Среднеквадратичный вольтметр/амперметр для зарядного устройства.

Автор: dr.doc
Опубликовано 28.10.2014
Создано при помощи КотоРед.

Здравствуйте, уважаемые посетители сайта. Свою статью (как сказ Кот – нетленку) начну с небольшой предыстории, за что прошу сильно не пинать.

Один мой знакомый занимается изготовлением зарядных устройств на основе силового низкочастотного трансформатора с регулировкой тока заряда при помощи СИФУ и силовых тиристоров. Все бы хорошо, но, как в сказке, все хорошее когда-нибудь кончается. Закончилось и у него – пропали из продажи дешевые измерительные приборы, которые устанавливались в зарядные устройства. Он попросил помощи, и я откликнулся.

На этапе проработки технического задания мы пришли к выводу, что для удешевления конечного устройства можно применить один индикатор, но сделать переключение между измерением напряжения и тока (ток измеряется у него трансформатором тока, поэтому, по сути, получился двухканальный вольтметр). Сказано – сделано. В качестве основы был применен микроконтроллер ATmega8a, как один из самых дешевых и доступных приборов.

Первоначально был реализован алгоритм с цифровым рекурсивным фильтром, основное назначение которого – сглаживать рваную синусоиду (результат работы тиристора с управлением от СИФУ). Как оказалось в дальнейшем – этих мер недостаточно по двум причинам: первая – недостаточная фильтрация, вторая – при увеличении постоянной времени фильтра его выходной сигнал устанавливался неоправданно долго. Выглядело это так – крутнул ручку регулятора, а показания только начинают ползти. Естественно, работать в таком случае становится просто нереально.

Перелопатив горы ссылок в поисках идей реализации вольтметра, удовлетворяющего всем требованиям заказчика, я пришел к выводу что здесь необходим среднеквадратичный вольтметр с временем измерения, кратным частоте питающей сети. Для нашего стандарта это 50 Гц.

В итоге был разработан следующий алгоритм работы прибора, основанный на дискретном (суммарная площадь вписанных в сигнал прямоугольников) вычислении интеграла:

Для его реализации была выбрана частота работы МК в 4 МГц. Период прерываний по таймеру TMR2 – 250мкС. При 240 измерениях число измеряемых периодов сетевого напряжения составит 3.

Таким образом в прерывании по таймеру мы выполняем сразу два действия – отсчитываем временные интервалы и выводим динамическую индикацию на трехразрядный семисегментный индикатор.

Но это все оказалось цветочками. В «последний момент» заказчик сообщил о том, что измеряемое напряжение у него – отрицательное. И пришлось добавлять операционный усилитель. Да не просто добавлять, а предугадывать всевозможные непредсказуемые изменения техзадания. В итоге схемотехника получилась такова, что запайкой резистора в соответствующее место мы получаем вольтметр отрицательного либо положительного напряжения. Каскад для этих целей получился таким:

Усиление каскада определяется отношением сопротивления резисторов R2 к R1. А знак – запайкой R3 – повторитель, или R3’ – инвертор. Питание DA1 – двухполярное, для устранения не нулевого выходного значения при закороченном входе операционника. Отрицательное значение напряжения получается из меандра с выхода МК при помощи однополупериодного выпрямителя.

Для исключения влияния напряжения насыщения выходного каскада ОУ на измерения, опорное напряжение для АЦП МК берется внешнее. В целях удешевления в исходном варианте опорное берется от напряжения питания, делится пополам и подается на ножку микроконтроллера.

Плата вольтметра/амперметра разведена с учетом использования на ней индикаторов как с общим катодом, так и общим анодом. Для понимания принципов работы приведу участки схем:

Испытывались оба варианта. Красным цветом обозначены SMD перемычки, одну из которых необходимо запаять.

Коэффициент усиления усилителей выбирается таким, чтобы амплитуда измеряемого сигнала не превышала опорное значение.

Настраивать вольтметр проще всего по постоянному напряжению, оно достаточно точно измеряется китайскими «братьями по разуму». Канал тока – сложнее. Если измерение идет с шунта, то так же как и канал напряжения – постоянкой, а если с трансформатора тока то тут проще всего будет подключить амперметр переменного тока в первичную цепь и подключить к источнику переменного напряжения. В таком случае через образцовый прибор будет протекать переменный ток синусоидальной формы, на который он и рассчитан. Естественно, при наличии TruRMS прибора все куда проще…

В архиве приведен проект для AtmelStudio 6, файл MathCad 15 с некоторыми расчетами среднеквадратичных значений, проект Proteus с упрощенной по максимуму схемотехникой.

Файлы:
Алгоритм в SPlan
Архив платы
Проект к AtmelStudio
Файл протеуса
Печатная плата без масштаба
Файл схемы

Все вопросы в Форум.