Двухканальный вольтамперметр на ATmega8

Представленный прибор позволяет производить одновременное измерение двух постоянных напряжений и токов. Результаты измерений наглядно отображаются на жидкокристаллическом дисплее.

Рекомендации: конструкция рекомендована разработчикам блоков питания, зарядных устройств и других источников постоянного напряжения.

При проектировании устройства были определены следующие характеристики:

• дешевые и доступные компоненты;
• измерение напряжения в диапазоне: 0...10 В постоянного тока или 0...100 В постоянного тока;
• измерение тока в диапазоне 0...1 А или 0...10 А постоянного тока;
• изменение диапазона, не требующее вмешательства в программу, содержащуюся в микроконтроллере;
• измерения с использованием общей точки отсчета, отсутствие гальванической развязки между отдельными входами;
• нет необходимости калибровать;
• широкий диапазон напряжения питания: 8...30 В постоянного тока;
• малые габариты и несложный способ крепления в корпусе, например, блока питания;
• немедленная работа после включения питания.

Принцип действия

Рисунок 1. Принципиальная схема двухканального вольтамперметра.

Схема предлагаемого решения представлена на рисунке 1. Сердцем устройства является микроконтроллер ATmega8. Выбор был продиктован его популярностью, достаточным количеством линий ввода/вывода и наличием встроенного аналого-цифрового преобразователя с достаточными для данного применения параметрами. В микроконтроллере, размещенном в корпусе DIP-28, АЦП имеет 6 входов с разрешением 10 бит.

Номер входа, с которого снимается измеряемое напряжение, заносится в регистр ADMUX. Он также указывает на источник опорного напряжения. Вы можете выбрать: внутренний источник 2,56 В, внешний (подключенный к выводу AREF) или напряжение питания микроконтроллера. Другие рабочие параметры модуля задаются в регистре ADCSRA, например:

• степень деления системной частоты (для корректной работы АЦП требуется тактирование с частотой в диапазоне 50...200 кГц);
• метод работы (непрерывное обновление выходных данных, так называемый Free Running Mode или преобразование по требованию после установки соответствующего бита);
• способ сигнализации об окончании обработки (выдача прерывания, останавливающего программу, или установка соответствующего флага в регистре);
• способ представления данных (выходной регистр имеет емкость 2*8 бит, а сохраняемые данные имеют емкость 10 бит; они могут занимать как самые старшие, так и самые младшие биты).

В момент начала измерения текущее значение напряжения, выходящего из мультиплексора, «защелкивается» в компараторе. Система управляет встроенным аналого-цифровым преобразователем: она подает половину опорного напряжения на второй вход компаратора и проверяет, слишком ли оно низкое или слишком высокое по отношению к измеряемому. Прочитанный бит сохраняется и принимает участие в определении следующего шага: если напряжение было слишком высоким, из опорного напряжения вычитается единица, если мало - прибавляется. Так читается второй бит. Ситуация повторяется до тех пор, пока не будут использованы все 10 бит. Каждый шаг является лучшим приближением результата преобразования к реальному значению. По этой причине максимально возможное значение, которое можно прочитать из преобразователя с разрешением 10 бит, равно 1023:

Этот способ преобразования напряжений в цифровую форму дешев и относительно прост в реализации, но имеет недостаток, характерный для всех компенсационных преобразователей: он измеряет остановленное в одно мгновение значение напряжения, что делает его неустойчивым к помехам. Этот недостаток в значительной степени устраняется применением преобразователя с двойным интегрированием, который измеряет среднее значение за заданный период времени. Однако это более медленный и гораздо более сложный метод.

Встроенный в микроконтроллер источник опорного напряжения имеет очень большой разброс от номинального значения 2,56 В. Эти отклонения составляют до нескольких сотен милливольт. Для использования его необходимо откалибровать. Чтобы избавить себя от связанных с этим проблем, был использован внешний источник опорного напряжения типа LM385-2.5V. В зависимости от версии он имеет точность 1,5% или 3%, что достаточно для данного прибора. Поскольку система подключается к цепи так же, как и стабилитрон, то ограничителем тока, протекающего через эту ветвь, служат два параллельно соединенных резистора сборки RN1.

Входы аналого-цифрового преобразователя подвержены повреждениям: не рекомендуется подавать на них напряжение, отличное от диапазона GND...Vcc. Именно поэтому они были защищены, каждая отдельной цепью, состоящей из двух быстрых диодов и резистора, ограничивающего протекающий через них ток. Принцип работы показан на рисунке 2. Верхний график пример нормальной работы, средний (открывается верхний диод) при слишком высоком входном напряжении и нижний (открывается нижний диод) при подаче на вход отрицательного напряжения. На рисунке предполагается, что диоды идеальны, что не имеет большого значения для анализа работы схемы.

Рисунок 2.

Стабилизированное напряжение 5 В для микроконтроллера обеспечивает интегральный стабилизатор US1 типа 7805, для правильной работы которого требуется падение напряжения не менее 3 В. По этой причине минимальное значение напряжения питания системы составляет 8 В. Конденсатор С4 вместе с резистором R1 обеспечивают, чтобы ножка RESET микроконтроллера оставалась на низком уровне в течение доли секунды после подачи напряжения питания. Это значительно снижает риск ошибки при инициализации программы, что легко сделать при повышении напряжения питания.

Плата оснащена четырьмя комплектами 2-контактных перемычек JP1...JP4. Они используются для выбора нужного диапазона измерения в данном канале. Ведущие к ним ножки процессора, как и неиспользуемые, были подтянуты до потенциала +5 В через резисторы 4,7 кОм. Это предотвращает накопление на них статических зарядов, которые могут мешать работе системы.

Микроконтроллер оснащен буквенно-цифровым дисплеем с организацией 2х16 символов с драйвером, совместимым с HD44780. Он показывает результаты измерения или превышение выбранного диапазона. Потенциометр P1 регулирует контрастность дисплея, а резистор R13 ограничивает ток, протекающий через диоды подсветки (если дисплей имеет подсветку). Разъем J8 предназначен для программирования US3, не снимая его с разъема.

Последняя часть, которую необходимо обсудить, — это система из двух резистивных делителей и двух шунтов для измерения тока. Все они имеют общую точку отсчета, которая является массой системы. Отсюда следует, что измерение тока производится «со стороны земли», а не, как обычно, «со стороны плюса».

Однако это не имеет значения, поскольку первый закон Кирхгофа гарантирует, что оба полученных значения будут идентичными. В свою очередь, делители R2+R3 и R5+R6 делят входное напряжение (0...10 В или 0...100 В) в соотношении: 1:3 или 1:39 соответственно, подстраивая их под обработку диапазон аналого-цифрового преобразователя (0...2,5В). В соединителях, используемых для измерения тока, клеммы соединены параллельно, так что они могут проводить ток силой 10 А. Керамические конденсаторы C6...C9 предотвращают попадание возможных помех на входы аналого-цифрового преобразователя.

Монтаж и наладка

Рисунок 3. Вариант печатной платы.

Система была собрана на односторонней печатной плате размерами примерно 87*74 мм. Схема его сборки показана на рисунке 3. Сначала припаиваем разъем для ЖК-дисплея. Он расположен, в отличие от других компонентов, с другой стороны платы. Во избежание возможного оплавления пластикового держателя контактов на время пайки можно надеть на разъем аналогичный разъем-розетку. Штыри следует вставлять в плату на удобную для пайки глубину, затем припаивать один посередине, выровнять и только потом припаивать следующие, начиная с крайних. Припаянный разъем показан на фото 4.

Дальнейшая сборка ведется обычно, от самого нижнего элемента к самому высокому, помня о двух перемычках, расположенных под панелькой микроконтроллера. Заранее также нужно позаботиться о припайке соответствующих номиналов резисторов, участвующих в измерениях. После сборки, вставив микроконтроллер ATmega8 в сокет и запрограммировав его, выставить контрастность дисплея с помощью потенциометра P1. Настройки битов конфигурации оставить заводские и менять их не надо.

Следующим шагом является информирование программируемой системы о выбранных нами диапазонах измерений, согласно таблице 1. Это делается установкой или снятием перемычек с контактов JP1...JP4.

Таблица 1. Номиналы резисторов и конфигурация перемычек в зависимости от диапазона измерения

Номиналы резисторов в резистивных делителях предложены - их тоже можно подобрать самостоятельно. Нужно только не забыть согласовать входные напряжения, т.е. 10 В или 100 В, с приложенным опорным напряжением, т.е. 2,5 В. Чем точнее используются резисторы и чем больше их соотношения номиналов соответствуют расчетным, тем лучше можно ожидать точности измерений. Также можно установить вместо одного из резисторов в делителе потенциометр и произвести калибровку.

Фото 4. Вид правильно припаянного разъема для ЖК-дисплея

Фото 5. Экран рабочего устройства

Фото 6. Устройство в собранном виде

При напряжении питания более 15 В стоит поставить на микросхему US1 небольшой радиатор, особенно когда дисплей имеет подсветку. Резисторы R7 и R8, особенно при постоянном измерении токов близких к максимальным, стоит припаять на несколько миллиметров выше платы для обеспечения достаточного охлаждения. Резисторы рекомендуется использовать пятиваттные из-за устойчивости к скачкам тока.

Экран работающей измерительной системы показан на фото 5. В верхней строке отображаются результаты измерений U1 и I1 соответственно; нижние - U2 и I2.

Возможно, измеренное значение превышает установленный диапазон. Аналого-цифровой преобразователь не может расширить свои рабочие пределы; 1023 — это максимальное число, которое можно из него прочитать. Поэтому его появление трактуется системой как предполагаемое превышение диапазона. Чтобы показать это, на дисплее появится надпись «OVER!». Это происходит за счет небольшого сужения - на один младший бит.

О погрешности измерения

Природа так устроена, что не может безошибочно измерить любую непрерывную величину (напряжение, температуру) с помощью цифровых систем. К этому добавляется допуск используемых компонентов. Разберем составляющие, влияющие на результат измерения:

• точность самого аналого-цифрового преобразователя. Компания Atmel заявляет, что она не хуже ±2LSB, что для 10-битного преобразователя дает:
• ошибка квантования. Результатом измерения является диапазон, в котором находится измеряемое значение – чем выше разрешение, тем уже эти диапазоны. Предполагая наихудший возможный случай, т. е. реальное значение находится в середине обозначенного диапазона:
• точность источника опорного напряжения. Допуск его выполнения линейно переносится на результат измерения. В техническом описании LM385 указано 1,5% или 3%, в зависимости от версии.
• ошибка, возникающая из-за допуска используемых резисторов. В случае измерения тока все просто: 5% допуск резистора (как используется в модели) дает 5% погрешность результата. Это усложняется при измерении напряжения, когда используется резисторный делитель. Формула, выражающая относительную погрешность деления напряжения, имеет следующий вид:

(для делителя на входе U1). После подстановки значений и допусков из диаграммы получается примерно 1,5%.
Суммируя вышеперечисленные составляющие, погрешность измерения тока не превышает 8,3 %, а измерения напряжения 4,8 %. Это крайние значения, потому что рассматривался наихудший возможный случай. Неопределенность можно уменьшить, используя более точный источник опорного напряжения и резисторы с более жесткими допусками. Ошибки, возникающие из-за округления операций с плавающей запятой, температурного дрейфа и т. д., были исключены.