Цифровой амперметр

Применение микроконтроллера со встроенным АЦП в измерительных устройствах позволяет максимально упростить и удешевить их конструкцию. Однако, есть у таких МК и существенный недостаток - наиболее распространённые 10-тиразрядные АЦП не в состоянии обеспечить высокую разрешающую способность при широком диапазоне измеряемой величины. Предлагаемая конструкция решает эту проблему, используя метод преобразования напряжение – частота.

Принцип измерения тока основан на методе одностадийного интегрирования – преобразования напряжения, снимаемого с токоизмерительного шунта в частоту. Амперметр имеет следующие технические характеристики:
Напряжение питания (не стабилизированное), В   14…20
Потребляемый ток, мА, при Uпит=15В   70
Диапазон измерения тока с разрешением в 1мА, А   0…9,999
Диапазон измерения тока с разрешением в 10 мА, А   0…99,99
Допустимое сопротивление шунта, Ом   0,01…1
Нелинейность измерения, МЗР   ±3

Принципиальная схема амперметра представлена на рисунке ниже.

В начальный момент времени транзистор VT6 открыт, и конденсатор C12 разряжен. На выходе компаратора DA3 устанавливается высокий логический уровень. Процесс измерения начинается с одновременного запуска 16-ти разрядного счётчика TCNT1 микроконтроллера DD1 и закрытия транзистора VT6. Счётчик настроен на работу в режиме счёта импульсов тактового сигнала, поступающего от предделителя с коэффициентом деления, равного 8. Конденсатор C12 начинает заряжаться от источника стабильного тока, собранного на элементах DA3, R4…R6, VT1. ОУ DA3 с помощью транзистора VT1 поддерживает напряжение на резисторе R6 равным опорному напряжению, которое формируют элементы DA1, DA2, R1…R3, C1…C4. Ток, протекающий через резистор R6, всегда равен току, протекающему через сток транзистора VT1 в нагрузку, напряжение на резисторе R6 поддерживается постоянным, следовательно, величина тока будет определяться выражением I = Uоп/R6. Как только линейно растущее напряжение на конденсаторе C12 достигнет значения, равного измеряемому напряжению, на выходе компаратора установится низкий логический уровень. Переход из высокого логического уровня в низкий на выв. 11 DD1 (ICP) вызывает переход к подпрограмме обработки прерывания по «захвату» таймера/счётчика TCNT1. Подпрограмма открывает транзистор VT6, разряжая конденсатор C12, копирует насчитанное счётчиком значение из регистров захвата TCNT1H, TCNT1L и далее выводит на индикаторы. Процесс преобразования повторяется каждые 230 мс.

Количество подсчитанных тактов пропорционально измеряемому напряжению. Пусть через шунт сопротивлением 0,1 Ом протекает ток 9,999 А, вызывая на нём падение напряжения в 999,9 мВ. Для отображения на индикаторе значения «9,999» счётчик должен насчитать такое же количество импульсов. Время заряда конденсатора постоянным током равно t = (U*C)/I. Для выбранной ёмкости C12 в 2,2 мкФ, требуемого времени заряда 0,009999 с и конечного напряжения на конденсаторе C12 0,9999 В необходимый ток заряда будет равен I = (C*U)/t = 0,22 мА. Таким образом, измерение тока этим методом позволяет отказаться от предварительного усиления напряжения с шунта, подобрав для индикации необходимого значения лишь ток заряда и ёмкость конденсатора C12, что допускает работу с шунтами, сопротивления которых могут лежать в широких пределах.

Если на выв. 5 компаратора DA4 присутствует нулевое значение напряжения, то отрицательного перепада на выв. 11 DD1 не произойдёт, поскольку уровень напряжения на выв. 6 будет заведомо больше. В этом случае произойдёт переполнение счётчика TCNT1 и будет вызвана соответствующая подпрограмма обработки прерывания, которая выведет на индикатор «0,000».

Максимальное число подсчитанных импульсов для 16-ти разрядного счетчика равно 65535. Но поскольку 4-х разрядный индикатор не может отобразить число, большее 9999, программой предусмотрена индикация переполнения в случае, если измеряемое напряжение больше 999,9 мВ – отображение чисел «9999» и мерцание с частотой 1 Гц. Стабилитрон VD1 ограничивает максимальное входное напряжение до уровня, меньшего 6,5535 В, для того, чтобы не допустить переполнения таймера и ошибочной выдачи на индикатор нулевого значения вместо индикации переполнения.

Печатная плата (под лазерно-утюжную технологию) и схема расположения элементов изображена на рисунках ниже.

В конструкции используются индикаторы E20361, установленные на отдельной плате, вместо них можно использовать и другие, но они должны быть с общим анодом. Анод младшего разряда индикатора подключается к контакту 9 «Ind.1» платы амперметра, остальные к контактам 10«Ind.2», 11«Ind.3», 12«Ind.4» соответственно.

В зависимости от того, в каком диапазоне измерения работает амперметр, предусмотрено 2 варианта прошивки. Первый вариант предназначен для диапазона 0…9,999 А, второй – для диапазона 0…99,99.

Настройка фьюз битов показано на рисунке ниже.

Перед регулировкой амперметра необходимо пересчитать номиналы резистора R6 и конденсатора C12 – на схеме они рассчитаны для шунта сопротивлением 0,1 Ом и максимального тока 9,999А. Для другого сопротивления, тока и требуемых показаний индикатора номиналы R6 и C12 будут иными. Удобнее всего воспользоваться прилагаемым файлом «Шунт.xlsx». После монтажа R6, C12 и запрограммированного микроконтроллера на амперметр подаётся питание. После включения амперметра на индикаторе в течение 1,5 с отображаются символы «9.999», если используется первый вариант прошивки, или символы «99.99», если второй, после чего амперметр переходит в режим измерения.

Для настройки амперметра на его входы «+Ш», «-Ш» от внешнего источника питания подают напряжение, которое соответствует падению напряжения на измерительном шунте при прохождении через него максимального тока. Подстройкой резистора R2 добиваются соответствия показаний межу амперметром и подаваемым на вход напряжением. После этого измерительные цепи амперметра отсоединяются от источника и закорачиваются. На индикаторе, как правило, отображается значение в пределах 15…100. Ненулевое показание индикатора главным образом связано с ограниченным быстродействием компаратора DA3, и его конкретное значение зависит от фирмы-изготовителя. Для компенсации этой систематической ошибки, а также остальных, в программе предусмотрена константа, которая после каждого измерения вычитается из значения, насчитанного счётчиком TCNT1. Значение константы может быть как отрицательным, так и положительным. Если значение отрицательное, в старший разряд добавляется единица, если положительное – ноль, остальные 7 разрядов отведены под само число. Константа записывается в исходном файле программы (01_AMP.ASM или 02_AMP.ASM) в строке 220 «ldi r20, 0x00» (для любого варианта прошивки) вместо нулевого значения, после чего исходный файл заново компилируется. Например, при закороченных цепях «+Ш», «-Ш» на индикаторе выводится число 35. Переводим его в шестнадцатеричную форму, получаем 0х23. Для вычитания из измеренного значения добавляем в старший разряд единицу, получаем 0хa3 и записываем это значение в строке 220: ldi r20, 0xa3. Амперметр будет индицировать нулевое значение при закороченных цепях «+Ш», «-Ш» после повторного программирования МК с рассчитанной константой.

Положительное значение константы предусмотрено для варианта, при котором на входе амперметра уже присутствует напряжение, а на индикаторах отображается ноль. В этом случае, плавно увеличивая напряжение на входе амперметра, необходимо измерить, при какой величине напряжения начинается индикация числа 1. Измеренное образцовым вольтметром значение переводят в шестнадцатеричную форму и записывают в строке 220.

После записи константы и повторного программирования МК необходимо скорректировать измеряемое амперметром значение с помощью резистора R2 и проверить его работоспособность во всём диапазоне, подавая на вход напряжение от нуля до максимального значения, сверяя показания амперметра с образцовым вольтметром.

Точность и стабильность измерений амперметра напрямую зависят от качества конденсатора C12. Лучше всего для этой цели подходят плёночные конденсаторы серий К73-16в, К73-11 или аналогичные импортные, имеющие низкое значение ТКЕ - не хуже М47. Например, изменение температуры на 10 ºС для конденсатора с группой ТКЕ М47 приведёт к изменению показаний значения младшего индикатора на 5 единиц, поэтому эксплуатировать амперметр с таким конденсатором лучше всего в помещениях с небольшими изменениями температуры окружающей среды.

Для исключения негативного влияния влаги на результат измерения печатная плата устройства со стороны пайки целиком покрывается водостойким лаком, а со стороны элементов - аналоговая часть.

Ниже вы можете скачать прошивку, исходники, печатную плату и Excel-файл для расчета шунта

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Амперметр
• Микроконтроллер
• AVR