Схемы мультиметра с компьютерным управлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ существующих технических решений

1.1 Электрические измерения

1.2 Мультиметр

1.3 Электронный вольтметр

1.3 Электронный амперметр

2. Обоснование выбора средств разработки

2.1 Микроконтроллер

2.2 Взаимодействие устройства с компьютером

2.3 Выбор программных средств разработки

3. Разработка структурной схемы мультиметра

3.1 Логическая структура схемы понижения напряжения

3.2 Физическая структура схемы понижения напряжения

3.2.1 Понижение напряжения

3.2.2 Усиление малых напряжений

3.2.3 Расчёт схемы для измерения силы тока

3.2.4 Обеспечение защиты

3.2.5 Выпрямитель

3.2.6 Сглаживающий фильтр

3.2.7 Обеспечение защиты после модуля выпрямления

3.2.8 Знаковый детектор

3.2.9 Инвертер

3.2.10 Переключатели

3.2.11 Питание операционных усилителей

3.3 Выбор элементной базы

3.4 Итоговая схема и варианты её реализации

4. Разработка программного комплекса мультиметра

4.1 Логическая структура программного комплекса

4.2 Реализация программного комплекса

4.2.1 Взаимодействие Arduino UNO - Управляющее приложение

4.2.2 Принятие и обработка данных на Arduino

4.2.3 Сигналы переключения

4.2.4 Передача измеренных значений

4.2.5 Интерфейс программы управления

5. Точность разработанного мультиметра

6. Методика проверки разработанного устройства

6.1 Методика проверки схемы преобразователя входного напряжения

6.1.1 Методика проверки релейного модуля

6.1.2 Методика проверки основного модуля

6.1.3 Методика проверки модуля выпрямления

6.1.4 Методика проверки модуля знакового детектора

6.1.5 Методика проверки модуля инвертирования

6.2 Методика проверки программы измерения

7. Результаты групповой работы

Результаты работы

Список используемых источников

Приложение

компьютер мультиметр программный напряжение



Введение

В практике работы с электрическими сетями и электронными устройствами часто бывает необходимо проводить измерения нескольких электрических величин. Желательно при этом, чтобы все измерения проводились с помощью одного измерительного прибора. Именно с этой целью был создан прибор, называемый в настоящее время мультиметром. Предшественником мультиметра был авометр -- прибор для измерения силы тока (амперметр -- А), напряжения (вольтметр -- В) и сопротивления (омметр -- Ом). Позднее этот прибор стали называть тестером, а в настоящее время за ним закрепилось название мультиметр. Современные мультиметры могут выполнять гораздо большее количество функций, с их помощью можно, например, измерять емкость конденсатора и частоту переменного тока, определять коэффициент усиления транзисторов, проводить проверку диодов и прозвонку соединений. Усложнение и модификация электронных схем мультиметров с использованием новых базовых элементов позволяют постепенно дополнять перечень выполняемых ими функций.

Обычно мультиметр представляет собой автономный, более или менее компактный прибор, управляемый с помощью переключателей или клавиатуры, размещенных на его корпусе. С развитием вычислительной техники (компьютеров) появилась возможность и в ряде случаев потребность в дистанционном управлении измерительными приборами, в том числе и мультиметрами. В связи с этим целью данной дипломной работы была определена разработка мультиметра с компьютерным управлением.

Мультиметр с компьютерным управлением представляет систему, состоящую из измерительной части, ядром которой является микроконтроллер, и управляющей части, то есть из приложения, написанного для персональных компьютеров. Пользователю доступно использование двух измерительных клемм и управляющего приложения, способного выдавать измеренные результаты. Для каждого из измерительных режимов работы мультиметра предусмотрены диапазоны измерения. Они могут быть изменены разработчиками исходя из необходимости. Рекомендуемые к использованию диапазоны измерения для режима работы в качестве вольтметра: ± 5 В, ± 10 В, ± 20 В, ± 30 В. Рекомендуемые к использованию диапазоны измерения для режима работы в качестве амперметра: ± 2 А, ± 0,2 А.

Основные характеристики разрабатываемого мультиметра, определённые в техническом задании следующие.

диапазон измеряемого тока: 0 - 2 А;

диапазон измеряемого напряжения: 0 - 30 В;

частотный диапазон измерений: 0 - 100 Гц;

управление мультиметром и индикация результатов осуществляется специализированной утилитой, установленной на ПК;

обмен данными между мультиметром и утилитой происходит по интерфейсу USB;

питание мультиметра от сети переменного тока 220 В частотой 50 Гц.

Особые требования, предъявляемые к персональному компьютеру:

порты USB не ниже версии 1.1;

процессор не ниже Pentium 5;

объем оперативной памяти не менее 512 Мбайт.

Управляющее приложение должно функционировать под управлением операционной системы Windows не ниже версии XP.



1. Анализ существующих технических решений

1.1 Электрические измерения

Мультиметр -- это прежде всего электроизмерительный прибор, т. е. прибор для измерения электрических величин, как правило, связанных с электрическим током. При проектировании электроизмерительного прибора необходимо хорошо понимать протекающие в нем физические процессы, знать их закономерности и связи между характеризующими их величинами.

В физике принято основными электрическими величинами считать силу тока (), напряжение () и сопротивление (). Эти три величины связаны между собой законом Ома -- сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратна пропорциональна сопротивлению этого участка [1]:

Измерение этих трех величин и является задачей простейшего мультиметра.

В основе работы любого электроизмерительного прибора лежит действие электрического поля на заряженные частицы. Источником самого поля являются также заряженные частицы. Подавляющее большинство элементов электрических и электронных схем изготавливается из металлических или полупроводниковых материалов, носителями электрического тока в которых являются электроны. Электрический ток в этих материалах представляет собой направленное движение электронов под действием приложенного к материалу электрического поля. Отметим здесь, что используемый в физике и технике полупроводников термин «дырки» относится не к реальным физическим объектам, а обозначает лишь отсутствие электрона в рассматриваемом месте. Мнимый объект «дырка» с положительным электрическим зарядом, равным модулю заряда электрона, введен исключительно для удобства математического описания и упрощения интерпретации некоторых физических процессов в полупроводниковых устройствах.

В качестве основной характеристики электрического поля обычно используется напряжение, поэтому часто говорят, что электрический ток возникает под действием приложенного к проводнику напряжения.

Родственные напряжению величины -- потенциал, разность потенциалов, электродвижущая сила. Все эти величины определяются работой, совершаемой при перемещении единичного электрического заряда и измеряются в одних и тех же единицах - вольтах (В). При анализе электронных схем часто используют выражение «потенциал в точке равен…». Необходимо иметь в виду, что на самом деле речь идет о разности потенциалов между этой точкой и точкой, для которой потенциал условно принят равным нулю. Согласно одному из положений электростатики, потенциалы всех точек проводника одинаковы. Это позволяет вводить в электрические и электронные схемы проводник, называемый нулевым или «землей». По отношению к этому проводнику и определяются потенциалы всех остальных точек схемы.

Для работы электронных схем, как правило, необходимо «питание», т. е. источник электрического поля (называемый обычно источником тока), которое заставит электроны перемещаться, создавая электрический ток. Если измеряются напряжение или сила тока во внешней по отношению к измерительному прибору цепи, то источником поля является сама эта цепь. Если же измеряются такие параметры, как электросопротивление резистора или емкость конденсатора, то необходим самостоятельный источник тока.

Как было сказано, электрическое поле обычно создается электрически заряженными объектами. Но все вещества в нормальном состоянии электрически нейтральны, хотя и состоят из электрически заряженных частиц. Следовательно, задача источника тока -- пространственно разделить разноименные заряды, создавая тем самым между ними электрическое поле. Такая задача решается с помощью сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами.

Основная характеристика источника тока - электродвижущая сила (ЭДС). Для «питания» электронных схем чаще всего используются гальванические источники тока, в которых разделение зарядов осуществляется за счет химических реакций. ЭДС единичного гальванического источника (элемента) обычно невелика и составляет около 2 В. В случае необходимости элементы соединятся в группы (как правило последовательно) -- батареи элементов.

1.2 Мультиметр

Мультиметр -- электронное измерительное устройство, которое объединяет внутри себя несколько функций: амперметр, вольтметр и омметр [2]. Применяется для того, чтобы измерять напряжение и силу постоянного или переменного тока, а также в некоторых случаях и сопротивления.

Мультиметры можно подразделить на 2 группы:

цифровые;

аналоговые.

Результат измерений аналоговых мультиметров показывается с помощью традиционной шкалы со стрелкой. Они и в данный момент сохраняют актуальность, так как имеют возможность работать и при сильных радиопомехах, в отличие от цифровых мультиметров.

В состав аналогового мультиметра входит стрелочное магнитоэлектрическое измерительное устройство [3]. В основе магнитоэлектрических приборов лежит измерительный механизм, вращающий момент в котором создается в результате взаимодействия магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля провода с током, конструктивно выполняется в виде рамки (катушки). В практических конструкциях измерительного механизма неподвижная часть, как правило, магнит, а подвижная -- катушка, хотя бывают приборы и с подвижным магнитом и неподвижной катушкой. На Рис. 1 схематично изображена наиболее распространенная конструкция измерительного механизма -- с внешним подковообразным магнитом.

Рис. 1. Магнитоэлектрический измерительный механизм: 1 -- подковообразный постоянный магнит, 2 -- полюсные наконечники, 3 -- неподвижный сердечник, 4 -- катушка, 5 -- спиральные пружины, 6 -- эксцентрический винт, 7 -- противовесы

Как видно из Рис. 1, в качестве магнитной системы выступает постоянный магнит 1, полюсные наконечники 2 с цилиндрической расточкой и неподвижный сердечник 3 цилиндрической формы. Между сердечником и полюсными наконечниками в воздушном зазоре образуется магнитное поле, где свободно может поворачиваться катушка 4, которая состоит из тонкого медного провода, намотанного на бумажный или алюминиевый каркас прямоугольной формы. При прохождении тока по катушке вследствие действия на неё силы Ампера возникает вращающий момент. Противодействующий момент образуется спиральными пружинами 5 (или растяжками). Стрелка устанавливается в определённое положение при равенстве этих моментов. Эксцентрический винт 6 является корректором для начальной установки стрелки на нуль. Противовесы 7 служат для балансирования подвижной части прибора.

В отличие от цифровых мультиметров у аналоговых нет автоматического определения полярности напряжения, что уменьшает удобство использования.

Отображение результатов измерений в цифровых мультиметрах реализуется на цифровом дисплее. Его наличие позволило улучшить наглядность считывания измеряемой величины и повысить точность измерений [4]. К примеру, в аналоговых устройствах результат измерений зависит от угла, под которым пользователь смотрит на шкалу.

Почти все современные мультиметры выпускаются в цифровом виде. Разрядность цифровых мультиметров от 2,5 (точность около 10%) цифровых разрядов до 5 и более. Но наиболее распространены мультиметры с разрядностью 3,5 (точность в районе 1%). Также выпускают устройства, имеющие разрядность 4,5 (точность обычно около 0,1 %) и еще более дорогие устройства с разрядностью 5 и более, их точность зависит от диапазона измерения и вида величины, которую измеряют, поэтому оговаривается по-отдельности для каждого поддиапазона. Такие устройства, несмотря на портативность, имеют точность, которая может превышать 0,01 %.

Точность является одной из основных характеристик при выборе и классификации мультиметров. Обычно в буклетах указывают базовую погрешность, однако она не даёт представление о реальных значениях точности. Это вызвано тем, что значение погрешности зависит от диапазона измерения.

Рассматривая точность мультиметров, необходимо упомянуть способы увеличения точности измерения, реализуемые, однако, не во всех приборах. Увеличение точности особенно необходимо при измерении малых значений величин и на младших диапазонах [5].

Рассмотрим классический пример: измерение сопротивления по двухпроводной схеме (Рис. 2). У измерительных проводов есть свое сопротивление, и оно может меняться, например, при нагреве. Для того, чтобы учесть данный фактор при измерении, существует режим установки нуля или режим относительных измерений. Перед тем, как провести измерение нужно включить этот режим кнопкой, которая обычно называется «REL». При включении этой функции, устройством используется текущее показание в качестве опорного значения, а последующие показания представляют собой разность между измеренным значением входного сигнала и опорным значением. Так можно компенсировать параметры, ухудшающие точность: изменение сопротивления при нагреве проводов, шумы и другие параметры. Существуют еще некоторые способы увеличения точности измерений, которые, в основном, представлены в мультиметрах известных производителей, таких как Fluke и Agilent.

Рис. 2. Двухпроводная схема измерения

Рассмотрим подробнее двухпроводную и четырехпроводную измерительные схемы. В двухпроводной схеме измерений используется косвенный метод измерений, в котором измеряется напряжение на сопротивлении , которое вызвано протекающим калиброванным током возбуждения . Реже задается калиброванное напряжение и измеряется ток. Возможно одновременное измерение как тока, так и напряжения при использовании некалиброванных источников измерительных сигналов. Во всех случаях величину сопротивления рассчитывают по закону Ома.

Так как Так ТпкТ так металлические датчики имеют малое сопротивление, наибольшую погрешность в результат измерений вносят сопротивления проводов . Следовательно, двухпроводную схему измерений используют, когда сопротивление мало, к примеру, не превышает 0,1% от сопротивления датчика . Например, у медного датчика ТСМ50 с должно быть сопротивление проводов, не превышающее 0,05 Ом. Если использовать провода с сечением 0,35 кв. мм и с погонным сопротивлением 0,049 Ом/м длина пары проводников в этом случае не должна быть более 0,5 м. Так как рассматриваемая погрешность систематическая, возможно исключение ее из результата измерений некоторыми способами. Если выполнять измерения, заранее зная сопротивление проводов , то величину измеренного сопротивления необходимо уменьшить на . Чтобы более точно исключить эту погрешность необходимо учитывать зависимость сопротивления от температуры при известной температуре провода. По двухпроводной схеме относительную погрешность измерения сопротивления возможно получить из следующего выражения, учитывая погрешность, которая вызвана некомпенсированной составляющей сопротивления проводов:

где -- погрешность измерения напряжения, -- погрешность задания тока. В данном случае используется квадратичное суммирование погрешностей, так как все они случайные. Если же из результата измерений не вычитается сопротивление проводов, и эту погрешность необходимо учитывать алгебраически.

В четырехпроводной схеме измерений (Рис. 3) принцип действия базируется на измерении напряжения не на выводах источника тока, как в двухпроводной схеме, а на выводах непосредственно сопротивления. При этом на сопротивлении проводов падение напряжения влияния на результат измерений не оказывает.

Рис.1.3. Четырехпроводная схема измерения

Методической погрешности в рассматриваемой схеме нет, а относительная погрешность измерения сопротивления определяется только инструментальной погрешностью измерения напряжения и задания тока:

Среди возможностей данных цифровых мультиметров стоит упомянуть о функции, позволяющей работать в режиме с низким сопротивлением.

Входной импеданс многих выпускаемых мультиметров имеет значение, которое превышает 1 МОм. В режиме работы низкого импеданса на входе используется малое сопротивление, это подавляет паразитные напряжения. Следовательно, уменьшается вероятность неправильных измерений и поэтому точность прибора повышается. Поэтому необходимо использовать данный режим, если в напряжении имеются наводки. Чем больше внутреннее сопротивление, тем точнее будет измерена величина напряжения. Входное сопротивление идеального вольтметра должно быть бесконечно большим.

Работать при низком импедансе могут некоторые модели мультиметров Fluke (например, Fluke 114, Fluke 116, Fluke 117, Fluke 289) и Agilent (U1272A). Обозначение такого режима у Fluke - «LoZ», а у Agilent обозначается «Z-low» [6].

Возможно рассмотреть и другие способы повышения точности, на примере вышеупомянутого мультиметра Agilent U1272A. У этого мультиметра, помимо низкоимпедансного режима, имеются такие функции, как фильтрация низких частот и «SmartOhm».

Фильтрация низких частот необходима для того чтобы подавлять шум, который влияет на показания при измерении напряжения и силы тока. Режим «SmartOhm» дает возможность получать более точные результаты измерений, при этом сводит к минимуму погрешности, которые вызваны токами утечки. Еще одна важная особенность при выборе мультиметра это диапазон. Его возможно выбрать вручную или используя функции автоматического выбора диапазонов. Если выбор диапазона автоматический, прибор сам может выбрать диапазон измерения основываясь на величине входного сигнала. Главное удобство для пользователя в том, что ему не нужно вручную переключать пределы измерения. Если же режим ручной, то пользователь должен сам выбрать диапазон, а это дает возможность производить измерения в нужном диапазоне с заданной точностью и контролировать выход измеряемой величины за его пределы.

Если измеряемая величина выходит за пределы выбранного диапазона на дисплее устройства появляется соответствующая надпись или значок в зависимости от модели, также возможен и звуковой сигнал. Во многих моделях реализованы и ручной и автоматический выборы диапазонов, но в приборах эконом-класса бывают исключения. В разрабатываемом устройстве выбор диапазона измерений осуществляется на компьютере пользователем.

Режим относительных измерений (дисплей показывает разницу между ранее заданным значением и текущим результатом измерений, то есть разность между измеренным значением и заданным опорным значением) имеется в прецизионных и профессиональных мультиметрах, в моделях эконом-класса нет данной функции. Следовательно, есть еще одно различие между группами мультиметров и еще один фактор, требующий особого внимания потребителя при выборе прибора -- это функциональность.

Чтобы лучше понять возможности цифровых мультиметров и отличия различных групп приборов приведена сравнительная таблица 1.

Таблица 1 - Сравнение функциональных возможностей разных групп мультиметров

	АММ-1139	АМ-1108	АМ-1118	АМ-1142	АМ-1009	АММ-1009
Группа	Прецизионные	Профессиональные	Эконом-класса
Разрядность дисплея	40000/4000	51000	6000	6600	1999	3999
Базовая погрешность	0,06 %	0,2 %	0,5 %	0,5 %	1,50 %	0,5 %
TrueRMS	+	-	-	+	-	-
Фиксация Max, Min	+	+	+	-	-	-
Удержание показаний HOLD	+	+	+	+	+	-

Наглядно видны различия: разрядность дисплея у прецизионных мультиметров больше, поэтому лучше разрешающая способность (минимальная отображаемая величина), точность лучше (значение погрешности меньше), прецизионные и профессиональные измеряют истинное среднеквадратическое значение (TrueRMS) переменного тока и напряжения, больше других режимов и функций по сравнению с другими мультиметрами. В моделях эконом-класса режим относительных измерений недоступен, а профессиональные и прецизионные модели имеют его.

Такая же ситуация с функцией фиксации минимальных и максимальных значений. Этот режим необходим, когда изменение значения измеряемой величины довольно динамично и необходимо отслеживать предельные значения величин.

Вариант статистической обработки -- это вычисление средней величины. Данная функция имеется в ручных приборах редко, реализована она в прецизионных мультиметрах, к примеру, в АМ-1108.

В этом режиме обработка измеренных данных непрерывна с момента начала активации функции, далее происходит вывод на дисплей вычисленного текущего среднего значения.

В разрабатываемом мультиметре имеется другая функция -- компьютерное управление. Пользователь может выбирать на экране компьютера что именно необходимо измерить (силу тока или напряжение), тип измеряемого тока и диапазон измерений. Отличием также является то, что результат измерения тоже отображается на экране компьютера.

Рассмотрим с помощью чего отображаются измеренные величины в обычных мультиметрах. Обычно цифровое табло мультиметров бывает в виде жидкокристаллического дисплея, но также есть модели с иными типами индикаторов, к примеру, с OLED-дисплеями, которые позволяют видеть измеряемую величину под углом 160°, но данные устройства стоят дороже. Почти все цифровые мультиметры имеют подсветку дисплея, например, белую, зеленую или синюю.

В 90-х годах прошлого века, некоторые модели мультиметров создавались с графической сегментированной шкалой (Рис. 4), которая напоминает стрелочный индикатор по принципу действия (часто, такая шкала в устройствах называется аналоговой, что в общем случае не совсем верно, ведь шкала на индикаторе дискретная и эти дискреты видно, а аналоговая шкала должна быть непрерывна по определению). Графическая шкала в приборе делает возможным отслеживать динамику быстрых процессов при измерении (аналог колебаний стрелки в стрелочных устройствах). В разных типах устройств графическая шкала бывает обычно от 30 до 70 дискретов. Скорость обновления до 30 измерений в секунду.

Рис. 4. Дисплей с графической шкалой

Отметим, что создаются новые проекты другого подхода к дисплеям цифровых мультиметров -- отображения формы измеряемого сигнала (как на экране осциллографа). При этом есть модель прибора со съемным дисплеем -- мультиметр FLUKE 233 (Рис. 5). Это решение дает возможность разнести измерительную и демонстрирующую части на расстояние до 10 метров. Данная модель устройства не дешевая.

Рис. 5. Мультиметр со съемным дисплеем -- FLUKE 233

У ряда устройств имеется несколько групп цифр на индикаторе. К таким, например, относятся модели АКТАКОМ АММ-1139, АММ-1062, АM-1152, АМ-1018 и АМ-1109. У основного цифрового индикатора обычно большие по размеру цифры и большая разрядность, а на втором возможно отображать не два, а даже три цифровых значения. В разных моделях второй цифровой индикатор имеет различную функциональность. На втором индикаторе возможно отображение зафиксированного максимального и минимального значения. Отдельно в этом перечне стоит мультиметр АКТАКОМ АМ-1109 (Рис. 6).

Рис. 6. Двухканальный мультиметр АКТАКОМ АМ-1109

В целом АМ-1109 является уникальным прибором, не имеющим аналогов. Отличие его в том, что у прибора два измерительных канала и это делает возможным проведение одновременных измерений и отображение сразу двух величин. Индикаторный блок в виде двухстрочного ЖК индикатора по 60000 отсчетов на каждый канал и графическую шкалу на 30 сегментов. Помимо этого, у прибора есть гальванически развязанный интерфейс для передачи данных на компьютер. У АМ-1109 высокая точность измерения (до 0,06%), относится он к классу прецизионных мультиметров.

Обычно, по точности и разрядности группируют приборы по потребительским категориям:

мультиметры эконом-класса;

мультиметры профессиональные;

мультиметры-калибраторы;

мультиметры прецизионные.

К данной классификации также относятся и специализированные мультиметры.

В мультиметрах имеется пара выводов -- черный и красный (черный для того, чтобы соединять с заземлением, красный -- с положительным потенциалом), выводы оканчиваются металлическими щупами. В маленьких, карманных, моделях возможно фиксация выводов прямо в устройстве, но чаще всего их можно отсоединять от мультиметра.

На Рис. 7 представлена функциональная схема мультиметра.

Рис. 7. Функциональная схема мультиметра: А -- аттенюатор, ПВ -- прецизионный выпрямитель, ПR -- преобразователь, К --коммутатор измеряемых сигналов, ОУ -- операционный усилитель, АЦП -- аналого-цифровой преобразователь, ЦИ -- цифровой индикатор

Разные измерительные преобразователи подключаются к входам коммутатора.

Аттенюатор преобразовывает постоянное высокоуровневое напряжение в постоянное, более низкого уровня напряжение.

Прецизионный выпрямитель преобразовывает переменное напряжение (ток) в постоянное напряжение.

Преобразователь служит для преобразования сопротивления в напряжение постоянного тока. Обычно это прецизионный источник постоянного тока, задаваемый через измеряемое сопротивление и реализует на нем падение напряжения.

Поэтому, у мультиметра имеется возможность измерять напряжение и силу постоянного и переменного тока, а также сопротивление. Чем большее количество преобразователей входит в устройство, тем дороже мультиметр и сложнее внутреннее устройство. Стоит отметить, что для создания типовых цифровых мультиметров выпускают специализированные интегральные микросхемы, которые содержат практически все упомянутые узлы. Вследствие этого зачастую мультиметры разных производителей по метрологическим и электрическим характеристикам подобны. Они как правило различаются разрядностью дисплея и погрешностью. Чем меньше погрешность, тем больше стоимость прибора, его габариты и масса. Большие габариты и масса свидетельствуют о применении прецизионных резисторов и конденсаторов, их габариты и масса больше, чем у обычных компонентов.

Некоторые приборы оснащают специальными средствами для того, чтобы прозванивать цепи со звуковой индикацией (при условии, что сопротивление цепи менее заданного, номинал которого составляет десятки Ом), также они могут тестировать микросхемы различной логики, проверять диоды и транзисторы. Это реализуют обычно, задавая в базу стабильный небольшой ток и измеряя ток коллектора, который пропорционален коэффициенту передачи тока базы. В некоторых мультиметрах содержится генератор тестовых сигналов на несколько частот.

1.3 Электронный вольтметр

Вольтметр служит для измерения напряжения постоянного или переменного тока. Вольтметр с высоким входным импедансом можно реализовать с помощью неинвертирующего усилителя. Устройство подключается посредством буферного усилителя с высоким входным импедансом к измерительным цепям. В следствие этого входное сопротивление вольтметра практически определяется входным сопротивлением усилителя.

На рис 8. представлена структурная схема аналогового электронного вольтметра, содержащая 4 основных блока: аттенюатор, буферный усилитель, индикатор и измерительный преобразователь.

Рис. 8. Структурная схема аналогового электронного вольтметра

На аттенюатор, обеспечивающий приведение входного сигнала к конкретному, единому, приемлемому для буферного усилителя, подается измеряемое напряжение. Преобразованный сигнал поступает на вход данного усилителя.

Резистивный делитель напряжения -- это основа аттенюатора. Так как входной импеданс буферного усилителя достаточно велик, делитель напряжения почти не нагружен. Поэтому его возможно создать на основе больших сопротивлений, что обеспечит высокое входное сопротивление вольтметра.

Буферный усилитель, имеющий большое входное сопротивление согласовывает входные цепи вольтметра с измерительным преобразователем. Его выполнение возможно по схеме неинвертирующего усилителя.

Измерительный преобразователь служит для того, чтобы формировать интегральное (среднее или действующее) значение сигнала, который измеряется. Интегральное значение, которое сформировано преобразователем демонстрируется индикатором. Градуировка реализуется в действующих значениях сигнала. Действующее значение напряжения переменного тока равно напряжению такого постоянного тока, при котором выделяется за то же время такое же количество энергии, что и при измеряемом напряжении переменного тока [7]. Тип измерительного преобразователя должен быть обозначен на шкале устройства.

В цифровых вольтметрах дискретные сигналы измерительной информации, которые представлены в цифровой форме, вырабатываются автоматически. У современных цифровых вольтметров высокая точность, большое быстродействие, возможность использовать в измерительно-вычислительных системах. У цифровых вольтметров такие же методы измерения напряжения, как и в аналоговых вольтметрах. Формально структурная схема цифрового вольтметра отличается от соответствующей структурной схемы аналогового вольтметра наличием АЦП.

1.3 Электронный амперметр

Амперметр -- устройство для измерения тока в цепи, которое включается в эту цепь последовательно. Принцип действия и конструкция амперметра и вольтметра аналогичны. Основное отличие между ними заключается в том, что внутреннее сопротивление вольтметра должно быть большим (в принципе, бесконечно большим), а у амперметра малым (в принципе, стремиться к нулю). Для расширения пределов измерения амперметра, используют шунты -- резисторы с очень малым сопротивлением. Это могут быть, например, манганиновые пластины или стержни, которые впаяны в медные или латунные наконечники. Включение шунта в цепь последовательное. Амперметр включается параллельно ему.

В цифровых амперметрах, например, таком как амперметр АМ-3, величина тока определяется с помощью специального аналого-цифрового преобразователя, который превращает токовый сигнал в последовательность цифровых кодов, отображаемых на экране устройства в виде числового значения.



2. Обоснование выбора средств разработки

Прежде чем приступить к выполнению работы по проектированию мультиметра с компьютерным управлением, необходимо выбрать его основные компоненты и программные комплексы для его разработки.

2.1 Микроконтроллер

Измерительным ядром мультиметра должен быть микроконтроллер, т.е. микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Существуют целые семейства микроконтроллеров, например, микроконтроллеры компании Intel -- MCS 51 (Intel), микроконтроллеры компании Atmel -- AVR (Atmel).

Каждый микроконтроллер обладает собственными параметрами, анализируя которые, можно сделать вывод о наилучшей сфере его применения.

При разработке устройств необходимо произвести выбор микроконтроллера и последующее проектирование к нему платы со всеми необходимыми дополнительными компонентами (цифро-аналогового преобразователя, широко-импульсных модуляторов и т.п). Однако, данный вариант, хоть и является наиболее правильным, одновременно с этим является самым тяжёлым. Для проектировщика, не обладающего достаточными знаниями, данная задача может оказаться невыполнимой, поставив в тупик на этапе первого запуска.

Существуют платы, в которых уже установлен микроконтроллер вместе со всеми необходимыми для последующей работы компонентами.

Для работы мультиметра не требуются большие вычислительные мощности, какие, например, может предоставлять микроконтроллер Intel 8051, находящийся на плате UNI-DS3.

На данный момент наиболее распространённой платформой, обладающей широким сообществом поддержи, является Arduino. Платы этой платформы широко применяются как в любительской радиотехнике, так и в обучении. На основе этой платформы можно разрабатывать достаточно широкое количество устройств: от простейших датчиков до роботов и сложных систем управления. Её простота, а также доступность позволяют сделать выбор в пользу использования устройств семейства Arduino.

Семейство Arduino имеет большое количество различных вариантов плат. Они отличаются друг от друга не только микроконтроллерами в своём основании, но и дополнительными компонентами. Одной из самых маленьких представителей своего семейства является плата Arduino Nano, одной из самых больших -- Arduino Mega. Самой распространённой платой семейства является плата Arduino UNO. Все эти платы представлены на Рис. 9.

Рис. 9. Платы семейства Arduino (без соблюдения масштаба): а -- Arduino Nano, б -- Arduino Mega, в -- Arduino UNO

Arduino Mega является расширенной версией Arduino UNO, микроконтроллер в которой установлен большой мощности. В связи с этим её применение в разработке мультиметра не является практичным.

Основные различия между Arduino Nano и Arduino UNO для выбора измерительного ядра мультиметра заключаются в размере и цене. Размеры Arduino Nano гораздо меньше размеров Arduino UNO, в противовес различиям в их цене. Будучи наиболее распространённой и популярной Arduino UNO является самой дешёвой из всех плат представителей семейства Arduino. Выбор должен производиться в зависимости от того, какой из данных параметров должен преобладать при разработке. Для данной работы размер платы не представляется критичным, поэтому выбор сделан в пользу Arduino UNO.

2.2 Взаимодействие устройства с компьютером

Отличие микроконтроллеров для Arduino заключается в наличии предварительно прошитого в них загрузчика (bootloader) [8]. Посредством такого загрузчика пользователь может загрузить свою программу в микроконтроллер, избегая использования традиционных отдельных аппаратных программаторов. Соединение загрузчика с компьютером происходит через USB интерфейс (если он есть на плате) или через отдельный переходник UART-USB.

Все платы до UNO имели чип-преобразователь USB-UART FT232, который позволял вставлять плату сразу в USB и программировать без программатора. Подключив её, в системе появлялся виртуальный COM-порт, использующийся средой разработки Arduino для дальнейшего программирования. На UNO этот преобразователь заменён на микроконтроллер Atmega8U2 (позднее на 16U2). Это дало увеличение скорости прошивки (время прошивки уменьшилось с 10 с до 3 с.).

Несмотря на то, что плата подключается к компьютеру через порт USB, обмен данными между программами происходит через виртуальный COM порт без подозрения на то, что порт виртуальный.

Для того, чтобы работать с UART интерфейсом, в системе Arduino имеется встроенный класс Serial. Он служит для управления обменом данными через UART. Использование функции Serial значительно облегчает разработку приложений, использующих последовательный порт.

Данные всегда передаются через последовательный интерфейс в двоичном коде.

В классе Serial возможна передача данных в двух форматах:

как бинарный код;

как ASCII символы.

2.3 Выбор программных средств разработки

В данной работе предпочтение отдаётся программам, являющимся представителями свободного программного обеспечения. Такая направленность обуславливается причинами, описанными в [9].

Для программирования микроконтроллеров семейства Arduino создана специальная среда программирования (распространяющаяся бесплатно и с открытым исходным кодом) -- Arduino IDE. Для загрузки программ и связи среда разработки подключается к аппаратной части Arduino. Язык программирования устройств Arduino основан на C/C++ [10].

Программу управления можно писать на нескольких языках. Наиболее логичным представляется вариант использования языка С или С++, на котором программируется сам микроконтроллер. Существует достаточно большое разнообразие сред программирования для этого языка. Некоторые из них являются представителями свободного программного обеспечения, некоторые проприетарного программного обеспечения. Однако, среди них нет ориентированных в первую очередь на написание графических интерфейсов.

Существует язык программирования Processing, который также, как и C++ является объектно-ориентированным и кроссплатформенным (работает в таких операционных системах как Windows, Linux, Mac OS, Android). Этот язык базируется на графических возможностях языка программирования Java [11] и использует его упрощённый синтаксис, во многом схожий с синтаксисом C++. Интерфейс среды программирования Processing называется Processing IDE, и практически полностью копирует интерфейс Arduino IDE. Это вызвано тем, что оболочка Arduino IDE написана на Java на основе проекта Processing [12]. Также среда разработки содержит большое количество библиотек, одна из которых позволяет упрощать налаживание сообщения с микроконтроллерами Arduino. Она называется Firmata и также присутствует в Arduino IDE.

Учитывая следующие преимущества языка программирования Processing:

ориентированности на написание графических интерфейсов,

наличие библиотеки Firmata,

распространённость использования связки Arduino - Processing,

кроссплатформенность,

для написания управляющего приложения наиболее целесообразно применение именно этого языка.

Для моделирования электрических схем будет использоваться программа LTSpice, для проектирования печатных плат будет использоваться бесплатная онлайн система разработки печатных плат и моделирования -- EasyEDA.



3. Разработка структурной схемы мультиметра

На основе анализа предварительной информации о принципах электрических измерений и существующих многофункциональных измерительных приборах было принято решение разрабатывать мультиметр с использованием микроконтроллера Atmel ATmega328, на котором построена платформа Arduino UNO -- электронный конструктор, предназначенный для быстрой разработки различных электронных устройств.

3.1 Логическая структура схемы понижения напряжения

Согласно техническому заданию разрабатываемый мультиметр должен измерять напряжение до 30 В. Однако АЦП платы Arduino UNO рассчитано на максимальное напряжение в 5 В. Подача на него напряжения в 30 В вызовет выход АЦП из строя. В связи с этим возникает необходимость в создании схемы, которая могла бы понижать входное напряжение до максимально допустимого значения в 5 В.

Таким образом, основной вариант логической структуры схемы будет иметь вид, показанный на Рис. 10.

Рис. 10. Логическая структура схемы на первом этапе

Первый модуль должен понижать любое входное напряжение в диапазоне ± 30 В до максимально допустимого в 5 В. Однако, если какая-либо часть этого модуля выйдет из строя, существует риск, что напряжение не пройдёт процедуру понижения и сразу же попадёт на АЦП платы, вызвав её выход из строя. Для того, чтобы это предотвратить, необходимо добавить модуль, который бы гарантированно пропускал напряжение не более 5 В. Дополненная таким модулем логическая структура схемы показана на Рис. 11.

Рис. 11. Логическая структура схемы с добавлением ограничителя напряжения

При измерении переменного тока микроконтроллером предпочтительным вариантом будет его выпрямление, соответственно для этого необходим модуль выпрямителя. В связи с тем, что измеряемые величины могут иметь разную полярность, а в АЦП предпочтительнее проводить измерения только определенной полярности (положительной), необходимо добавить модуль инвертирования постоянного тока отрицательной полярности. Итоговая логическая структура схемы представлена на Рис. 12.

Рис. 12. Итоговая логическая структура измерительной схемы

3.2 Физическая структура схемы понижения напряжения

Техническим заданием предусмотрено, что мультиметр будет выполнять функции вольтметра и амперметра. Как говорилось ранее, аналоговые вольтметр и амперметр имеют одинаковую физическую структуру. В случае со схемой, описанной выше, для обеспечения измерения силы тока мультиметром, уже имеющуюся логическую структуру нужно будет лишь несколько расширить, ориентируясь при разработке физической структуры на измерение напряжения.

3.2.1 Понижение напряжения

Понижение напряжения можно осуществлять несколькими способами:

c помощью диодов и стабилитронов;

с помощью трансформаторов;

с помощью операционных усилителей;

с помощью делителей напряжения.

Диод является нелинейным элементом, чьи характеристики зависят от напряжения, проходящего через него. В связи с этим наличие этого элемента в схеме измерительного прибора может вносить существенные погрешности. Трансформатор может работать только в цепях переменного тока, и не сможет выполнить необходимую задачу, если потребуется измерить постоянный ток. Выпрямитель на операционных усилителях содержит большое количество элементов. Таким образом, для решения поставленной задачи наиболее приемлемым является выполнение понижения напряжения с помощью делителя напряжения. В свою очередь делитель напряжения может быть выполнен 3 способами:

на катушках индуктивности;

на конденсаторах;

на резисторах.

Конденсатор и катушка индуктивности рассчитаны на применение в цепях переменного тока и не могут работать в цепях постоянного. Резисторы являются наиболее простыми по принципу действия и конструкции, они работают одинаково вне зависимости от типа протекающего через них тока.

Исходя из этого, для исполнения функции понижения напряжения целесообразно выбрать делитель напряжения, выполненный на высокоточных резисторах.

Так как при проектировании мультиметра учитывается, что будет существовать необходимость выбора диапазона измерений, делитель напряжения необходимо спроектировать из расчёта:

Количество резисторов = Количество диапазонов измерения.

Разрабатываемый мультиметр предполагает наличие 4 диапазонов измерения: ± 5 В, ± 10 В, ± 20 В, ± 30 В, следовательно, делитель напряжения будет содержать 4 резистора.

Резисторы в делителе напряжения могут быть подключены несколькими способами: последовательно и параллельно. Это изображено на Рис. 13. При выборе той или иной схемы подключения номиналы резисторов будут отличаться.

Рис. 13. Делитель напряжения на резисторах: а - последовательное подключение, б - параллельное подключение

В случае последовательного подключения сопротивления резисторов и напряжения связаны соотношением:

где -- номер диапазона измерения, -- номер резистора, -- максимальное напряжение диапазона напряжения, -- сопротивление резистора в делителе напряжения.

Формула для расчёта сопротивления резисторов в таком делителе напряжения имеет вид:



Входное сопротивление идеального вольтметра должно быть бесконечно большим. Для расчёта номиналов резисторов при последовательном подключении целесообразно задавать в качестве исходного параметра сумму всех значений входных сопротивлений. Входное сопротивление аналоговых входов платы на Arduino UNO составляет порядка 100 МОм, значит за сумму всех сопротивлений можно принять это значение, уменьшенное на один порядок для того, чтобы уменьшить ток, идущий через плату, т.е. 10 МОм.

Сопротивление первого резистора делителя напряжения (максимальное измеряемое напряжение -- 30 В):

Так как сопротивления с таким номиналом нет, берём ближайшее к нему по значению, округлённое в меньшую сторону.

.

Сопротивление второго резистора делителя напряжения (максимальное измеряемое напряжение -- 20 В):

Так как сопротивления с таким номиналом нет, берём ближайшее к нему по значению, округлённое в меньшую сторону.

.

Сопротивление третьего резистора делителя напряжения (максимальное измеряемое напряжение -- 10 В):

Сопротивление четвёртого резистора делителя напряжения (максимальное измеряемое напряжение -- 5 В):



В случае параллельного подключения сопротивление резисторов необходимо рассчитать исходя из формулы:

где -- максимальное напряжение диапазона напряжения, -- сопротивление резистора в делителе напряжения.

Формула для расчёта сопротивления резисторов в делителе напряжения:

В данном случае целесообразно задать сопротивление резистора , ориентируясь на входное сопротивление аналоговых входов в 100 МОм. По той же причине, по которой выбиралась сумма сопротивлений при последовательном подключении, выбираемое сопротивление должно быть близкой разрядности. Поэтому основной резистор , относительно которого будут производиться расчёты оставшихся трёх резисторов делителя, будет взят с сопротивлением порядка 10 МОм.

Сопротивление второго резистора делителя напряжения (максимальное измеряемое напряжение -- 10 В):

Сопротивление третьего резистора делителя напряжения (максимальное измеряемое напряжение -- 20 В):

Так как сопротивления с таким номиналом нет, берём ближайшее к нему по значению, округлённое в меньшую сторону.

.

Сопротивление четвёртого резистора делителя напряжения (максимальное измеряемое напряжение -- 30 В):

Реальные резисторы не будут обладать теоретически рассчитанными значениями сопротивления. При их изготовлении реальное сопротивление, как правило, не будет точно равно номинальному, тем самым вносится погрешность и в результаты измерений, получаемых с использованием этих резисторов. При последовательном соединении сопротивления резисторов суммируются, следовательно, суммируются и их абсолютные погрешности (по общему правилу определения погрешностей), однако относительная погрешность не меняется. В то же время расчёты номиналов резисторов для параллельного соединения резисторов оказываются более простыми. Как видно из расчётов, при выборе суммы или номинала основного резистора в 10 МОм, при параллельном подключении только один резистор был взят с приближенным значением. Исходя из этого в настоящей работы выбор был произведёт в пользу использования параллельного подключения резисторов в делителе напряжения.

Модуль понижения напряжения для вольтметра показан на Рис. 14.

Рис. 14. Схема модуля понижения напряжения для вольтметра

3.2.2 Усиление малых напряжений

В том случае, если имеется необходимость проводить измерения в диапазоне, верхняя граница которого существенно меньше напряжения, определяемого техническими характеристиками используемого АЦП (как правило 5 В), входной сигнал придётся усиливать. Это можно сделать, если добавить операционный усилитель, увеличивающий поступающее на него напряжение в 10 раз. Таким образом можно будет расширить набор диапазонов измеряемых напряжений диапазоном с верхним пределом 0,5 мВ.

Операционный усилитель можно включить по инвертирующей и не инвертирующей схеме, как показано на Рис. 15.

Рис. 15. Схемы включения операционного усилителя: а - инвертирующая, б - не инвертирующая

В данном случае нельзя изменять полярность сигналов, потому что это неизбежно вызовет искажение получаемых результатов. Важно сохранить полярность исходного сигнала, поэтому будет использоваться не инвертирующая схема усиления на операционном усилителе.

Для такой схемы коэффициент усиления можно найти по формуле:

Так как необходим коэффициент усиления , отношение резисторов должно быть равно:

Отсюда можно найти номиналы резисторов и , равные 1 МОм и 9 МОм соответственно. Так как резистора с номиналом в 9 МОм нет, подбираем ближайшее к нему, округлённое в меньшую сторону -- 8,2 МОм. Отсюда получается, что коэффициент усиления на такой схеме будет равен:

При этом максимально возможным воспринимаемым будет напряжение 0,54 мВ.

Необходимо отметить некоторые особенности включения схемы усиления на операционном усилителе в общую схему. В данном случае нельзя обойтись одним ключом, подключенным либо на вход, либо на выход. Это вызвано тем, что, если расположить ключ до неинвертирующего входа операционного усилителя, возникнет замкнутая цепь через резисторы, обеспечивающие коэффициент усиления, и инвертирующий выход операционного усилителя, что вызовет искажения в получаемых результатах. Если расположить ключ после выхода операционного усилителя, то при его замыкании операционный усилитель окажется подключённым параллельно с пустым проводом, обладающим пренебрежимо маленьким сопротивлением по отношению к сопротивлению цепи операционного усилителя. Соответственно, ток потечёт по пути с меньшим сопротивлением, и усилительная схема не будет работать. Исходя из этих особенностей, необходимо поставить несколько ключей на вход и выход, обеспечивающих надёжное отключение цепи операционного усилителя от измерительной схемы, или же правильное его включение.

Поскольку при параллельном подключении расчётного номинала резистора для диапазона 20 В не существует, целесообразно заменить его на не инвертирующую схему усиления на операционном усилителе.

Схема модуля понижения-повышения напряжения для вольтметра представлена на Рис. 16.



Рис. 16. Схема модуля понижения-повышения напряжения для вольтметра

3.2.3 Расчёт схемы для измерения силы тока

Технология измерения силы тока основана на измерении напряжения на каком-то конкретном резисторе малого сопротивления, через который и проходит измеряемый ток.

В амперметрах используются резисторы очень малых номиналов сопротивления. Так, для измерения силы тока порядка нескольких ампер необходимо ставить резисторы номиналом порядка десятых или сотых долей ома [13]. Основываясь на применении резисторов российского производства, а также на относительной дешевизне проектируемого мультиметра, целесообразным будет использование углеродных резисторов. Самое малое сопротивление таких резисторов составляет 0,1 Ом, что является допустимым для измерения силы тока в 2 А (установленной максимальной границы измеряемой силы тока в соответствии с техническим заданием).

При прохождении через такой резистор тока в 2 А, на нём будет рассеиваться мощность, равная:

Напряжение на резисторе в соответствии с законом Ома будет равно:



Минимально возможное значение силы тока, возможное измерить при таком сопротивлении составляет:

Разрабатываемый мультиметр предполагает наличие ещё одного диапазона измерения в 0,2 А. Измерение силы тока в таком диапазоне делает амперметр миллиамперметром. В таких амперметрах сопротивление находится обычно в интервале от 1 до 10 Ом [13]. Если исходить из предыдущих расчётов мощности и, опираясь на неё, рассчитать сопротивление, оно будет равно:

Самое близкое значение для промышленных резисторов равно 9,1 Ом. Тогда напряжение на резисторе в соответствии с законом Ома будет равно:

Минимально возможное значение силы тока, возможное измерить при таком сопротивлении составляет:



3.2.4 Обеспечение защиты

Для того, чтобы обеспечить защиту и ограничить напряжение, подаваемое на вход Arduino, можно использовать стабилитрон номиналом 5,1 В. Тогда итоговая схема первого модуля вместе с модулем ограничения напряжения показана на Рис. 17.

Рис. 17. Схема первого модуля и модуля ограничения напряжения

3.2.5 Выпрямитель

Как было отмечено выше, при измерении переменного тока микроконтроллером наилучшим вариантом будет подвергнуть его выпрямлению. Соответственно необходимо разработать модуль выпрямления переменного тока.

Выпрямитель -- это прибор, служащий для преобразования переменного тока в постоянный [14].

Принцип действия выпрямителя заключается в том, что он пропускает полуволны одного знака, обнуляя или же инвертируя полуволны противоположного знака. При этом получается ток, постоянный только по знаку, но не по величине - пульсирующий. Для того, чтобы сгладить пульсации выпрямленного тока, используют сглаживающие фильтры, поэтому модуль выпрямления должен состоять из выпрямителя и идущего после него сглаживающего фильтра.