Predslov
V starých, preddigitálnych časoch sa každý z nás musel uspokojiť s ukazovateľmi na meranie, počnúc obyčajnými hodinkami, váhami a končiac... hmm, takže hneď ani nenájdeme hranicu ich použitia! No, povedzme - presný laboratórny mikro- alebo ešte pôsobivejší - pikoampérmeter. A tried presnosti bolo pomerne veľa, v závislosti od účelu.
Napríklad obyčajný ukazovateľ množstva paliva v nádrži auta je najjasnejším príkladom maximálnej nepresnosti odčítania! Nepoznám jediného motoristu, ktorý by sa spoliehal na tento „zobrazovač“ a nenatankoval vopred. Zarytí pesimisti vodičov nejazdili bez kanistra paliva v kufri!
Ale v laboratóriách, najmä v Štátnom overovacom výbore, boli výhybkári so zrkadlovou stupnicou a triedou presnosti oveľa lepšou ako 0,5.
A takmer všetci sme boli spokojní a šťastní. A ak neboli spokojní, kúpili si presnejšie prístroje, samozrejme, ak je to možné!
Teraz však prišiel digitálny vek. Všetci sme sa z toho tešili - teraz hneď vidíme čísla na ukazovateľoch a sme spokojní s „presnosťou“, ktorú nám ponúka. Navyše v modernej dobe stoja tieto všadeprítomné „digitály“ rádovo menej ako „nepresné prepínače“, ktoré sa stali vzácnosťou. Málokto si však myslí, že množstvá zobrazené v číslach stále zostávajú analógové, či už ide o hmotnosť alebo aktuálnu silu - na tom nezáleží. To znamená, že tieto veličiny sú stále merané analógovo! A len na spracovanie a prezentáciu sú prevedené na digitálnu hodnotu. Tu sú skryté chyby, čo nás vedie k prekvapeniu, keď dva rôzne izbové teplomery na rovnakom mieste ukazujú rôzne hodnoty!
Cesta od nameranej hodnoty k indikátoru
Poďme sa pozrieť na celý proces merania-indikácie. Navyše, zámerne volím elektrické množstvo. Po prvé, stále sme na stránke elektroinžinierov, nie tepelných fyzikov alebo pekárov, nech mi odpustia licenciu na porovnanie! Po druhé, chcem svoje úvahy posilniť príkladmi z vlastnej skúsenosti.
Najprv si vyberiem aktuálnu silu!
Budem musieť zopakovať frázu, že na získanie digitálnej reprezentácie analógovej veličiny potrebujete analógovo-digitálny prevodník (ADC). Ale keďže je to pre nás samo o sebe stále málo užitočné, na dokončenie všetkého plánovaného budeme potrebovať ďalšie uzly. menovite:
- pred samotným ADC potrebujete normalizačné zariadenie, povedzme: normalizačný zosilňovač alebo atenuátor, v závislosti od pomeru vstupnej hodnoty k rozsahu prevodu ADC;
- dekodér za ADC, ktorý predstavuje prevedený číselný ekvivalent na digitálny kód zodpovedajúceho indikátora.
Existujú hotové mikroobvody, ktoré kombinujú ADC aj dekodér. Napríklad ICL7136 alebo podobné, používané v multimetroch.
V podstate sú všetky tieto uzly v tej či onej forme jednoducho nevyhnutné. Samotný snímač som ešte nepomenoval - v tomto prípade prevodník prúdu na napätie, alebo jednoducho skrat.
Poďme si teda v krátkosti prejsť celý reťazec. Prúd pretekajúci bočníkom (výkonný odpor s veľmi nízkym odporom) vytvára potenciálny rozdiel na jeho póloch. Guten Tag, Herr Ohm! Tento rozdiel je ale dosť malý a nie každý ADC je schopný túto hodnotu plne previesť, takže signál (napätie) z bočníka treba zosilniť na prijateľnú hodnotu. Preto je potrebný normalizačný zosilňovač. Teraz ADC po prijatí stráviteľného napätia na vstupe vykoná konverziu s minimálnou možnou chybou. Na jeho výstupe dostaneme číslo zodpovedajúce aktuálnej hodnote meraného prúdu vo zvolenom rozsahu, ktoré je potrebné príslušne dekódovať, aby sa zobrazilo na indikátore. Preveďte ho napríklad na sedemsegmentový indikátorový kód.
Tu nevidím potrebu podrobnejšie sa venovať každej z vyššie uvedených etáp, keďže v článku sledujem iný cieľ. A podrobností sa dá nájsť na internete neúrekom.
Špecifiká
Mám tzv elektronické zaťaženie s indikátorom prietoku prúdu. Existuje základná schéma samotnej záťaže, ale tam budete potrebovať externý ampérmeter na presnejšie nastavenie prúdu. Obe zariadenia som sa rozhodol prepojiť, aby som ušetril miesto a nemal celý kŕdeľ multimetrov.
Môj vstavaný ampérmeter je zostavený a naprogramovaný na Tiny26L MK. Súčasťou tohto ampérmetra je druhý (voľný) operačný zosilňovač čipu LM358, ktorý je súčasťou základného predradného obvodu. Tie. Toto je môj štandardizačný zosilňovač, pretože maximálny pokles napätia na bočníku (5A x 0,1 ohm) je iba 0,5 voltu, čo zjavne nestačí na celý rozsah konverzie s interným referenčným napätím.
Podľa T.O. (Angličtina = Datasheet) nominálne napätie vstavaného referenčného zdroja (ION) je 2,56 voltov. Veľmi pohodlná veľkosť! V praxi to však nie je také skvelé: upravené ION napätie môjho MK sa ukázalo byť 2,86 voltov! Ako som to zistil, je samostatná téma. Ešte sa vráťme k pohodlným 2,56 voltom. Pozrite sa, čo sa stane: na bočníku klesne maximálne 0,5 voltu, ADC konvertuje maximálne 2,56 voltu. Navrhuje sa normalizačný zosilňovač so ziskom 5, potom číslo získané počas prevodu nebude vyžadovať žiadnu pokročilú aritmetiku na vyjadrenie výsledku: 5 ampérov = 2,5 voltov = 250 jednotiek (pre 8-bitový prevod). Stačí vynásobiť výsledok dvoma a umiestniť desatinnú čiarku medzi stovky a desiatky, aby ste získali veľmi pohodlné zobrazenie: jednotky, desatiny a stotiny ampéra. Konečná transformácia na sedemsegmentové znaky je technologickou záležitosťou. Všetko je v poriadku, môžete to implementovať do hardvéru!
Ako som však už ukázal na príklade vstavaného IONa, prijateľnú (nehovoriac o vysokej!) presnosti sa s použitými komponentmi tak ľahko dosiahnuť nedá. Cestou kompenzácie chýb sa môžete vydať matematicky, pomocou programu v MK, aj keď to bude vyžadovať kalibráciu. Táto cesta je celkom ľahko implementovaná v C a iných jazykoch. vysokej úrovni. Ale pre mňa, tvrdohlavého assemblera, motanie sa s matematikou pomocou inštrukcií RISC je bolesť hlavy navyše!
Zvolil som inú cestu - korekciu zosilnenia normalizačného zosilňovača (NA). Nepotrebujete na to veľa – jeden orezávací odpor! Jeho hodnotu je potrebné zvoliť správne, aby rozsah nastavenia bol dostatočný, ale nie prehnaný.
Výber prvkov normalizačného zosilňovača
Preto je potrebné určiť rozsah nastavenia. Prvým krokom je určenie tolerancií komponentov. Napríklad môj bočník má toleranciu chýb 1%. Ostatné odpory v obvode normalizačného zosilňovača môžu mať toleranciu až 10 %. A nezabudnite na nepresnosť nášho ION, ktorá v mojom prípade predstavovala takmer +12%! To znamená, že skutočné prevedené číslo bude takmer o 12 % nižšie. Ale keďže túto chybu už poznám, zohľadňujem ju v zisku NU, ktorý by mal byť 5,72. A keďže skutočné chyby ostatných komponentov nie sú známe, zostáva nájsť maximálnu možnú celkovú chybu, aby bolo možné vypočítať rozsah nastavenia.
Jednoduchý súčet týchto „percent“ sa navrhuje sám: 1 % skrat plus 2 krát 10 % odpory spätná väzba OU. Celkom: 21 %.
Pozrime sa, či je to naozaj tak. Aby sme to urobili, pozrime sa na časť diagramu, kde je uvedená táto NU s už vybranými hodnotami:
Ako vidíte, existuje neinvertujúci zosilňovač s laditeľným prenosovým koeficientom, teoreticky nastaviteľným od 4,979 do 6,735 pri hodnotách uvedených v diagrame. Ak však vezmeme do úvahy našu ±10% možnú chybu každého z rezistorov, dostaneme pri najhoršej kombinácii Ku = 5,864 - 8,009, čo jasne prevyšuje požadovaný koeficient! Ak dôjde k tejto kombinácii, budete musieť vziať iné nominálne hodnoty. Je lepšie okamžite zvýšiť hodnotu ladiaceho odporu, napríklad na 39k. Potom bude spodná hranica Ku 5,454, čo je už prijateľné.
No, ja – „skutočný rádiový narkoman“ – som si musel vybrať zastrihávač z toho, čo bolo k dispozícii, a mal som jednoducho šťastie, že som do tohto sortimentu investoval! Ak by som mal zastrihávač inej hodnoty, nevadilo by, prepočítal by som R2 a R3, ktoré majú v mojom prípade toleranciu 5%, takže som nemusel brať ďalší zastrihávač.
Prekonávanie svojich nedostatkov a opomenutí
Zdalo by sa, že všetko bolo premyslené a vypočítané - pridajte poplatok. Najprv otestujme tento dizajn na doštičke! Len čo sa povie, tak urobí! Ku sa prestavuje nie celkom tak, ako sa očakávalo, ale v rámci toho, čo je nevyhnutné. Indikátor však neukázal 0,00, keď nebol prúd záťaže! V prvom rade som mal podozrenie, že program je v MK, ale keď bol vstup ADC skratovaný na spoločný vodič, objavili sa vzácne nuly. To znamená, že na vstup MK prichádza niečo iné ako nula voltov. Testovanie pomocou multimetra potvrdilo tento predpoklad a stanovilo ďalšiu úlohu. Bez toho, aby som zachádzal do detailov môjho výskumu, popíšem len výsledok.
Dôvod sa ukázal byť nasledujúci: Úplne som nebral do úvahy, že operačný zosilňovač, ktorý som použil, bol ďaleko od toho najlepšia kvalita. Nie je ani tzv. „rail-to-rail“. To znamená, že jeho výstupný potenciál nikdy nedosiahne žiadny z napájacích pólov, t.j. v mojom prípade sa to nikdy nebude rovnať 0 voltom! Teraz, ak by bol napájaný z bipolárneho zdroja, potom by bol výstup očakávanou nulou. Ale moje napájanie je unipolárne a nemal som v úmysle komplikovať obvod nejakým prevodníkom. Riešenie sa našlo vo vytvorení “virtuálnej krajiny”, t.j. Vďaka samostatnému zdroju energie (oproti základnému obvodu) som mohol pomocou diódy posunúť potenciál spoločného vodiča voči zápornému pólu batérie.
Takže doska je leptaná a spájkovaná. Je čas zabaliť tento dizajn do puzdra. Čo sa v skutočnosti aj podarilo. Počas prevádzky sa však objavila ďalšia malá chyba - drift vstupných obvodov operačného zosilňovača. To sa prejavilo negatívnym posunom v čítaní, t.j. pri prúde pár desiatok miliampérov indikátor stále ukazoval nuly, čo mi nevyhovovalo! Povolil by som posun o niekoľko mA - stále sa nezobrazujú jednotky miliampérov. Musel som zaviesť obvod predpätia na vstup NU.
Hodnoty R4 a RZ sa vyberajú tak, aby poskytovali odchýlku plus/mínus niekoľko desiatok milivoltov vzhľadom na „virtuálnu zem“. Nemal som chuť prerábať hotovú dosku a pridal som potrebnú nastaviteľnú prepážku namiesto Ku nastavovača.
Vo všeobecnosti výsledné zariadenie spĺňa moje potreby. Dá sa to samozrejme dlhodobo vylepšovať, ale zatiaľ netreba!
O digitálnej časti a matematike budem hovoriť nabudúce na príklade voltampérmetra laboratórny blok výživy.
Jednoduchý voltmeter striedavého napätia s frekvenciou 50 Hz je vyrobený vo forme vstavaného modulu, ktorý môže byť použitý buď samostatne, alebo zabudovaný do hotového zariadenia.
Voltmeter je zostavený na mikrokontroléri PIC16F676 a 3-cifernom indikátore a neobsahuje príliš veľa častí.
Hlavné vlastnosti voltmetra:
Tvar meraného napätia je sínusový
Maximálna hodnota nameraného napätia je 250 V;
Frekvencia meraného napätia - 40…60 Hz;
Rozlíšenie zobrazenia výsledku merania je 1 V;
Napájacie napätie voltmetra je 7…15 V.
Priemerná spotreba prúdu - 20 mA
Dve možnosti dizajnu: s napájaním na palube a bez neho
Jednostranná doska plošných spojov
Kompaktný dizajn
Zobrazenie nameraných hodnôt na 3-miestnom LED indikátore
Schematický diagram voltmetra na meranie striedavého napätia
Realizované priame meranie striedavého napätia s následným výpočtom jeho hodnoty a výstupom do indikátora. Namerané napätie sa privádza na vstupný delič vyrobený na R3, R4, R5 a cez oddeľovací kondenzátor C4 sa privádza na vstup ADC mikrokontroléra.
Rezistory R6 a R7 vytvárajú na vstupe ADC napätie 2,5 V (polovičný výkon). Kondenzátor C5 s relatívne malou kapacitou obchádza vstup ADC a pomáha znižovať chyby merania. Mikrokontrolér organizuje činnosť indikátora v dynamickom režime na základe prerušení od časovača.
--
Ďakujem za pozornosť!
Igor Kotov, šéfredaktor časopisu Datagor
▼ 🕗 01/07/14 ⚖️ 19,18 Kb ⇣ 239 Dobrý deň, čitateľ! Volám sa Igor, mám 45 rokov, som Sibírčan a zanietený amatérsky elektroinžinier. Vymyslel som, vytvoril a udržiavam túto úžasnú stránku od roku 2006.
Už viac ako 10 rokov existuje náš časopis len na moje náklady.
Dobre! Darček sa skončil. Ak chcete súbory a užitočné články, pomôžte mi!
Sieť 220 V je vo väčšine prípadov hlavným zdrojom energie pre zariadenia obsahujúce MK. Okrem toho môže slúžiť ako informačný a riadiaci kanál. Relevantné sú tieto úlohy:
- meranie frekvencie siete a sieťové napätie;
- kontrola dostupnosti sieťového napájania pri prechode na záložný zdroj;
- Prenos informačných signálov cez sieťové káble;
- časovanie prevádzky zariadenia zo sieťovej frekvencie;
- určenie momentu, kedy striedavé napätie prekročí nulu, aby sa spínali rôzne záťaže s minimálnou úrovňou rušenia.
Normy krajín SNŠ umožňujú šírenie sieťového napätia v rozsahu 187...242 V a zmenu frekvencie v rozsahu 49...51 Hz. Tieto parametre sa však líšia v závislosti od krajiny a kontinentu (tabuľka 3.1), ktoré je potrebné brať do úvahy pri vývoji produktov na export.
Tabuľka 3.1. Normy elektrické siete v rôznych krajinách
Na prispôsobenie sieťového napätia 220 V nízkonapäťovým vstupom MC sa používajú odporové deliče (obr. 3.1, a...h), optické (obr. 3.2, a...g) a transformátorové (obr. 3.3, a...h) rozuzlenie. V posledných dvoch prípadoch je zaručené galvanické oddelenie primárneho a sekundárneho okruhu, čo zvyšuje bezpečnosť.
Ryža. 3.1. Schémy neizolovaných snímačov sieťového napätia 220 V (štart):
A) dióda VD1 odreže zápornú polvlnu napätia, rezistor R2 reguluje amplitúdu signálu na vstupe MK (frekvencia 50 Hz), kondenzátor C1 eliminuje rušenie;
b) vstup MK prijíma signál s dvojnásobnou frekvenciou 100 Hz z mostového usmerňovača;
V) napájací vodič MK +5 V je galvanicky spojený so sieťou 220 V Rezistor R1 obmedzuje prúd vnútorným ochranné diódy MK (0,1...0,3 mA). Frekvencia signálu 50 Hz;
G) tranzistory VTI, VT2 tvoria obojsmerný obmedzovač napätia so záťažou vo forme odporu R2. Tranzistor VT3 je invertorový zosilňovač. Kondenzátor C1 chráni MK pred spínacím rušením, ktoré sa môže vyskytnúť v 220 V sieti pri prevádzke tyristorov;
d) MK kontroluje prevádzkyschopnosť triaku VS1 a absenciu prerušenia záťaže Kondenzátor C1 má veľkú kapacitu, takže napätie na vstupe MK je spriemerované. Rezistor R2 nastavuje prah napätia, pod ktorým sa má za to, že došlo k nehode;
e) pre zariadenia, ktoré sú kritické pre polaritu zástrčky napájacia zásuvka, „nula“ (N) a „fáza“ (L) sa určujú pomocou štandardného elektrikárskeho prístroja „svetelný skrutkovač“;
a) obojsmerné obmedzenie sieťového napätia internými diódami MK. Vysokonapäťový kondenzátor C1 (250 V AC) v prípade prerušenia odporu R3.
Ryža. 3.2. Schémy snímačov sieťového napätia 220 V s optickou izoláciou (začiatok):
A) fototranzistory optočlena VU1 sa zatvoria na 0,1...0,2 ms v okamihu, keď sieťové napätie prekročí nulu. Presné trvanie sa volí odporom R2, frekvencia 100 Hz;
b) tvarovač impulzov s frekvenciou 50 Hz. Dvojité galvanické oddelenie: na optočlene VU1 a na transformátore 77. Zaťaženie kolektora optočlena je vnútorný odpor MK. Schottkyho dióda VD1 chráni emitor optočlena VU1 pred spätným napätím;
V) podobne ako na obr. 3.2, a, ale na dvoch samostatných optočlenoch a bez tranzistorového spínača;
G) MK kontroluje neprítomnosť prerušenia záťaže prítomnosťou impulzných signálov s frekvenciou 50 Hz. Diódy VD1... VD6 sú paralelné (chrbtom k sebe) pre maximálnu symetriu obvodu;
Ryža. 3.2. Schémy snímačov sieťového napätia 220 V s optickou izoláciou (koniec)“.
d) dvojstupňový sieťový tvarovač impulzov pomocou tranzistorov VTI, VT2. Frekvencia signálu na vstupe MK je 100 Hz. Primárna strana drivera je napájaná z parametrického stabilizátora zostaveného na prvkoch R3, VD2, VD3, C1. Diódový mostík VD1 musí byť navrhnutý pre spätné napätie najmenej 400 V;
e) indikátor prítomnosti sieťového napätia s galvanickým oddelením na optočlene VU1. Prvky C1, R2 slúžia ako reaktívny a aktívny predradník pre zenerovu diódu VD5, resp. Keď je sieť 220 V vypnutá, kondenzátor C1 sa rýchlo vybije cez odpor R1 (zlomky sekundy). To zvyšuje bezpečnosť, inak môže dôjsť k vybitiu kondenzátora cez ľudské telo, ak sa náhodou dotknete rukou bez napájacej zástrčky;
a) LED HL1 indikuje prítomnosť sieťového napájania a chráni emitor optočlena VU1 pred spätným napätím. Rezistor RI nastavuje prúd cez optočlen s kladnou polvlnou a cez LED HL1 so zápornou polvlnou. Frekvencia impulzov na vstupe MK je 50 Hz.
Ryža. 3.3. Schémy snímačov sieťového napätia 220 V s izoláciou transformátora (začiatok):
A) tranzistorový tvarovač impulzov s frekvenciou 100 Hz. Kondenzátor C2 potláča impulzný šum. Rezistor RI je zvolený tak, aby bolo zaručené, že tranzistor VT1 bude otvorený pri najnižšom napätí siete. Ten je zase určený koeficientom prenosu transformátora 77. Napätie s diódový mostík VD1...VD4 tiež vstupuje do hlavného energetického systému, ktorý generuje napätie +5 V pre MK;
b) detektor prechodu sieťového napätia cez nulu. Komparátor DA1 zvyšuje strmosť hrán signálu a zvyšuje odolnosť proti šumu. Výstup komparátora (otvorený kolektor) je naložený na „pull-up“ rezistor R3. Diódy VD5, VD6 obmedzujú napätie na vstupoch komparátora na 0,6...0,7 V pri kladnej polvlne sieťového napätia a diódy zahrnuté v mostíku VDI...VD4 pri zápornej polvlne;
V) rezistor R2 vytvára pulzujúce napätie s frekvenciou 100 Hz. Kondenzátor C1 potláča RF rušenie. Prvky VD3, R1 chránia MK pred prepätiami sieťového napätia. Diódy VD1, VD2 musia byť pripojené k adaptéru A1 samostatnými vodičmi;
G) z diódového mostíka VDI... VD4 sa na vstupy analógového komparátora MK privádza pulzujúce napätie s frekvenciou 100 Hz. Zenerove diódy VD5, VD6 musia mať prahové napätie nižšie ako napájacie napätie MK (v tomto prípade je to +5 V). Diódy VD7, VD8 chránia MK pred veľkými napäťovými nerovnováhami na vstupoch komparátora;
Ryža. 3.3. Schémy snímačov sieťového napätia 220 V s izoláciou transformátora (koniec):
d) tvarovač pravouhlých impulzov na úrovni TTL zo striedavého sieťového napätia 9...12 V. Využíva sa voľný kanál čipu DA1 (ovládač rozhrania RS-232), ktorý má na vstupe Schmittovu spúšť. Chain RI, C2 slúži ako vysokofrekvenčný interferenčný filter;
e) odpory R2, R3 tvoria delič s úrovňou +2,5 V tak, aby MK ADC pracoval v lineárnom režime. Frekvencia impulzov odobratých z obmedzovača diódy VD3, VD4 je 50 Hz;
a) podobne ako na obr. 3.3, d, ale s dvoma pármi Schottkyho obmedzovacích diód VD2...VD5. Ide samozrejme o zaistenie pre prípad poruchy diód umiestnených vo VDI mostíku;
h) amplitúda vstupného napätia MK s frekvenciou pulzovania 100 Hz je regulovaná odporom R2. Pri vypnutej sieti veľkokapacitný kondenzátor C1 nejaký čas udržiava napájacie napätie +5 V, aby mal MK čas správne dokončiť softvérové postupy.
Vzdialený voltmeter na mikrokontroléri AVR- prístroj, ktorý umožňuje na diaľku merať hladinu striedavé napätia z niekoľkých zdrojov (v tejto verzii - 6 kanálov) a zobrazí prijaté údaje na šiestich displejoch, z ktorých každý je trojmiestny sedemsegmentový indikátor. Digitálny voltmeter na AVR zabezpečuje neustále monitorovanie napájania zariadení umiestnených v určitej vzdialenosti od pracoviska operátora. Teraz sa prístroj používa na meranie napätia troch fáz na vstupe a výstupe priemyselného normalizátora napätia - trojfázového stabilizátora. Stanovisko operátora sa nachádza vo vzdialenosti cca 800m od stabilizátora.
Konštrukcia digitálneho voltmetra pozostáva z dvoch modulov:
- merací a prenosový modul umiestnený priamo na mieste merania;
- prijímací a zobrazovací modul inštalovaný na pracovisku operátora.
Spojenie častí voltmetra sa vykonáva pomocou bežného telefónneho páru (rezance). Na zvýšenie odolnosti komunikačného kanála voči rádiovému rušeniu je možné použiť krútenú dvojlinku. Komunikačná linka je galvanicky oddelená od ostatných prvkov zariadenia, ktoré sú pod vysokého napätia, dáta sa prenášajú cez komunikačný kanál prúdovým signálom do 30 mA.
Vlastnosti zariadenia:
- Rozsah meraného napätia: 100 – 330V AC;
- Frekvencia meraných napätí: 50Hz;
- Frekvencia merania: 0,5 sek. (frekvencia aktualizácie nameraných hodnôt na 6 kanáloch);
- Prevádzkové napájacie napätie prijímacieho a zobrazovacieho modulu: 7 - 25V DC;
- Úroveň galvanického oddelenia modulov: 5,0 kV;
- Chyba merania napätia: ±1,5 %.
V schéme digitálny voltmeter transformácia analógový signál digitálny sa vyrába pomocou ADC, založeného na mikrokontroléri AVR - ATmega8. Meranie hodnoty efektívneho napätia je realizované pomocou algoritmu na určenie vrcholu sínusového signálu a jeho následným vynásobením koeficientom amplitúdy sínusoidy.
Prevádzkové napájanie meracieho a prenosového modulu digitálny voltmeter je zabezpečené beztransformátorovým napájaním z jedného z kanálov meraného napätia, v tomto obvode z prvého kanála. Úroveň napätia v kanáli musí byť aspoň 90V - minimálna úroveň napätia, pri ktorej modul zostane funkčný.
Indikáciu činnosti komunikačnej linky medzi modulmi zariadenia zabezpečuje LED HL1 umiestnená v meracom module.
Schematický diagram modulu príjmu a zobrazenia digitálneho voltmetra:
Prevádzkové napájanie prijímacieho a zobrazovacieho modulu je zabezpečené externým zdrojom 7-25V DC. Počas bežnej prevádzky voltmeter na AVR indikátory zobrazujú hodnoty nameraných napätí. Ak je komunikačný kanál prerušený alebo merací a prenosový modul nefunguje správne, to znamená, že z meracieho modulu nie sú prijaté žiadne dáta dlhšie ako 2 periódy aktualizácie dát (asi 1,4 sekundy), na indikátoroch sa zobrazí „Err“. Po obnovení spojenia sa indikácia automaticky obnoví. Pokles úrovne napätia na ktoromkoľvek z kanálov, s výnimkou prvého, pod 100 V spôsobí, že sa na príslušnom indikátore zobrazia pomlčky „---“ a na ostatných indikátoroch sa zobrazia namerané hodnoty napätia, resp.4.08 (12 hlasov)
Mikrokontroléry ATmega (rovnako ako niektoré modely rodiny ATtiny) majú 10-bitové moduly ADC, ktoré možno použiť na meranie analógového napätia. Tieto ADC sú pomerové, to znamená, že robia meranie relatívne k niektorým základná úroveň(zvyčajne Vcc).
V prípade dosiek kompatibilných s Arduino, ktoré sú napájané regulovaným napätím 5 V, to znamená, že môžete merať v rozsahu 0..5 V s rozlíšením úrovní 0..1023, pričom dosiahnete rozlíšenie cca. 5 mV na krok.
Ak máte „voltmeter“, skôr či neskôr ho budete chcieť použiť na ovládanie napätia dodávaného na napájacie kolíky mikrokontroléra.
Prvé riešenie, ktoré príde na myseľ, je pripojiť nohu Vcc k jednému z analógových vstupov a zavolať funkciu analogRead(). Nebolo to tak - bez ohľadu na to, aké napätie je napájané mikrokontrolérom, ADC vráti rovnakú hodnotu - 1023.
Ako teda môžeme určiť, aké napätie napája náš mikrokontrolér? Koniec koncov, je to životne dôležité pre autonómne napájanie, pretože dokáže okamžite zistiť, kedy je batéria vybitá.
Zdroj referenčného napätia, ktorý je k dispozícii v každom (dobre, dobre, takmer v každom) modeli ATmega/ATtiny, môže prísť na pomoc a produkovať presne (dobre, dobre, približne) 1,1 V. Ak toto napätie odčítame pomocou napájacieho napätia ako referenčného ( Vcc), potom po vykonaní niekoľkých aritmetické operácie, môžeme získať požadovanú hodnotu. Takže:
- Predpokladajme, že náš ADC vrátil hodnotu „x“, čo zodpovedá napätiu 1,1 V
- s 5V ako Vcc by sme mali dostať hodnotu približne rovnajúcu sa 1100 / 5000 * 1023 = 225
- no, ak by sme urobili to isté s Vcc = 3,3 V, mali by sme dostať hodnotu 1100 / 3300 * 1023 = 341
- alebo vo všeobecnosti: 1100 / Vcc * 1023 = x
- Po vykonaní jednoduchých transformácií zistíme, že Vcc = 1100 / x * 1023
To znamená, že musíme zmerať vnútorné referenčné napätie 1,1 V a potom môžeme povedať, aké napätie Vcc napája náš mikrokontrolér!
„Je to normálne, Grigory? Skvelé, Konstantin!"
Ale počkajte, aby ste si veselo mädlili ruky: žiaľ, funkcia široko používaná v kruhoch Arduina analogRead() Nebude možné vynútiť meranie vnútorného referenčného napätia. Budeme musieť ísť obchádzkou...
Alebo sa radšej pozrite do údajového listu a po získaní niektorých informácií vykonajte potrebnú konverziu manuálne. Takto to bude vyzerať pre Arduino:
Statické int vccRead (bajt us =250) ( ADMUX = 1< Do kódu funkcie vccRead bolo zavedené oneskorenie us, aby sa stabilizovali výsledky merania a zvýšila sa ich presnosť. Malý numerický experiment ukazuje, že optimálne výsledky sa dosahujú s oneskorením 100 µs. Tu sú výsledky, ktoré som získal pre rôzne hodnoty latencie pri napájaní z USB:
10 us
50 us
100 us
200 us
300 us
3049
4278
4295
4137
4167
4311
4311
4152
4121
4311
3827
4829
4871
4808
4748
4829
4850
4829
4829
4808
4669
5068
5091
5068
5068
5091
5091
5068
5068
5091
5138
5138
5138
5138
5161
5138
5138
5138
5161
5138
3641
4688
4768
4768
4688
4748
4768
4768
4748
4650