Цифровой ампервольтметр с гальванической развязкой каналов измерения

Применение микроконтроллера с многоканальным АЦП упрощает задачу измерения тока и напряжения для последующего вывода на индикатор лабораторного блока питания.Однако, при несомненном достоинстве таких схем – их простоте и дешевизне – есть у них и существенный недостаток – наличие общего «минуса» у каналов АЦП не позволяет проводить независимые измерения тока и напряжения, т.е. подключаться к источникам питания, не имеющим общей точки для измерения этих величин. Предлагаемый ампервольтметр позволит проводить измерения в устройствах любого схемотехнического исполнения, не требуя при этом дополнительной обмотки (источника питания) для своего подключения.

Технические характеристики ампервольтметра:
Напряжение питания, В   15…20
Потребляемый ток при U_пит=15В, не более, мА,   100
Измеряемое напряжение с разрешением в 1мВ, В   0,000…9,999
Измеряемое напряжение с разрешением в 10мВ, В   10,00…99,99
Измеряемый ток с разрешением в 1мА, А   0,000…9,999
Измеряемый ток с разрешением в 10 мА, А   0,00…99,99
Измеряемый ток с разрешением в 100 мА, А   0,0…999,9
Нелинейность измерения, МЗР   ±3

Схема ампервольтметра представлена ниже.

Канал измерения напряжения состоит из элементов DA4, DA6, VT2, VT3, тока – DA1, DA5, DA7. Оба канала используют один и тот же принцип измерения – преобразование напряжения в частоту, и для гальванической развязки управляются МК DD1 через оптопары U1…U5. На стабилизаторах DA4, DA5 собраны источники стабильного тока, которым заряжаются интегрирующие конденсаторы C15, C16. После включения ампервольтметра транзисторы VT3, VT4 закрыты, и уровни напряжений на выв. 2 компараторов DA6 и DA7 получаются заведомо выше, чем уровни на выв. 3, поскольку максимальное значение последних ограничено стабилитронами VD2 и VD3. В этом случае оба компаратора шунтируют светодиоды оптопар U3, U5, их транзисторы закрыты, и на входе ICP МК DD1 присутствует высокий логический уровень. Для измерения напряжения МК DD1 на выв. 8 формирует положительный импульс длительностью около 50 мс. Транзистор оптопары U4 закрывается, а транзистор VT3 открывается, разряжая ёмкость C15. Компаратор DA6 перестаёт шунтировать светодиод U3 и на входе ICP DD1 устанавливается низкий логический уровень. По завершению импульса разряда на конденсаторе C15 начинает линейно нарастать напряжение, которое компаратор DA6 сравнивает с измеряемым напряжением на выв.3. Одновременно с этим МК запускает таймер T1 в режиме «захват». Как только напряжение на выв. 2 DA6 станет больше, чем на выв. 3, на выходе DA6 установится низкий уровень, что приведёт к закрытию транзистора оптопары U3 и установлению на выв. ICP DD1 высокого логического уровня. Нарастающий фронт на выв. ICP активирует подпрограмму прерывания по событию «захват». Подпрограмма выводит на индикатор HG1 насчитанное счетчиком Т1 значение в регистре захвата ICR1, которое пропорционально измеряемому напряжению. Элементы R4, R15, VT2 образуют делитель напряжения, который включается микроконтроллером DD1 в том случае, если измеряемое значение превышает 9,999 В.

Измерение тока происходит аналогичным образом, но уже с формирования положительного импульса для транзистора VT4. Вместо делителя напряжения добавлен усилитель постоянного тока на ОУ DA1. Усилитель необходим для работы со стандартными шунтами на 75 мВ, или шунтами, имеющими низкое сопротивление, падение напряжения на которых не превышает 100-200 мВ.

В том случае, если измеряемые значения превышают допустимый диапазон, то на индикатор вместо символа «=» выводится символ «>».

Питание и гальваническую развязку измерительных каналов обеспечивает ШИМ-контроллер DA3, включенный по схеме прямоходового преобразователя. Незначительные токи нагрузки по цепям +15V1, +15V2, -15V2 позволили отказаться от накопительных дросселей и дополнительных диодов во вторичных цепях трансформатора Т1. Частота преобразования составляет 50 кГц.

Перемычками JP1…JP3 выбирается диапазон измеряемого тока. При закороченной перемычке JP1 диапазон составляет 0,000 – 9,999 А; JP2 0,00 – 99,99 А; JP3 0,0 – 999,9 А. Иными словами, перемычки определяют положение децимальной точки в каждом диапазоне при выводе измеренного значения на индикатор.

Чертежи и фотографии печатной платы:

Управляющая программа написана на ассемблере, ниже показана настройка фьюз-битов.

После сборки ампервольтметра следует проверить цепи питания +15V1, +15V2, -15V2, уровень напряжения которых должен быть в диапазоне 14,2…15,5 В. При необходимости напряжение можно подстроить путём подбора стабилитрона VD4, или же, если его уровень меньше 14 В, – добавлением   ещё одного диода последовательно с VD5.

При включении ампервольтметра на индикатор в течение примерно 2с выводятся значения корректирующих констант для тока и напряжения. Настройка контрастности индикатора HG1 осуществляется подстройкой резистора R23.

Следующий шаг – регулировка тока заряда интегрирующих конденсаторов C15, C16 и вычисление корректирующих констант обоих каналов. Для этого вывод резистора R9, соединённый с выв. 6 ОУ DA1, временно выпаивается из платы и соединяется со входом «+Uизм». Также соединяются вместе входы «-Uизм» и «-Iизм». От внешнего источника на вход «+Uизм» и «-Uизм» подаётся напряжение в диапазоне 9,700…9,900 В, контролируемое эталонным вольтметром. Подстраивая переменные резисторы R10 и R11, необходимо добиться идентичных показаний между эталонным вольтметром и обоими каналами ампервольметра. Далее вычисляются константы для компенсации времени переключения компараторов DA6, DA7 и оптопар U3, U5. От внешнего источника напряжение через делитель, состоящий из постоянного резистора 3 кОм и переменного (или подстроечного) 100 Ом, подаётся на вход «+Uизм». Переменным резистором устанавливается нулевое значение напряжения. Затем, плавно увеличивая напряжение переменным резистором, необходимо добиться индикации тока или напряжения, отличного от нуля. Из-за разброса параметров элементов значения могут отличаться друг от друга, и поэтому появляются на индикаторе не одновременно. Важно зафиксировать самое первое ненулевое значение для каждого канала. Получившиеся числа и есть константы, которые необходимо перевести в шестнадцатеричную форму и записать в строки 166 и 168 исходного файла AVO_WH.ASM для напряжения и тока соответственно.

После внесённых изменений исходный файл компилируется, после чего МК заново программируется. Теперь, после записи констант, необходимо завершить настройку каналов измерения – снова подать напряжение 9,700…9,900 В на вход «+Uизм» и переменными резисторами R10 и R11 добиться идентичных показаний между эталонным вольтметром и обоими каналами ампервольметра. Настройка канала вольтметра на этом завершена, остаётся отрегулировать усилитель DA1 канала измерения тока. Для этого вывод резистора R9 впаивается обратно в плату, а входы «+Iизм» и «-Iизм» закорачиваются. Подстраивая резистор R7 и контролируя напряжение внешним вольтметром на выводах 3 и 4 компаратора DA7, добиваются значения, максимально близкого к 0 В. После этого остаётся только настроить коэффициент усиления ОУ DA1, который зависит от сопротивления применяемого шунта. Допустим, имеется шунт из 6 параллельно соединённых резисторов по 0,1 Ом. При токе в 5А на нём будет падать около 83,3 мВ. Измеритель тока должен отображать 5,000А, значит устанавливается перемычка JP1. Далее рассчитывается коэффициент усиления: 5А/0,0833В=60,24. Для резистора R5=110 кОм и Ku=60 получаем сумму R2 и R3:R5/(Ku-1)=110/59=1,864 кОм. Поскольку сопротивление шунта из-за погрешности резисторов будет отличаться от расчётного, необходимо предусмотреть запас по регулировке Ku, к примеру, взять R2=1,6 кОм и R3=470 Ом.

Для трансформатора Т1 использован магнитопровод Ш 4х5, подобные трансформаторы используются в компьютерных блоках питания для управления силовыми ключами, а также для дежурного источника питания +5 В.

Однако у трансформатора дежурного источника имеется зазор, от которого необходимо избавиться – центральный стержень одной половинки короче на 0,5 мм. Убрать зазор можно с помощью наждачной бумаги, стачивая боковые стержни вровень с центральным.

Обмотки I и II имеют по 36 витков и наматываются в два провода одновременно, обмотки III, IV, V – по 40 витков, диаметр провода 0,27 мм. Все обмотки пропитываются шеллаком. Для экранирования помех на изготовленный трансформатор наматывается полоска медной фольги – 1 замкнутый виток поверх магнитопровода и каркаса.

Первоначально ампервольтметр работал с индикатором MT-16S2R, который позднее был заменён на WH0802A-NGG-CT. Никаких изменений в программу МК делать при этом не пришлось, ЖКИ заработал сразу, хотя в описании на MT-16S2R говорится, что в 4х битном режиме контроллер КБ1013ВГ6 не совместим с HD44780 и KS0066. Поскольку про несовместимость у MT-08S2A не упоминается вообще, его, скорее всего, можно применить вместо WH0802A.

Инструментальный усилитель DA1 OP27GP можно заменить на OP07, OP37, OPA27, OPA37, КР140УД17А. Конденсаторы С15, С16  должны быть только плёночные, с низким ТКЕ, от их качества зависит точность и стабильность показаний.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Вольтметр
• Амперметр
• Микроконтроллер
• AVR