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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Minivoltmetro digitale con LCD. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Tecnologia di misurazione L'autore di questo articolo ha studiato le prestazioni di una serie di microcircuiti ADC della famiglia ICL71x6 (incluso KR572PV5) e dei suoi analoghi a una tensione di alimentazione ridotta. Utilizzando i risultati di questi studi, ha sviluppato il progetto originale di un voltmetro digitale in miniatura. Sulla base del microcircuito ADC MAX130, appartenente alla famiglia di microcircuiti ICL71x6, è stato sviluppato un voltmetro miniaturizzato con quattro limiti di misura: 200 mV, 2, 20 e 200 V. Il circuito principale del dispositivo è mostrato in fig. 1.
L'aspetto del voltmetro è mostrato in fig. 2.
La scelta di questa serie di microcircuiti è spiegata dal fatto che il suo limite di operatività a una tensione di alimentazione ridotta coincide approssimativamente con la tensione di soglia di un rilevatore di spegnimento economico ed economico: il microcircuito KR1171SP42. L'utilizzo di questo rilevatore consente di evitare misurazioni errate quando la tensione di alimentazione scende al di sotto di un certo livello. Il consumo di corrente significativamente inferiore rispetto a ICL7106 (KR572PV5) ha permesso di aumentare la durata del funzionamento del voltmetro anche quando si utilizza una batteria di piccole dimensioni. Ad una frequenza al quarzo di 32,768 kHz, il voltmetro fornisce circa 2 (32768/16000) letture al secondo. La frequenza del segnale VR è di circa 40 Hz (32768/800). Per l'istanza del microcircuito MAX130CPL utilizzato nel minivoltmetro, la tensione operativa minima alla quale viene ancora mantenuta la precisione della misurazione è risultata essere 4,27 V. Pertanto, delle dieci istanze disponibili dei rilevatori 1171SP42 (e hanno un differenza significativa nella tensione di risposta), è stata scelta un'istanza con tensione di risposta Us = 4,3 V e isteresi 60 mV (tensione di spegnimento - circa 4,36 V). La precisione di un ADC è in gran parte correlata alla qualità dei condensatori utilizzati nell'ADC. Nella documentazione aziendale e negli articoli sull'uso dell'ADC ICL71xx, si consiglia di utilizzare condensatori con un basso coefficiente di assorbimento nel dielettrico. Se si utilizza un condensatore ceramico come C6 (capacità del circuito integrato), l'errore di linearità di conversione sarà dell'ordine dello 0,1%, e con un dielettrico in polistirene e polipropilene, rispettivamente dello 0,01% e dello 0,001%. Dei condensatori domestici, K71-4, K71-5, K72P-6, K72-9, K73P-7, K73-16, K73-17 possono essere raccomandati. I condensatori C4 nel nodo di correzione dello zero e C2 con una tensione di riferimento possono essere utilizzati con un dielettrico in polietilene tereftalato. Per riferimento: condensatori dei gruppi K70-xx e K71-xx - con dielettrico in polistirene, gruppi K72-xx - fluoroplastico, K73-xx - polietilene tereftalato, K78-xx - polipropilene. Il voltmetro è assemblato su un circuito stampato breadboard, le cui dimensioni coincidono con le dimensioni dell'indicatore. Il chip ADC si trova sotto l'indicatore e il resto degli elementi è posizionato sul retro della breadboard. Tutti i resistori, ad eccezione del divisore di ingresso, sono resistori chip 0805. L'installazione viene eseguita con un filo sottile. La scheda del voltmetro è installata in una scatola di latta con dimensioni di 80x35x15 mm. Di fronte all'indicatore, c'è una finestra nella custodia, in cui è incollata una lastra di plastica trasparente (dal coperchio della scatola del CD). Dimensioni vano batteria - 35x15x15 mm. Per ottenere una tensione di riferimento di 100 mV, vengono utilizzati gli elementi R1, VD1, R3, R5, R6. Le prestazioni del diodo zener integrato AD1580ART (Ist min = 50 µA!) sono leggermente migliori di quelle del RER1004 (LM385) ed è disponibile in un contenitore miniaturizzato SOT-23. Una tensione esemplare di 100 mV viene impostata attraverso il resistore R5 regolando il resistore di sintonia R6. Un voltmetro per quattro limiti di misurazione della tensione è stato realizzato senza un interruttore speciale: un partitore di tensione esterno integrato nel connettore della sonda di misurazione è collegato al connettore XP1. Il circuito divisore di ingresso è mostrato in fig. 3, e nella fig. 4 mostra il suo design. Il passaggio a un altro limite di misurazione può essere effettuato scollegando la sonda con un divisore dal connettore XP1 del voltmetro, ruotando la sonda di 90 gradi e ricollegando entrambi i nodi.
L'impedenza di ingresso del voltmetro con un partitore di tensione collegato è 11,1 MΩ (senza divisore - circa 100 MΩ). È preferibile utilizzare resistori C2-29V 0,062 o 0,125 W con una tolleranza dello 0,1% nel partitore di tensione di ingresso. Le resistenze dei resistori divisori sono scelte come multipli di 10, il che facilita la loro selezione. La resistenza del braccio inferiore del divisore in questo caso dovrebbe essere di 11,11 kOhm; tale valore nominale esiste per i resistori C2-29V (riga E192). È possibile utilizzare il consiglio di [1] e collegare in parallelo due resistori con valori nominali della serie E24 di 12 kOhm e 150 kOhm (è importante scegliere un valore di 11,11 kOhm). Quando si installano resistori con una tolleranza dello 0,1% nel divisore, non è richiesta alcuna selezione aggiuntiva. Sfortunatamente, è impossibile trovare un piccolo resistore accurato con un valore nominale di 10 MΩ. Pertanto, ho dovuto realizzare un resistore fatto in casa con resistori chip 0805. Il circuito e il design di un tale resistore sono mostrati in fig. 5a e fig. 5 B.
I resistori R1 '= 8,2 MΩ e R1 "= 1,8 MΩ dovrebbero essere selezionati con una tolleranza negativa. Se la deviazione è di circa lo 0,1% (questo è un valore abbastanza possibile per i resistori del chip con una tolleranza dell'1%), quindi gli altri due resistori deve avere i valori nominali indicati in Fig. 5, a. Il resistore R1 * è saldato dall'alto al resistore R1 "'. La dimensione della struttura corrisponde approssimativamente ai resistori C2-23 0,125 o 0,25 watt. La tensione massima consentita all'ingresso del divisore è determinata dalla tensione massima consentita del resistore del chip 0805 R1 e, secondo i dati del passaporto, è di 300 V. La tensione operativa dei resistori del chip non deve superare i 150 V. Dato che la resistenza del resistore R1' è 8,2 MΩ / 11,1 MΩ \u73,8d 150% dell'impedenza del divisore, quindi la tensione operativa del divisore è 0,73 V / 203 \u10d 1,999 V, che corrisponde al limite massimo di misurazione di il minivoltmetro. È possibile regolare la resistenza da 200 MΩ in base alle letture di un accurato ohmmetro o misurando la tensione calibrata di 10 V con un accurato voltmetro sul divisore assemblato. Naturalmente, il minivoltmetro stesso deve essere impostato su un limite di 71 mV. In linea di principio, la prima opzione di regolazione dell'ohmmetro non può dare un buon risultato, poiché c'è sempre una corrente di ingresso che crea una notevole caduta di tensione attraverso il resistore da 31 MΩ. Ma le correnti di ingresso della famiglia di microcircuiti ICL2xx sono così piccole che i risultati per un'indicazione a XNUMX/XNUMX cifre sono abbastanza soddisfacenti. Si sconsiglia di regolare il partitore collegando un multimetro ai suoi gradini, anche se è un ordine di grandezza più preciso, poiché potrebbe verificarsi qualche errore dovuto al partitore di tensione interno, che non si spegne nemmeno al limite inferiore. Prima di riempire la struttura della sonda con resina epossidica, si consiglia di risciacquare accuratamente la resistenza da 10 MΩ e l'intero divisore con una miscela di alcool-benzina, acqua e shampoo e asciugare accuratamente. A tale scopo, è conveniente utilizzare un asciugacapelli a una temperatura dell'aria alla sua uscita compresa tra 70 ... 90 ° C. È necessario prestare attenzione per garantire che la resina epossidica non scorra nel corpo dei connettori maschio PBD-8. La seconda sonda di ingresso del voltmetro con una clip a coccodrillo all'estremità è collegata al connettore KhRS. Poiché anche l'ingresso 200 mV è collegato allo stesso connettore, può essere utilizzato per collegare un voltmetro a vari attacchi esterni o semplicemente come indicatore con una grande resistenza di ingresso e una scala di 200 mV. Il partitore di tensione è scollegato dal connettore XP1, quindi la posizione del punto decimale può essere impostata sul connettore XP1 con un ponticello convenzionale. La custodia metallica del voltmetro non ha collegamenti con la parte elettrica del dispositivo, ma è presente un contatto "custodia" sul connettore KhRZ. Puoi usarlo a seconda della situazione (ad esempio, con un alto livello di interferenza). Lo schema e il design della sonda negativa sono mostrati in fig. 6.
Il voltmetro utilizza un indicatore LCD ITS-0803 di INTECH [2]. Le sue dimensioni sono 51x30,5 mm. L'immagine appare già a una tensione di 2 ... 2,1 V, e l'indicatore raggiunge il massimo contrasto del segno rispetto allo sfondo (in IZhTs5-4/8 il contrasto è peggiore) a una tensione di alimentazione di 3 .. 3.3 V. Questo tipo di indicatore può essere definito standard , poiché le sue controparti complete sono prodotte da un certo numero di aziende (Standish, Epson). Lo scopo e la posizione di perni e segmenti sono mostrati in fig. 7.
L'indicatore più comune, PLI5-4/8, può essere utilizzato ma non consigliato. Appare l'immagine dei segmenti, a partire da una tensione di 2,5 ... 2,7 V su di essa, ma il contrasto massimo si ottiene solo con un valore di tensione di 4,3 ... 4,8 V. Inoltre, questo indicatore non ha un segmento "Batteria scarica". Esiste un analogo di questo LCD con il nome "Sobol", le cui caratteristiche sono migliori e il prezzo è più alto. Un buon indicatore è IZHTS14-4/7 dell'impianto Reflector. Funziona bene a 3V, ma ha 50 pin, molti segmenti extra ed è quindi più grande dell'ITS-0803. C'è un segmento di caratteri "LB". Informazioni su questi componenti possono essere trovate anche sul sito [2]. Se sul display LCD non è presente il segmento "LOW BATTERY", è possibile utilizzare un LED nell'unità di indicazione di batteria scarica; il circuito di controllo della tensione per questo caso è mostrato in fig. 8. È preferibile scegliere un LED con una corrente operativa minima. Il LED L-934SRC mostrato nel diagramma è rosso, molto luminoso (King Bright). Funziona bene con una corrente continua di 200 ... 300 μA!
Il transistor VT2 inverte il segnale BP e viene utilizzato per attivare i punti decimali sull'indicatore. Il punto richiesto al limite di corrente viene acceso tramite un ponticello sul connettore XS2 del partitore di tensione esterno. Lo stesso segnale BP invertito (indicato come DP0 nel diagramma) può essere applicato al segmento LCD "Low Battery" tramite un interruttore sul transistor VT1. Lo stato del tasto (on/off) è controllato dal rilevatore di minima tensione DA1. I resistori R4, R7, R10, R11 (con una resistenza di 5 ... 10 MΩ) sono installati per escludere la "retroilluminazione" dei segmenti non utilizzati. Nella maggior parte dei casi, l'indicatore funziona bene senza questi resistori. Le dimensioni del vano di alimentazione, legate alla larghezza dell'indicatore utilizzato, consentono di installare nel dispositivo batterie 4LR44, A544, V34PX, PX28A, 4SR44 con una tensione di 6 V. 13 V. Sono abbastanza comuni e vengono utilizzate nei puntatori laser e nel giocattolo per bambini "Tomagotchi". Nel vano è installata una molla sufficientemente lunga, che consente l'utilizzo di tre o quattro elementi a disco. Con quattro elementi, la tensione di scarica finale è 4,3 V / 4 \u1,07d 1,43 V. Quando sono accesi solo tre elementi, la loro capacità non viene utilizzata completamente (la tensione minima consentita è di circa 131 V). Il basso consumo di corrente (soprattutto per MAX5) consente di installare un set di celle "fresche" e parzialmente scariche per un utilizzo più completo della loro capacità. Con un certo sforzo, è possibile posizionare nello scomparto anche 0,9 pezzi di celle completamente scariche (5 V x 4,5 \uXNUMXd XNUMX V) e il voltmetro funzionerà correttamente. La capacità delle celle galvaniche alcaline e delle batterie di questi tipi è di circa 100 mAh e argento-zinco - 160 mAh. Ciò significa che il tempo di funzionamento stimato del voltmetro da una batteria con un consumo medio di corrente di circa 220 μA (MAX130) sarà di circa 500 ore per batterie alcaline e 800 ore per batterie argento-zinco. Per altri tipi di microcircuiti di questa famiglia di ADC, è possibile stimare il tempo di funzionamento in base al loro consumo di corrente. L'errore del voltmetro al limite di 200 mV corrisponde alla capacità dell'indicatore LCD, cioè tutti i numeri sull'indicatore sono accurati (testati utilizzando un voltmetro DT41F + 2/930 cifre, classe di precisione 0,05), che, di ovviamente, non è merito dell'autore, ma dell'alta qualità della fabbricazione dell'ADC MAXIM e di una sorgente di tensione di riferimento Analog Devices. Poiché la tensione dello ION misurata nel voltmetro sintonizzato era leggermente inferiore al valore calcolato (circa 99,98 mV), la non linearità del dispositivo che si verifica inevitabilmente con questo metodo di correzione dell'assorbimento nel condensatore è superiore a 3 1/2 cifre dell'indicatore. L'assenza di una notevole differenza nelle letture ai punti finali della scala (meno di 1/2 della cifra meno significativa dell'indicatore) in questo caso è solo un piacevole incidente. Sui restanti (tre) limiti, l'errore sarà determinato dalla qualità di fabbricazione del partitore di tensione. L'autore è consapevole di alcune ambiguità nel materiale presentato in questo articolo. Da un lato, si considera l'utilizzo di un chip ADC nella progettazione di un dispositivo, che non può essere considerato diversamente da un radioamatore, poiché la modalità di alimentazione del microcircuito non è conforme alle raccomandazioni del produttore. D'altra parte, l'autore ha a sua disposizione i risultati di uno studio piuttosto approfondito delle fonti di errore, che non è stato incluso in questo articolo. Allo stesso tempo, l'autore afferma che due dozzine di copie di microcircuiti di diverso tipo della famiglia ICL71x6 funzionano normalmente nel circuito di commutazione proposto. Tuttavia, l'autore non può fornire conclusioni generalizzanti sulle prestazioni di tutti i microcircuiti di questo gruppo di ADC in questo articolo. Per se stesso, l'autore ha comunque tratto una certa conclusione. Se in un progetto amatoriale o industriale è necessario collegare un microcircuito della famiglia ICL71x6 a un dispositivo con una tensione di alimentazione di 5 ... 6 V, è possibile utilizzare l'ADC senza convertitori di polarità, tenendo conto del margine di tensione di alimentazione. Letteratura
Autore: O. Fedorov, Mosca
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