家有力な手法

簡単な自作電圧計です。 PIC16F676 のシンプルなモジュラー AC 電圧計

N. オストロウホフ、スルグト

この記事では AC 電圧計について説明します。マイクロコントローラー上に組み立てられており、スタンドアロンの測定装置として、または低周波発生器の組み込み電圧計として使用できます。

提案された電圧計は、1 Hz ～ 800 kHz の AC 電圧正弦波周波数を測定するように設計されています。測定される電圧間隔は 0 ～ 3 V (または外部分圧器 1:10 を使用する場合は 0 ～ 30 V) です。測定結果は4桁のLEDインジケーターに表示されます。測定精度は、マイクロコントローラに組み込まれた ADC のパラメータと基準電圧源によって決まり、2 mV (0 ～ 3 V の範囲) に等しくなります。電圧計は 5 V の安定化電圧源から電力を供給され、使用するインジケーターとそのグローの明るさに応じて 40 ～ 65 mA の電流を消費します。内蔵極性変換器の消費電流は5mAを超えません。

デバイスの構造（図1を参照）には、AC-DCコンバータ、DCバッファアンプ、デジタル電圧計供給電圧の極性変換器。 AC-DC コンバータは、コンパレータ DA1、要素 DD1.1 ～ DD1.4 上のパルス発生器、およびスイッチングトランジスタ VT1 に組み込まれています。彼の作品を詳しく見てみましょう。デバイスの入力に信号がないと仮定します。この場合、DA1 コンパレータの反転入力の電圧はゼロになり、非反転入力の電圧は分圧器 R19R22 によって決定され、図に示されている定格では約 -80 mV になります。この場合、コンパレータの出力にはローレベルがあり、パルス発生器が動作できるようになります。この発生器の特徴は、コンパレータ DA1 の出力で電圧が降下するたびに、発生器の出力 (DD1.2 要素のピン 8) で 1 つのパルスが形成されることです。立ち下がるまでにコンパレータの出力状態が変化しない場合は、次のパルスが生成されます。

パルスの持続時間は要素 R16、C5 の定格に依存し、約 0.5 μs です。要素DD1.2の出力の低電圧レベルでは、トランジスタVT1が開きます。抵抗器R17、R18、R20の値は、開いたトランジスタに10mAの電流が流れ、コンデンサC8とC11が充電されるように選択されます。各パルスの継続中、これらのコンデンサはミリボルトの何分の１かで充電されます。定常状態では、それらの電圧は -80 mV からゼロに増加し、発生器パルス周波数は減少し、トランジスタ VT1 のコレクタ電流パルスは、抵抗 R22 を介したコンデンサ C11 のゆっくりとした放電を補償するだけです。したがって、初期の負のオフセットが小さいため、入力信号がない場合でも、コンバータは正常に動作します。入力AC電圧が印加されると、発電機のパルス繰り返し率の変化により、コンデンサC11の両端の電圧が入力信号の振幅に応じて変化します。 LPF R21C12 スムージング出力電圧コンバータ。実際に変換されるのは入力電圧の正の半波のみであるため、ゼロに関して非対称である場合、追加の誤差が発生することに注意してください。

オペアンプDA3には伝達係数1.2のバッファアンプを搭載しています。出力に接続された VD1 ダイオードは、マイクロコントローラの入力を負極性電圧から保護します。オペアンプ DA3 の出力から、抵抗分圧器 R1R2R3 および R4R5 を介して、ADC 入力として構成されているマイクロコントローラー DD2 のライン PC0 および PC1 に定電圧が供給されます。コンデンサC1とC2はさらに干渉と干渉を抑制します。実際のデジタル電圧計は、内蔵 10 ビット ADC と 1.1 V の内部基準電圧源を使用する DD2 マイクロコントローラー上に組み立てられています。

マイクロコントローラーのプログラムはBASCOM-AVR環境を使用して書かれており、共通陽極または共通陰極を備えた3桁または4桁のデジタルLEDインジケーターの使用を可能にし、実効値（正弦波信号の場合）または振幅値を表示できます。入力信号電圧の変化、およびインジケーターのグローの明るさの変更ロジックレベル PC3 ライン上の信号は、使用されるインジケーターのタイプを指定します - 共通アノード (ロー) または共通カソード (ハイ)、およびPC4 行 - その桁数。下位は 4 桁、上位は 3 桁です。プログラムは作業の開始時にこれらのラインの信号レベルを読み取り、対応するインジケーターで動作するようにマイクロコントローラーを設定します。測定結果は、4 桁の場合は X.XXX (V)、3 桁の場合は 1 V までは XXX (mV)、1 V 以上の場合は X.XX (V) と表示されます。 V. 3 桁のインジケータを使用する場合、その桁の出力は図の 4 桁の上位 3 桁の出力として接続されます。 1.

PC2 ラインの信号レベルは、測定結果の 10 倍を制御します。これは、外部 1:10 分圧器を使用する場合に必要です。低いレベルでは結果は乗算されず、PB6 ライン上の信号はインジケーターの明るさを制御し、高いレベルでは減少します。明るさの変化は、各測定サイクル内でインジケーターの点灯時間と消灯時間の比率が変化することによって発生します。プログラムで設定した定数では明るさが約半分に変化します。 PB7ラインにハイレベルが印加され、振幅値が低い場合の入力電圧の実効値を表示します。プログラムは各測定サイクルでライン PC2、PB6、および PB7 の信号レベルを分析するため、いつでも変更できるため、スイッチを使用すると便利です。 1 回の測定サイクルの継続時間は 1.1 秒です。この間、ADC は約 1100 回の読み取りを実行し、その中から最大値が選択され、必要に応じて必要な係数が乗算されます。

一定の測定電圧の場合は、サイクル全体で 1 回の測定で十分です。周波数が 500 Hz 未満の交流電圧の場合は、コンデンサ C8 の電圧です。 C11 は周期中に著しく変化します。したがって、1 ms 間隔で 1100 回の測定を行うことで、その期間の最大値を確定できます。電源電圧極性コンバータは、標準方式に従って DA2 チップ上に組み込まれています。その出力電圧 -5 V がコンパレータ DA1 とオペアンプ DA3 に供給されます。 XP2 コネクタは、マイクロコントローラーのハードウェア内プログラミングを目的としています。

電圧計は固定抵抗器C2-23、MLT、トリマー-Bournsシリーズ3296、酸化コンデンサ-輸入品、残り-K10-17を使用します。 74AC00マイクロ回路はKR555LAZに、KT361GトランジスタはKT3107シリーズのいずれかと置き換えることができます。 1N5818 ダイオードを、許容順方向電流が少なくとも 50 mA のゲルマニウムまたはショットキーダイオードに置き換えることができます。 ICL7660 チップの代替品は作者には不明ですが、+5/-5 V 電圧極性コンバータは Radio 誌に掲載された回路の 1 つに従って組み立てることができます。また、バイポーラ安定化電源を使用することでコンバータを完全に不要にすることができます。動作周波数範囲はコンパレータに依存するため、コンパレータの選択には特に注意を払う必要があります。 LM319 コンパレータ (類似品 KA319、LT319) の選択は、必要な速度と可用性という 2 つの基準によって決まります。コンパレータ LM306、LM361、LM710 は高速ですが、入手がより難しく、さらに高価であることが判明しました。より入手しやすいのは、LM311 (KR554SAZ の国内類似品) と LM393 です。 LM311 コンパレータをデバイスに取り付けると、予想どおり、周波数範囲が 250 kHz に狭まりました。抵抗器 R6 は、LF 発生器の内蔵電圧計として使用されているため、比較的低い抵抗値を持っています。単体メータとして使用する場合、抵抗値を大きくすることは可能ですが、コンパレータDA1の入力電流が比較的大きいため、測定誤差が大きくなります。

1:10 分圧回路を図に示します。 2. ここで、分圧器の抵抗 R2 の機能は抵抗 R6 によって実行されます (図 1 を参照)。分圧器を特定の順序で調整します。数キロヘルツの周波数、2 ... 3 V の振幅を持つ方形パルスがその入力に供給され (このような校正信号は多くのオシロスコープで利用可能です)、オシロスコープの入力は出力 (ピン 5 DA1) に接続されます。。コンデンサ C1 を調整することにより、方形パルス形状が実現されます。オシロスコープは 1:10 の入力分圧器で使用する必要があります。インジケーターを除くすべての部品は、有線配線を使用して 100x70 mm のブレッドボード基板に実装されています。外観デバイスオプションの 1 つを図に示します。 3. デジタル指示計の接続にはコネクタを使用しています（図示せず）。設置中、XP1 入力プラグのコモン線とコンデンサ C8、C10、C11、C13 の対応する端子は、最小限の長さのワイヤで 1 か所のコモン線に接続する必要があります。要素 VT1、R20、C8、C10、C11、C13 とコンパレータ DA1 はできるだけコンパクトに配置し、コンデンサ C3、C6 はコンパレータ DA1 の端子のできるだけ近くに、C4、C14、C15 はコンパレータ DA1 の端子にできるだけ近づけて配置する必要があります。マイコンDD2の端子に接続します。これを確立するには、デバイスの入力を閉じ、オシロスコープのプローブの共通出力をコンデンサ C13 の正の出力に接続し、信号出力をトランジスタ VT1 のエミッタに接続します。振幅約 0.6 V、持続時間 0.5 μs の負極性のパルスが画面に表示されます。パルスの繰り返し率が低いためにパルスを観察することが難しい場合は、0.1 ... 1 kOhm の抵抗をコンデンサ C11 と並列に一時的に接続します。コンデンサ C12 の電圧は高抵抗電圧計によって制御され、ゼロ (プラスまたはマイナス数ミリボルト) に近くなるはずです。

オペアンプ DA3 の出力の電圧 (数ミリボルトを超えてはいけません) は、抵抗 R27 によってゼロに設定されます。マイクロコントローラの必要な動作モードは、必要なレベルをラインPB6、PB7、PC2〜PC4に供給することによって設定されます。これらのラインは、抵抗値20Ωの抵抗を介して共通ワイヤまたは+5 V電源ラインに接続されます。 ..30キロオーム。例示的な電圧計をデバイスの入力に接続し、0.95 ... 1 V の定電圧を印加し、両方の電圧計の読み取り値をトリマ抵抗 R4 で等しくします。次に、電圧が 2.95 ... 3 V に増加し、読み取り値が抵抗 R1 で再び等化されます。抵抗 R8 ～ R15 を選択することで、インジケーターの希望の明るさを設定できます。まず、必要な金種を 1 つだけ選択し、残りをインストールします。選択するときは、使用するマイクロコントローラーのポートの最大出力電流が 40 mA を超えてはならず、総消費電流が 200 mA を超えてはいけないことに注意してください。

添付ファイル： vmetr.zip

周波数 50 Hz のシンプルな AC 電圧計は、個別に使用することも、完成したデバイスに組み込むこともできる組み込みモジュールとして設計されています。
電圧計は PIC16F676 マイクロコントローラーと 3 桁のインジケーターで組み立てられており、詳細はあまり含まれていません。

電圧計の主な特徴:
測定された電圧の形状は正弦波です
測定電圧の最大値は 250 V です。
測定電圧の周波数 - 40 ... 60 Hz;
測定結果の個別表示 - 1 V。
電圧計の供給電圧 - 7 ... 15 V。
平均消費電流 - 20 mA
2 つの設計オプション: PSU を搭載する場合と搭載しない場合
片面PCB
コンパクトな設計
測定値を3桁のLEDディスプレイに表示

交流電圧を測定するための電圧計の概略図

交流電圧を直接測定し、その値を計算して表示器に出力する機能を実装しました。測定された電圧は、R3、R4、R5 で作られた入力分圧器に供給され、分離コンデンサ C4 を介してマイクロコントローラーの ADC の入力に供給されます。

抵抗 R6 と R7 は、ADC の入力に 2.5 ボルト (電力の半分) の電圧を生成します。比較的小さなコンデンサ C5 は ADC 入力を分路し、測定誤差の低減に役立ちます。マイクロコントローラーは、タイマーからの割り込みによって動的モードでインジケーターの動作を組織します。

構造と詳細

測定対象ネットワーク 220 V からの電源供給を備えたオプション。単純な 5 ボルトの電源が提供されます。この部分は図の薄緑色の線で囲まれています。このようなモジュールは、測定対象のネットワークから直接電源を供給して使用されます。このモードでは、測定電圧の下限は約 150 ボルトになります。

追加のオプション電源+7～15V。測定限界は 0 ～ 250 ボルトです。

電圧計は片面フォイルグラスファイバー製のボード上に組み立てられています。指示薬は陰極共通で使用されます。
抵抗 R6 と R7 の値は 47 ～ 100 kΩ です。同じ額面で選択するか、1% の誤差を許容して選択する必要があります。目盛りの上部の測定値の直線性は、金種の同等性によって決まります。
抵抗器 R8 ～ R12 の値は、必要なグローの明るさとインジケーターの光出力に応じて選択されます。この場合、インジケーターに電力を供給するためのより大きな電流値を得るために、コンデンサー C1 の静電容量を増やす必要がある場合があります。
光出力の低いインジケーターを使用する場合、過熱を避けるために、U1 チップ (78L05) の代わりに、より強力な 7805 を使用することをお勧めします。

設定

電圧計の設定には機能がありません。設定する前に、電源を入れてから 10 ～ 15 分待つことをお勧めします。抵抗器 R5 (細かい) と R3 (必要に応じて粗い) を使用して正しい読み取り値を設定する必要があります。

プログラム

プログラムはC言語（mikroC PRO for PIC）で記述されており、コメントが付いています。使用したプログラム 交流電圧の直接測定マイクロコントローラーの採用により、回路を簡素化し、低電圧の測定精度を向上させることができました。
マイクロプロセッサはPIC16F676を使用しました。クロック周波数内部発振器4MHz。

プログラム動作:一定時間内に、位相に関係なく複数の直流電圧測定が行われ、同時に最小電圧値と最大電圧値が決定されます。それらの値の差は、インジケーターに表示される測定電圧の範囲に等しくなります。

電圧計の可能な用途

主電源電圧測定 (測定限界 150 ～ 250 ボルト)

親愛なる読者の皆さん、こんにちは。場合によっては、小型のシンプルな電圧計を「手元に」用意しておくことが必要になることがあります。このような電圧計を自分の手で作るのは難しくありません。

特定の回路の電圧を測定するための電圧計の適合性は、ポインターデバイスのフレームの抵抗と追加の抵抗の抵抗の合計である入力抵抗によって判断されます。追加の抵抗器は異なる制限値で異なる定格を持つため、入力インピーダンスデバイスが異なります。多くの場合、電圧計は相対入力抵抗によって評価されます。これは、デバイスの入力抵抗と測定電圧の 1 V の比 (たとえば、5 kOhm / V) を特徴づけます。これはより便利です。電圧計の入力抵抗は測定限界によって異なりますが、相対的な入力抵抗は一定です。電圧計で使用される測定装置 Ii の矢印の合計偏向電流が小さいほど、相対入力抵抗が大きくなり、測定の精度が高くなります。トランジスタの設計では、数分の1ボルトから数十ボルトまでの電圧を測定する必要があり、ランプの設計ではさらに多くの電圧を測定する必要があります。したがって、単一リミットの電圧計は不便です。たとえば、100V の目盛を備えた電圧計では、1 ～ 5V の電圧であっても、矢印のずれはほとんど目立たないため、正確に測定することはできません。したがって、少なくとも 3 ～ 4 つの測定限界を持つ電圧計が必要です。このような電圧計のスキーム直流図1に示されています。 4 つの追加の抵抗器 R1、R2、R3、および R4 の存在は、電圧計に 4 つの測定限界があることを示しています。でこの場合最初の制限は 0 ～ 1 V、2 番目は 0 ～ 10 V、3 番目は 0 ～ 100 V、4 番目は 0 ～ 1000 V です。
追加の抵抗の抵抗は、オームの法則から次の式で計算できます：Rd \u003d Up / Ii - Rp、ここではUp - 最高電圧この測定限界の値、Ii は測定ヘッドのポインタの合計偏向電流、Rp は測定ヘッドのフレームの抵抗です。したがって、たとえば、電流Ii \u003d 500μA（0.0005A）のデバイスと抵抗500オームのフレームの場合、0〜1Vの制限に対する追加の抵抗R1の抵抗は1.5 kオームでなければなりません。 0 ～ 10V の制限の場合 - 19.5 kOhm、0 ～ 100V の制限の場合 - 199.5 kOhm、0 ～ 1000 ～ 1999.5 kOhm の制限。このような電圧計の相対入力抵抗は 2 kOhm / V になります。通常、計算された定格に近い定格を持つ追加の抵抗が電圧計に取り付けられます。最後に、電圧計を校正するときに、他の抵抗器を並列または直列に接続することによって、それらの抵抗の「調整」が実行されます。

DC 電圧計に、AC 電圧を DC (より正確には脈動) に変換する整流器を追加すると、電圧計が得られます。交流電流。半波整流器を備えたこのようなデバイスの考えられる回路を図2に示します。装置は次のように動作します。デバイスの（回路によると）左端子に交流電圧の正の半波がある瞬間に、電流はダイオードD1を通って流れ、次に微小電流計を通って右端子に流れます。このとき、ダイオード D2 は閉じます。右側のクランプの正の半波の間、ダイオード D1 が閉じ、交流電圧の正の半波はダイオード D2 を介して閉じられ、マイクロ電流計をバイパスします。
追加の抵抗 Rd は定電圧の場合と同じ方法で計算されますが、デバイスの整流器が半波の場合は結果が 2.5 ～ 3 で除算され、デバイスの整流器が全波の場合は 1.25 ～ 1.5 で除算されます - 図 3 。より正確には、この抵抗器の抵抗値は、機器のスケールの校正中に経験的に選択されます。他の式を使用して Rd を計算することもできます。図2の回路に従って作成された整流器システムの電圧計の追加抵抗の抵抗は、次の式で計算されます。
Rd = 0.45? Up / Ii - (Rp + rd);
図 3 の回路の場合、式は次のようになります。
Rd = 0.9? Up / Ii - (Rp + 2rd); ここで、rd はダイオードの順方向抵抗です。
整流システム計器の読み取り値は、測定された電圧の平均整流値に比例します。それらのスケールは正弦波電圧の実効値で校正されているため、整流器システムデバイスの測定値は正弦波電圧を測定する場合にのみ電圧の実効値と等しくなります。 D9D ゲルマニウムダイオードが整流ダイオードとして使用されます。このような電圧計は、数十キロヘルツまでの可聴周波電圧も測定できます。自作の電圧計のスケールは、FrontDesigner_3.0_setup プログラムを使用して描画できます。

直流電圧を測定するために磁気電気システムの測定ヘッドを備えた電圧計を使用する場合、電圧計のプローブの極性が測定電圧源に接続されている場合、測定ヘッドの矢印が逆に偏ることに注意してください。方向がゼロを超えてスケールから外れます。このような装置で約 50 Hz 以上の周波数の交流電圧を測定しようとすると、最初の瞬間に矢印がわずかにピクピクすることがありますが、その後はゼロを指します。ゼロ以外の値は、定電圧成分が存在することを示します。

この状況から抜け出す最も簡単な方法は、AC 電圧を DC に変換する、つまり電圧を調整することです。記事で示されているように、これは単一のダイオードを使用して簡単に実行できます。電圧をある程度正確に測定したい場合は、整流に使用できます。

測定スキーム

AC電圧測定時の磁電計のこのような動作の理由は簡単です。このような装置には永久磁石があり、装置の矢印の偏向方向は回転フレームのコイルを流れる電流の方向に依存します。正の半サイクルの瞬間、デバイスの矢印は一方向に偏ろうとし、負の矢印は別の方向に偏ろうとします。たとえば、50 Hz の民生用ネットワークのように極性がかなり頻繁に変化する場合、矢印が一方向に逸脱する時間がなく、突然反対方向に逸脱する必要があります。この場合、矢の震えに気づくだけでも、何も気づかなくても構いません。

装置内の電磁システムの測定ヘッドには永久磁石はなく、その動作原理は、電流によって磁化可能な材料からコイルの中心領域に物体を引き寄せる現象に基づいています。磁化された物体に対する電流によるコイルの作用の方向は、コイル巻線の電流の方向には依存しません。したがって、このようなデバイスは、直流と交流の両方の電流または電圧を簡単に測定できます。

ACネットワークの電圧を測定する必要があり、磁気電気システム（永久磁石付き）の測定ヘッドを備えたデバイスのみが手元にある場合は、少なくとも1つの整流ダイオードを用意することでこの状況を簡単に解決できます。測定される振幅値の期待値以上の逆電圧で。これを行うには、2 つのスキームを検討します。

ダイオード1個の回路

精度は劣りますが、非常にシンプルなオプションです。必要なのは、整流ダイオードを介してデバイスのプローブの 1 つを接続することだけです。この場合、ダイオードはカソードによる正の極性で前の端子に接続する必要があることに注意してください（アノードによる負に）。正の半サイクルの作用下では、矢印は測定された電圧値を必要な方向に偏らせます。負の半サイクル中、ダイオードはオフになり、電圧源によるデバイスの回路が遮断され、デバイスの矢印に逆方向に作用しなくなります。

単一ダイオード測定機能

数量の値を決定する。検討したスキームに従って測定する場合、デバイスは 1 半サイクルの間のみ反応し、実際の動作電圧値の 2 倍低い値を示すことを考慮する必要があります。つまり、このような回路で電圧を測定するときにデバイスが110 Vの値を示した場合、この読み取り値を2倍する必要があり、測定した結果が得られます。

ダイオードの選択。のために正しい選択ダイオードの場合、ダイオードの逆電圧を考慮する必要があります。これは測定値の振幅値よりも大きくなければなりません。そうしないと、ダイオードが突き抜けてデバイスの表示が停止するか、数桁ずれている可能性があります。大きさ。たとえば、コンセントの電圧を測定するとします。機器の電圧クラスを指定する場合は、実効値を表示します。振幅値を求めるには、実効値に 2 の根を掛ける必要があります。消費者ネットワークの電圧は220 Vです。電圧振幅は220 × 1.41 \u003d 311 Vになります。この場合、逆電圧が400 V以上の整流ダイオードが非常に適しています。以下は望ましくありません。ネットワークに過電圧が発生した場合、電圧振幅がダイオードの逆電圧を超える可能性があり、不可逆的な降伏が発生します。 pn接合そしてダイオードが故障します。

また、高電力ダイオードを選択しないでください。電力が低いほど良いです。パワーダイオードは大きい P-Nエリアロック状態ではコンデンサのプレートのように動作する可能性があります。したがって、負の半サイクルでは、容量性伝導が影響する可能性があり、デバイスの読み取り値は若干過小評価されます。測定電圧の周波数が高くなるほど、特に高抵抗の敏感な測定ヘッドを使用する場合、影響は大きくなります。

ダイオードブリッジを使用した図

より複雑なオプションですが、電気量をより正確に測定できます。これには 4 つのダイオード、または既製のダイオードブリッジが必要です。回路の動作原理は最初のオプションと似ていますが、ここでは測定要素は同じ方向に作用する電圧の両方の半サイクルを感じ、デバイスは電圧の実効値を示します。つまり、デバイスの読み取り値は現実と一致します。

ダイオードまたはダイオードブリッジの選択は、最初のケースと同様です。

予防措置

このような方法で機器を改造する場合は、安全に特に注意してください。回路で使用されるダイオードまたはダイオードブリッジ、およびワイヤ切断用の接点、計器プローブ、電圧計の端子は、損傷を防ぐためにしっかりと絶縁されている必要があります電気ショック測定中にデバイスの通電部分に誤って接触した場合。