При работе с различными электронными изделиями возникает потребность измерять режимы или распределение переменных напряжений на отдельных элементах схемы. Обычные мультиметры, включённые в режиме AC, могут фиксировать лишь большие значения этого параметра с высокой степенью погрешности. При необходимости снятия небольших по величине показаний желательно иметь милливольтметр переменного тока, позволяющий производить измерения с точностью до милливольта.
Для того чтобы изготовить цифровой вольтметр своими руками, нужен определённый опыт работы с электронными компонентами, а также умение хорошо управляться с электрическим паяльником. Лишь в этом случае можно быть уверенным в успехе сборочных операций, осуществляемых самостоятельно в домашних условиях.
Вольтметр на основе микропроцессора
Выбор деталей
Перед тем, как сделать вольтметр, специалисты рекомендуют тщательно проработать все предлагаемые в различных источниках варианты. Основное требование при таком отборе – предельная простота схемы и возможность измерять переменные напряжения с точностью до 0,1 Вольта.
Анализ множества схемных решений показал, что для самостоятельного изготовления цифрового вольтметра целесообразнее всего воспользоваться программируемым микропроцессором типа РІС16F676. Тем, кто плохо знаком с техникой перепрограммирования этих чипов, желательно приобретать микросхему с уже готовой прошивкой под самодельный вольтметр.
Особое внимание при закупке деталей следует уделить выбору подходящего индикаторного элемента на светодиодных сегментах (вариант типового стрелочного амперметра в этом случае полностью исключён). При этом предпочтение следует отдать прибору с общим катодом, поскольку число компонентов схемы в этом случае заметно сокращается..
Дополнительная информация. В качестве дискретных комплектующих изделий можно использовать обычные покупные радиоэлементы (резисторы, диоды и конденсаторы).
После приобретения всех необходимых деталей следует перейти к разводке схемы вольтметра (изготовлению его печатной платы).
Подготовка платы
Перед изготовлением печатной платы нужно внимательно изучить схему электронного измерителя, учтя все имеющиеся на ней компоненты и разместив их на удобном для распайки месте.
Важно! При наличии свободных средств можно заказать изготовление такой платы в специализированной мастерской. Качество её исполнения в этом случае будет, несомненно, выше.
После того, как плата готова, нужно «набить» её, то есть разместить на своих местах все электронные компоненты (включая микропроцессор), а затем запаять их низкотемпературным припоем. Тугоплавкие составы в этой ситуации не подойдут, поскольку для их разогрева потребуются высокие температуры. Так как в собираемом устройстве все элементы миниатюрные, то их перегрев крайне нежелателен.
Блок питания (БП)
Для того чтобы будущий вольтметр нормально функционировал, ему потребуется отдельный или встроенный блок питания постоянного тока. Этот модуль собирается по классической схеме и рассчитан на выходное напряжение 5 Вольт. Что касается токовой составляющей этого устройства, определяющей его расчетную мощность, то для питания вольтметра вполне достаточно половины ампера.
Исходя из этих данных, подготавливаем сами (или отдаём для изготовления в специализированную мастерскую) печатную плату под БП.
Обратите внимание! Рациональнее будет сразу подготовить обе платы (для самого вольтметра и для блока питания), не разнося эти процедуры по времени.
При самостоятельном изготовлении это позволит за один раз выполнять сразу несколько однотипных операций, а именно:
- Вырезка из листов стеклотекстолита нужных по размеру заготовок и их зачистка;
- Изготовление фотошаблона для каждой из них с его последующим нанесением;
- Травление этих плат в растворе хлористого железа;
- Набивка их радиодеталями;
- Пайка всех размещённых компонентов.
В случае, когда платы отправляются для изготовления на фирменном оборудовании, их одновременная подготовка также позволит выгадать как по цене, так и по времени.
Сборка и настройка
При сборке вольтметра важно следить за правильностью установки самого микропроцессора (он должен быть уже запрограммирован). Для этого необходимо найти на корпусе маркировку его первой ножки и в соответствии с ней зафиксировать корпус изделия в посадочных отверстиях.
Важно! Лишь после того, как есть полная уверенность в правильности установки самой ответственной детали, можно переходить к её запаиванию («посадке на припой»).
Иногда для установки микросхемы рекомендуется впаивать в плату специальную панельку под неё, существенно упрощающую все рабочие и настроечные процедуры. Однако такой вариант выгоден лишь в том случае, если используемая панелька имеет качественное исполнение и обеспечивает надёжный контакт с ножками микросхемы.
После запайки микропроцессора можно набить и сразу же посадить на припой все остальные элементы электронной схемы. В процессе пайки следует руководствоваться следующими правилами:
- Обязательно использовать активный флюс, способствующий хорошему растеканию жидкого припоя по всей посадочной площадке;
- Стараться не задерживать жало на одном месте слишком долго, что исключает перегрев монтируемой детали;
- По завершении пайки следует обязательно промыть печатную плату спиртом или любым другим растворителем.
В том случае, если при сборке платы не допущено никаких ошибок, схема должна заработать сразу после подключения к ней питания от внешнего источника стабилизированного напряжения 5 Вольт.
В заключение отметим, что собственный блок питания может быть подключен к готовому вольтметру по завершении его настройки и проверки, производимой по стандартной методике.
Видео
Цифровой амперметр на светодиодах – удобный способ отображения информации, при котором имеет значение не только модуль измеряемой величины (что, кстати, значительно удобнее определять не по отклонению стрелочного индикатора, а по величине столбчатой диаграммы, или при помощи мини-дисплея), но и частоту изменения этого параметра.
Описание схемы
Светодиоды не отличаются большой мощностью, но использовать их в слаботочных электрических цепях допустимо и целесообразно. В качестве примера можно рассмотреть схему получения цифрового амперметра для определения силы тока в аккумуляторной батарее автомобиля, при номинальном диапазоне значений в 40…60 мА.
Вариант внешнего вида амперметра на светодиодах в столбик
Количество использованных светодиодов определит пороговое значение тока, при котором в работу будет включаться один из светодиодов. В качестве операционного усилителя можно использовать LM3915, либо подходящий по параметрам микроконтроллер. На вход будет подаваться напряжение через любой низкоомный резистор.
Удобно отражать результаты измерения в виде столбчатой диаграммы, где весь, практически используемый диапазон тока будет разделяться на несколько сегментов по 5…10 мА. Плюсом LED является то, что в схеме можно использовать элементы разного цвета – красного, зелёного, синего и т.д.
Для работы цифрового амперметра потребуются следующие компоненты:
- Микроконтроллер типа PIC16F686 с АЦП на 16 бит.
- Настраиваемые джамперы для выхода конечного сигнала. Можно, как альтернативу, применить DIP-переключатели, которые используются в качестве электронных шунтов или сигнальных замыканий в обычных электронных цепях.
- Источник питания постоянного тока, который рассчитан на рабочее напряжение от 5 до 15 В (при наличии стабильного напряжения, что контролируется вольтметром, подойдёт и 6 В).
- Контактная плата, где можно разместить до 20 светодиодов типа SMD.
Электрическая схема амперметра на LED источниках Последовательность размещения и монтажа амперметра
Входной сигнал по току (не более 1 А) подаётся от стабилизированного блока питания через шунтирующий резистор, допустимое напряжение на котором не должно быть более 40…50 В. Далее, проходя через операционный усилитель, сигнал поступает на светодиоды. Поскольку значение тока во время прохождения сигнала изменяется, то соответственно будет изменяться и высота столбика. Управляя током нагрузки, можно регулировать высоту диаграммы, получая результат с различной степенью точности .
Монтаж платы с SMD-компонентами, по желанию пользователя, можно размещать либо горизонтально, либо вертикально. Смотровое окошко перед началом тарировки необходимо перекрывать тёмным стеклом (подойдёт фильтр с кратностью 6…10 х от обычной сварочной маски).
Тарировка цифрового амперметра состоит в подборе минимального значения нагрузки по току, при которой светодиод будет светиться. Варьирование настройки производится экспериментально, для чего в схеме предусматривается резистор с небольшим (до 100 мОм) сопротивлением. Погрешность показаний такого амперметра обычно не превышает нескольких процентов.
Вы знали, что можно переделать старый вольтметр в амперметр? Как это сделать — смотрите видео:
Как настраивать регулировочный резистор
Для этого последовательно устанавливают силу тока, которая проходит через определённый светодиод. В качестве контрольного прибора можно использовать обычный тестер. Вольтметр включается в схему перед микроконтроллером, а амперметр – после него. Для исключения влияния случайных пульсаций подключается также сглаживающий конденсатор.
Практическим плюсом изготовления прибора своими руками (светодиодов не должно быть менее четырёх) является устойчивость схемы при значительных изменениях первоначально заданного диапазона силы тока. В отличие от обычных диодов, которые при коротком замыкании выйдут из строя, светодиоды просто не загораются.
Св-диоды как измерители тока в аккумуляторной батарее автомобиля, не только экономят заряд и сохраняют аккумуляторы, но и позволяют более удобным способом считывать показания.
Аналогичным образом можно построить и цифровой вольтметр. В качестве источников света для такого варианта применения подойдут элементы на 12 В, а наличие дополнительного шунта в схеме вольтметра позволит более рационально использовать всю высоту столбчатой диаграммы.
Старый добрый способ .
Вольтметр, установленный на панель приборов автомобиля, позволяет оперативно контролировать уровень напряжения в его бортовой сети. От такого прибора не требуется высокой разрешающей способности, зато необходима возможность легкой и быстрой определения показаний. Наилучшим образом этим условиям отвечает дискретный светодиодный индикатор напряжения. Подобные устройства получили весьма широкое распространение и для оценки уровня напряжения и мощности. Реализуют их, как правило, двумя способами.
Первый, суть его в том, что линейку светодиодов подключают к источнику измеряемого напряжения через много выходной резистивный делитель напряжения. Здесь использованы пороговые свойства светодиодов, транзисторов и диодов. За простоту такого индикатора приходится расплачиваться нечетким порогом зажигания светодиодов. Подобные устройства в свое время продавались в виде радио конструктора.
Второй способ - применение для включения каждого светодиода отдельного компаратора, сравнивающего часть входного сигнала с образцовым. Вследствие высокого коэффициента усиления компараторов, чаще всего выполняемых на ОУ, пороги включения и выключения очень четкие, но для индикатора требуется много микросхем. Счетверенные ОУ сейчас еще дороги, а одна такая микросхема может управлять только четырьмя светодиодами.
Вольтметр, предлагаемый вашему вниманию, оптимизирован в свете сказанного выше - в нем четкие пороговые уровни зажигания светодиодов получены с помощью минимума дешевых, экономичных и широкодоступных элементов. В основу принципа работы прибора положены пороговые свойства цифровой микросхемы.
Прибор (см. схему на рис. 1) представляет собой шестиуровневый индикатор. Для удобства применения в автомобиле интервал измерения выбран равным 10...15 В с шагом в 1 В. И интервал, и шаг могут быть легко изменены.
Пороговыми устройствами служат шесть инверторов DD1,1-DD1.6, каждый из которых представляет собой нелинейный усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления. Пороговый уровень переключения инверторов - примерно половина напряжения питания микросхемы, поэтому они как бы сравнивают напряжение на входе с половиной напряжения питания.
Если входное напряжение инвертора превысит пороговый уровень, на его выходе появится напряжение низкого уровня. Поэтому светодиод, служащий нагрузкой инвертора, включится выходным (втекающим) током. Когда же на выходе инверторов высокий уровень, светодиоды закрыты и выключены.
С выходов резистивного делителя R1-R7 на вход инверторов поступает соответствующая доля напряжения бортовой сети. При изменении бортового напряжения пропорционально изменяются и его доли. Напряжение же питания инверторов и светодиодной линейки стабилизировано микросхема стабилизатором DA1. Номиналы резисторов R1-R7 рассчитывают таким образом., чтобы получить шаг переключения, равный 1 В.
Конденсатор С2 совместно с резистором R1 образуют низкочастотный фильтр, подавляющий кратковременные всплески напряжения, которые могут возникнуть, например, при пуске двигателя. Конденсатор С1 изготовитель микросхемных стабилизаторов рекомендует устанавливать для улучшения их устойчивости на высокой частоте. Резисторы R8-R13 ограничивают выходной ток инверторов.
Как рассчитать резисторы R1-R7? Несмотря на то, что на входе инверторов DD1.1.-D1.6 установлены полевые транзисторы, которые входного тока практически не потребляют, существует так называемый ток утечки. Это заставляет выбирать ток через делитель намного большим суммарного тока утечки всех шести инверторов (не более 6X10-5 мкА). Минимальным ток через делитель будет при минимальном индуцируемом напряжении 10 В.
Зададим этот ток равным 100 мкА, что примерно в миллион раз больше тока утечки. Тогда общее сопротивление делителя RД=R1+R2+RЗ+R4+R5+R6+R7 (в килоомах, если напряжение в вольтах, а ток - в миллиамперах) должно быть равно: Rд=Uвx min/Imin = 10В/0,1мА = 100кОм.
Теперь рассчитаем сопротивление каждого из резисторов при условии Uпор=Uпит/2, т. е. в рассматриваемом случае Uпор=3 В. При входном напряжении 15 В на резисторе R7 должно падать 3 В, а ток через него (равный току через весь делитель) Iд=UBX/Rд=15 В/100 кОм= 0,15 мА=150 мкА, Тогда сопротивление резистора R7: R=Uпоp/Iд; R7=3 В/0,15 мА=20кОм.
На входе инвертора DD1.5 3 В должно быть при входном напряжении 14 В. Ток через делитель в этом случае Iд=14 В/100 кОм=0,14 мА. Тогда суммарное сопротивление R6+R7=Uпоp/Iд=3/0,14-21,5 кОм.
Отсюда R6=21,5-20=1,5 кОм.
Аналогично определяют сопротивление остальных резисторов делителя: R5=UпорхRд/Uвх-(R6+R7)-1,6 кОм; R4-2 кОм, RЗ-2,2 кОм, R2-2.7 кОм и, наконец, R1=Rд-(R2+RЗ+R4+R5+R6+R7) = 70 кОм-68 кОм.
Вообще, как известно, пороговое напряжение элементов микросхем КМОП находится в пределах от 1/3Uпит до 2/3Uпит. Известно также, что изготовленные в едином технологическом цикле на одном кристалле элементы одной микросхемы имеют практически одинаковые значения порога переключения. Поэтому для точной установки "начала шкалы" вольтметра достаточно резистор R1 заменить последовательной цепью из подстроечного с рассчитанным номиналом и постоянного с номиналом в два раза меньше расчетного.
Температурная стабильность прибора весьма высока. При изменении температуры от -10 до +60 °С порог срабатывания изменяется на несколько сотых долей вольта. Микросхемный стабилизатор DА1 также обладает температурной стабильностью не хуже 30 мВ в пределах 0...100 °С.
Выходное напряжение стабилизатора DА1 не должно быть меньше 6 В, иначе инверторы не смогут обеспечить необходимый ток через светодиоды. Инверторы микросхемы К561ЛН2 допускают выходной ток до 8 мА. Светодиоды АЛ307БМ можно заменить любыми другими, пересчитав номиналы ток-ограничивающих резисторов R8-R13. Конденсаторы так же могут быть любыми на номинальное напряжение не менее 10 В.
Для налаживания собранное устройство подключают к выходу регулируемого источника напряжения, который будет имитировать бортовую сеть. Установив выходное напряжение источника 10 В, а сопротивление подстроечного резистора на максимум, вращают его движок до момента включения светодиода HL1. Остальные уровни устанавливаются автоматически.
Детали вольтметра смонтированы на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Чертеж платы представлен на рис. 2. Она рассчитана на установку подстроечного резистора СПЗ-33, а остальных - МЛТ-0,125, конденсатора С1 - KM, С2 - К50-35.
Плата прикреплена ко дну коробки из пластика двумя винтами М2,5 на трубчатых стойках и еще одним таким же, который одновременно прижимает к плате микросхему DA1. Отметим, что эта микросхема установлена пластмассовой (а не металлической) гранью к плате. Между корпусом микросхемы и платой также установлена трубчатая стойка, но укороченная.
Выводы светодиодов перед монтажом изгибают на 90 град, с тем, чтобы их оптические оси были параллельны плоскости платы. Корпусы светодиодов должны выступать за край платы и при окончательной сборке устройства выходить в отверстия, просверленные в торце коробки.
Устойчивость работы стабилизатора и всего устройства в целом будет еще выше, если к входу микросхемы (между выв. 8 и 17) подключить конденсатор емкостью 0,1 мк. Для того чтобы обезопасить стабилизатор от случайных всплесков напряжения в бортовой сети, амплитуда которых может достигать 80 - 00 В. параллельно этому конденсатору следует подключить еще один - оксидный. Он должен иметь емкость не менее 1000 мкФ и номинальное напряжение 25 В. Этот конденсатор благоприяпто скажется и на работе радиоприемной и звукоусилитель автомобильной аппаратуры.
Литература
Схема бортового автомобильного вольтметра с индикацией на приведена на рисунке ниже:
Прибор представляет собой шестиуровневый линейный индикатор, в интервале от 10 до 15 вольт. DA1, на К142ЕН5Б на выводе 8, выдает напряжение 6 вольт для питания цифровой микросхемы DD1 типа К561ЛН2. Инверторы микросхемы К561ЛН2 служат пороговыми элементами, представляя собой нелинейные усилители напряжения, а резисторы R1 – R7 задают смещение на входах этих элементов. входное напряжение инвертора превысит пороговый уровень, на его выходе появится напряжение низкого уровня, светодиод на выходе соответствующего инвертора будет светиться.
Печатная плата бортового светодиодного вольтметра со схемой расположения деталей на ней, размером 80х45 мм изображена на рисунках ниже:
При налаживании бортового светодиодного вольтметра, вместо аккумулятора подключают лабораторный стабилизированный источник на 10 вольт, установив временно подстроечный резистор, вместо резистора R1. Изменяя сопротивление R1, добиваются момента включения светодиода HL1. Остальные уровни устанавливаются автоматически. При детальной проверке остальных уровней, уточняются сопротивления R2 – R6, соответственно.
