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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Digitales Mini-Voltmeter mit LCD. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Der Autor dieses Artikels untersuchte die Leistung einer Reihe von ADC-Mikroschaltungen der ICL71x6-Familie (einschließlich KR572PV5) und ihrer Analoga bei einer reduzierten Versorgungsspannung. Anhand der Ergebnisse dieser Studien entwickelte er den ursprünglichen Entwurf eines Miniatur-Digitalvoltmeters. Basierend auf der Mikroschaltung ADC MAX130, die zur Mikroschaltungsfamilie ICL71x6 gehört, wurde ein Miniaturvoltmeter mit vier Messgrenzen entwickelt: 200 mV, 2, 20 und 200 V. Der Hauptschaltkreis des Geräts ist in Abb. dargestellt. 1.
Das Aussehen des Voltmeters ist in Abb. dargestellt. 2.
Die Wahl dieser Mikroschaltungsserie erklärt sich aus der Tatsache, dass ihre Betriebsgrenze bei reduzierter Versorgungsspannung ungefähr mit der Schwellenspannung eines billigen und erschwinglichen Power-Down-Detektors – der Mikroschaltung KR1171SP42 – übereinstimmt. Durch den Einsatz dieses Detektors können Fehlmessungen vermieden werden, wenn die Versorgungsspannung unter einen bestimmten Wert fällt. Durch den deutlich geringeren Stromverbrauch im Vergleich zu ICL7106 (KR572PV5) konnte die Betriebsdauer des Voltmeters auch bei Verwendung einer kleinen Batterie verlängert werden. Bei einer Quarzfrequenz von 32,768 kHz liefert das Voltmeter etwa 2 (32768/16000) Messwerte pro Sekunde. Die Frequenz des VR-Signals beträgt ca. 40 Hz (32768/800). Für die Instanz der Mikroschaltung MAX130CPL, die im Minivoltmeter verwendet wird, betrug die minimale Betriebsspannung, bei der die Messgenauigkeit noch erhalten bleibt, 4,27 V. Daher waren von den zehn verfügbaren Instanzen der 1171SP42-Detektoren (und sie haben eine Aufgrund der erheblichen Streuung der Ansprechspannung wurde ein Beispiel mit einer Ansprechspannung von Us = 4,3 V und einer Hysterese von 60 mV (Ausschaltspannung - ca. 4,36 V) gewählt. Die Genauigkeit eines ADC hängt weitgehend von der Qualität der im ADC verwendeten Kondensatoren ab. In Firmendokumentationen und Artikeln zum Einsatz des ICL71xx ADC wird die Verwendung von Kondensatoren mit niedrigem Absorptionskoeffizienten im Dielektrikum empfohlen. Wenn ein Keramikkondensator als C6 (integrierende Schaltkreiskapazität) verwendet wird, liegt der Umwandlungslinearitätsfehler in der Größenordnung von 0,1 %, bei einem Polystyrol- und einem Polypropylen-Dielektrikum 0,01 % bzw. 0,001 %. Von den Haushaltskondensatoren können K71-4, K71-5, K72P-6, K72-9, K73P-7, K73-16, K73-17 empfohlen werden. Die Kondensatoren C4 im Nullkorrekturknoten und C2 mit Referenzspannung können mit einem Polyethylenterephthalat-Dielektrikum verwendet werden. Als Referenz: Kondensatoren der Gruppen K70-xx und K71-xx – mit Polystyrol-Dielektrikum, Gruppen K72-xx – Fluorkunststoff, K73-xx – Polyethylenterephthalat, K78-xx – Polypropylen. Das Voltmeter ist auf einer Steckplatine montiert, deren Abmessungen mit den Abmessungen des Indikators übereinstimmen. Der ADC-Chip befindet sich unter der Anzeige und die restlichen Elemente sind auf der Rückseite des Steckbretts platziert. Alle Widerstände, bis auf den Eingangsteiler, sind 0805-Chipwiderstände. Die Installation erfolgt mit einem dünnen Draht. Die Voltmeterplatine ist in einem Blechgehäuse mit den Maßen 80x35x15 mm eingebaut. Gegenüber dem Indikator befindet sich im Gehäuse ein Fenster, in das eine transparente Kunststoffplatte eingeklebt ist (aus dem Deckel der CD-Box). Abmessungen des Batteriefachs: 35 x 15 x 15 mm. Um eine Referenzspannung von 100 mV zu erhalten, werden die Elemente R1, VD1, R3, R5, R6 verwendet. Die Leistung der integrierten Zenerdiode AD1580ART (Ist min = 50 µA!) ist etwas besser als die des RER1004 (LM385) und sie ist in einem Miniatur-SOT-23-Gehäuse erhältlich. Durch Einstellen des Abstimmwiderstands R100 wird am Widerstand R5 eine beispielhafte Spannung von 6 mV eingestellt. Ein Voltmeter für vier Spannungsmessgrenzen wurde ohne speziellen Schalter hergestellt: Ein im Messsondenanschluss eingebauter externer Spannungsteiler wird an den XP1-Anschluss angeschlossen. Die Eingangsteilerschaltung ist in Abb. dargestellt. 3 und in Abb. 4 zeigt seinen Aufbau. Der Übergang zu einer anderen Messgrenze kann erfolgen, indem die Sonde mit einem Teiler vom XP1-Anschluss des Voltmeters getrennt, die Sonde um 90 Grad gedreht und beide Knoten erneut verbunden werden.
Die Eingangsimpedanz des Voltmeters mit angeschlossenem Spannungsteiler beträgt 11,1 MΩ (ohne Teiler - ca. 100 MΩ). Am besten verwenden Sie im Eingangsspannungsteiler Widerstände C2-29V 0,062 oder 0,125 W mit einer Toleranz von 0,1 %. Die Widerstandswerte der Teilerwiderstände werden als Vielfache von 10 gewählt, was ihre Auswahl erleichtert. Der Widerstand des unteren Arms des Teilers sollte in diesem Fall 11,11 kOhm betragen; Eine solche Bewertung gibt es für die Widerstände C2-29V (Reihe E192). Sie können den Rat von [1] nutzen und zwei Widerstände mit den Nennwerten 24 kOhm und 12 kOhm aus der E150-Serie parallel schalten (es ist wichtig, einen Wert von 11,11 kOhm zu wählen). Beim Einbau von Widerständen mit einer Toleranz von 0,1 % im Teiler ist keine zusätzliche Auswahl erforderlich. Leider ist es unmöglich, einen genauen kleinen Widerstand mit einem Nennwert von 10 MΩ zu finden. Daher musste ich aus 0805-Chipwiderständen einen selbstgebauten Widerstand herstellen. Die Schaltung und der Aufbau eines solchen Widerstands sind in Abb. 5 dargestellt. 5a und Abb. XNUMX B.
Die Widerstände R1‘ = 8,2 MΩ und R1‘ = 1,8 MΩ sollten mit einer negativen Toleranz gewählt werden. Beträgt die Abweichung etwa 0,1 % (das ist bei Chip-Widerständen mit einer Toleranz von 1 % ein durchaus möglicher Wert), dann die beiden anderen Widerstände muss die in Abb. 5, a angegebenen Nennwerte haben. Der Widerstand R1 * wird von oben an den Widerstand R1 "' angelötet. Die Größe der Struktur entspricht in etwa den Widerständen C2-23 0,125 bzw. 0,25 Watt. Die maximal zulässige Spannung am Eingang des Teilers wird durch die maximal zulässige Spannung des Chipwiderstands 0805 R1 bestimmt und beträgt laut Passdaten 300 V. Die Betriebsspannung der Chipwiderstände sollte 150 V nicht überschreiten Wenn der Widerstandswert des Widerstands R1' 8,2 MΩ / 11,1 MΩ = 73,8 % der Impedanz des Teilers beträgt, beträgt die Betriebsspannung des Teilers 150 V / 0,73 = 203 V, was der maximalen Messgrenze von entspricht Das Mini-Voltmeter. Sie können den 10-MΩ-Widerstand entweder anhand der Messwerte eines genauen Ohmmeters einstellen oder indem Sie die kalibrierte Spannung von 1,999 V mit einem genauen Voltmeter am zusammengebauten Teiler messen. Natürlich muss das Mini-Voltmeter selbst auf einen Grenzwert von 200 mV eingestellt werden. Grundsätzlich kann die erste Ohmmeter-Tuning-Option kein gutes Ergebnis liefern, da immer ein Eingangsstrom vorhanden ist, der einen spürbaren Spannungsabfall am 10 MΩ-Widerstand erzeugt. Allerdings sind die Eingangsströme der Mikroschaltungsfamilie ICL71xx so gering, dass die Ergebnisse für eine 31/2-stellige Anzeige durchaus zufriedenstellend sind. Es wird nicht empfohlen, den Teiler durch Anschließen eines Multimeters an seine Stufen anzupassen, auch wenn dies um eine Größenordnung genauer ist, da aufgrund des internen Spannungsteilers, der auch an der unteren Grenze nicht abschaltet, Fehler auftreten können. Bevor die Sondenstruktur mit Epoxidharz gefüllt wird, empfiehlt es sich, den 10-MΩ-Widerstand und den gesamten Teiler gründlich mit einer Alkohol-Benzin-Mischung, Wasser und Shampoo zu spülen und gründlich zu trocknen. Zu diesem Zweck ist es zweckmäßig, einen Haartrockner mit einer Lufttemperatur am Auslass im Bereich von 70 ... 90 ° C zu verwenden. Es muss darauf geachtet werden, dass das Epoxidharz nicht in das Gehäuse der PBD-8-Stecker fließt. Die zweite Eingangssonde des Voltmeters mit einer Krokodilklemme am Ende wird an den KhRS-Anschluss angeschlossen. Da auch der 200-mV-Eingang an denselben Anschluss angeschlossen ist, kann er zum Anschluss eines Voltmeters an verschiedene externe Anschlüsse oder einfach als Indikator mit großem Eingangswiderstand und 200-mV-Skala verwendet werden. Der Spannungsteiler ist vom XP1-Anschluss abgetrennt, so dass die Position des Dezimalpunkts am XP1-Anschluss mit einem herkömmlichen Jumper eingestellt werden kann. Das Metallgehäuse des Voltmeters hat keine Verbindung zum elektrischen Teil des Geräts, am KhRZ-Anschluss befindet sich jedoch ein „Gehäuse“-Kontakt. Sie können es je nach Situation (z. B. bei starker Störung) einsetzen. Das Schema und der Aufbau der negativen Sonde sind in Abb. 6 dargestellt. XNUMX.
Das Voltmeter verwendet einen LCD-Indikator ITS-0803 von INTECH [2]. Seine Abmessungen betragen 51x30,5 mm. Das Bild erscheint bereits bei einer Spannung von 2 ... 2,1 V und der Indikator erreicht den maximalen Kontrast des Zeichens gegenüber dem Hintergrund (bei IZhTs5-4/8 ist der Kontrast schlechter) bei einer Versorgungsspannung von 3 .. . 3.3 V. Dieser Indikatortyp kann als Standard bezeichnet werden, da seine vollständigen Gegenstücke von einer Reihe von Unternehmen (Standish, Epson) hergestellt werden. Zweck und Lage der Stifte und Segmente sind in Abb. dargestellt. 7.
Der gebräuchlichste Indikator, PLI5-4/8, kann verwendet werden, wird jedoch nicht empfohlen. Das Bild der Segmente erscheint ab einer Spannung von 2,5 ... 2,7 V darauf, der maximale Kontrast wird jedoch erst bei einem Spannungswert von 4,3 ... 4,8 V erreicht. Außerdem verfügt dieser Indikator über kein Segment „Batterie schwach“. Es gibt ein Analogon zu diesem LCD mit dem Namen „Sobol“, dessen Eigenschaften besser und der Preis höher ist. Ein guter Indikator ist IZHTS14-4/7 aus dem Werk Reflector. Es funktioniert gut bei 3 V, hat aber 50 Pins, viele zusätzliche Segmente und ist daher größer als das ITS-0803. Es gibt ein Zeichensegment „LB“. Informationen zu diesen Komponenten finden Sie auch auf der Seite [2]. Wenn auf dem LCD kein „LOW BATTERY“-Segment vorhanden ist, kann eine LED in der Anzeigeeinheit für niedrigen Batteriestand verwendet werden; Der Spannungsregelkreis für diesen Fall ist in Abb. dargestellt. 8. Es ist wünschenswert, eine LED mit einem minimalen Betriebsstrom zu wählen. Die im Diagramm dargestellte LED des L-934SRC ist rot und sehr hell (King Bright). Es funktioniert einwandfrei mit einem Gleichstrom von 200 ... 300 μA!
Der Transistor VT2 invertiert das BP-Signal und wird zum Einschalten der Dezimalpunkte auf dem Indikator verwendet. Der an der Stromgrenze benötigte Punkt wird durch eine Brücke am XS2-Stecker des externen Spannungsteilers eingeschaltet. Das gleiche invertierte BP-Signal (im Diagramm als DP0 bezeichnet) kann über einen Schalter am Transistor VT1 an das LCD-Segment „Batterie schwach“ angelegt werden. Der Zustand der Taste (Ein/Aus) wird vom Unterspannungsdetektor DA1 gesteuert. Um die „Hintergrundbeleuchtung“ ungenutzter Segmente auszuschließen, sind Widerstände R4, R7, R10, R11 (mit einem Widerstand von 5 ... 10 MΩ) eingebaut. In den meisten Fällen funktioniert der Indikator ohne diese Widerstände gut. Die Abmessungen des Stromfachs, verknüpft mit der Breite des verwendeten Indikators, ermöglichen den Einbau von Batterien 4LR44, A544, V34PX, PX28A, 4SR44 mit einer Spannung von 6 V. 13 V. Sie sind weit verbreitet und werden verwendet in Laserpointern und dem Kinderspielzeug „Tomagotchi“. Im Fach ist eine ausreichend lange Feder eingebaut, die den Einsatz von drei oder vier Scheibenelementen ermöglicht. Bei vier Elementen beträgt die Entladeschlussspannung 4,3 V / 4 = 1,07 V. Wenn nur drei Elemente eingeschaltet sind, wird deren Kapazität nicht vollständig genutzt (die minimal zulässige Spannung beträgt etwa 1,43 V). Der geringe Stromverbrauch (insbesondere für MAX131) ermöglicht die Installation eines Satzes „frischer“ und teilweise entladener Zellen für eine vollständigere Nutzung ihrer Kapazität. Mit etwas Aufwand können sogar 5 vollständig entladene Zellen (0,9 V x 5 = 4,5 V) in das Fach gelegt werden, und das Voltmeter funktioniert einwandfrei. Die Kapazität alkalischer galvanischer Zellen und Batterien dieses Typs beträgt etwa 100 mAh und Silber-Zink - 160 mAh. Dies bedeutet, dass die geschätzte Betriebszeit des Voltmeters mit einer Batterie bei einem durchschnittlichen Stromverbrauch von etwa 220 μA (MAX130) etwa 500 Stunden für Alkalibatterien und 800 Stunden für Silber-Zink-Batterien beträgt. Für andere Arten von Mikroschaltungen dieser ADC-Familie können Sie die Betriebszeit anhand ihres Stromverbrauchs abschätzen. Der Fehler des Voltmeters an der Grenze von 200 mV entspricht der Kapazität des LCD-Indikators, d. h. alle Zahlen auf dem Indikator sind genau (getestet mit einem DT41F + 2/930-stelligen Voltmeter, Genauigkeitsklasse 0,05). Natürlich ist es nicht das Verdienst des Autors, sondern die hohe Qualität der Herstellung des MAXIM ADC und einer Referenzspannungsquelle von Analog Devices. Da die im abgestimmten Voltmeter gemessene Spannung des ION etwas niedriger war als der berechnete Wert (ca. 99,98 mV), beträgt die Nichtlinearität des Geräts, die bei dieser Methode zur Korrektur der Absorption im Kondensator zwangsläufig auftritt, mehr als 3 1/2 Stellen des Indikators. Das Fehlen eines merklichen Unterschieds in den Messwerten an den Endpunkten der Skala (weniger als die Hälfte der niedrigstwertigen Ziffer des Indikators) ist in diesem Fall nur ein angenehmer Zufall. Bei den verbleibenden (drei) Grenzen wird der Fehler durch die Herstellungsqualität des Spannungsteilers bestimmt. Der Autor ist sich einiger Unklarheiten im in diesem Artikel präsentierten Material bewusst. Einerseits wird die Verwendung eines ADC-Chips beim Design eines Geräts in Betracht gezogen, das nicht anders als als Amateurfunk betrachtet werden kann, da der Stromversorgungsmodus der Mikroschaltung nicht den Empfehlungen des Herstellers entspricht. Andererseits verfügt der Autor über die Ergebnisse einer recht ausführlichen Untersuchung der Fehlerquellen, die in diesem Artikel nicht berücksichtigt wurde. Gleichzeitig behauptet der Autor, dass zwei Dutzend Kopien von Mikroschaltungen unterschiedlichen Typs aus der ICL71x6-Familie im vorgeschlagenen Schaltkreis normal funktionieren. Der Autor kann in diesem Artikel jedoch keine verallgemeinernden Schlussfolgerungen zur Leistung aller Mikroschaltungen dieser Gruppe von ADCs ziehen. Für sich selbst zog der Autor dennoch eine gewisse Schlussfolgerung. Wenn es in einem Amateur- oder Industriedesign erforderlich ist, eine Mikroschaltung der ICL71x6-Familie an ein Gerät mit einer Versorgungsspannung von 5 ... 6 V anzuschließen, können Sie den ADC unter Berücksichtigung der Versorgungsspannungsspanne ohne Polaritätswandler verwenden. Literatur
Autor: O. Fedorov, Moskau
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