Цифровой амперметр постоянного тока своими руками

Цифровой амперметр постоянного тока своими руками

В этой статье мы рассмотрим низкодиапазонный амперметр на микроконтроллере ATmega8 (семейство AVR). Для реализации этой идеи мы задействуем 10 битный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) данного микроконтроллера. Для упрощения схемы используем резистивный метод, являющийся самым простым способом определения нужных нам параметров.

В этом методе мы будем пропускать ток, силу которого необходимо измерить, через резистор с маленьким сопротивлением. Измеряя напряжение на этом резисторе с помощью АЦП микроконтроллера мы сможем определить и интересующую нас силу тока. Измеренное значение тока мы будем показывать на жидкокристаллическом (ЖК) дисплее 16х2.

В схеме мы будем использовать делитель напряжения на резисторах. Измеряемый ток будем пропускать через всю цепочку резисторов, а измерять напряжение будем в средней точке делителя. Напряжение в этой точке будет изменяться по линейному закону в зависимости от величины тока, протекающего через делитель напряжения.

При проектировании схем с делителем напряжения следует принимать во внимание то, что входной ток на АЦП микроконтроллера AVR должен быть не менее 50 мкА. Поэтому следует правильно выбирать резисторы делителя напряжения чтобы минимизировать влияние нагрузки (loading effect) резистора на проходящий через делитель ток.

Какие типы бывают?

Все вольтметры можно разделить по виду измеряемой величины. Основными типами считаются устройства постоянного, а также переменного тока. Первый вид, в свою очередь, делится на выпрямительные, а также квадратичные приборы. Дополнительно существуют импульсные вольтметры. Отличительной их особенностью является измерение радиоимпульсных сигналов. При этом замеры напряжения они могут проводить как постоянного, так и переменного тока.

Обычная схема цифрового вольтметра основана на дискретных величинах. Важную роль в ней играет входное устройство. При этом управляющий прибор взаимодействует с цифровым отсчетным блоком через десятичные числа. Особенность входного устройства заключается в высоком делителе напряжения. Если работа сводится к определению переменного тока, то оно работает как обычный преобразователь. При этом на выходе получается постоянный ток.

В это время центральный блок занимается аналоговым сигналом. В данной системе он представлен в виде цифрового кода. Процесс преобразования свойственен не только вольтметрам, но и мультиметрам. В некоторых моделях устройств применяется двоичный код. В таком случае процесс получения сигнала значительно упрощается, и преобразование происходит значительно быстрее. Старые модели вольтметров работали исключительно с десятичными числами. При этом проводилась регистрация измерительной величины. Дополнительно схема цифрового вольтметра имеет в себе центральный блок, который отвечает за все важные узлы прибора.

Самодельные устройства

Как сделать вольтметр своими руками, для чего он нужен, как устроен, как подключается вольтметр, как пользоваться вольтметром — вот неполный перечень вопросов, которые возникают у начинающих радиолюбителей и простых пользователей. Принцип действия вольтметра или принцип работы вольтметра был рассмотрен ранее при рассмотрении разных его типов и видов.

При совсем небольших затратах можно самостоятельно его изготовить. Основной его частью является стрелочный измерительный прибор. На шкале присутствует обозначение напряжения — латинская буква «V». Конечно, желательно иметь вольтметр с необходимым диапазоном измерения. В левой части шкалы должна быть отметка «О», а в правой — число, которое показывает предельное значение напряжения, измеряемого этим прибором.

Это значение определяется величиной добавочного резистора, находящегося в корпусе готового прибора и током полного отклонения стрелки микроамперметра.

Часто при работе приходится измерять значения напряжений в широком диапазоне. Для обеспечения допустимой точности приходится использовать одну общую шкалу с набором добавочных сопротивлений. Их количество зависит от величин напряжений, которые необходимо измерять при работе.

Использование добавочных сопротивлений дают возможность измерять напряжения, величины которых больше последнего числа шкалы. Для измерения напряжений меньшего значения с достаточной точностью необходимо найти прибор с числом максимального значения шкалы меньшей величины или переделать существующий путём изменения величины добавочного сопротивления в корпусе прибора.

Входное сопротивление стрелочного вольтметра оценивается показателем относительного (удельного) сопротивления. Единица его измерения — кОм/В. То есть для разных значений измеренного напряжения величина входного сопротивления прибора будет разной. Отсюда вывод — наибольшей точности измерения соответствует правая часть шкалы. Внутреннее сопротивление вольтметра здесь имеет большее значение и его подключение оказывает меньшее негативное воздействие на работу схемы. Необходимо выбирать прибор с большей величиной удельного сопротивления.

Если приходится измерять переменное напряжение, то при небольшом усложнении схемы самодельного прибора можно решить и эту задачу. Входное напряжение необходимо выпрямить, сделать его однополярным.

Ток для нормальной работы микроамперметра прибора должен протекать по обмотке рамки прибора только в одном направлении (клеммы прибора имеют маркировку «+» и «-«). Только в этом случае стрелка прибора отклонится. Выпрямление может быть однополупериодным или двухполупериодным. Это зависит от выбранной схемы выпрямителя. При определении реальной величины напряжения показания стрелочного прибора разделить примерно на 3 (выпрямление однополупериодное) или на 1,5 (выпрямление двухполупериодное).

Принципиальная схема амперметра

Принципиальная схема цифрового амперметра до 10А и более на микросхемах СА3162, КР514ИД2

Схема практически такая же, за исключением входа. Здесь вместо делителя стоит шунт на пятиваттном резисторе R2 сопротивлением 0,1 От. При таком шунте прибор измеряет ток до 10А (0. 9.99А). Установка на ноль и калибровка, как и в первой схеме, осуществляется резисторами R4 и R5.

Выбрав другие делители и шунты, можно задать другие пределы измерения, например, 0. 9.99V, 0. 999mA, 0. 999V, 0. 99.9А. Это зависит от выходных параметров того лабораторного блока питания, в который будут установлены эти индикаторы. Также, на основе данных схем можно сделать и самостоятельный прибор для измерения напряжения и тока (настольный мультиметр).

При этом нужно учесть, что даже используя жидкокристаллические индикаторы прибор будет потреблять существенный ток, так как логическая часть СА3162Е построена по ТТЛ-логике. Поэтому, хороший прибор с автономным питанием вряд ли получится. А вот автомобильный вольтметр (рис.4) выйдет неплохой.

Питаются приборы постоянным стабилизированным напряжением 5V. В источнике питания, в который будут они установлены, необходимо предусмотреть наличие такого напряжения при токе не ниже 150 mA.

Подключение прибора
На рисунке 3 показана схема подключения измерителей в лабораторном источнике.

Выбор деталей

Кроме АЦП, ещё понадобится микросхема КР514ИД2. Она представляет собой двоично-десятичный дешифратор и нужна для обеспечения работы светодиодного индикатора. Индикатор для этой микросхемы содержит 7 сегментов с общим анодом. В структуру схемы входят три управляющих ключа и устройство светодиодной индикации из 3-х индикаторов.

Для сборки вольтметра необходимы следующие компоненты:

• микросхемы СА31162 и КР514ИД2;
• транзисторы КТ361 – 3 шт.;
• резисторы постоянные мощностью 0,125 Вт, номиналом: 1кОм – 4 шт.; 470 Ом – 7 шт.; 470 кОм – 1 шт.; 4,7 кОм – 1 шт.; 820 кОм – 1 шт.;
• переменные резисторы: 5,1 кОм (регулировка режима «предел») и 47 кОм (регулировка «установка нуля»)
• конденсаторы: 0,22 мФ – 2шт.; 6800 пФ; электролитический на 100 мФ*150 В;
• индикаторы АЛ324Б – 3 шт.

Детали можно брать б/у, с выводами достаточной длины для успешного монтажа. Транзисторы ключей подбираются с одинаковыми сопротивлениями переходов или с близкими значениями.

Как пользоваться?

Эксплуатация вольтметра допускается только при соблюдении трех важных условий. К ним относятся:

• соответствие возможностей аппарата напряжению в участке цепи;
• соответствие типу напряжения, которое может быть постоянным или переменным;
• верное положение, в котором должен находиться вольтметр для корректной работы (вертикальное или горизонтальное, данная информация указывается на корпусе прибора).

Аналоговые вольтметры также требуют предварительной настройки.

Но в этот раз мы говорим о цифровых устройствах, которые в этом не нуждаются, что является еще одним доказательством удобства и простоты использования. Весь процесс измерения напряжения цифровым вольтметром можно разделить на 3 шага.

1. Подсоединить провода. Для этого на цифровых моделях имеются специальные разъемы и гнезда. Установить переключатель в положение «включено».
2. Если вольтметр является универсальным, установить тип напряжения и диапазон значений. При неизвестных значениях можно обозначить максимальный предел, а затем плавно его снижать до выявления читаемых значений.
3. Установить параллельное подключение щупов к проводникам на выбранном участке цепи.

Как видите, процесс не так сложен и не занимает большого количества времени.

Однако стоит соблюдать осторожность. Халатное отношение может не только повредить устройство, но и нанести вред здоровью человека.

Вот самые распространенные ошибки, которые совершаются при замерах.

1. Переход с одного участка цепи на другой без переустановки значений или типа напряжения. Вольтметр может перегреться и даже сгореть.
2. Из-за внешнего сходства вольтметр можно легко перепутать с амперметром.
3. При длительной эксплуатации изоляция проводов на щупах приходит в негодность и проводник оголяется. Это может привести к поражению оператора электрическим током. Поэтому нужно регулярно осматривать аппарат на предмет повреждений.
4. Некоторые покупатели предпочитают экономить на подобной технике, покупая дешевые аппараты от неизвестных производителей. Велик риск потратить деньги на непригодный для измерений вольтметр. Такие устройства лучше приобретать в специализированных магазинах. Лучше всего если товары имеют сертификат качества и гарантийный срок.

В целом это все, что нужно знать о вольтметре для его домашнего использования.

Данный прибор является очень полезным и ему всегда найдется применение. Так что эта покупка стоит того.

Тем не менее, если работать приходится с электричеством, необходимо соблюдать предельную внимательность и быть подготовленными. Обязательно ознакомьтесь с прилагаемой инструкцией и техническими характеристиками именно вашей модели.

В следующем видео вы узнаете, как подключить цифровой вольтметр с тремя проводами.

Основные характеристики

Чем выше показатель внутреннего сопротивления прибора, тем меньшее влияние он оказывает на работу измеряемой электроцепи. Измерители с высоким выходным сопротивлением являются более точными. При выборе вольтметра необходимо обратить внимание на его характеристики. Среди них наиболее важными являются следующие:

1. диапазон измерения;
2. внутреннее сопротивление;
3. диапазон частот переменного тока;
4. погрешность измерений.

Диапазон измерений прибора подбирается в зависимости от того, с какими величинами планируется работать. Большинство моделей способны измерять напряжение с показателем от нескольких десятков милливольт до сотен киловольт. Также важной характеристикой является и погрешность.

Этот показатель определяется изготовителем с помощью специальных тестов. Познакомиться с характеристиками прибора можно в инструкции по его эксплуатации.

По назначению все вольтметры делятся

Вольтметры переменного тока, как и постоянного используются для измерений в сетях с соответствующим типом тока, а вот селективные – могут отделять гармоническую составляющую сложного сигнала, и определять среднеквадратическое значение напряжения.

Импульсный вольтметр обычно используют для измерений амплитуды постоянных импульсных сигналов, а также они способны точно определить амплитуду одиночного импульса.

Фазочувствительные приборы могут измерять изменения составляющих комплексных напряжений, благодаря чему становится возможным точное исследование амплитудно-фазовой характеристики усилителей, и прочих подобных схем.

По принципу действия различают электронные (цифровые или аналоговые), и электромеханические вольтметры (электромагнитные, термоэлектрические, а также магнитоэлектрические, электродинамические и электростатические).

Все электромеханические приборы, за исключением термоэлектрических, по сути, являются обычным измерительным механизмом с показывающим устройством. Во всех них для расширения пределов измерений применяются дополнительные сопротивления.

Приборы данной категории, не смотря на довольно высокое внутреннее сопротивление, имеют относительно большую погрешность, что делает невозможным их использование в ходе экспериментов и исследований, где требуется повышенная точность данных.

Термоэлектрический вольтметр использует для замеров электродвижущую силу одной или нескольких термопар, которые греются из-за тока входящего сигнала. Они более точны и компактны, в сравнении с электромеханическими измерителями напряжения.

Электронные вольтметры в свою очередь подразделяются на цифровые и аналоговые.

Цифровой вольтметр преобразует постоянное значение напряжения в цифровой сигнал, который и выводится на табло прибора. Делается это при помощи аналого-цифрового преобразователя.

В аналоговых вольтметрах помимо магнитоэлектрического измерителя и дополнительных резисторов в обязательном порядке присутствует измерительный усилитель, позволяющий в несколько раз повысить внутреннее сопротивление прибора, и соответственно – улучшить точность показаний.

Электронные вольтметры переменного тока

Такие вольтметры состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рис. 4.17), различающиеся своими характеристиками. В вольтметрах по схеме рис.4.17,а

измеряемое напряжение
их
сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на
УПТ
и
ИМ,
являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. Преобразователь
Пр
представляет собой мало­инерционное нелинейное звено, поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне (от десятков герц до 103 МГц).

Рис.4.17. Структурные схемы вольтметров переменного тока

В вольтметрах, выполненных по схеме рис.4.17, б, благодаря пред­варительному усилению удается повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот,— достаточно трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют относительно низкий частотный диапазон (1 — 10 МГц); верхний предел измерений при максимальной чувствительности составляет десятки или сотни микровольт.

В зависимости от вида преобразователя переменного напряжения в постоянное отклонения указателя измерительного механизма вольтметров могут быть пропорциональны амплитудному (пиковому), среднему (средневыпрямленному) или действующему значениям измеряемого напряжения.

Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рис. 4.18, а

) или закрытым (рис. 4.19,
а
) входами, где
ивх
и
ивых
— входное и выходное напряжения преобразователя.

Рис. 4.18. Схема (а) и временные диаграммы сигналов (б и в) преобразователя амплитудных значений (пикового детектора)

с открытым входом

В амплитудных преобразователях с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального их

mах положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения (см. рис. 4.18,
б
). Пульсации напряжения uвых на конденсаторе объясняются его подзарядом при открытом диоде и разрядом через резистор R при закрытом диоде.

Среднее значение выходного напряжения иср » ихтах

и, следовательно, угол отклонения указателя измерительного механизма

— коэффициент преобразования вольтметра.

Особенностью амплитудных преобразователей с открытым входом является то, что они пропускают постоянную составляющую входного сигнала (положительную для показанного включения диода)

При ивх= Uo + Um

sin ωt
среднее значение выходного напряжения иСР ≈ U
о +
Um.
Следовательно,

не будет отклоняться, поскольку в этом случае закрыт диод
Д.

Рис. 4.19. Схема (а) и временные диаграммы сигналов (б)

преобразователя амплитудных значений с закрытым входом

В преобразователях с закрытым входом (рис.4.19, а, б)

в установившемся режиме на резисторе
R
независимо от наличия постоянной составляющей входного сигнала имеется пульсирующее напряжение
uR
изменяющееся от 0 до -2
Um
где
Um
— амплитуда переменной составляющей входного напряжения. Среднее значение этого напряжения практически равно
Um.
Для уменьшения пульсаций выходного напряжения в таких преобразователях устанавливается фильтр нижних частот RфСф. Таким образом, показания вольтметра в этом случае определяются только амплитудным значением переменной составляющей входного напряжения
их,
т. е.
a = kvUm.
Поскольку шкала вольтметров градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения, то при измерении напряжений другой формы необходимо делать соответствующий пересчет, если известен коэффициент амплитуды измеряемого напряжения. Амплитудное значение измеряемого напряжения несинусоидальной формы

= 1,41 —коэффициент амплитуды синусоиды;
Unp
— значение напряжения, отсчитанное по шкале прибора.

Действующее значение измеряемого напряжения

— коэффициент амплитуды измеряемого напряжения.

Вольтметры среднего значения имеют преобразователи пе­ременного напряжения в постоянное, аналогичные преобразователям, используемым в выпрямительных приборах. Такие вольтметры обычно имеют структуру, показанную на рис.4.17,б.

В этом случае на выпрямительный преобразователь подается предварительно усиленное напряжение
их,
что повышает чувствительность вольтметров и уменьшает влияние нелинейности диодов. Угол отклонения подвижной части измерительного механизма у таких вольтметров пропорционален средневыпрямленному значению измеряемого напряжения, т. е.

Шкала таких вольтметров также градуируется в действу­ющих значениях синусоидального напряжения. При измерении напряжения несинусоидальной формы среднее значение этого напряжения

— показание вольтметра;
kфс
= 1,11 — коэффициент формы синусоиды;
kФ
— коэффициент формы измеряемого напряжения.

Вольтметры действующего значения имеют преобразователь переменного напряжения с квадратичной статической характеристикой преобразования иВЫХ= k uВХ2.

В качестве такого преобразователя используют термопреобразователи, квадратирующие устройства с кусочно-линейной аппроксимацией параболы, электронные лампы и другие. При этом если вольтметр действующего значения выполнен по структурным схемам, изображенным на рис.4.17, то независимо от формы кривой измеряемого напряжения отклонение указателя измерительного механизма пропорционально квадрату действующего значения измеряемого напряжения: