Схемы вольтметра на одной микросхеме
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).
Вольтметр автомобильный. Подборка схем
Немало автомобилистов сталкивается с такой проблемой, как непредвиденный разряд аккумулятора. Особенно неприятно, когда происходит это в пути далеко от дома. Одной из причин может быть выход из строя генератора авто. Предупредить надвигающийся разряд аккумулятора поможет вольтметр автомобильный. Ниже приведем несколько простых схем подобного устройства.
Вольтметр автомобильный на микросхеме LM3914
Это схема автомобильного вольтметра предназначена для контроля напряжения бортовой сети автомобиля в пределах от 10,5В до 15В. В качестве индикатор используются 10 светодиодов.
Основа схемы – интегральная микросхема LM3914. Данная микросхема способна оценить входное напряжение и вывести результат на 10 светодиодов в режиме точка или столбик. Микросхема LM3914 способна работать в широком диапазоне питания (3В…25В). Яркость свечения светодиодов можно выставить при помощи внешнего переменного резистора. Выходы микросхемы совместимы с ТТЛ и КМОП логикой.
Десять светодиодов VD1-VD10 отображают текущее значение напряжения аккумулятора или напряжение бортовой сети автомобиля в режиме точки (вывод 9 не подключен или подключен на минус) или столбика (вывод 9 подключен на плюс питания).
Резистор R4 подключенный между контактами 6,7 и минусом питания задает яркость свечения светодиодов. Резисторы R2 и переменный резистор R1 образует делитель напряжения. При помощи переменного резистора R1 производится настройка верхнего уровня напряжения, а при помощи R3 нижнего.
Как уже было сказано ранее, данный автомобильный вольтметр обеспечивает индикацию от 10,5 до 15 вольт. Калибровка схемы выполняется следующим образом. Подайте на вход схемы вольтметра напряжение 15 вольт от блока питания. Затем изменяя сопротивление резистора R1, необходимо добиться, чтобы зажегся светодиод VD10 (в режиме точка) или все светодиоды VD…VD10 (в режиме столбик).
Затем на вход подайте 10,5 вольт и переменным резистором R3 добейтесь, чтобы горел только светодиод VD1. Теперь увеличивая напряжение с шагом 0,5 вольта, светодиоды один за другим будут загораться, и при напряжении 15 вольт будут гореть все светодиоды. Переключатель SA1 предназначен для переключения между режимами индикации точка/столбик. При замкнутом переключателе SA1 – столбик, при разомкнутом – точка.
Автомобильный вольтметр на транзисторах
Следующая схема автомобильного вольтметра построена на двух биполярных транзисторах. Когда напряжение на аккумуляторе составляет менее 11 вольт, стабилитроны VD1 и VD2 не пропускают ток, из-за чего горит только красный светодиод, указывающий на низкое напряжение бортовой сети автомобиля.
Если напряжение находится между 12 и 14 вольт, стабилитрон VD1 открывает транзистор VT1. Зеленый светодиод загорается, указывая на нормальное напряжение. Если напряжение батареи превышает 15 вольт, стабилитрон VD2 открывает транзистор VT2, в результате чего загорается желтый светодиод, показывающий значительное превышение напряжения в сети автомобиля.
Встраиваемый цифровой вольтметр с диапазоном измерения -199.9 . +199.9 мВ
Встраиваемый цифровой вольтметр может использоваться в качестве устройства индикации в измерительных приборах [5], для контроля выходного напряжения блоков питания, а также для совместной работы с различными электронными преобразователями [1, 2, 4, 7]. Разработаны два типа вольтметров — со светодиодным и жидкокристаллическим индикатором.
Вольтметр со светодиодным индикатором
Технические характеристики:
- измеряемое напряжениепостоянное, диапазон измерений 0 . + 199.9 мВ, число отсчетов — 3в секунду
- погрешность измерения нехуже 0.2 %
- питание вольтметрадвухполярное ( + 5 вольт), потребляемая мощность не более 2100 мВт
- диапазон рабочих температур+10 0C . +35 0C, относительная влажность до 80 %при 20 0C
- габариты не более 100 х 75х 40 мм3
- масса не более 100 г
Схема электрическая принципиальная
Вольтметр собран по типовой схеме [6] на микросхеме DA1 КР572ПВ2А (аналог ICL7107), которая выполняет функцию аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с двойным интегрированием, автоматической коррекцией нуля и определением полярности входного сигнала. К выходу микросхемы непосредственно подключается 3.5-декадное цифровое табло с 7-сегментными светодиодными индикаторами типа АЛС321Б (АЛС324Б). Источник опорного напряжения (ИОН) +100 мВ собран по схеме резистивного делителя R1R2, подключаемого непосредственно к источнику питающего напряжения +5 В, который должен иметь достаточную стабильность. Режим работы АЦП определяется параметрами навесных элементов R4, R5, C1 — C4. Измеряемое напряжение подается на контакты IN+, IN-, потенциал которых может быть произвольным в пределах диапазона питающих напряжений.
Конструкция
Вольтметр состоит из двух печатных плат, на одной из которых собран АЦП с навесными элементами, а на другой — цифровое табло. Платы могут крепиться друг к другу под необходимым углом или могут быть разнесены. Соединение осуществляется пайкой или с помощью кабеля.
Вольтметр с жидкокристаллическим индикатором
Технические характеристики:
- измеряемое напряжениепостоянное, диапазон измерений -199.9 . +199.9 мВ, число отсчетов — 3 всекунду
- погрешность измерения нехуже 0.2 %
- питание вольтметрадвухполярное ( + 5 вольт), потребляемая мощность не более 12 мВт
- диапазон рабочих температур+10 0C . +35 0C, относительная влажность до 80 %при 20 0C
- габариты не более 100 х 75х 40 мм3
- масса не более 100 г
Схема электрическая принципиальная
Вольтметр собран по типовой схеме [6] на микросхеме DA1 КР572ПВ5А (аналог ICL7106), которая выполняет функцию аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с двойным интегрированием, автоматической коррекцией нуля и определением полярности входного сигнала. К выходу микросхемы непосредственно подключается 3.5-декадное цифровое табло с 7-сегментными жидкокристаллическими индикаторами типа ИЖЦ5-4/8. Источник опорного напряжения (ИОН) +100 мВ собран по схеме резистивного делителя R1R2, подключаемого непосредственно к источнику питающего напряжения +5 В, который должен иметь достаточную стабильность. Режим работы АЦП определяется параметрами навесных элементов R4, R5, C5 — C9. Измеряемое напряжение подается на контакты IN+, IN-, потенциал которых может быть произвольным в пределах диапазона питающих напряжений. Конденсаторы C1 — C4 выполняют роль фильтров в цепях питания. Схема на транзисторе VT1 обеспечивает подачу прямоугольных разнополярных импульсов на децимальную точку жидкокристаллического индикатора.
Конструкция
Вольтметр состоит из двух печатных плат, на одной из которых собран АЦП с навесными элементами, а на другой — цифровое табло. Платы могут крепиться друг к другу под необходимым углом или могут быть разнесены. Соединение осуществляется пайкой или с помощью кабеля.
Схема питания вольтметра от однополярного источника напряжением 12.6 вольт (аккумулятор)
Для получения двухполярного напряжения + 5 вольт из однополярного +12.6 вольт (аккумуляторная батарея) используются два стабилизатора напряжения: последовательный — DA1 (КР142ЕН5А, 7805) и параллельный — DA2 (TL431). Транзистор VT1 (КТ837У) служит для повышения нагрузочной способности параллельного стабилизатора. Номиналы резисторов: R1 — 680 Ом, R2 — 680 Ом, R3 — 62 Ом, R4 — 300 Ом; конденсаторов: C1, C2 22 мкФ 16 В.
Состояние разработки:
Встраиваемый цифровой вольтметр предполагается использовать при конструировании различных измерительных приборов, работающих от сети переменного тока или бортовой сети автомобиля, источников питания и аккумуляторных батарей.
Ссылки:
- Датчик абсолютных линейных перемещений диапазона0 — 10 мм с линейным переменным дифференциальным трансформатором
- Дифференциальный емкостной датчик угловых илинейных перемещений
- Иванов В. И. и др.Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник / В. И. Иванов, И.И. Аксенов, А. М. Юшин — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат,1989. — 448 с.: ил.
- Индуктивный датчик положения и малых линейныхперемещений
- Приборы для измерения магнитных полей
- Федорков Б. Г., Телец В. А.Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. — М.:Энергоатомиздат, 1990. — 320 с.: ил.
- Электронныйпреобразователь сигнала дифференциального емкостного датчика
Словарь терминов:
- Аналого-цифровойпреобразователь -устройство для преобразования аналогового электрического сигнала вцифровой.
- Вольтметр — прибор для измерения электрическогонапряжения.