Цифровой милливольтметр

Часть 1. Устройство и принципиальная схема

Назначение прибора

Еще один измерительный прибор для домашней лаборатории, который мы будем собирать на основе набора модулей, описанного в нескольких публикациях на этом сайте - цифровой милливольтметр звукового диапазона частот. Он предназначен для тех же целей, что и аналоговый милливольтметр, но за счет цифровой индикации результатов измерений и встроенного микроконтроллера обладает более высокой точностью измерений и рядом дополнительных функций, таких как измерение частоты сигнала, автоматическое переключение диапазонов измерений, усреднение результатов серии измерений и некоторых других, которых у его аналогового собрата не было.

Милливольтметр используется для измерения переменного напряжения от 0.3 мВ до 30 В в звуковом диапазоне частот. Весь диапазон измеряемых напряжений разбит на 8 поддиапазонов, которые автоматически переключаются таким образом чтобы в любой ситуации измерение происходило на участке характеристики прибора, обеспечивающем минимальную погрешность результатов. При необходимости автоматическое переключение диапазонов может быть отключено и желаемый диапазон может выбираться вручную, однако, такой режим работы не является рекомендованным и применяется только в особых случаях, когда автоматический режим почему-либо не удобен.

Важным достоинством цифрового милливольтметра является возможность его дальнейшего усовершенствования без внесения каких-либо изменений в схему и конструкцию прибора, только за счет обновления программного обеспечения микроконтроллера. Это могут делать как разработчики, публикуя новые версии прошивок на этом сайте, так и сами пользователи, владеющие некоторыми навыками программирования для платформы Ардуино. Исходные тексты прошивок доступны всем желающим, поэтому читатели могут вносить те или иные изменения в код для улучшения характеристик прибора и его адаптации к своим индивидуальным требованиям.

Режимы работы и функции органов управления

Вид дисплея прибора при измерении напряжения представлен на рис.1. Показания прибора соответствуют среднеквадратичному (действующему) значению напряжения для сигналов синусоидальной формы. Дополнительно в верхней строке дисплея отображается уровень сигнала в децибелах.

Кроме величины напряжения прибор одновременно измеряет частоту сигнала и отображает в нижней строке дисплея ее величину в Гц, являясь тем самым комбинированным прибором - милливольтметром-частотомером. Очевидно, что частоту можно измерить только для периодических сигналов, то-есть таких, форма которых повторяется через некоторый постоянный интервал времени. При этом сама форма не имеет особого значения, она может быть синусоидальной, прямоугольной, треугольной или какой-то другой, важна лишь периодичность повторения. Если же на вход прибора будет подан какой-либо непериодический сигнал, например, шумовой или музыкальный, то микроконтроллер обнаружит это обстоятельство и отключит функцию измерения частоты для такого сигнала.

Милливольтметр имеет 2 режима работы - "AUTO" (автоматический) и "MANUAL" (ручной). В первом случае переключение поддиапазонов измерений происходит автоматически, во втором - пользователь имеет возможность самостоятельно выбрать желаемый поддиапазон. Для этого в его распоряжении имеются 3 кнопки:

• "MODE" - переключение режимов "AUTO" - "MANUAL" и обратно
• "UP" - переключение поддиапазонов вверх (работает только в режиме "MANUAL")
• "DOWN" - переключение поддиапазонов вниз (также только в режиме "MANUAL")

В ручном режиме при нажатии кнопок "UP" и "DOWN" на дисплее кратковременно отображается наименование выбранного поддиапазона измерений - "[ 10 mV ]", "[ 30 mV ]", "[ 100 mV ]" и так далее. В автоматическом режиме включенный поддиапазон никак не отображается, но на то время, пока программа ищет и включает оптимальный поддиапазон для текущего входного сигнала, в верхней строке дисплея вместо уровня сигнала в вольтах и в децибелах отображается ряд звездочек. Измерение частоты сигнала на время поиска поддиапазона отключается и в нижней строке дисплея при этом ничего не отображается (рис.2).

В случае, если на вход прибора подан нестационарный сигнал, то-есть сигнал, амплитуда которого хаотически изменяется, например, музыкальный или речевой сигнал, который в этом смысле можно считать нестационарным, прибор не измеряет напряжение и частоту такого сигнала, а в верхней строке дисплея при этом отображаются точки (рис.3).

Если же входной сигнал имеет стабильную амплитуду, которую прибор может измерить, но при этом является непериодическим (такими свойствами, например, обладает часто применяемый в звукотехнике испытательный сигнал белого шума), то для такого сигнала показания прибора будут выглядеть так, как показано на рис.4.

При работе в режиме "MANUAL" возможна перегрузка прибора, когда измеряемое напряжение превышает установленную вручную верхнюю границу поддиапазона. В этом случае на дисплее будет отображаться сообщение, показанное на рис.5. В режиме "AUTO" такая ситуация не возникает, поскольку микроконтроллер автоматически выбирает такой поддиапазон, на котором измеряемое напряжение укладывается в его границы.

Технические характеристики

Характеристики цифрового милливольтметра в значительной степени совпадают с характеристиками аналогового милливольтметра, описанного в одной из публикаций на этом сайте, что не должно удивлять, поскольку в обоих приборах используется один и тот же тракт усиления и детектирования сигнала. Однако, как уже говорилось выше, цифровая индикация и наличие микроконтроллера позволили существенно повысить точность измерений, расширить функциональные возможности прибора и сделать работу с ним значительно более комфортной.

Милливольтметр:

• Диапазон измеряемых напряжений: 0.3 мВ...30 В с поддиапазонами 10-30-100-300 мВ, 1-3-10-30 В
• Диапазон измеряемых уровней в дБ: -70...+32 (значения в децибелах вычисляются по отношению к опорному напряжению 775 мВ)
• Время автоматического поиска поддиапазона от момента изменения уровня сигнала до появления устойчивых показаний напряжения и частоты на дисплее, не более: 4 сек
• Диапазон частот:
  - с неравномерностью 1 дБ: 12 Гц...36 кГц
  - с неравномерностью 3 дБ: 6 Гц...75 кГц

Частотомер:

• Диапазон измеряемых частот
  - при входном напряжении 30 мВ...30 В: 10 Гц...30 кГц
  - при входном напряжении 3 мВ...30 мВ: 20 Гц...20 кГц

Общие характеристики:

• Входное сопротивление
  - на диапазонах 10 мВ...3 В: 100 кОм
  - на диапазонах 10 В и 30 В: 1МОм
• Напряжение внешнего источника питания: 9 В (допускается от 8 до 12 В).
• Ток, потребляемый от внешнего источника питания напряжением 9 В: не более 180 мА

Далее, чтобы не повторять те же соображения, которые уже были высказаны по вопросам расширения диапазона измеряемых напряжений и частотного диапазона прибора, отсылаем читателя к разделу "Технические характеристики" ранее описанного аналогового милливольтметра.

Что касается погрешности измерений напряжения, то основными факторами, позволившими ее значительно уменьшить по сравнению с аналоговым прибором являются:

• Цифровая индикация результатов. На большинстве поддиапазонов измерений описываемый цифровой милливольтметр отображает четыре десятичных знака результата измерений, в то время как со шкалы стрелочного прибора вряд ли можно достоверно прочитать больше двух.
• Использование высокостабильного источника опорного напряжения, снижающего зависимость показаний прибора от напряжений питания и температуры.
• Выполнение в цикле нескольких измерений с последующим усреднением результатов.
• Автоматический выбор оптимального поддиапазона измерений, обеспечивающего наивысшую точность измерений при заданной амплитуде входного сигнала.
• Независимость результатов измерений от точности подбора резисторов входного делителя напряжения в модуле аттенюатора. Благодаря тому что результаты измерений вычисляются микроконтроллером, появилась возможность хранить индивидуальные поправочные величины отдельно для каждого поддиапазона измерений, программно скомпенсировав тем самым возможные погрешности коэффициентов передачи аттенюатора. Вместо трудоемкого подбора с необходимой точностью множества постоянных резисторов, как это описано в разделе настройки модуля аттенюатора, теперь во время настройки прибора можно внести необходимые поправочные величины в программу и получить практически идеальный аттенюатор даже при не очень точно подобранных резисторах.

Благодаря всем перечисленным мерам можно сказать, что погрешность измерений напряжения описываемого цифрового милливольтметра не менее чем в 10 раз ниже погрешности ранее обсуждавшегося аналогового прибора. Можно ожидать, что при тщательной настройке, отклонение его показаний при измерении напряжения от показаний эталонного прибора составит не более 0.1% в диапазоне средних частот (50-500 Гц).

Компоненты, необходимые для сборки прибора

Для изготовления этого прибора понадобятся те же четыре модуля из набора, которые мы уже использовали для аналогового милливольтметра:

Кроме этих модулей из нашего набора, изготовленных самостоятельно, потребуются три покупных модуля - микроконтроллер Arduino Nano верс. 3.0, модуль аналогово-цифрового преобразователя ADS1110, а также символьный ЖК дисплей 1602 с конвертером интерфейса I²C.

Предполагаем, что модули собственного изготовления у вас уже собраны и настроены в соответствии с их описаниями на этом сайте, а покупные модули уже приобретены в известных интернет-магазинах, поэтому сразу же приступаем к рассмотрению принципиальной схемы цифрового милливольтметра.

Принципиальная схема

Принципиальная схема цифрового милливольтметра показана на следующем рисунке (кликните для увеличения).

Тракт усиления измеряемого сигнала и его преобразования из переменного напряжения в постоянное построен точно так же, как и у аналогового милливольтметра. Со входа прибора измеряемый сигнал поступает на модуль аттенюатора ATT01 (U1), причем на всех диапазонах измерений кроме двух старших, непосредственно через замкнутый контакт реле K1, а на диапазонах "10V" и "30V", когда контакт реле разомкнут - через резистор R1, ослабляющий амплитуду сигнала в 10 раз. После нормализации уровня сигнала в модуле аттенюатора он усиливается модулем измерительного усилителя AMP01 (U2), а затем поступает на вход модуля прецизионного выпрямителя RECT01 (U3), преобразующего его в постоянное напряжение. На этом сходство с аналоговым милливольтметром заканчивается и начинается собственно цифровая часть прибора.

Напряжение с выхода OutU модуля U3 поступает на вход IN+ аналогово-цифрового преобразователя U4 на базе микросхемы ADS1110, где преобразуется в цифровую форму, после чего по шине I²C (сигналы SDA и SCL) передается микроконтроллеру Arduino Nano (U6) для дальнейшей обработки и вывода результатов на дисплей. Символьный ЖК дисплей 1602 (2 строки по 16 символов в каждой) также подключен по шине I²C, таким образом, для обмена данными с модулем АЦП и с модулем дисплея задействованы всего два пина микроконтроллера - пины A4 и A5.

Другие пины микроконтроллера выполняют следующие функции:

• D2, D3 и D4 (выходы) управляют ослаблением сигнала в модуле аттенюатора, переключая тем самым диапазоны измерения милливольтметра.
• D5 (выход) управляет включением/выключением реле K1, которое дополнительно к ослаблению сигнала, вносимому аттенюатором, снижает уровень входного сигнала еще в 10 раз. На рис. 8 имеется таблица, показывающая, какое сочетание логических уровней на выходах D2-D5 должно быть установлено для включения каждого из диапазонов измерений.
• D6. D7 и D9 (входы со включенной подтяжкой к напряжению питания) используются для подключения кнопок SW1 ("Up"), SW2 ("Down") и SW3 ("Mode") соответственно.
• D8 (вход) используется для измерения частоты сигнала. На этот вход поступает измеряемый сигнал, который с помощью компаратора на микросхеме LM393 (IC2) преобразован в прямоугольную форму.

Также как и другие измерительные приборы, описанные в публикациях на этом сайте, цифровой милливольтметр питается от внешнего источника постоянного напряжения +9В. Потребляемый ток около 180 мА. Можно использовать нестабилизированный источник или аккумуляторы, но при этом важно, чтобы питающее напряжение не выходило за пределы 8...12В.

Вспомогательная плата

Большинство элементов прибора, не входящих в состав модулей, размещены на вспомогательной плате, обозначенной U5 на принципиальной схеме прибора (рис.8). На этой плате находятся несколько функциональных узлов прибора, важных для его функционирования:

• Ключ, управляющий реле K1, выполненный на цифровом транзисторе VT1 типа KRC103.

• Компаратор на интегральной микросхеме IC2 типа LM393, который служит для преобразования измеряемого сигнала произвольной формы в прямоугольный, с уровнями логического "0" и логической "1" для подачи на пин 8 микроконтроллера. Этот пин является входом частотомера, реализованного программными средствами с помощью библиотеки FreqMeasure (см. далее в разделе про программное обеспечение прибора). Компаратор охвачен неглубокой (около 0.2%) положительной обратной связью через делитель напряжения R7 - R5, что формирует гистерезисную характеристику и способствует более четкому переключению без "дребезга" на фронтах выходного сигнала.
• Источник опорного напряжения, выполненный на микросхеме IC1 типа TL431. Вырабатываемое этой микросхемой напряжение 2.5 В используется в качестве опорного для компаратора IC2, а также, после ослабления делителем R1-R2 до уровня 2.0 В, подается на вход IN- модуля АЦП U4.

Все необходимое для самостоятельного изготовления вспомогательной платы, включая ее принципиальную и монтажную схему в формате CAD-системы EAGLE 7.5.0 от Autodesk и фотошаблон печатной платы можно скачать по ссылкам в конце этой публикации.

Переходим ко 2-й части этой публикации, где рассмотрим конструкцию и монтаж цифрового милливольтметра.