Простой самодельный вольтметр. Простой модульный вольтметр переменного напряжения на PIC16F676

Н. ОСТРОУХОВ, г. Сургут

В статье описан вольтметр переменного напряжения. Он собран на микроконтроллере и может быть использован как автономный измерительный прибор или как встроенный вольтметр в генераторе НЧ.

Предлагаемый вольтметр предназначен для измерения переменного напряжения синусоидальной формы частотой от 1 Гц до 800 кГц. Интервал измеряемого напряжения - 0...3 В (или 0...30 В с внешним делителем напряже­ния 1:10). Результат измерения отобра­жается на четырехразрядном свето­диодном индикаторе. Точность измере­ния определяется параметрами встро­енных в микроконтроллер АЦП и источ­ника образцового напряжения и равна 2 мВ (для интервала 0...3 В). Питается вольтметр от источника стабилизированного напряжения 5 В и потребляет ток 40...65 мА в зависимо­сти от примененного индикатора и яркости его свечения. Ток, потребляемый от встроенного преобразователя полярности, не превышает 5 мА.

В состав устройства (см. схему на рис. 1) входят преобразователь переменного напряжения в постоянное, буферный усилитель постоянного напря­жения, цифровой вольтметр и преобра­зователь полярности питающего напря­жения. Преобразователь переменного напряжения в постоянное собран на компараторе DA1, генераторе импульсов на элементах DD1.1-DD1.4 и переключательном транзисторе VT1. Рас­смотрим его работу подробнее. Предположим, что на входе устройства сиг­нала нет. Тогда напряжение на инвертирующем входе компаратора DA1 равно нулю, а на неинвертирующем определяется делителем напряжения R19R22 и при указанных на схеме номиналах равно около -80 мВ. На выходе компаратора в этом случае присутствует низ­кий уровень, который разрешает работу генератора импульсов. Особенность генератора в том, что при каждом спаде напряжения на выходе компаратора DA1 на выходе генератора (вывод 8 элемента DD1.2) формируется один импульс. Если к моменту его спада выходное состояние компаратора не изменится, сформируется следующий импульс и т. д.

Длительность импульсов зависит от номиналов элементов R16, С5 и равна примерно 0,5 мкс. При низком уровне напряжения на выходе элемента DD1.2 открывается транзистор VT1. Номиналы резисторов R17, R18 и R20 подобраны так, чтобы через открытый транзистор протекал ток 10 мА, который заряжает конденсаторы С8 и С11. За время действия каждого импульса эти конденсаторы заряжаются на доли милливольта. В установившемся режиме напряжение на них возрастет от -80 мВ до нуля, частота следования импульсов генератора уменьшится и импульсы коллекторного тока транзистора VT1 будут компенсировать только медленную разрядку конденсатора С11 через резистор R22. Таким образом, благодаря небольшому начальному отрицательному смещению, даже в отсутствие входного сигнала, преобразователь работает в нор­мальном режиме. При подаче входного переменного напряжения из-за изменения частоты следования импульсов генератора напряжение на конденсаторе С11 изменяется в соответствии с амплитудой входного сигнала. ФНЧ R21C12 сглаживает выходное напряжение преобразователя. Следует отметить, что фактически преобразуется только положительная полуволна входного напряжения, по­этому если оно несимметрично относительно нуля, возникнет дополнительная погрешность.

Буферный усилитель с коэффициентом передачи 1,2 собран на ОУ DA3. Подключенный к его выходу диод VD1 защищает входы микроконтроллера от напряжения минусовой полярности. С выхода ОУ DA3 через резистивные де­лители напряжения R1R2R3 и R4R5 по­стоянное напряжение поступает на линии РС0 и РС1 микроконтроллера DD2, которые сконфигурированы как входы АЦП. Конденсаторы С1 и С2 дополни­тельно подавляют помехи и наводки. Собственно цифровой вольтметр собран на микроконтроллере DD2, в котором использованы встроенный 10-разрядный АЦП и внутренний источник образцового напряжения 1,1 В.

Про­грамма для микроконтроллера написана с использованием среды BASCOM-AVR и допускает применение трех- или четырехразрядных цифровых све­тодиодных индикаторов с об­щим анодом или общим като­дом и позволяет отображать действующее (для синусоидального сигнала) или амплитудное значение напряжения входного сигнала, а также изменять яркость свечения индикатора Логический уровень сигна­ла на линии PC3 задает тип примененного индикатора - с общим анодом (низкий) или с общим катодом (высокий), а на линии РС4 - число его раз­рядов, четыре - для низкого и три - для высокого. Про­грамма в начале работы один раз считывает уровни сигна­лов на этих линиях и настраи­вает микроконтроллер на работу с соответствующим индикатором. Для четырех­разрядного индикатора результат измерения отобража­ется в виде Х.ХХХ (В), для трехразрядного - XXX (мВ) до 1 В и Х.ХХ (В), если напряжение более 1 В. При применении трехразряд­ного индикатора выводы его разрядов подключают как выводы трех старших разрядов четырехразрядного на рис. 1.

Уровень сигнала на линии РС2 уп­равляет умножением результата изме­рений на 10, что необходимо при при­менении внешнего делителя напряжения 1:10. При низком уровне результат не умножается Сигнал на линии РВ6 управляет яркостью свечения индика­тора, при высоком уровне она снижает­ся. Изменение яркости происходит в результате изменения соотношения между временем свечения и временем гашения индикатора внутри каждого цикла измерения. При заданных в про­грамме константах яркость изменяется примерно вдвое. Действующее значение входного напряжения отображает­ся при подаче на линию РВ7 высокого уровня и амплитудное - низкого. Уров­ни сигналов на линиях РС2, РВ6 и РВ7 программа анализирует в каждом цик­ле измерения, и поэтому они могут быть изменены в любой момент, для чего удобно применять переключатели. Продолжительность одного цикла измерения равна 1.1 с. За это время АЦП выполняет около 1100 отсчетов, из них выбирается максимальный и умножается, если необходимо, на нужный коэффициент.

Для постоянного измеряемого напряжения достаточно было бы одного измерения на весь цикл, а для переменного с частотой менее 500 Гц напряжение на конденсаторах С8. С11 заметно изменяется в течение цикла. Поэтому 1100 измерений с интервалом 1 мс позволяют зафиксировать макси­мальное за период значение. Преобразователь полярности пита­ющего напряжения собран на микро­схеме DA2 по стандартной схеме. Его выходное напряжение -5 В питает ком­паратор DA1 и ОУ DA3. Разъем ХР2 предназначен для внутриаппаратного программирования микроконтроллера.

В вольтметре применены постоянные резисторы С2-23, МЛТ, подстроечные - фирмы Bourns серии 3296, оксидные конденсаторы - им­портные, остальные - К10-17. Микро­схему 74АС00 можно заменить на КР555ЛАЗ, транзистор КТ361Г - на любой из серии КТ3107. Диод 1N5818 заменим любым германиевым или диодом Шотки с допустимым прямым то­ком не менее 50 мА. Замена для микро­схемы ICL7660 автору неизвестна, но преобразователь полярности напряже­ния +5/-5 В можно собрать по одной из опубликованных в журнале "Радио" схем. Кроме того, преобразователь можно исключить совсем, применив двухполярный стабилизированный ис­точник питания. Особо следует остановиться на вы­боре компаратора, поскольку от него зависит диапазон рабочих частот. Выбор компаратора LM319 (аналоги КА319, LT319) обусловлен двумя крите­риями - необходимым быстродейст­вием и доступностью. Компараторы LM306, LM361, LM710 более быстро­действующие, но приобрести их оказа­лось труднее, к тому же они дороже. Более доступны LM311 (отечественный аналог КР554САЗ) и LM393. При установке в устройство компаратора LM311, как и следовало ожидать, час­тотный диапазон сузился до 250 кГц. Резистор R6 имеет сравнительно небольшое сопротивление, поскольку устройство было примене­но как встроенный вольт­метр в генераторе НЧ. При использовании прибора в автономном измерителе его сопротивление можно увеличить, но погрешность измерения возрастет из-за сравнительно большого входного тока компаратора DA1.

Схема делителя напря­жения 1:10 показана на рис. 2. Здесь функции ре­зистора R2 в делителе выполняет резистор R6 (см. рис. 1). Налаживают делитель напряжения в определенной последова­тельности. На его вход по­дают прямоугольные им­пульсы с частотой не­сколько килогерц, ампли­тудой 2...3 В (такой калиб­ровочный сигнал имеется во многих осциллографах), а к выходу (к выводу 5 DA1) подключают вход осциллографа. Подстройкой конденсатора С1 доби­ваются прямоугольной формы импуль­сов. Осциллограф следует применить с входным делителем напряжения 1:10. Все детали, кроме индикатора, смонтированы на макетной монтажной плате размерами 100x70 мм с приме­нением проводного монтажа. Внешний вид одного из вариантов устройства показан на рис. 3. Для удобства под­ключения цифрового индикатора при­менен разъем (на схеме не показан). При монтаже общий провод входной вилки ХР1 и соответствующие выводы конденсаторов С8, С10, С11 и С13 сле­дует соединить с общим проводом в одном месте проводами минимальной длины. Элементы VT1, R20, С8, С10, С11 и С13 и компаратор DA1 должны быть размещены максимально компактно, конденсаторы С3, С6 - как можно ближе к выводам компаратора DA1, а С4, С14, С15 - к выводам мик­роконтроллера DD2. Для налаживания вход устройства замыкают, общий вывод щупа осцил­лографа присоединяют к плюсовому выводу конденсатора С13, а сигналь­ный - к эмиттеру транзистора VT1. На экране должен появиться импульс отрицательной полярности амплитудой около 0,6 В и длительностью 0,5 мкс. Если из-за малой частоты следования импульсов их будет трудно наблюдать, то временно параллельно конденсато­ру С11 подключают резистор сопротив­лением 0,1... 1 кОм. Напряжение на конденсаторе С12 контролируют высо-коомным вольтметром, оно должно быть близко к нулю (плюс-минус не­сколько милливольт).

Напряжение на выходе ОУ DA3 (которое не должно превышать нескольких милливольт) резистором R27 устанавливают равным нулю. Требуемый режим работы микро­контроллера устанавливают подачей требуемых уровней на линии РВ6, РВ7, РС2-РС4, для чего их соединяют с об­щим проводом или с линией питания +5 В через резисторы сопротивлением 20...30 кОм. Ко входу устройства под­ключают образцовый вольтметр и пода­ют постоянное напряжение 0,95... 1 В. Подстрочным резистором R4 уравни­вают показания обоих вольтметров. За­тем напряжение повышают до 2,95...3 В и резистором R1 вновь уравнивают по­казания. Подборкой резисторов R8-R15 можно установить желаемую яркость свечения индикатора. Сначала подби­рают требуемый номинал только одно­го из них, а затем устанавливают ос­тальные. При подборке следует пом­нить, что максимальный выходной ток порта примененного микроконтролле­ра не должен превышать 40 мА, а об­щий потребляемый ток - 200 мА.

Прилагаемые файлы: Vmetr.zip

Простой вольтметр переменного напряжения с частотой 50 Гц, выполнен в виде встраиваемого модуля, который может использоваться как отдельно, так и быть встроен в готовое устройство.
Вольтметр собран на микроконтроллере PIC16F676 и 3-разрядном индикаторе и содержит не очень много деталей.

Основные характеристики вольтметра:
Форма измеряемого напряжения - синусоидальная
Максимальное значение измеряемого напряжения - 250 В;
Частота измеряемого напряжения - 40…60 Гц;
Дискретность отображения результата измерения - 1 В;
Напряжение питание вольтметра - 7…15 В.
Средний ток потребления - 20 мА
Два варианта конструкции: с БП на борту и без
Односторонняя печатная плата
Компактная конструкция
Отображение измеряемых величин на 3-разрядном LED-индикаторе

Принципиальная схема вольтметра для измерения переменного напряжения

Реализовано прямое измерение переменного напряжения с последующим вычислением его значения и вывода на индикатор. Измеряемое напряжение поступает на входной делитель, выполненный на R3, R4, R5 и через разделительный конденсатор C4 поступает на вход АЦП микроконтроллера.

Резисторы R6 и R7 создают на входе АЦП напряжение 2,5 вольта (половина питания). Конденсатор C5, относительно малой ёмкости, шунтирует вход АЦП и способствует уменьшению ошибки измерения. Микроконтроллер организует работу индикатора в динамическом режиме по прерываниям от таймера.

Конструкция и детали

Вариант с питанием от измеряемой сети 220 В . Предусмотрен простейший блок питания 5 Вольт, эта часть обведена бледно зелёной линией на схеме. Такой модуль используется при непосредственном питании от измеряемой сети. В этом режиме нижняя граница измеряемого напряжения будет составлять около 150 Вольт.

Вариант с доп. питанием + 7…15 В . Пределы измерения 0 – 250 Вольт.

Вольтметр собран на плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Индикатор применён с общим катодом.
Резисторы R6 и R7 могут иметь величину 47 – 100 ком. Их необходимо подобрать с одинаковыми номиналами или взять с 1% допуском. От их равенства номиналов зависит линейность показаний в верхней части шкалы.
Номинал резисторов R8 – R12 выбирается в зависимости от требуемой яркости свечения и светоотдачи индикатора. При этом возможно придётся увеличить ёмкость конденсатора C1 для получения большего значения тока для питания индикатора.
При использовании индикатора с малой светоотдачей желательно вместо микросхемы U1 (78L05) применить более мощную 7805 для того чтобы избежать перегрева.

Настройка

Настройка вольтметра особенностей не имеет. Перед настройкой желательно выждать 10 – 15 минут после включения. Необходимо установить правильные показания с помощью резисторов R5 (точно) и R3 (грубо, если потребуется).

Программа

Программа написана на языке СИ (mikroC PRO for PIC) и снабжена комментариями. В программе применено прямое измерение переменного напряжения микроконтроллером, что позволило упростить схему и повысить точность измерения малых напряжений.
Микропроцессор применён PIC16F676. Тактовая частота внутреннего генератора 4 МГц.

Работа программы: в течение некоторого отрезка времени производится многократное прямое измерение напряжения без привязки к фазе и при этом определяются минимальное и максимальное значения напряжений. Разность их значений будет равна размаху измеряемого напряжения, которое и выводится на индикатор.

Возможные применения вольтметра

Измерение напряжения сети (пределы измерения 150 – 250 Вольт)

Здравствуй дорогой читатель. Иногда возникает необходимость иметь «под рукой» небольшой простенький вольтметр. Сделать такой вольтметр своими руками не составит большого труда.

О пригодности вольтметра для измерения напряжений в тех или иных цепях судят по его входному сопротивлению, которое складывается из сопротивления рамки стрелочного прибора и сопротивления добавочного резистора. Так как на разных пределах добавочные резисторы имеют разные номиналы, то и входное сопротивление прибора будет другим. Чаще вольтметр оценивают его относительным входным сопротивлением, характеризующим отношение входного сопротивления прибора к 1В измеряемого напряжения, например 5кОм/В. Это удобнее: входное сопротивление вольтметра на разных пределах измерений разное, а относительное входное сопротивление постоянное. Чем меньше ток полного отклонения стрелки измерительного прибора Iи, используемого в вольтметре, тем больше будет его относительное входное сопротивление, тем точнее будут производимые им измерения. В транзисторных конструкциях приходится измерять напряжение от долей вольта до нескольких десятков вольт, а в ламповых еще больше. Поэтому однопредельный вольтметр неудобен. Например, вольтметром со шкалой на 100В нельзя точно измерить даже напряжения 1- 5В, так как отклонение стрелки получится малозаметным. Поэтому нужен вольтметр, имеющий хотя бы три — четыре предела измерений. Схема такого вольтметра постоянного тока показана на рис.1. Наличие четырех добавочных резисторов R1, R2, R3 и R4 свидетельствует о том, что вольтметр имеет четыре предела измерений. В данном случае первый предел 0-1В, второй 0-10В, третий 0-100В и четвертый 0-1000В.
Сопротивления добавочных резисторов можно рассчитать по формуле, вытекающей из закона Ома: Rд= Uп/Iи — Rп, здесь Uп — наибольшее напряжение данного предела измерений, Iи – ток полного отклонения стрелки измерительной головки, а Rп – сопротивление рамки измерительной головки. Так, например, для прибора на ток Iи = 500мкА (0,0005А) и рамкой сопротивлением 500 Ом сопротивление добавочного резистора R1, для предела 0-1В должно быть 1,5кОм, для предела 0-10В — 19,5кОм, для предела 0-100В — 199,5кОм, для предела 0-1000 – 1999,5кОм. Относительное входное сопротивление такого вольтметра будет 2кОм/В. Обычно, в вольтметр монтируют добавочные резисторы с номиналами, близкими с расчетными. Окончательно же «подгонку» их сопротивлений производят при градуировке вольтметра путем подключения к ним параллельно или последовательно других резисторов.

Если вольтметр постоянного тока дополнить выпрямителем, преобразующим переменное напряжение в постоянное (точнее — пульсирующее), получим вольтметр переменного тока. Возможная схема такого прибора с однополупериодным выпрямителем показана на рис.2. Работает прибор следующим образом. В те моменты времени, когда на левом (по схеме) зажиме прибора положительная полуволна переменного напряжения, ток идет через диод Д1 и далее через микроамперметр к правому зажиму. В это время диод Д2 закрыт. Во время положительной полуволны на правом зажиме, диод Д1 закрывается, и положительные полуволны переменного напряжения замыкаются через диод Д2, минуя микроамперметр.
Добавочный резистор Rд рассчитывают так же, как и для постоянных напряжений, но полученный результат делят на 2,5-3, если выпрямитель прибора однополупериодный, или на 1,25-1,5, если выпрямитель прибора двухполупериодный — рис.3. Более точно сопротивление этого резистора подбирают опытным путем во время градуировки шкалы прибора. Можно рассчитать Rд и по другим формулам. Сопротивление добавочных резисторов вольтметров выпрямительной системы, выполненных по схеме на рис.2, вычисляют по формуле:
Rд = 0,45?Uп/Iи – (Rп + rд);
Для схемы на рис.3 формула имеет вид:
Rд = 0,9?Uп/Iи – (Rп + 2rд); где rд – сопротивление диода в прямом направлении.
Показания приборов выпрямительной системы пропорциональны средневыпрямленному значению измеряемых напряжений. Шкалы же их градуируют в среднеквадратических значения синусоидального напряжения, поэтому показания приборов выпрямительной системы равны среднеквадратическому значению напряжения лишь при измерении напряжений синусоидальной формы. В качестве выпрямительных диодов используются германиевые диоды Д9Д. Такими вольтметрами можно измерять и напряжение звуковой частоты до нескольких десятков килогерц. Шкалу для самодельного вольтметра можно начертить с помощью программы FrontDesigner_3.0_setup.

Если для измерения постоянного напряжения Вы пользуетесь вольтметром с измерительной головкой магнитоэлектрической системы, то обращали внимание, что при неправильной полярности подключения щупов вольтметра к источнику измеряемого напряжения, стрелка измерительной головки отклоняется в обратную сторону за нуль и зашкаливает. Если таким прибором попытаться измерить переменное напряжение частотой около 50 Гц и выше, стрелка может слегка дёрнуться в первоначальный момент времени, но после будет указывать на ноль. Ненулевое значение будет говорить о наличии постоянной составляющей напряжения.

Самый простой способ выйти из положения – преобразовать переменное напряжение в постоянное, то есть выпрямить его. Это легко сделать с помощью одного единственного диода, как показано в статье . Если желаете измерить напряжение более-менее точно, для выпрямления можно использовать .

Схемы измерения

Причина такого поведения магнитоэлектрического измерительного прибора при измерении переменного напряжения проста. В таких приборах присутствует постоянный магнит, а направление отклонения стрелки прибора зависит от направления протекания тока в катушке поворачивающейся рамки. В момент положительного полупериода стрелка прибора пытается отклониться в одну сторону, отрицательного – в другую. При достаточно частой смене полярности, например как в потребительской сети 50 Гц, стрелка просто не успевает отклониться в одну сторону, как вдруг ей нужно отклоняться в обратную. При этом можно заметить просто дрожание стрелки, или не заметить ни чего.

Измерительные головки электромагнитной системы в устройстве своём не имеют постоянного магнита, а их принцип действия основан на явлении втягивания предмета из намагничивающегося материала в область центра катушки с током. Направление действия катушки с током на намагничивающийся объект не зависит от направления тока в обмотке катушки. Поэтому такие приборы легко измеряют как постоянный, так и переменный ток или напряжение.

Если у Вас возникла необходимость измерить напряжение в сети переменного тока, а под рукой только прибор с измерительной головкой магнитоэлектрической системы (с постоянным магнитом), то можно просто выйти из положения, имея под рукой хотя бы один выпрямительный диод с обратным напряжением не ниже амплитудного значения предположительно измеряемой величины. Для этого рассмотрим две схемы.

Схема с одним диодом

Менее точный, но предельно простой вариант. Всё, что нужно, это подключить один из щупов прибора через выпрямительный диод. При этом следует учесть, что к клемме приора с положительной полярностью диод должен быть подключен катодом (к отрицательной – анодом). При действии положительного полупериода стрелку будет отклонять измеряемая величина напряжения в нужную нам сторону. Во время отрицательного полупериода диод будет запираться, разрывая цепь прибора с источником напряжения, которое уже не подействует на стрелку прибора в обратном направлении.

Особенность измерения схемой с одним диодом

Определение значения величины. При измерении по рассмотренной схеме следует учесть, что прибор реагирует только во ремя одного полупериода, и покажет величину в два раза меньше действительного действующего значения напряжения. То есть, если при измерении напряжения такой схемой прибор показал значение 110 В, это показание нужно умножить на два, и получите то, что Вы измерили.

Выбор диода. Для правильного выбора диода нам нужно обязательно учесть обратное напряжение диода, которое должно быть больше амплитудного значения измеряемой величины, иначе диод может пробить, и прибор перестанет показывать, или может врать на несколько порядков. Например, мы собираемся измерить напряжение в розетке. При указании класса напряжения оборудования указывается действующая величина. Чтобы узнать амплитудное значение, нужно действующую величину умножить на корень из двух: . Напряжение потребительской сети 220 В. Амплитуда напряжения будет 220×1,41=311 В. В нашем случае вполне подойдут выпрямительные диоды с обратным напряжением 400 В и выше. Ниже не желательно, т.к. в случае перенапряжения в сети, амплитуда напряжения может превысить обратное напряжение диода, произойдёт необратимый пробой p-n перехода и диод выйдет из строя.

Кроме того, не выбирайте мощные диоды, чем меньше мощность, тем лучше. У мощных диодов большая площадь p-n перехода, который в запертом состоянии может вести себя как обкладки конденсатора. Таким образом, в отрицательный полупериод может сказаться ёмкостная проводимость, и показания прибора окажутся несколько занижены. Чем больше частота измеряемого напряжения, тем больше влияние, особенно при использовании высокоомных чувствительных измерительных головок.

Схема с диодным мостом

Более сложный вариант, но позволяющий измерять электрические величины более точно. Для этого потребуется 4 диода, либо готовый диодный мост. Принцип работы схемы аналогичен первому варианту, но здесь измерительный элемент чувствует оба полупериода напряжения, которые действуют на него однонаправлено, и прибор показывает действующее значение напряжения. То есть, показания прибора будут соответствовать действительности.

Выбор диодов или диодного моста аналогичен первому случаю.

Меры предосторожности

При модификации Вашего прибора указанными способами, уделите особое внимание безопасности. Диоды или диодный мост используемые в схемах, а так же контактные места рассечки проводов, щупов прибора, клеммы вольтметра должны быть надёжно заизолированы, чтобы предотвратить поражение электрическим током при случайном прикосновении к токоведущим частям прибора во время измерения.