Миллиомметр для внутрисхемных измерений

В радиолюбительской практике иногда требуется измерить малые сопротивления, например, измерительных шунтов, обмоток дросселей и трансформаторов. Для этих целей применяется такой прибор, как миллиомметр, вариант реализации которого представлен в этой статье. Кроме того, одно из основных назначений описываемого прибора – внутрисхемный поиск мест короткого замыкания при ремонте радиоаппаратуры путем определения участка с минимальным сопротивлением.   

Основные особенности описываемого прибора: измерение активного сопротивления резисторов и дросселей  без выпаивания из схемы; определение участка схем с минимальным сопротивлением без выпаивания элементов при поиске КЗ; питание всего от одного щелочного элемента типа ААА; переход в спящий режим с  малым потреблением при отсутствии измерений; защита от пробоя входа внешним напряжением, например, при случайном подключении к заряженному конденсатору.

Технические характеристики устройства:

Напряжение питания, В ………………………….……………………..… 1.2 – 1.6
Ток потребления: в режиме измерения, не более, мА ………………..… 200
   в режиме ожидания, мА ……….……….………..….. 6
   в спящем режиме, мА ………………..………….....… 0.03 – 0.05
Погрешность измерения: в диапазоне 0.01 – 0.9 Ом, не более, % …….. ±(1+2 ед. индикации)
   в диапазоне 0.01 – 3 Ом, не более, %  …….. ±(2+2 ед. индикации)
Общий диапазон измерения, Ом ………………………………………… 0.001 – 3.6
Время перехода в спящий режим из режима ожидания, с ………….…. 40

Рассмотрим принципиальную схему устройства.

Основным элементом схемы является микроконтроллер (МК) PIC16F690, который тактируется от внутреннего генератора частотой 8 МГц. Питание 3 В на МК подается с LDO (Low Drop Out) стабилизатора DA3 типа XC6206P301, который характеризуется экстремально низкими током потребления (1 мкА) и минимальным падением напряжения. На DA3 поступает напряжение 3.3 В с повышающего преобразователя на элементах DA2, L1, VD5, C3 – C5. Здесь преобразователь DA2 типа NCP1402SN33 включен по типовой схеме. Необходимость стабилизатора DA3 обусловлена чрезмерно высоким уровнем помех на выходе повышающего преобразователя, которая отрицательно влияет на точность измерений.

Индикация осуществляется посредством четырехразрядного светодиодного индикатора красного цвета свечения, сегментные выводы которого подключены к порту C МК, а выводы разрядов – к порту B. Здесь, как и в (1), применена посегментная динамическая индикация (ДИ) – в каждый момент времени опрашивается только один сегмент (по кругу все за 32 цикла). Такой способ ДИ позволил отказаться как от разрядных ключей, так и от гасящих резисторов в цепях сегментов, при этом, импульсный ток выходов МК не превышает 15 мА. В данной схеме тип индикатора определяется автоматически, для чего при включении прибора на выход RC0 подается высокий уровень при низком на разрядных выводах RB4-RB7. Напряжение на выводе RC0 измеряется АЦП (AN4) и по его значению делается вывод о типе индикатора, ОА или ОК. При этом, не требуется никаких внешних элементов!

Собственно, ДИ организована в прерываниях от таймера TMR1 с интервалом 512 мкс. Частота опроса индикатора – 1/(0.5*32), примерно равна 63Гц. Яркость индикатора, несмотря на небольшой средний ток через сегмент, вполне достаточна и комфортна.  

Измерительный ток (примерно 45 мА) задается резистором  R6 и, отчасти R1, через открытый в этом случае транзистор VT1. Подобная простая схема подачи измерительного тока многим может показаться примитивным и не обеспечивающим достойную погрешность, ведь в подобных приборах часто используется сложный источник тока (ИТ) на активных элементах. Однако, это не совсем так. Применение активного ИТ, а так же источника питания МК, как опорного для АЦП, приводит к температурному дрейфу как одного, так и другого. Это снижает точность измерения либо требует сложных схем термокомпенсации. В данном же случае, сопротивление резистора вычисляется по формуле Rx = N * Ro / (1023*Kop – N), где Ro = R6+R1, Kop – коэффициент усиления (КУ) ОУ, N – величина отсчета АЦП. Как видно из формулы, результат не зависит от напряжения питания (при его равенстве  с напряжением, подаваемым на R6) и, вообще, не зависит от активных элементов. Как результат, по моему мнению, данная схема при своей простоте обеспечивает более высокую точность измерений, чем при использовании активного ИТ.

При каждом измерении измерительный ток подается непрерывно в течении всего цикла, что минимизирует влияние больших емкостей и индуктивностей на результат при внутрисхемных измерениях.

Система защиты ,  в отличие от похожей в этом приборе, не такая «всеобъемлющая» и при работе следует соблюдать определенную осторожность. Она состоит из элементов R1, VD1, VD2, R2, R4, VD3.  В качестве VD2 используется диод Шоттки для ограничения напряжения на щупах  в пределах 250мВ максимум, что важно при внутрисхемных измерениях. Дело в том, что значительный ток выхода прибора – до 50 мА – может, в противном случае, повредить маломощные полупроводниковые элементы схемы.

Операционный усилитель (ОУ) DA1.1, используется для усиления очень низких напряжений с измеряемого резистора (от менее чем десятых долей мВ). Коэффициент усиления (КУ) ОУ может составлять 67 либо 16.8 в зависимости от диапазона (0 – 0.9 Ом, либо 0.9 – 3.6 Ом). Он (КУ) переключается портом RA1 (вывод 18 МК) подключением дополнительного резистора R8. Как оказалось, на этот вывод наводится помеха  от ДИ, поэтому, все измерения посредством АЦП проводятся с отключением тока через сегменты индикатора. Применение Rail-to-Rail ОУ с малым током потребления MCP602 позволило питать его непосредственно с выхода порта МК (вывод 3) без ущерба для его работы. Для компенсации напряжения начального смещения ОУ, на него подается избыточное положительное смещение с делителя R2R3. «Лишнее» смещение измеряется и вычитается из результатов.  Кроме того, слабый ток через R5 создает необходимый потенциал на входе прибора в режиме ожидания.

Напряжение элемента питания измеряется по выводу 9 (AN9), также задействованному в ДИ, что потребовало использовать  цепочку R10VD4. Резистор R10 ограничивает паразитный ток при работе ДИ, а диод Шоттки VD4 уменьшает утечку тока от имеющего высокий потенциал вывода 9 МК на элемент питания в спящем режиме. При измерении  напряжения он не оказывает существенного влияния, так как при малом (не более 0.5 мкА) протекающем прямом токе, на нем падает всего около 20мВ (компенсируется программно).

В спящем режиме на сегменты и разряды индикатора подается высокий уровень, что обесточивает индикатор. Прибор «засыпает» при длительном (около 40-45с) нахождении как с разомкнутыми щупами, так и с замкнутыми. Из спящего режима МК выходит по прерыванию от таймера WDT, после чего прибор переходит в рабочий режим в случае неразомкнутых щупов (либо разомкнутых если «засыпание» произошло по длительно замкнутым щупам). В противном случае, устройство «засыпает» обратно и так далее. Интервал прерываний WDT выбран примерно 150 мс. Наличие включенного таймера WDT, кроме того, позволяет обойтись без кнопки сброса при отсутствии выключателя питания.

Все детали устройства, включая элемент питания, размещены на печатной плате размерами 35мм на 85мм из фольгированного стеклотекстолита с односторонней металлизацией.

Применены как обычные, так и SMD компоненты. Микроконтроллер установлен на разъемной колодке. Индикатор можно заменить на FYQ3641AH, а так же, практически любой подобных размеров и красного цвета свечения как с ОА, так и с ОК. ОУ можно применить MCP601, но с коррекцией рисунка платы. В качестве DA3 подойдет XC6206P302MR. MOSFET транзистор VT1 можно заменить транзистором типа AO3401. Диод VD1 меняется на любой из серии 1N100x, а VD2 - VD4 – на 1N5818.   Стабилитрон VD3 – любой на напряжение 2.7 - 3.3 В. 

Резисторы R5 - R8 следует брать с допуском не более ±0.5 %. В крайнем случае, их можно отобрать из экземпляров с допуском ±5%, подбирая с точностью не менее ±0.25% омметром с классом точности не хуже 0.25%. Но есть еще один вариант - использовать точные только резисторы R5 и R8 с последующей программной коррекцией. В случае отказа от применения точных резисторов совсем, скорее всего, программно настроить до заявленной точности  удастся только один из диапазонов измерения (0 – 0.9 Ом или 0.9 – 3.6) . Остальные резисторы – с допуском ±5%. Все SMD конденсаторы – типоразмера 1206, а резисторы – 0805.   

Плата с припаянными деталями и элемент питания размещаются в подходящем  пластмассовом корпусе. В нем напротив индикатора прорезается прямоугольное окно, которое заклеивается прозрачным оргстеклом красного цвета. Входные щупы изготовлены из латунных штырей диаметром 2 мм и длиной 50 мм, в крайнем случае, можно использовать заточенные стальные гвозди. Один из них (XN1)  впаян с помощью проволочных хомутов непосредственно в плату, другой – на проводе, изготовлен из секции винтового разъема, применяемого в электрике.

Программа для МК написана на языке Си и оттранслирована в среде MikroC for PIC.

При прошивке, слово конфигурации (00EC) загружается автоматически.

Устройство не требует наладки и начинает работать сразу, при отсутствии ошибок. При применении деталей с указанными допусками, заявленная погрешность обеспечивается автоматически. При необходимости можно установить коэффициент коррекции показаний  прибора для обеспечения требуемой точности.

Перейдем к подробному описанию работы прибора

РЕЖИМ ОЖИДАНИЯ. При неподключенных щупах прибор переходит в режим ожидания и на экране загораются средние сегменты 2-го и 3-го разрядов. В этом режиме, через 8 секунд и далее, каждые 16 с, в течении 2 с индицируется напряжение батареи питания  в виде ”uX.XX” , где Х.ХХ – напряжение элемента питания. Причем, в первый раз измеряется напряжение при максимальной нагрузке, а в последующие – без нагрузки.  Если к прибору ничего не подключено в течении 40 с, он переходит в спящий режим (выключается) с полным гашением индикатора. В таком состоянии прибор может находиться сколь угодно долго, пока щупы не будут замкнуты между собой либо не будет к ним подключен низкоомный резистор.

РЕЖИМ ОЖИДАНИЯ+РАЗРЯЖЕННАЯ БАТАРЕЯ. Если напряжение  питания под нагрузкой менее 1.15 В, происходит первая индикация напряжения батареи через 8 с после перехода в режим ожидания (при этом, запятая в младшем разряде сигнализирует о разряде элемента питания) и сразу после этого прибор «засыпает», то есть через 10, а не 40 секунд. При напряжении батареи менее 1.05 В, прибор выключается и включается только после замены элемента питания.

ИЗМЕРЕНИЕ. При подключении к щупам резистора, на экране будет выводиться   сопротивление в Омах (”X.XХX”) либо, при переполнении ( 3.6 Ом < R < 50 Ом), высвечивается “ r3.6ˉ ”. В этом состоянии потребляемый ток прибора максимален – до 200 мА при разряженном элементе питания. В приборе реализован переход в спящий режим и при случайном длительном замыкании щупов и отсутствии реакции на последующее (через 30 с) приглашение их разомкнуть. Примерно через 45 с прибор «засыпает» с выходом из этого режима при размыкании щупов. Следует отметить, что прибор потребляет значительный ток только непосредственно в момент измерения, в перерывах же ток потребления очень мал. Поэтому, щелочного элемента питания хватает на несколько месяцев умеренного использования.

КАЛИБРОВКА. Если держать щупы замкнутыми (либо с подключенным резистором менее 50 Ом) непрерывно в течении 30 сек, то высветится ”Prob” и затем  “OPEn”  (Open probes). Если в течении 10с разомкнуть щупы, прибор перейдет в режим калибровки, в противном случае – в спящий режим после вывода ”Err_”. В первом случае, высвечивается две секунды “CALI”, затем, приглашение замкнуть щупы ”Prob” и “CLOS” (Close probes). Если после этого не замыкать щупы в течении 10 с, происходит запись нуля как собственного сопротивления щупов, иначе, если их вовремя замкнуть  – запись измеренного реального значения. Результат записывается в EEPROM (энергонезависимой памяти) и сохраняется даже при отключении батареи питания. Далее, через 2 с пустого экрана,  выводится “Corr” – индикация режима коррекции показаний прибора. После паузы высвечивается текущее значение коррекции, а затем, каждую секунду значения коррекции меняются по кругу  в течении 30 с. При замыкании щупов текущее значение сохраняется в EEPROM, иначе ранее записанное значение (при начальном включении – 0.0) не меняется. Возможны значения коррекции от -5.0 (“c.-5.0”) до 5.0 (“c. 5.0”) с интервалом в 0.5. В последующих измерениях результат корректируется на соответствующее значение в процентах, то есть на ±5 % с шагом в 0.5%. После этого калибровка  закончена и выводится “CALI”+End.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Миллиомметр
• PIC
• Sprint-Layout
• Proteus
• Микроконтроллер