Vorige: Ratatosk, een pulsbreedtemeter.   Omhoog: Meettoestellen.   Volgende: Spanningsreferentie.
Inhoudsopgave   Index


Een zelfbouw-spanningsmeter


Voorstelling.

Deze spanningsmeter is in de eerste plaats bedoeld om dienst te doen als spannings- en stroomuitlezing in een regelbare voeding.

Waarom een spanningsmeter ontwerpen, als er toch voldoende IC's in de handel zijn, die speciaal voor deze taak ontworpen zijn, om van kant-en-klare modules maar te zwijgen?
Het antwoord op deze vraag luidt: omdat (bijna) alle benodigde onderdelen in ruime mate gratis beschikbaar zijn. Inderdaad, het werd hoog tijd al die eproms en LED-displays die hier liggen te niksen eens voor een nuttig doel in te zetten.
Daar komt bij dat het uitleesgedeelte (IC3, IC4, IC5, IC6 en de LED-displays) een bruikbare basis vormt voor andere toepassingen. Denken we maar aan een hexadecimaal display dat 12 bits kan weergeven, bijvoorbeeld (hierbij volstaan dan 3 displays).

Hoe werkt het?

BlokSchema_Fig.png

De schakeling is zo eenvoudig van opzet, dat het blokschema hiernaast de werking grotendeels verduidelijkt.
Dit blokschema kan gescheiden worden in twee delen.

Meten.

Links zien we een teller (IC1, een 74HC4040) en een R2R-ladder, die samen een trapspanning produceren. Deze laatste komt op de niet-inverterende ingang van een opamp (IC7) terecht. De te meten spanning wordt ―via een spanningsdeler (Ra en Rb)― verbonden met de inverterende ingang van deze opamp.
De uitgang van de opamp wordt hoog, zodra de spanning van de R2R-ladder hoger wordt dan de te meten spanning. Deze positieve flank wordt gebruikt om een buffer (IC2/IC2', twee maal een 74HC574) te “klokken”, zodat de tellerstand van de binaire deler opgeslagen wordt. Deze tellerstand is nu een maat voor de gemeten spanning.

Weten.

Rechts van het meetgedeelte zien we het deel dat de gemeten spanning zichtbaar maakt.
Om te beginnen is er (IC3), een Eprom die de tellerstand (A00 ... A11) omzet naar data voor de LED-displays. Hij wordt bij die taak geholpen door een GAL16V8 (IC5), die het multiplexen voor zijn rekening neemt. De adreslijnen A00 ... A11 van de Eprom zijn verbonden met de uitgangen van buffer IC2. A12 en A13 worden gestuurd door IC5, die alzo een keuze maakt uit één van de vier datablokken, en tevens het bijpassende LED-display activeert.

Tijdschema_Fig.png

Zoals het tijdschema hiernaast toont, wordt er een korte pauze in acht genomen tussen het omschakelen van het ene display naar het andere. Dit voorkomt mogelijke “spookcijfers” die kunnen verschijnen tengevolge van de traagheid van de Eprom.


De print-layouts.

SpanningsMeter_overzicht.png SpanningsMeter_printsporen.png SpanningsMeter_boven.png


Details.

Digitale resolutie.

R2R-ladder_Fig.png

De digitale resolutie hangt af van het aantal stappen dat het teller-IC, dat de R2R-ladder aandrijft, nodig heeft om de maximale waarde te bereiken. In het geval van een 74HC4040 zijn dat 4096 stappen. Daaraan valt weinig te veranderen.

Hoe die 4096 stappen verdeeld worden, is afhankelijk van de eprom, die de LED-displays stuurt. In het geval we spanningen willen meten tot 4Volt of tot 40Volt, volstaat het de eprom te vullen met cijfers van 0-0-0-0 tot 4-0-9-5, waarbij we de decimale punt op de juiste plaats zetten.
Willen we echter spanningen tot 60Volt meten ―zoals in de 50V-voeding het geval is― dan is 40 als hoogste waarde ontoereikend, terwijl het verkwisting zou zijn, 400.9 als hoogste waarde te programmeren. Daarom is er een eenvoudig tooltje (DisplayEprom) ontwikkeld, dat slechts één argument behoeft: de hoogste spanning die we verwachten te meten, in de vorm van een float (123.4 60.00 ...). DisplayEprom zal dan een bestand, “eprom” genaamd, aanmaken, dat zonder verdere bewerking in een 27128 kan geplaatst worden.
De broncode van DisplayEprom vindt u hier.

Analoge resolutie.

MAN74A_Fig.png

Eens we bepaald hebben, welke de hoogste spanning is, die het display moet kunnen weergeven, komt het er op aan, de analoge spanningen aan de ingangen van de opamp op een passend niveau te brengen.

De eenvoudigste werkwijze bestaat er in, de spanning van de R2R-ladder rechtstreeks naar de opamp te voeren, en de te meten spanning langs een spanningsdeler om te leiden.
Indien het apparaat als stroommeter moet ingezet worden, lukt deze aanpak niet. Er dienen dan namelijk kleine spanningen (> 5Volt) gemeten te worden. In dit geval wordt de te meten spanning rechtstreeks naar de opamp geleid, en verlagen we de spanning van de R2R-ladder via een spanningsdeler.

Het spreekt vanzelf, dat hiervoor de print-layout moet aangepast worden.

De frequentie's.

Globaal kunnen we stellen dat 1 á 2 spanningsmetingen per seconde meer dan voldoende zijn.
Het multiplexen van de uitlezing dient uiteraard sneller te gebeuren. Hier wordt de voorkeur gegeven aan minstens 100 cyclussen per seconde. Dat betekent, dat op Q7 van IC4 een frequentie moet staan van 200Hz. IC4 ―een 74HC4060― is een binaire teller als de 74HC4040, met dit verschil dat hij een oscillator aan boord heeft. De oscillatiefrequentie wordt bepaald door Ct en Rt, waarbij ook R2 een bescheiden rol speelt.
De oscillatiefrequentie van IC4 moet dus 200 * 28, zijnde 25600Hz (of iets meer) bedragen. De frequentie van een 74HC4060 wordt als volgt berekend:

HC4060_Fig.png freq = 1/(2.5 * Ct * Rt)
R2 mag hierbij een waarde hebben van 2 * Rt tot 10 * Rt
Als we dat verder uitrekenen, komen we op:
1/(freq * 2.5) = Ct * Rt
Drukken we C uit in nF, en R in k, dan wordt het:
1000000/(freq * 2.5) = Ct * Rt
Of:
1000000/(25600 * 2.5) = 15.625
Nemen we 2k7 voor R, en 4n7 voor C, dan wordt de uiteindelijke formule:
freq = 1000000/(2.5 * 4.7 * 2.7) = 31520Hz
Op Q3 van IC4 staat dan een frequentie van 3940Hz, hetgeen ideaal is om IC1 aan te sturen.

De praktijk.

In theorie ziet alles er eenvoudig uit, maar hoe gedraagt het meettoestel zich in de praktijk? Dat valt best mee; vergelijkingen met een digitale multimeter wijzen uit dat de afwijking over het ganse bereik kleiner dan 1% blijft.

Anderzijds verwacht ik niet dat velen zich geroepen zullen voelen om zoiets na te bouwen. Met een μC kan hetzelfde (of zelfs een beter) resultaat bereikt worden op een print die slechts een fractie bedraagt van dit project.
Maar het was leuk, iets dergelijks te ontwerpen, en dat is het belangrijkste...



Vorige: Ratatosk, een pulsbreedtemeter.   Omhoog: Meettoestellen.   Volgende: Spanningsreferentie.
Inhoudsopgave   Index

Pros Robaer - 2014