Цифровой амперметр и вольтметр на PIC16F873A - Измерительная техника - Инструменты. Цифровой амперметр и вольтметр на PIC16F873A Электронный амперметр своими руками

При работе с различными электронными изделиями возникает потребность измерять режимы или распределение переменных напряжений на отдельных элементах схемы. Обычные мультиметры, включённые в режиме AC, могут фиксировать лишь большие значения этого параметра с высокой степенью погрешности. При необходимости снятия небольших по величине показаний желательно иметь милливольтметр переменного тока, позволяющий производить измерения с точностью до милливольта.

Для того чтобы изготовить цифровой вольтметр своими руками, нужен определённый опыт работы с электронными компонентами, а также умение хорошо управляться с электрическим паяльником. Лишь в этом случае можно быть уверенным в успехе сборочных операций, осуществляемых самостоятельно в домашних условиях.

Вольтметр на основе микропроцессора

Выбор деталей

Перед тем, как сделать вольтметр, специалисты рекомендуют тщательно проработать все предлагаемые в различных источниках варианты. Основное требование при таком отборе – предельная простота схемы и возможность измерять переменные напряжения с точностью до 0,1 Вольта.

Анализ множества схемных решений показал, что для самостоятельного изготовления цифрового вольтметра целесообразнее всего воспользоваться программируемым микропроцессором типа РІС16F676. Тем, кто плохо знаком с техникой перепрограммирования этих чипов, желательно приобретать микросхему с уже готовой прошивкой под самодельный вольтметр.

Особое внимание при закупке деталей следует уделить выбору подходящего индикаторного элемента на светодиодных сегментах (вариант типового стрелочного амперметра в этом случае полностью исключён). При этом предпочтение следует отдать прибору с общим катодом, поскольку число компонентов схемы в этом случае заметно сокращается..

Дополнительная информация. В качестве дискретных комплектующих изделий можно использовать обычные покупные радиоэлементы (резисторы, диоды и конденсаторы).

После приобретения всех необходимых деталей следует перейти к разводке схемы вольтметра (изготовлению его печатной платы).

Подготовка платы

Перед изготовлением печатной платы нужно внимательно изучить схему электронного измерителя, учтя все имеющиеся на ней компоненты и разместив их на удобном для распайки месте.

Важно! При наличии свободных средств можно заказать изготовление такой платы в специализированной мастерской. Качество её исполнения в этом случае будет, несомненно, выше.

После того, как плата готова, нужно «набить» её, то есть разместить на своих местах все электронные компоненты (включая микропроцессор), а затем запаять их низкотемпературным припоем. Тугоплавкие составы в этой ситуации не подойдут, поскольку для их разогрева потребуются высокие температуры. Так как в собираемом устройстве все элементы миниатюрные, то их перегрев крайне нежелателен.

Блок питания (БП)

Для того чтобы будущий вольтметр нормально функционировал, ему потребуется отдельный или встроенный блок питания постоянного тока. Этот модуль собирается по классической схеме и рассчитан на выходное напряжение 5 Вольт. Что касается токовой составляющей этого устройства, определяющей его расчетную мощность, то для питания вольтметра вполне достаточно половины ампера.

Исходя из этих данных, подготавливаем сами (или отдаём для изготовления в специализированную мастерскую) печатную плату под БП.

Обратите внимание! Рациональнее будет сразу подготовить обе платы (для самого вольтметра и для блока питания), не разнося эти процедуры по времени.

При самостоятельном изготовлении это позволит за один раз выполнять сразу несколько однотипных операций, а именно:

• Вырезка из листов стеклотекстолита нужных по размеру заготовок и их зачистка;
• Изготовление фотошаблона для каждой из них с его последующим нанесением;
• Травление этих плат в растворе хлористого железа;
• Набивка их радиодеталями;
• Пайка всех размещённых компонентов.

В случае, когда платы отправляются для изготовления на фирменном оборудовании, их одновременная подготовка также позволит выгадать как по цене, так и по времени.

Сборка и настройка

При сборке вольтметра важно следить за правильностью установки самого микропроцессора (он должен быть уже запрограммирован). Для этого необходимо найти на корпусе маркировку его первой ножки и в соответствии с ней зафиксировать корпус изделия в посадочных отверстиях.

Важно! Лишь после того, как есть полная уверенность в правильности установки самой ответственной детали, можно переходить к её запаиванию («посадке на припой»).

Иногда для установки микросхемы рекомендуется впаивать в плату специальную панельку под неё, существенно упрощающую все рабочие и настроечные процедуры. Однако такой вариант выгоден лишь в том случае, если используемая панелька имеет качественное исполнение и обеспечивает надёжный контакт с ножками микросхемы.

После запайки микропроцессора можно набить и сразу же посадить на припой все остальные элементы электронной схемы. В процессе пайки следует руководствоваться следующими правилами:

• Обязательно использовать активный флюс, способствующий хорошему растеканию жидкого припоя по всей посадочной площадке;
• Стараться не задерживать жало на одном месте слишком долго, что исключает перегрев монтируемой детали;
• По завершении пайки следует обязательно промыть печатную плату спиртом или любым другим растворителем.

В том случае, если при сборке платы не допущено никаких ошибок, схема должна заработать сразу после подключения к ней питания от внешнего источника стабилизированного напряжения 5 Вольт.

В заключение отметим, что собственный блок питания может быть подключен к готовому вольтметру по завершении его настройки и проверки, производимой по стандартной методике.

Видео

Цифровой вольтметр является довольно востребованным прибором. Предназначен он исключительно для определения напряжения, которое имеется в электрической цепи. Подключение цифрового вольтметра может осуществляться двумя способами. В первом варианте он устанавливается параллельно цепи. Второй способ подразумевает подсоединение прибора непосредственно к источнику электроэнергии. Особенность цифровых вольтметров заключается в удобстве использования. Дополнительно они имеют довольно большой показатель внутреннего сопротивления. Это крайне важно, поскольку данный параметр влияет на точность устройства.

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.

Схема цифрового вольтметра

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.

Цифровые преобразователи вольтметров

На сегодняшний день существует множество различных типов преобразователей, которые устанавливаются в вольтметры. Наиболее распространенными считаются времяимпульсные модели. Дополнительно существуют кодоимпульсные преобразователи.

Отличительной их особенностью от прочих устройств является возможность заниматься поразрядным уравновешиванием. В это время частотно-импульсные модели такой привилегии лишены. Однако с их помощью можно проводить пространственное кодирование, а это в некоторых исследованиях может быть крайне важным. Особенно это касается замеров напряжения в закрытых цепях электричества.

Самодельные вольтметры

Вольтметр (цифровой) своими руками сделать можно. В первую очередь подбирают детектор, который предназначен для определения средневыпрямленного значения. При этом устанавливается он, как правило, рядом с преобразователем переменного тока. Минимум-напряжение детектором определяется от 100 МВ, однако некоторые модели способны распознавать силу тока до 1000 МВ. Дополнительно, для того чтобы сделать вольтметр (цифровой) своими руками, потребуется транзистор, который влияет на чувствительность устройства, а именно его порог. Связан он с уровнем квантовой амплитуды напряжения. Еще на чувствительность влияет дискретность прибора. Если напряжение составляет менее 100 МВ, то уровень сопротивления непременно растет и может составить, в конечном счете, 10 Ом.

Сопротивление электрической схемы

Сопротивление, которое образуется в системе, зависит от количества знаков в цепи. В данном случае следует понимать, что шкалы вольтметров могут сильно отличаться. Отношение измеряемой величины прямо пропорционально напряжению. Дополнительно нужно учитывать помехозащищенность, которая также влияет на сопротивление устройства. Тут следует отметить, что именно цифровой встраиваемый вольтметр отличается большими амплитудами.

В данном случае это оказывает большое влияние на возникновения помех в цепи. Наиболее частой причиной резкого скачка считают неправильную работу блока питания. При этом средняя частота устройства может нарушаться. Таким образом, на входе в цепи имелось, к примеру, 50 Гц, а на выходе получилось 10 Гц. Как результат, в соединительном проводе образуется сопротивление. Постепенно это приводит к утечке, а происходит это в месте, где находятся клеммы. В данном случае проблема может быть решена путем заземления этого участка. В итоге помехи переходят на входную цепь и частота в приборе стабилизируется.

Погрешности измерений

Погрешность измерений вольтметра напрямую связана с При этом следует учитывать напряжение наводки на выходе. Чаще всего помехи общего вида изменяют параметры сопротивления. В результате данный показатель может значительно уменьшиться. На сегодняшний день имеется три проверенных способа борьбы с разного рода помехами в вольтметрах. Первый прием заключается в применении проводов экранированного типа. При этом вход электрической цепи очень важно изолировать от оборудования.

Второй способ заключается в наличие интегрирующего элемента. В результате период помехи можно значительно уменьшить. Наконец, последним приемом принято считать установку специальных фильтров на вольтметры. Основной их задачей является повышение сопротивления в электрической цепи. В результате амплитуда помехи на выходе после блока значительно уменьшается. Также следует отметить, что многие системы преобразователей способны значительно увеличить скорость измерений. Однако при повышении производительности снижается точность регистрации данных. В итоге такие преобразователи могут быть причиной больших помех в электрической цепи.

Кодоимпульсные вольтметры

Кодоимплульсный цифровой вольтметр переменного тока работает по принципу поразрядного уравновешивания. При этом к данным устройствам применим метод компенсационного измерения напряжения. Процесс расчета в свою очередь осуществляется при помощи прецизионного делителя. Дополнительно рассчитывается опорное напряжение в электрической цепи.

В целом, компенсированный ток имеет несколько уровней. Согласно квантовой теории, исчисления производят в двоично-десятичной системе. Если использовать двухразрядный цифровой вольтметр для автомобиля, то напряжение распознается до 100 В. Весь процесс при этом осуществляется по командам. Особого внимания в работе заслуживает сравнение напряжений. Основано оно на принципе управляющих импульсов, а происходят они в системе через определенные интервалы времени. При этом есть возможность проводить переключение сопротивления одного делителя.

В результате на выходе происходит изменение предельной частоты. Одновременно есть возможность подключать отдельное устройство для сравнения показателей. Главное, не забывать учитывать размер делителя в звене. При этом сигнал устройства может не поступать. В итоге данные можно сравнить по положениям ключей. По сути, они являются кодом, который считывается вольтметром.

Упрощенная схема кодоимпульсного вольтметра-амперметра

Цифровой вольтметр-амперметр постоянного тока схематически можно представить в виде взаимодействующих элементов электрической цепи. Наиболее важным является входное устройство, которое играет роль источника опорного напряжения. Таким образом, прецизионный делитель связан с прибором сравнения.

В свою очередь, механизмы цифрового отсчета показывают сопротивление электрической цепи. Далее управляющие устройства способны напрямую взаимодействовать с входным прибором и проводить сравнения показателей напряжения сети. Наиболее просто процесс измерения можно представить в виде весов. При этом в системе часто бывают сбои. Связаны они по большей мере из-за неправильного сравнения.

Точность измерений

Точность измерений вольтметра-амперметра напрямую связана со стабильностью опорного напряжения. Дополнительно должен быть учтен порог прецизионного делителя во входном устройстве. Защита от помех в цепочке также берется во внимание. Для этого в самом начале электрической цепи имеется фильтр. В результате качество проведений лабораторных работ можно значительно улучшить.

Вольтметры с времяимпульсными типами преобразователей

Данные типы вольтметров используют специальные преобразователи, которые измеряют напряжение только в определенных интервалах времени. При этом учитываются импульсные колебания в электрической цепи. Дополнительно просчитывается средняя частота напряжения в системе. Для ее стабилизации, как правило, применяется дискретный сигнал, который посылается с выхода преобразователя.

При этом счетные импульсы способны значительно сократиться. На погрешность измерения вольтметров влияет множество факторов. В первую очередь это касается дискретизации сигнала. Также проблема может заключаться в нестабильности частоты. Связана она с порогом чувствительности электрической цепи. В результате сравнение напряжения устройством осуществляется нелинейно.

Простая схема вольтметра-амперметра с преобразователем

Цифровой вольтметр-амперметр с частотным преобразователем включает в обязательном порядке генератор, который следит за изменениями напряжения в электрической цепи. При этом измерение осуществляется поэтапно с интервалами. Генератор в электрической цепи используется линейного типа. Для сравнения полученных данных в устройстве имеется триггер. В свою очередь, для расчета частоты важно использовать счетчик, который принимает дискретный сигнал. Происходит это на выходе преобразователя вольтметра-амперметра. При этом учитывается величина предельного напряжения.

Непосредственно информация поступает на вход вольтметра-амперметра. На этом этапе осуществляется процесс сравнения, а когда возникает импульс, то система фиксирует нулевой уровень. Непосредственно сигнал в вольтметре-амперметре попадает на триггер, и в результате на выходе получается положительное напряжение. Возвращается импульс в исходное положение только после проведения устройством сравнения. При этом учитываются любые изменения предельной частоты, которые сформировались в данном промежутке времени. Также принимается во внимание коэффициент преобразования. Рассчитывается он исходя из показателя силы сигнала.

Дополнительно в формуле имеется счетный импульс, который появляется на выходе генератора. В результате напряжение может отображаться только при наличии определенных колебаний, которые возникают в электрической цепи. В конечном счете, сигнал должен дойти до выхода триггера и там считаться. При этом количество импульсов фиксируется в вольтметре-амперметре. Как результат, срабатывает индикатор, который оповещает о наличии напряжения.

Вольтметры двойного интегрирования

Цифровой вольтметр постоянного тока двойного интегрирования работает по принципу периодического повторения. При этом возврат исходного кода в цепи осуществляется автоматически. Работает данная система исключительно с постоянным током. При этом частота предварительно выпрямляется и подается на выходное устройство.

Погрешности дискретизации в вольтметрах не учитываются. Таким образом, могут возникнуть моменты несовпадений счетных импульсов. В результате на начало и конец интервала один параметр может сильно отличаться. Однако, как правило, погрешность не является критичной из-за работы преобразователя.

Особая проблема состоит именно в шумовой помехе. В результате она способна значительно искривить показатель напряжения. В конечном счете, это находит свое отображение в величине импульса, а именно его длительности. Таким образом, среди цифровых вольтметров данные типы не пользуются большой популярностью.

Цифровой амперметр на светодиодах – удобный способ отображения информации, при котором имеет значение не только модуль измеряемой величины (что, кстати, значительно удобнее определять не по отклонению стрелочного индикатора, а по величине столбчатой диаграммы, или при помощи мини-дисплея), но и частоту изменения этого параметра.

Описание схемы

Светодиоды не отличаются большой мощностью, но использовать их в слаботочных электрических цепях допустимо и целесообразно. В качестве примера можно рассмотреть схему получения цифрового амперметра для определения силы тока в аккумуляторной батарее автомобиля, при номинальном диапазоне значений в 40…60 мА.

Вариант внешнего вида амперметра на светодиодах в столбик

Количество использованных светодиодов определит пороговое значение тока, при котором в работу будет включаться один из светодиодов. В качестве операционного усилителя можно использовать LM3915, либо подходящий по параметрам микроконтроллер. На вход будет подаваться напряжение через любой низкоомный резистор.

Удобно отражать результаты измерения в виде столбчатой диаграммы, где весь, практически используемый диапазон тока будет разделяться на несколько сегментов по 5…10 мА. Плюсом LED является то, что в схеме можно использовать элементы разного цвета – красного, зелёного, синего и т.д.

Для работы цифрового амперметра потребуются следующие компоненты:

1. Микроконтроллер типа PIC16F686 с АЦП на 16 бит.
2. Настраиваемые джамперы для выхода конечного сигнала. Можно, как альтернативу, применить DIP-переключатели, которые используются в качестве электронных шунтов или сигнальных замыканий в обычных электронных цепях.
3. Источник питания постоянного тока, который рассчитан на рабочее напряжение от 5 до 15 В (при наличии стабильного напряжения, что контролируется вольтметром, подойдёт и 6 В).
4. Контактная плата, где можно разместить до 20 светодиодов типа SMD.

Последовательность размещения и монтажа амперметра

Входной сигнал по току (не более 1 А) подаётся от стабилизированного блока питания через шунтирующий резистор, допустимое напряжение на котором не должно быть более 40…50 В. Далее, проходя через операционный усилитель, сигнал поступает на светодиоды. Поскольку значение тока во время прохождения сигнала изменяется, то соответственно будет изменяться и высота столбика. Управляя током нагрузки, можно регулировать высоту диаграммы, получая результат с различной степенью точности .

Монтаж платы с SMD-компонентами, по желанию пользователя, можно размещать либо горизонтально, либо вертикально. Смотровое окошко перед началом тарировки необходимо перекрывать тёмным стеклом (подойдёт фильтр с кратностью 6…10 х от обычной сварочной маски).

Тарировка цифрового амперметра состоит в подборе минимального значения нагрузки по току, при которой светодиод будет светиться. Варьирование настройки производится экспериментально, для чего в схеме предусматривается резистор с небольшим (до 100 мОм) сопротивлением. Погрешность показаний такого амперметра обычно не превышает нескольких процентов.

Вы знали, что можно переделать старый вольтметр в амперметр? Как это сделать — смотрите видео:

Как настраивать регулировочный резистор

Для этого последовательно устанавливают силу тока, которая проходит через определённый светодиод. В качестве контрольного прибора можно использовать обычный тестер. Вольтметр включается в схему перед микроконтроллером, а амперметр – после него. Для исключения влияния случайных пульсаций подключается также сглаживающий конденсатор.

Практическим плюсом изготовления прибора своими руками (светодиодов не должно быть менее четырёх) является устойчивость схемы при значительных изменениях первоначально заданного диапазона силы тока. В отличие от обычных диодов, которые при коротком замыкании выйдут из строя, светодиоды просто не загораются.

Св-диоды как измерители тока в аккумуляторной батарее автомобиля, не только экономят заряд и сохраняют аккумуляторы, но и позволяют более удобным способом считывать показания.

Аналогичным образом можно построить и цифровой вольтметр. В качестве источников света для такого варианта применения подойдут элементы на 12 В, а наличие дополнительного шунта в схеме вольтметра позволит более рационально использовать всю высоту столбчатой диаграммы.

Автомобильные , лабораторные источники питания, могут иметь токи, которые достигают до 20 ампер и более. Ясно, что пару ампер можно легко померять обычным дешёвым мультиметром, а как быть с 10, 15, 20 и более ампер? Ведь даже на не очень больших нагрузках встроенные в амперметры шунтирующие резисторы в течение длительного времени замера, иногда даже часов, могут перегреться и в худшем случае поплавится.

Профессиональные инструменты для измерения больших токов, достаточно дорогие, так что имеет смысл собрать схему амперметра самому, тем более ничего тут сложного нет.

Электрическая схема мощного амперметра

Схема, как вы можете видеть, очень простая. Её работа уже испытана многими производителями, и большинство промышленных амперметров работают таким же образом. Например, вот эта схема тоже использует данный принцип.

Рисунок платы мощного амперметра

Особенность заключается в том, что в данном случае используется шунт (R1) с сопротивлением очень низкого значения - 0.01 Ом 1% 20W - это дает возможность рассеять совсем немного тепла.

Работа схемы амперметра

Настройки будут заключаться в установке ноля на выходе амперметра при отсутствии тока, и в калибровке, сравнивая его с другим, образцовым инструментом для замера тока. Питается амперметр стабильным симметричным напряжением. Например от 2-х батареек по 9 вольт. Для измерения тока подключите датчик к линии и мультиметр в диапазоне 2V - смотрите показания. 2 вольта будет соответствовать току 20 ампер.

С помощью мультиметра и нагрузки, например небольшой лампочки или сопротивления, мы будем измерять ток нагрузки. Подключим амперметр и получаем показания тока с помощью мультиметра. Рекомендуем выполнить несколько тестов с разными нагрузками, чтобы сравнить показания с эталонным амперметром и убедиться, что все работает правильно. Скачать файл печатной латы можете .

На рисунке 1 представлена схема цифрового амперметра и вольтметра, которая может быть использована, как дополнение к схемам блоков питания, преобразователей, зарядных устройств и т.д. Цифровая часть схемы выполнена на микроконтроллере PIC16F873A.

Для отображения информации используются светодиодные индикаторы с общим катодом. Один из операционных усилителей микросхемы LM358 используется в качестве повторителя напряжения и служит для защиты контроллера при внештатных ситуациях. Все-таки цена контроллера не так уж и мала. Измерение тока производится косвенным образом, при помощи преобразователя ток-напряжение, выполненного операционном усилителе DA1.2 микросхемы LM358 и транзисторе VT1 - КТ515В. Почитать о таком преобразователе еще можно и . Датчиком тока в этой схеме служит резистор R3. Преимуществом такой схемы измерения тока состоит в том, что здесь отпадает необходимость точной подгонки миллиомного резистора. Скорректировать показания амперметра можно просто триммером R1 и в довольно широких пределах. Сигнал тока нагрузки для дальнейшей оцифровки снимается с нагрузочного резистора преобразователя R2. Напряжение на конденсаторе фильтра стоящем после выпрямителя вашего блока (вход стабилизатора, точка 3 на схеме)питания не должно быть более 32 вольт, это обусловлено максимальным напряжением питания ОУ. Максимальное входное напряжение микросхемного стабилизатора КР142ЕН12А - тридцать семь вольт.

Регулировка вольтамперметра заключается в следующем. После всех процедур - сборки, программирования, проверки на соответствие на собранное вами произведение подают напряжение питания. Резистором R8 выставляют на выходе стабилизатора КР142ЕН12А напряжение 5,12 В. После этого вставляют в панельку запрограммированный микроконтроллер. Измеряют напряжение в точке 2 мультиметром, которому вы доверяете, и резистором R7 добиваются одинаковых показаний. После этого к выходу (точка 2) подключают нагрузку с контрольным амперметром. Равенства показаний обоих приборов в данном случае добиваются при помощи резистора R1.

Резистор-датчик тока можно изготовить самому, используя для этого, например, стальную проволоку. Для расчета параметров этого резистора можно использовать программу « Программа для работы с проволокой » Программу скачали? Открыли? Значит так, нам нужен резистор номиналом в 0,05 Ом. Для его изготовления выберем стальную проволоку диаметром 0,7мм - у меня она такая, да еще и не ржавеющая. С помощью программы вычисляем необходимую длину отрезка, имеющего такое сопротивление. Смотрим скрин окна данной программы.


И так нам нужен отрезок стальной нержавеющей проволоки диаметром 0,7мм и длиной всего 11 сантиметров. Не надо этот отрезок свивать в спираль и концентрировать все тепло в одной точке. Вроде все.