисплей ставится на плату посредством создания разъемного соединения из стандартных PLD, PLS, PBD, PBS коннекторов. И при необходимости легко снимается.
Сзади дисплея нужно подогнуть к плате защелки держателя матрицы в тех местах, где они упираются в разъемы питания.
Для полевых условий, чтобы не повредить дисплей, можно наклеить на него кусочек оргстекла от коробки компакт-дисков.
Сзади корпуса, под болты крепления платы, можно приспособить кронштейны, для удобного крепления к стене.
Стоит обратить внимание, что почти все компоненты в корпусах 0603.

При заказе плат надо обратить внимание, что базовая толщина меди должна быть не менее 32мкм, а текстолит желательно брать высокотемпературный HiTG170 и подобные. В России это умеет делать ООО "Резонит", а из зарубежных производителей хорошо подходит www.oshpark.com

Описание меню и кнопок:

Key2 - включение-выключение нагрузки
Key1 - смена режима отображения, а при длительном нажатии вход в меню настройки
Key3 - увеличения значения
Key4 - уменьшение значения

В устройстве реализовано 3 информационных экрана (переключение по Key1), отображающие всю возможную статистику о потреблении, а именно:
- Напряжение
- Ток (по каждому из каналов измерения в отдельности)
- Пиковый ток
- Средний ток
- Суммарный мгновенный ток
- Суммарная мощность

Меню настройки позволяет задать:
- Максимальный ток, при котором произойдет отключение нагрузки
- Коэффициент коррекции делителя напряжения R4-R5
- Коэффициент коррекции шунта Rs1
- Коэффициент коррекции шунта Rs2
- Коэффициент смещения нуля усилителя U1
- Коэффициент смещения нуля усилителя U2
- Частоту обновления данных на экране

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Файлы:
Проект в Altium Designer
Прошивка


Все вопросы в Форум.


ID: 1868

Как вам эта статья?

 Нравится
 Так себе
 Не нравится

Заработало ли это устройство у вас?

 Заработало сразу
 Заработало после плясок с бубном
 Не заработало совсем

49 2 3
2
Подробно