Схемы мультиметра с компьютерным управлением

Схемы выпрямления могут отличаться друг от друга в зависимости от того, на какие полупериоды реагируют. Так как однополупериодные выпрямители вместо отрицательного знака напряжения оставляют 0, пропуская только положительный знак, потери при преобразовании составляют 50%, что является недопустимым. Для того, чтобы использовать в дальнейшем обе полуволны, необходимо работать с двухполупериодными выпрямителями, в соответствии с этим, далее будут рассмотрены только двухполупериодные выпрямители.

Выпрямлять ток можно несколькими способами, но наиболее распространёнными являются способы выпрямления:

с помощью диодов;

с помощью схем на операционных усилителях.

Схема выпрямления на диодном мосте, показанная на Рис. 18, является самой широко используемой.

Рис. 18. Схема выпрямителя на диодах (диодный мост)

Принцип действия такой схемы предельно прост. За один период напряжение дважды меняет свой знак. В одном полупериоде напряжение имеет положительный знак, во втором полупериоде напряжение обладает отрицательным знаком. Если на клемму 1 диодного моста приходит положительное напряжение, а на клемму 2 - отрицательное, то открываются диоды VD1 и VD3, диоды VD2 и VD4 закрыты и не пропускают ток. Когда напряжение на клеммах меняется на противоположное, диоды VD1 и VD3 закрываются и не пропускают ток, при этом диоды VD2 и VD4 наоборот открываются. Таким образом получается, что выход, на котором будет формироваться положительный потенциал, всегда будет соединён с тем входом диодного моста, на котором будет находиться плюс, а выход с отрицательным потенциалом всегда будет соединён с тем входом, на котором всегда будет находиться минус.

Несмотря на то, что схема проста в исполнении и применяется в большом количестве приборов и схем, она обладает рядом недостатков. Главный из них -- нелинейность ВАХ. На диоде падает напряжение, которое колеблется в зависимости от силы тока. В добавок к этому диод открывается не при любом напряжении, а только при таком, которое будет больше его напряжения открытия. Эти недостатки вносят в итоговый результат серьёзную погрешность, что делают применение диодных мостов в измерительных схемах с низким напряжением не всегда нецелесообразным.

Схемы выпрямления на операционных усилителях обладают гораздо большей точностью по сравнению со схемами выпрямления на диодах. В таких выпрямителях один из периодов не подвергается искажению, а у другого эти искажения практически незаметны [15]. В соответствии с этим такие выпрямителя называются прецизионными. Отличительной особенностью выпрямителей на операционных усилителях является то, что они могут не только выпрямлять переменное напряжение, но ещё и усиливать его и инвертировать в зависимости от конструкционных особенностей схемы, заложенной разработчиком. Для мультиметра важно сохранять то значение напряжения, которое было получено на входе, так что необходимо рассматривать схемы, в которых используется неинвертирующее подключение операционного усилителя с коэффициентом усиления равным 1.

Выпрямители на операционных усилителях бывают двух типов:

с незаземлённой нагрузкой;

с заземлённой нагрузкой.

Так как к выходу операционного усилителя подключается схема с общим проводом (то есть с проводом «земли»), то и выпрямитель имеет смысл проектировать по схемам с заземлённой нагрузкой.

Существует несколько схем выпрямителей с заземлённой нагрузкой на операционных усилителях. Самые простые представлены на Рис. 19.

Рис. 19. Схема двухполупериодного выпрямителя с заземлённым диодом: а -- простейшая, б -- повышенной точности

Схема на Рис. 19а проста, однако из-за конечного значения прямого напряжения на диоде равенство выполняется с большой погрешностью, что является недопустимым для использования в мультиметрах.

Замена диода на Рис. 19а на модель идеального диода с применением операционного усилителя приведёт к повышению точности. Такая схема показана на Рис. 19б. Она так же относительно проста, однако имеет различное сопротивление для положительных и отрицательных напряжений и требует согласования резисторов . Операционный усилитель OP2 должен допускать короткое замыкание выхода и большое дифференциальное напряжение.

В [16] предложена схема, обеспечивающая лучшие характеристики, изображённая на Рис. 20.

Рис. 20. Улучшенная схема двухполупериодного выпрямителя

В этой схеме применено инвертирующее включение операционных усилителей, а также обеспечивается одинаковое сопротивление как для положительных полуволн входного напряжения, так и для отрицательных. Однако в этой схеме необходимо согласовывать 5 сопротивлений.

Достоинства схем, изображенных на Рис. 19а и 20, объединяет схема прецизионного выпрямителя с общей обратной связью, показанная на Рис. 21.

Рис. 21. Схема прецизионного выпрямителя с общей обратной связью

Полагая, что и OP1, OP2 -- идеальные операционные усилители, принцип работы данной схемы можно описать следующим образом. При отрицательной полуволне диод VD1 открывается, а диод VD2 закрывается. Из этого следует, что потенциалы входов операционного усилителя OP2 равны нулю, напряжение на инвертирующем входе OP1 совпадает с входным. Это означает, что операционный усилитель OP2 будет работать как инвертирующий повторитель, следовательно будет выполняться равенство . Таким образом отрицательная полуволна инвертируется и становится положительной. Если на вход приходит положительная полуволна, диод VD1 закрывается, а диод VD2 открывается. Ток через резисторы и равняется нулю, поэтому выходное напряжение схемы совпадает с потенциалом инвертирующего входа OP1 и равняется входному напряжению. Проще говоря, аналитический вид работы данной схемы выглядит следующим образом:

При положительной полуволне усилители соединяются каскадно в петле обратной связи, при этом OP1 не имеет свою собственную обратную связь. Для того, чтобы обеспечить устойчивость, в схему включают конденсатор [16].

Существуют также бездиодные схемы выпрямителей на операционных усилителях, однако в таких схемах предъявляется серьёзное требование к операционным усилителям. Они должны быть с полным размахом входных и выходных напряжений, а также в обязательном порядке питаться от однополярного источника питания. Так как все остальные операционные усилители в схеме будут получать двухполярное питание, целесообразность в применении бездиодного выпрямителя отпадает.

Основываясь на изложенном в данной работе использована схема прецизионного выпрямителя с общей обратной связью. В таком выпрямителе ёмкость конденсатора обычно берётся с номиналом в несколько десятков пикофарад. Для надёжной работы можно установить конденсатор ёмкостью в 100 пФ. Рекомендуемый номинал сопротивления резистора составляет 2 кОм [16], так как при уменьшении этого сопротивления существует риск перегрузки операционного усилителя OP1, а увеличение сопротивления привет к наличию слишком большого напряжения для прецизионной схемы. Поскольку операционный усилитель OP2 включен по инвертирующей схеме, номиналы резисторов и должны быть равны между собой. Их номиналы необходимо выбрать исходя из расчётов по мощности, которая будет выделяться на этих резисторах. Самая распространённая минимальная мощность для резисторов составляет 0,125 Вт, максимальное напряжение можно принять равным 5 В. Тогда номиналы резисторов будут равны:

Для простоты схемы можно принять все 3 резистора равными друг другу. Тогда

Итоговая схема выпрямителя показана на Рис. 22.



Рис. 22. Схема выпрямителя для мультиметра

В такой схеме будет проводиться измерение действующего значения напряжения. Если потребуется знание амплитудного значения, это можно будет сделать умножением действующего значения на коэффициент, равный .

3.2.6 Сглаживающий фильтр

Как уже говорилось ранее, после выпрямителя получается ток, постоянный только по знаку, но не по величине, поэтому для его сглаживания величины пульсаций необходимо наличие сглаживающего фильтра. В самом общем делении фильтры бывают:

пассивные;

активные.

Пассивные фильтры состоят только из пассивных элементов, например, из резисторов или конденсаторов. Их основными преимуществами является линейность характеристик и простота в изготовлении и проектировании.

Активные фильтры отличаются от пассивных тем, что в них присутствует какой-то активный компонент, например, транзистор или операционный усилитель.

Самыми распространёнными пассивными фильтрами являются фильтры следующих типов:

LC-фильтры (состоят из катушек индуктивности и конденсаторов);

RC-фильтры (состоят из резисторов и конденсаторов).

Несмотря на лучшие характеристики LC-фильтров перед характеристиками RC-фильтров, существует тенденция, согласно которой многие отказываются от использования в фильтрах катушек индуктивностей по некоторым причинам:

большие масса-габаритные показатели;

потери, приводящие к отклонению расчётных характеристик;

большая рассеиваемая мощность;

нелинейный эффект в катушках с сердечником, связанный с его насыщением [17].

Характеристики RC-фильтров удаётся приблизить к характеристикам LC-фильтров, если использовать при их построении активные элементы, тем самым превращая пассивный фильтр в активный. При использовании в таких фильтрах операционного усилителя можно создать аналог LC-фильтра, не прибегая к использованию катушек индуктивности.

Однако активные фильтры отличает более качественное разделение полос пропускания и затухания, а также сравнительно простая регулировка неравномерностей частотных характеристик в области пропускания и затухания без особых требований к согласованию нагрузки с фильтром. Эти качества обеспечили наиболее широкое применение активных фильтров в сравнении с пассивными.

Опираясь на вышеизложенное, необходимо подбирать фильтр из ряда активных.

Активные фильтры можно разделить на несколько категорий, но в данном случае интерес представляет их деление по полосе пропускаемых частот и по типу усилительных элементов.

По полосе пропускаемых частот выделяются активные фильтры:

нижних частот;

верхних частот;

полосовые;

заграждающие.

Фильтры нижних частот пропускают напряжение частотой в границах от нулевой до некоторой предельной, имеющий название частоты среза фильтра. Фильтры верхних частот предназначены для пропуска напряжения частотой в границах от частоты среза и выше. Полосовые фильтры пропускают напряжение в определённых границах, от какой-то частоты до другой частоты . Заграждающие фильтры являются противоположностью полосовым, так как пропускают любые частоты кроме тех, что находятся в диапазоне между частотами и .

Так как техническим заданием установлена частотная граница от 0 до 100 Гц, в соответствии с определением необходимо использовать фильтр низких частот.

По типу усилительных элементов выделяют:

транзисторные фильтры;

на операционных усилителях;

Самыми быстродействующими и качественными является транзисторные фильтры. Время их переключения равно времени, за которое полуволна достигает необходимого для открытия транзистора напряжения. Однако он перестаёт действовать на напряжениях, меньших напряжения открытия базы, и, если измеряемое напряжение будет меньшим хотя бы 0,5 В -- выходное напряжение будет равняться 0. Это сильно ограничивает его применение, и для работы с напряжением от 5 мВ он не подходит.

Наиболее популярными фильтрами низких частот, выполненными на операционных усилителях, являются фильтры Баттерворта, Чебышева и Бесселя. Их схемы изображены на Рис. 23.



Рис. 23. Схемы фильтров низких частот на операционных усилителях: а -- фильтр Баттерворта, б -- фильтр Чебышева, в -- фильтр Бесселя.

В настоящей работе проведено моделирование в программе LTSpice работы всех трех типов фильтров при различных номиналах резисторов и конденсаторов. На Рис. 23 показаны номиналы резисторов и конденсаторов, при которых моделирование показало лучшие результаты. Результаты моделирования для некоторых вариантов этих фильтров представлены на Рис. 24 и Рис. 25.

Как видно из сравнения, на частоте 1 Гц фильтр Бесселя сглаживает пульсации напряжения лучше, однако время установления выходного сигнала больше в 2 раза по сравнению с фильтрами Баттерворта и Чебышева. Фильтр Чебышева показывает самую большую величину пульсаций.

При увеличении частоты до 10 Гц, величина пульсаций после фильтра Чебышева также остаётся больше пульсаций после фильтров Баттерворта и Бесселя. Фильтр Баттерворта устанавливает выпрямленный выходной сигнал более чем в 2 раза быстрее фильтра Бесселя.

Величину пульсаций на малых значениях частоты можно сгладить, пожертвовав временем установления сигнала, и добавив ещё один или несколько фильтров после основного. Так как применение любого активного фильтра или RC-цепочки увеличит время установления сигнала, для дальнейшего проектирования целесообразнее использовать фильтр Баттерворта, так как он обеспечивает меньший размер пульсаций при меньшем времени.



Рис. 24. Моделирование схемы выпрямителя и: а -- фильтра Баттерворта, б -- фильтра Чебышева, в -- фильтра Бесселя (частота 1 Гц)

Рис. 25. Моделирование схемы выпрямителя и: а -- фильтра Баттерворта, б -- фильтра Чебышева, в -- фильтра Бесселя (частота 10 Гц)

На основе анализа результатов моделирования различных комбинаций фильтров была выбрана оптимальная цепочка для фильтрации, состоящая из фильтра Баттерворта, RC-фильтра и фильтра Чебышева.

Величина пульсаций на частоте в 1 Гц составляет около 1% от входного напряжения, при этом время установления сигнала составляет порядка 3 с. Временная характеристика получившейся сглаживающей цепочки представлена на Рис.26.

Рис. 26. Моделирование выпрямителя и фильтрующей цепочки на частоте: а -- 1 Гц, б -- 10 Гц, в -- 50 Гц

На этом фильтре происходит дополнительное падение напряжения, так что выходное напряжение будет равняться 39,5% от входного. Для того, чтобы поднять уровень напряжения до входного схемотехническим способом, можно поставить инвертирующую схему усиления, которая бы компенсировала оставшиеся 60,5% напряжения. Отношение сопротивлений этих резисторов в инвертирующий схеме связано с коэффициентом усиления простым соотношением:

Такое соотношение обеспечивают существующие резисторы с номиналами и .

Для обеспечения возможности измерения постоянного тока необходимо добавить пустой провод, расположенный параллельно схеме выпрямителя.

Итоговая схема модуля выпрямления изображена на Рис. 27.



Рис. 27. Схема модуля выпрямления

Результаты моделирование разработанного модуля выпрямления представлены на Рис. 28.

Рис. 28. Моделирование модуля выпрямления в LTSpice: а - при входном напряжении в 5 мВ (частота 1 Гц), б - при входном напряжении в 5 В (частота 1 Гц), в - напряжении в 5 мВ (частота 50 Гц), г - при входном напряжении в 5 В (частота 50 Гц)

3.2.7 Обеспечение защиты после модуля выпрямления

Необходимо обеспечить защиту входов АЦП Arduino UNO с помощью стабилитрона номиналом в 5,1 В. Однако при таком включении, которое предложено на Рис. 27, любое напряжение, вне зависимости от того, постоянное оно или переменное, будет проходить через модуль выпрямления. Моделирование показало, что при наличии постоянного напряжения на выходе модуля выпрямления может оказаться напряжение порядка 8 В. Хоть оно и не будет попадать на вход АЦП, его наличие на стабилитроне, номиналом в 5,1 В вызовет выход того из строя. Обычно для предотвращения этого ставят резистор, на котором падало бы всё лишнее напряжение, однако в этом случае правильно расположение стабилитрона поможет избежать включения еще одного элемента в схеме.

Стабилитрон необходимо расположить после переключателя, который будет производить выбор между постоянным или переменным токами, и перед следующим модулем. Таким образом, схема модуля выпрямления с защитой изображена на Рис. 29.

Рис. 29. Схема модуля выпрямления с защитой

3.2.8 Знаковый детектор

Стандартные мультиметры умеют определять знак подаваемого на них напряжения постоянного тока. Если на вход однополярного АЦП будет поступать отрицательное напряжение, преобразователь не сможет воспринять его и будет показывать 0 вместо реального значения. Для того, чтобы предотвратить подобное, необходимо разработать схему, которая могла бы распознавать знак напряжения, после чего могла бы преобразовывать напряжение для перемещения его значения в область, воспринимаемую АЦП. Стоит отметить, что подобная схема нужна будет в случае, если измеряемый ток будет постоянным, т.к. переменное напряжение после выпрямления может оказаться только с положительным знаком.

Единственным способом решить данную задачу является установка в схеме диода. Его главным свойством является пропуск тока только в одном направлении -- от анода к катоду. Соответственно, в зависимости от того, как именно диод будет включён в схему, будет зависеть знак пропускаемого через него напряжения.

Однако диод проводит ток не при любых значениях напряжения. Он начинает проводить через себя ток только при определённых значениях приложенного к нему прямого напряжения . Именно поэтому, если подать напряжение в 5 мВ, диод не сможет открыться и пропустить через себя ток, что приведёт к ошибкам в работе мультиметра. Исходя из этого, можно сделать вывод, что необходимо поставить усилительную схему перед диодом для его корректной работы.

Усилить постоянный ток можно с помощью операционных усилителей. Как описывалось выше, их схемы включения различны (Рис. 13), и от них зависит знак выходного напряжения. В данном случае можно использовать любую схему включения, но не забывать в таком случае о правильном подключении диода.

Условно примем, что вся схема детектирования будет строиться по принципу: полученный сигнал усиливается, пропускается через диод и идёт на свободный вход АЦП Arduino. Диод будет включен так, чтобы через него проходил ток с положительным знаком напряжения. Тогда, если на выходе диода будет получен 0, это будет означать, что измеряемое напряжение имеет отрицательный знак, если любое другое значение, отличное от 0 -- измеряемое напряжение имеет положительный знак.

Рассмотрим три схемы, показанные на Рис. 30.

Любая из предложенных схем выполняет одну и ту же функцию и приводит к получению одинакового результата: диод пропускает только ток с положительным знаком.

Рис. 30. Схема усиления с включенным последовательно диодом: а - на двух инвертирующих усилителях, б - на одном инвертирующем усилителе, в - на одном не инвертирующем усилителе

Схема на Рис. 30а построена на двух инвертирующих усилителях и работает по следующему принципу:

напряжение, приходящее на первый операционный усилитель, усиливается с коэффициентом, равном отношению резисторов и , при этом знак исходного напряжения меняется;

усиленное инвертированное напряжение проходит через ещё один операционный усилитель, включенный по схеме инвертирования, чтобы вернуть исходный знак измеряемого напряжения, при отношении резисторов и в 1;

усиленное напряжение проходит через диод, включенный для пропуска положительного значения силы тока, после чего попадает на вход АЦП Arduino.

Схема на Рис. 30б построена с использованием уже одного инвертирующего усилителя и работает по следующему принципу:

напряжение, приходящее на операционный усилитель, усиливается с коэффициентом, равному отношению резисторов и , при этом знак исходного напряжения меняется;

усиленное инвертированное напряжение проходит через диод, включенный для пропуска отрицательного значения силы тока, после чего попадает на вход АЦП Arduino.

Включение диода таким образом вызвано тем, что при инвертировании положительный протекающий ток становится отрицательным, а отрицательный -- положительным. Однако, в этом случае АЦП не будет воспринимать отрицательное напряжение и его отсутствие, так что использовать схему б) нельзя.

Схема на Рис. 30в построена с использованием не инвертирующего усилителя и работает по следующему принципу:

напряжение, приходящее на операционный усилитель, усиливается с коэффициентом, равному отношению резисторов и с добавлением единицы, при этом знак исходного напряжения сохраняется;

усиленное напряжение проходит через диод, включенный для пропуска положительного значения силы тока, после чего попадает на вход АЦП Arduino.

Схемы а) и в) подходят для использования и по своему функционалу не будут отличаться друг от друга. Выбор какой-либо из них обуславливается лишь предпочтениями проектировщика.

Усиление необходимо производить не менее, чем в 1000 раз, для того, чтобы обеспечить надёжное открытие диода. Исходя из этого наиболее простой для расчёта является схема а), т. к. к резистору любого номинала можно добавить другой, отличающийся от него в 1000 раз.

Тогда, если брать сопротивление резистора , сопротивление резистора . При использовании таких номиналов резисторов, напряжение на выходе сможет достигнуть значения . Однако, следует помнить о том, что операционный усилитель не сможет дать на выходе напряжение большее напряжения его питания. А это означает, что, если усилитель запитывается от источника напряжения в 12 В, его выходное напряжение не будет превышать это значение. Таким образом усилительная схема будет давать напряжение в 1000 раз больше входного только с маленькими величинами напряжений. Именно это и нужно для данной схемы.

Номиналы резисторов и можно взять кратными резисторам и , опираясь в их выборе лишь на то, какая мощность будет выделяться на них. Самая распространённая минимальная мощность для резисторов составляет 0,125 Вт, а максимальное напряжение можно принять равным 14 В. Минимально возможный номинал резисторы высчитывается по формуле:

Получается, что использование любых резисторов, с номиналом большем 1562 Ом приведёт к уменьшению выделяемой на них мощности. Оптимальным в данной ситуации будет использование резисторов с номиналом в 10 кОм. Таким образом номиналы резисторов и принимаются равными 10 кОм.

Однако, нельзя допускать попадания напряжение в 12 В на вход АЦП Arduino, т.к. это вызовет выход микроконтроллера из строя. Соответственно, необходимо поставить элемент защиты, не пропускающий напряжение более 5 В. Для этого необходимо поставить стабилитрон. Но разница в максимальном напряжении и напряжении стабилизации должна где-то падать, иначе сгорит сам стабилитрон. Для этих целей обычно используют резисторы, номиналы которых высчитываются по формуле:

где -- напряжение, поступающее на стабилитрон, -- максимальное напряжение стабилизации, -- максимальный ток стабилизации.

Если максимальное напряжение стабилизации можно рассчитать теоретически, максимальный ток стабилизации будет зависеть от модели конкретного стабилитрона. В данном случае можно взять отечественный стабилитрон КС147А средней мощности, рассчитанный на напряжение стабилизации в 4,7 В. Его максимальный ток стабилизации ране 10 мА. Исходя из этого, можно рассчитать номинал резистора:

Получается, что для обеспечения падения напряжения на резисторе, достаточного для работы стабилитрона, необходимо взять резистор с номиналом сопротивления в 930 Ом. Если это значение будет увеличиваться, то величина падения напряжения тоже будет увеличиваться. Таким образом стабилитрон КС147А нужно включать в цепь с резистором, номинал сопротивления которого будет равен 1 кОм.

Стабилитрон можно подключать до диода или после. Однако лучшим будет являться подключение после, потому что в этом случае напряжение, попадающее на диод, будет находиться в более широком диапазоне, что гарантирует его открытие.

Необходимо также обеспечить получение диодом «нуля» схемы для его корректной работы через сопротивление, подключенное между катодом диода и землёй. Его величину также можно рассчитать исходя из необходимой мощности. Как и в случае с резисторами и , для обеспечения необходимой мощности нужно брать величину сопротивления большую 1562 Ом. Для простоты можно округлить это значение до 2 кОм.

Итоговая схема модуля знакового детектора показана на Рис. 31.

Моделирование модуля знакового детектора в LTSpice показало результаты, отражённые на Рис. 32. При подаче напряжения на вход модуля в 5 мВ (минимальное напряжение) на вход АЦП Arduino UNO будет поступать напряжение около 3,917 В. При подаче напряжения в 0,5 В и 1 В на вход АЦП Arduino будет поступать напряжение около 3,924 В. При подаче напряжения в 5 В (максимальное напряжение) на вход АЦП Arduino будет поступать напряжение около 3,923 В.

Рис. 31. Схема модуля знакового детектора

Моделирование показывает, что при любом напряжении в диапазоне от 5 мВ до 5 В напряжение, поступающее на вход АЦП Arduino UNO, будет достаточным для надёжного детектирования знака. Также при любом напряжении в диапазоне от -5 мВ до -5 В напряжение, поступающее на вход АЦП Arduino UNO, будет нулевым. Следовательно, модуль работает так, как необходимо.



Рис. 32. Результаты моделирования модуля знакового детектора в LTSpice: а - при входном напряжении в 5 мВ, б - при входном напряжении в 0,5 В, в - при входном напряжении в 1 В, г - при входном напряжении в 5 В, д - при входном напряжении в -5 мВ, е - при входном напряжении в -5 В

3.2.9 Инвертер

Отсутствие напряжения на выходе знакового детектора означает, что попадающее на него напряжения отрицательно и его необходимо инвертировать. Для этого необходимо поставить схему инвертирования с предусмотренным пустым проводом для положительного напряжения.

Наиболее простым и верным способом исполнения модуля инвертирования является инвертирующая схема на операционном усилителе. В такой схеме сопротивления резисторов должны быть равными друг другу для того, чтобы не вносить искажений в измеряемую величину напряжения. Выбирать их величину также следует исходя из максимальной мощности, выделяющейся на резисторах.

Из этого расчёта следует, что любые резисторы с номиналом сопротивления большим 416 Ом могут быть использованы для схемы инвертирования. Наиболее простыми номиналами являются номиналы в 1 кОм.

Итоговый модуль инвертирования изображён на Рис. 33.

Рис. 33. Схема модуля инвертирования

Переключение между соответствующими ветвями цепи будет производиться на основании значения, полученного с дополнительного входа АЦП, зарезервированного для измерения знака напряжения. Пользователь не будет иметь возможности переключиться между ветками через приложение управления.

3.2.10 Переключатели

Так как проектируемая схема должна управляться с помощью приложения на компьютере, использование ручных ключей не представляется возможным. Для того, чтобы переключениями между частями схемы можно было управлять без контакта человека с самой схемой, можно использовать реле.

Реле -- это устройство, служащее для замыкания или размыкания цепей. Проще говоря, это ключ, управлять которым можно с помощью электрических сигналов, подаваемых на обмотку. У реле есть 2 состояния, между которыми происходит переключение: нормально замкнутое и нормально разомкнутое. Таким образом, реле можно использовать как переключатель между участками цепи, так и как обычный ключ, подключая участок схемы только к одному из его контактов.

Однако, само по себе реле не может управляться сигналами с микроконтроллера. Для этого необходимо построить цепочку из нескольких элементов. Стандартная схема реле показана на Рис. 24.

Рис. 34. Схема реле

Транзистор (обычно биполярный), работающий в ключевом режиме, и 2 резистора и необходимые в случае если сила тока, которую способен выдать микроконтроллер, недостаточна для корректной работы реле. Резистор выполняет токоограничительную роль и служит для защиты порта микроконтроллера, к которому подключается схема реле. Резистор ставится для защиты от ложных срабатываний и притягивает базу транзистора к земле. Диод необходим для защиты транзистора от скачков напряжения на катушке внутри реле, которые могут происходит при резком обрыве тока [18].

Один из выводов реле подключается к необходимому цифровому входу микроконтроллера, а второй служит для подключения модуля реле к питанию. В зависимости от типа выбранного реле величина напряжения питания может быть различной. Основными являются напряжения питания в 5 В, 9 В и 12 В. Для того, чтобы избавиться от необходимости в дополнительном источнике питания, необходимо выбрать реле, способное работать от напряжения питания в 5 В. Такое значение обусловлено тем, что его можно получить с Arduino UNO, подключившись к специальному для этого разъёму.

3.2.11 Питание операционных усилителей

Одним из важных пунктов проектирования схемы является проектирование питания для операционных усилителей. В самом обычном случае отрицательная клемма запитывания усилителя подключается к земле, а положительная к плюсу источника питания. Однако такое подключение позволяет использовать усилители только для работы с напряжением, находящимся в положительной области. Для того, чтобы усилитель мог работать и с отрицательным напряжением, его отрицательную клемму запитывания необходимо подключить к источнику питания, который бы был обратен по знаку источника питания, подключенного к положительной клемме. Таким образом операционный усилитель может питаться от двух однополярных источников питания, включенных навстречу друг другу, или от одно двуполярного. Однако можно оптимизировать данное включение и использовать только один однополярный источник питания. Для этого необходимо подавать напряжение питания на усилители через 2 резистора, образующих между собой делитель напряжения [19]. Такая схема питания показана на Рис. 35.

Рис. 35. Схема питания операционного усилителя от однополярного источника питания

Тогда получится, что напряжение, которое создаётся на однополярном источнике питания «поделится пополам», и на каждую клемму питания операционного усилителя будет поступать половина от номинального напряжения однополярного источника.

Сопротивление резисторов в такой схеме можно взять около 10 кОм, а источник питания не менее 10 В, для обеспечения надёжной работы операционных усилителей в диапазоне от - 5 В до + 5 В.



3.3 Выбор элементной базы

Итоговая схема содержит такие элементы как:

резисторы;

конденсаторы;

операционные усилители;

диоды;

стабилитроны;

релейные модули;

транзисторы.

Любой участок цепи обладает тремя основными электрическими характеристиками: сопротивлением, индуктивностью и ёмкостью. Однако, есть элементы, для которых одна из этих характеристик является главной, а значения двух других пренебрежимо малы. Элемент, для которого главной характеристикой является сопротивление. называется резистором, а элемент, для которого такой характеристикой является ёмкость, называется конденсатором.

Расчёт номиналов резисторов и конденсаторов приводился в предыдущем разделе. Главное при их выборе это номинал и некоторые дополнительные характеристики, такие как максимальная мощность для резисторов и максимальное напряжение для конденсаторов. Из этого следует, что акцентировать внимание на подборе какой-то конкретной выпускаемой промышленностью модели, обладающей заданными характеристиками, не следует.

Конкретную модель необходимо подобрать для операционных усилителей, диодов, стабилитронов, релейных модулей и транзисторов.

Проще всего подобрать элементную базу для реле. В качестве основных параметров при его выборе необходимо задать: напряжение питания 5 В, максимальное напряжение работы не менее 30 В, максимальная сила тока работы не менее 2 В. Таких реле существует достаточно много. Например, распространённые среди проектировщиков схем для Arduino реле SONGLE SRD-05VDC или TIANBO HJR-3FF-05VDC. Возможно использовать любое из них, опираясь лишь на цену при покупке. Отечественные реле рассчитаны на напряжение питания не ниже 6 В, соответственно, они рассматриваться не будут.

Для таких реле рекомендовано использование распространённого биполярного транзистора BC547 или его отечественного аналога КТ3102Г, а также диода 1N4148 или его отечественного аналога КД522Б [18].

Стабилитроны в схеме присутствуют с номиналами в 5,1 В и в 4,7 В. Так как расчёты заградительного резистора в схеме модуля знакового детектора велись для стабилитрона КС147А, можно взять его или его заграничный аналог 1N4688. Отечественный стабилитрон с номиналом в 5,1 В -- КС407Г. Его заграничным аналогом является 1N5231.

Так как одна из моделей диодов уже предложена для реализации модуля реле, можно рассмотреть его пригодность для использования в основной схеме, то есть в модулях выпрямления и знакового детектора. Диод 1N4148 рассчитан на максимальное обратное напряжение до 100 В. Следовательно, его можно использовать в модулях выпрямления и знакового детектора, где напряжение не превышает 14 В. Однако, к одному из диодов в модуле выпрямления предъявляются особые требования относительно обратных токов утечки. Они должны быть от 1 мкА и ниже [16]. Низкими обратными токами утечки обладают диоды Шоттки, например, диод 1N5819 и его отечественный аналог КДШ2105В.

Для измерительных схем предпочтительнее использование усилителей, по своим характеристикам приближенных к идеальным. Таким усилителем может быть сверхмалошумящий усилитель со сверхмалыми искажениями AD8599ARZ. Однако, цена такого усилителя достаточно велика. Более бюджетным вариантом может стать один из самых распространённых усилителей LM358n. В его корпусе содержатся 2 операционных усилителя, рассчитанных на питание как от однополярного источника, так и от двухполярного. Он обладает низким напряжением смещения и, хоть и вносит некоторую погрешность, её можно устранить выбором больших номиналов резисторов. Также эти усилители используется в реальных мультиметрах, например, в DT-830B.

3.4 Итоговая схема и варианты её реализации

Итоговая схема со всеми номиналами и используемыми элементами представлена в приложении 1. Прядок её подключения к плате Arduino UNO показан на Рис. 36.

Каждое реле подключается к цифровым выводам платы Arduino UNO. Для простоты восприятия, реле с 2 по 10 подключаются к соответствующим цифровым выводам, реле 1 подключается к выводу 11. Однако, это не является обязательным условием. Основный вывод платы, находящийся после модуля инвертирования, подключается к аналоговому выводу A0, а вывод платы после модуля знакового детектора подключается к выводу A1 на плате.

Рис. 36. Подключение схемы преобразователя входного напряжения к плате Arduino UNO

Разработанная схема может быть реализована как на одной плате, так и может быть разбита на несколько более мелких, например, на модули. Такое разделение целесообразно для упрощения её последующей отладки. Одно из возможных разбиений платы:

модуль реле;

основной модуль;

модуль выпрямления;

модуль знакового детектора;

модуль инвертирования.

В ходе выполнения настоящей работы были разработаны и изготовлены несколько моделей печатных плат для приведенных модулей.

Реализуемый в настоящей работе вариант печатной платы с модулем реле представлен на Рис. 1 и 2 приложения 2. Плата с модулем реле содержит все 10 реле, необходимые для работы, содержит выводы для подключения к другим модулям, выводы земли, питания и подключения к Arduino UNO.

Плата с основным модулем содержит модуль повышения-понижения для вольтметра и шунтирующие резисторы для амперметра. Также на этой плате размещены стабилитрон VD1, 3 вывода земли: земляная измерительная клемма, вывод для соединения с модулем реле, вывод для соединения с последующей платой; положительная измерительная клемма; выводы для подключения 7 ключей, 3 из которых работают в режиме переключения; вывод платы для последующего подключения; 2 вывода для подключения питания усилителя.

Один из вариантов печатной платы с основным модулем представлен на Рис. 3 и 4 приложения 2.

Плата с модулем выпрямления содержит выпрямитель, сглаживающие фильтры и пустой провод, 2 земляных вывода, 1 вывод для получения напряжения с основного модуля, 2 вывода для реле, каждый из которых является вариативным. Центральная клемма перенесена на плату с модулем инвертирования.

Один из вариантов печатной платы с выпрямительным модулем представлен на Рис. 5, 6 и 7 приложения 2.

Плата модуля инвертирования содержит инвертирующую схему, резисторы для подключения питания операционных усилителей, 2 вывода для подключения источника питания, 6 выводов питания операционных усилителей для трёх плат: 3 положительных вывода питания, 3 отрицательных вывода питания; 2 вывода земли, 2 вывода для получения плюса напряжения с предыдущей платы, один из которых используется для подключения модуля знакового детектора, 2 вывода для реле, каждый из которых является вариативным. Центральная клемма подключается напрямую ко входу A0 на Arduino UNO.

Один из вариантов печатной платы с модулем инвертирования представлен на Рис. 8 и 9 приложения 2.

Плата модуля знакового детектора содержит схему детектирования, 2 выхода для подключения питания операционных усилителей, 2 земляных вывода, вывод для получения плюса напряжения с других плат, вывод для подключения ко входу А1 на Arduino UNO.

Один из вариантов печатной платы с модулем знакового детектора представлен на Рис. 10 и 11 приложения 2.

Соединение модулей между собой, а также их подключение к плате Arduino UNO показано на Рис. 37.

Рис. 37. Подключение модульной схемы преобразователя входного напряжения к плате Arduino UNO



4. Разработка программного комплекса мультиметра

После проектирования схемы преобразования напряжения необходимо разработать программный комплекс, позволяющий выполнять измерения и управление схемой.

4.1 Логическая структура программного комплекса

АЦП Arduino UNO принимает преобразованное значение напряжения в числовом формате. Каждому значению напряжения соответствует число, находящееся в границах от 0 до 1023 (т.к. АЦП Arduino UNO -- 10-тиразрядное). Для того, чтобы получить из этого числа напряжение, необходимо провести ряд вычислений, выполнять которые можно с помощью микроконтроллера.

Управление мультиметром с помощью компьютера заключается в управлении отдельными компонентами спроектированной схемы, то есть в управлении реле, которые бы посредством переключения выстраивали необходимую цепочку для напряжения. Выполнять такое на Arduino UNO, не изменяя код программы, нельзя. Для этого потребуется управляющая программа. Также, для того, чтобы собрать весь функционал, необходимый пользователю, в одном месте, необходимо добавить в управляющую программу окно, в котором отображались бы полученные результаты.

Получающаяся при этом логическая структура программного комплекса мультиметра показана на Рис. 38.



Рис. 38. Логическая структура программного комплекса мультиметра

4.2 Реализация программного комплекса

Программа для Arduino должна выполнять следующие функции:

принимать и обрабатывать данные, полученные с АЦП;

отправлять обработанные данные в управляющее приложение;

принимать команды от управляющего приложения о необходимости переключения участка цепи;

управлять состоянием реле по команде.

Управляющее приложение должно выполнять следующие функции:

отображать интерфейс для взаимодействия между пользователем и компьютером;

посылать сигналы на Arduino в зависимости от выбора, сделанного пользователем;

принимать обработанные данные и выводить их на экран.

4.2.1 Взаимодействие Arduino UNO - Управляющее приложение

Так как данные передаются в обе стороны, существует необходимость в настройке взаимодействия программ.

Arduino IDE и Processing IDE имеют широкий набор различных библиотек. Поскольку оба эти приложения имеют встроенные стандартные программы для работы с Serial портом, взаимодействие между Arduino UNO и управляющим приложением происходит по Serial порту.

Для разгрузки последовательного порта добавляется булева переменная. Поскольку данных от управляющего приложения поступает меньше, чем данных об измеренных значениях, приоритетность по использованию Serial порта отдаётся Arduino.

Необходимо ввести функцию посыла строки в управляющую программу establishContact() со стороны Arduino. Получение ответа от неё означает, что она готова на приём данных.

Со стороны управляющей программы необходимо ввести функцию serialEvent(), которая анализирует данные в последовательном порте. Она ожидает определённого символа в строке, получая который понимает, что необходимо послать ответ о возможности приёма данных. Последовательность её действия такова:

считывание поступающих данных;

проверка на пустой массив данных или «ноль»;

удаление пробелов;

при первом приёме данных изменение значение булевой переменной firstContact (необходимой для определения соединения с Arduino) и сообщение микроконтроллеру о готовности к приёму данных;

при повторном приёме необходимого типа данных отображение их в консоли и ответ микроконтроллеру о событии (например, о клике на интерфейсную кнопку);

сообщение микроконтроллеру о готовности принимать новые данные.

Таким образом, взаимодействие организовано следующим образом:

При запуске Arduino отсылает приветственное сообщение, после которого начинается обмен управляющими символами;

Если в порту обнаруживается «A», управляющая программа принимает значения;

Если в порту обнаруживается «1», микроконтроллер принимает сигнал.

4.2.2 Принятие и обработка данных на Arduino

Чтение со входов АЦП как в Arduino UNO, так и в других в других подобных ей платах, производится с помощью команды AnalogRead(). Аргументом для этой команды является номер входа, с которого необходимо считать получаемые данные. Таким образом, для того, чтобы считать данные и записать их в какую-то переменную, которая будет использоваться дальше, можно ограничиться одной командой.

Таким образом, принятие данных будет организовано с помощью стандартной команды для Arduino -- AnalogRead().

Однако, как было сказано ранее, данные, получаемые с АЦП -- целые числа, находящиеся в диапазоне от 0 до 1023. Для того, чтобы преобразовать эти данные в значение напряжения, получаемого на входе АЦП, необходимо умножить эти данные на значение напряжения питания платы, и разделить на величину .

Такое вычисление действительно показывает значение напряжения, присутствующего в данный момент времени на входе АЦП. Однако, этого недостаточно для того, чтобы узнать реальное значение на входе преобразовательной платы. Для этого необходимо ввести расчёт с учётом поправочных коэффициентов. Самый простой расчёт с учётом делителей напряжения.

Формула для вычисления этого поправочного коэффициента:

Тогда, коэффициент для диапазона в 10 В будет равен:

Коэффициент для диапазона в 30 В будет равен:

Коэффициент для диапазона в 0,5 В будет вычисляться несколько иным способом. Так как предыдущие 2 диапазона были рассчитаны на понижение исходного напряжение, диапазон в 0,5 В подразумевает его повышение. Повышение в этом диапазоне производится в 9,2. Для того, чтобы не изменять формулу и сделать её универсальной для всех диапазонов, нужно умножать полученное значение на 0,109, значит . Для диапазона в 5 В, как и для любых измерений амперметра, .

Таким образом, итоговая формула для обработки полученного значения с АЦП и его преобразования в значения напряжения на входе преобразователя входного напряжения выглядит следующим образом:

Однако, данная формула позволяет получать значения напряжения. Для того, чтобы модифицировать её и приспособить к получению значений силы тока, необходимо воспользоваться законом Ома для участка цепи и ввести переменную, которая бы содержала в себе значение сопротивления шунтирующих резисторов. Тогда, в зависимости от диапазона измерений и режима мультиметра, эта переменная может принимать значения:

режим работы -- амперметр, диапазон измерений 2 А, значение переменной 0,1;

режим работы -- амперметр, диапазон измерений 0,2 А, значение переменной 9,1;

режим работы -- вольтметр, значение переменной 1.

Учитывая эти поправки, формула для получения итогового значения:

где -- итоговое измеренное значение, -- напряжение питания, -- поправочный коэффициент, -- сопротивление шунтирующего резистора.

Обычные электроизмерительные приборы для переменного тока измеряют эффективное (действующее) значение измеряемой величины. Это значение получается делением амплитудного значения на . Arduino измеряет мгновенные значения напряжения, которые меняются по синусоидальному (гармоническому) закону, поэтому действующее значение измеряемой величины находится как корень квадратный из среднего значения квадратов мгновенных значений.

Из-за увеличения количества операций, а также из-за использования функции извлечения корня, необходимо разделить измерения переменных величин с измерениями величин постоянных. Для этого необходимо ввести оператор «Если». В таком случае, если пользователь выбирает измерение постоянных величин, выполняется расчёт по приведённой формуле без дополнительных операций, если пользователь выбирает измерение переменных величин, то программа переключается на исполнение операций, для получения эффективного значения. Блок схема данного процесса представлена на Рис. 39.

Рис. 39. Блок схема процесса измерения



4.2.3 Сигналы переключения

Переключение конкретного реле необходимо воспринимать как последствие какого-то конкретного события. В данном случае, переключение должно происходить после того, как пользователь нажимает кнопку в интерфейсе управляющей программы. То есть каждая кнопка отвечает за переключение одного или нескольких реле.

Так как назначение каждого реле известно, известны и кнопки, которые необходимо вынести в интерфейс программы. Это кнопки «Амперметр» и «Вольтметр», определяющие режим работы мультиметра, кнопки «~» и «-», означающие тип измеряемого напряжения, кнопки «0,5 В», «5 В», «10 В» и «30 В», определяющие диапазон измерения напряжения и кнопки «2 А» и «0,2 А», определяющие диапазон измерения силы тока.

Необходимо закрепить каждый ключ за определённым реле (их также следует пронумеровать) перед тем, как приступать к написанию программ для управления. Одно из возможных соответствий, принятых для выполнения данной работы, между ключами и реле представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Соответствие ключ-реле

№ ключа	№ Реле	Назначение
1	6	Диапазон 5 В вольтметра
2	7	Диапазон 10 В вольтметра
3	8	Диапазон 30 В вольтметра
4	10	1 положение: цепь в обход операционного усилителя 2 положение: подключение операционного усилителя для обеспечения диапазона 0,5 В вольтметра
5	9	Диапазон 0,5 В вольтметра
6	5	1 положение: диапазон 2 А амперметра 2 положение: диапазон 0,2 А амперметра
7	4	1 положение: амперметр 2 положение: вольтметр
9	3	1 положение: выпрямитель 2 положение: пустой провод
10	2	1 положение: инвертер 2 положение: пустой провод

После того, как соответствие между ключами и реле установлено, необходимо установить соответствие между контактами реле и контактами, к которым подключены определённые участки схемы. Данное соответствие описывается в таблице 2.

Логически процесс переключения должен происходить следующим образом:

пользователь нажимает на кнопку;

управляющая программа реагирует на её нажатие и посылает об этом сигнал микроконтроллеру;

микроконтроллер воспринимает данные, полученные от управляющей программы;

в соответствии с тем, какие данные пришли от управляющей программы, переключается определенное реле или несколько.

Переключение реле можно выполнять с помощью изменения уровня напряжения на цифровом выводе, к которому оно подключено. В Arduino IDE существует специальная команда digitalWrite(a, b), где a -- номер порта, b -- низкий (Low) или высокий (High) уровень напряжения на этом порту.

За каждой интерфейсной кнопкой закрепляется определённый символ, который позволяет определять нажатую кнопку и передавать этот символ в микроконтроллер, по которому бы он понимал, какие именно реле нужно переключить и в какие положения.

Тогда в управляющей программе необходимо использовать 2 функции: стандартную функцию mousePressed и MouseIsOver(). Первая функция отвечает за восприятие нажатия кнопки, вторая функция необходима для определения того, на какую именно кнопку было совершенно нажатие. Обе этих функции должны быть соединены через конъюнкцию в условии оператора «Если». Таким образом, если обе эти функции принимают значение истины, то это означает начало обработки произошедшего события. Внутри этого оператора в последовательный порт отправляется символ, означающий нажатие конкретной кнопки.

Реакция управляющей программы и микроконтроллера на нажатие каждой кнопки представлена в таблице 3.

Таблица 3 - Интерфейсные кнопки и реакция на их нажатие

Название кнопки	Реакция управляющей программы	Реакция микроконтроллера	Итог
Амперметр	Отправка в последовательный порт «0»	Принятие из последовательного порта «1», установка значения цифрового вывода 4 в значение «High»	Реле 4 переключается на цепь амперметра
Вольтметр	Отправка в последовательный порт «1»	Принятие из последовательного порта «1», установка значения цифрового вывода 4 в значение «Low»	Реле 4 переключается на цепь вольтметра
~	Отправка в последовательный порт «3»	Принятие из последовательного порта «3», установка значения цифрового вывода 3 в значение «High»	Реле 3 переключается на цепь выпрямителя
-	Отправка в последовательный порт «4»	Принятие из последовательного порта «4», установка значения цифрового вывода 3 в значение «Low»	Реле 3 переключается на пустой провод
5 В	Отправка в последовательный порт «5»	Принятие из последовательного порта «5», установка значения цифрового вывода 6 в значение «High», цифровых выводов 7, 8, 9, 10 в значение «Low»	Реле 6 замыкается, реле 7, 8, 10 размыкаются, реле 9 переключается на цепь в обход операционного усилителя
10 В	Отправка в последовательный порт «6»	Принятие из последовательного порта «6», установка значения цифрового вывода 7 в значение «High», цифровых выводов 6, 8, 9, 10 в значение «Low»	Реле 7 замыкается, реле 7, 8, 10 размыкаются, реле 9 переключается на цепь в обход операционного усилителя
30 В	Отправка в последовательный порт «7»	Принятие из последовательного порта «7», установка значения цифрового вывода 8, в значение «High», цифровых выводов 6, 7, 9, 10 в значение «Low»	Реле 8 замыкается, реле 6, 7, 10 размыкаются, реле 9 переключается на цепь в обход операционного усилителя
0,5 В	Отправка в последовательный порт «2»	Принятие из последовательного порта «2», установка значение цифрового вывода 6, 9, 10 в значение «High», цифровых выводов 6, 7, 9, 10 в значение «Low»	Реле 6 и 10 замкнулись, реле 9 переключилось на цепь операционного усилителя, реле 7, 8 размыкаются
0,2 А	Отправка в последовательный порт «8»	Принятие из последовательного порта «8», установка значения цифрового вывода 5 в значение «High»	Реле 5 переключается на шунт в 9,1 Ом
2 А	Отправка в последовательный порт «9»	Принятие из последовательного порта «8», установка значения цифрового вывода 5 в значение «Low»	Реле 5 переключается на шунт в 0,1 Ом

Реализация управления подобном способом позволяет задавать необходимые поправочные коэффициенты и значения переменных для общей формулы в том операторе, в котором производится переключение состояния цифровых выходов.

4.2.4 Передача измеренных значений

Передача измеренных значений из Arduino происходит следующим образом.