Миллиомметр для внутрисхемных измерений

Хотя на схеме показан индикатор FYQ3641BH с общими катодами разрядов, в предлагаемом миллиомметре без всякого изменения схемы и программы можно использовать и подобный ему индикатор с общими анодами. Программа сама определит его конфигурацию и станет формировать соответствующие ей управляющие сигналы. Определение она производит в начале своей работы, устанавливая на выходе RC0 микроконтроллера высокий уровень напряжения, а на разрядных выходах RB4-RB7 - низкие уровни. Напряжение на выводе RC0, который одновременно служит аналоговым входом AN4, измеряет АЦП микроконтроллера. По полученному значению программа делает вывод о конфигурации индикатора. При этом не требуется никаких дополнительных внешних элементов.

Управление динамической индикацией организовано в процедуре обработки запросов прерывания от таймера TMR1, следующих с периодом 512 мкс. Цикл индикации занимает 32 таких периода - 16,384 мс, что соответствует частоте следования циклов около 61 Гц. Яркость свечения индикатора вполне достаточна и комфортна, хотя средний ток через элемент невелик.

При открытом полевом транзисторе VT1 через измеряемое сопротивление Rx течёт ток около 45 мА, заданный резисторами R9 и R1. При каждом измерении этотток подаётся непрерывно в течение всего цикла, что минимизирует влияние ёмкостных и индуктивных составляющих полного сопротивления измеряемого объекта на результат измерения.

Такая простая схема подачи измерительного тока может показаться примитивной и не обеспечивающей достаточную точность, ведь в подобных приборах нередко используют сложные стабилизированные источники тока на активных элементах. Но это не совсем так. На результат измерения влияют два независимых фактора - температурный дрейф стабилизатора тока и изменения напряжения питания микроконтроллера, которое обычно используют в качестве образцового для АЦП. В сумме они ухудшают точность измерения либо требуют сложной аппаратной или программной компенсации. В рассматриваемом же приборе напряжение на правом по схеме выводе резистора R9 равно напряжению питания микроконтроллера и образцовому напряжению АЦП. Поэтому его изменения не влияют на результат измерения сопротивления R_x, вычисляемый в данном случае по формуле:

где R₀ = R1+R9; К_ОУ - коэффициент усиления ОУ; N - выходной код АЦП.

По моему мнению, такая простая схема обеспечивает более точное измерение, чем активный стабилизатор тока.

Система защиты прибора от повышенного напряжения на входе имеет ограниченные по сравнению с применённой в приборе из упомянутой выше статьи возможности, поэтому следует соблюдать определённую осторожность. Система состоит из резисторов R1, R2, R5, диодов VD1, VD4 и стабилитрона VD2. Диод с барьером Шоттки VD4 ограничивает положительное напряжение между щупами A и Б до 250 мВ, что важно при измерениях на печатных платах, заполненных электронными компонентами. При превышении этого значения могут открыться и быть повреждены измерительным током p-n переходы маломощных полупроводниковых приборов, подключённые параллельно объекту измерения.

ОУ DA1.2 усиливает очень небольшое напряжение (иногда меньше десятых долей милливольта), снимаемое с сопротивления R_x. Коэффициент усиления ОУ программа может установить равным 67 либо 16,8, изменяя состояние выхода AN1, при низком логическом уровне напряжения на котором резисторы R6 и R8 оказываются соединёнными параллельно. Как выяснилось, при работе динамической индикации на этот выход наводится помеха. Поэтому на время работы АЦП программа её выключает.

Поскольку потребляемый ОУ MCP602 ток очень мал, оказалось возможным питать его непосредственно напряжением высокого уровня, установленным на выходе RA4 микроконтроллера. Для компенсации постоянного смещения передаточной характеристики ОУ на него подано внешнее положительное смещение с делителя напряжения R2R3, которое программа измеряет и учитывает при вычислении результата. Кроме того, ток через резистор R6 создаёт на входе прибора потенциал, необходимый для определения разомкнутого состояния измерительных щупов.

Напряжение элемента питания G1 подано для измерения на вывод RC7 микроконтроллера через цепь R4VD3. Резистор R4 ограничивает утечку тока при работе динамической индикации, а диод с барьером Шоттки VD3 уменьшает ток, втекающий в элемент питания G1 в спящем режиме. На измерение напряжения диод не оказывает существенного влияния, так как при малом (не более 0,5 мкА) прямом токе, на нём падает всего около 20 мВ, которые компенсируются программно.

В спящем режиме и на элементы, и на разряды индикатора HG1 подаётся напряжение высокого уровня, что выключает индикатор. Прибор "засыпает", если в течение не менее 40 с его щупы A и Б ни с чем не соединены или замкнуты между собой. Из этого режима микроконтроллер выходит по запросам прерывания от своего сторожевого таймера, следующим с периодом около 150 мс. Если состояние щупов после предыдущей проверки не изменилось, микроконтроллер вновь засыпает. Так продолжается до тех пор, пока состояние щупов не изменится. В этом случае прибор переходит в рабочий режим. Такое решение позволило обойтись без кнопки установки микроконтроллера в исходное состояние и без выключателя питания.

Все детали миллиомметра, включая элемент питания, размещены на печатной плате размерами 35x85 мм из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита. Чертёж её печатных проводников и монтажная схема изображены на рис. 2. Применены компоненты, как в обычном исполнении, так и для поверхностного монтажа. Для установки микроконтроллера предусмотрена панель, а для элемента питания - держатель.

Рис. 2. Чертёж печатной платы и монтажная схема

Индикатор FYQ3641BH можно заменить на FYQ3641AH или на практически любой подобный красного цвета свечения, как с общими анодами, так и с общими катодами. Сдвоенный ОУ MCP602, один из элементов которого остаётся неиспользованным, можно заменить одиночным MCP601, но для его установки потребуется откорректировать печатную плату. Вместо микросхемы преобразователя напряжения XC6206P301MR подойдёт XC6206P302MR, отличающаяся лишь меньшей точностью установки выходного напряжения. Полевой транзистор IRLML6302 можно заменить на AO3401, диод 1N4002 - на любой той же серии, все диоды с барьером Шоттки - на 1N5818. Вместо стабилитрона 1N4728A пригоден и другой с напряжением стабилизации 2,7...3,3 В.

Резисторы R6-R8 должны быть с отклонением сопротивления от номинального не хуже ±0,5 %. В крайнем случае, их можно отобрать из резисторов с допуском ±5 %, подбирая их с помощью омметра класса точности не хуже 0,25. Есть ещё один вариант - использовать прецизионные резисторы только в качестве R6 и R8 с последующей программной коррекцией. В случае полного отсутствия прецизионных резисторов скорректировать погрешности программно удастся, скорее всего, только в одном из интервалов измерения (0...0,9 Ом или 0,9...3,6 Ом). Остальные резисторы могут быть с допуском ±5 %. Конденсаторы для поверхностного монтажа, использованные в приборе, - типоразмера 1206, а такие же резисторы - типоразмера 0805.

Смонтированная плата с установленными на ней запрограммированным микроконтроллером и элементом питания помещена в подходящий пластмассовый корпус. Напротив индикатора в нём вырезано прямоугольное окно, закрытое прозрачным органическим стеклом красного цвета.

Измерительные щупы изготовлены из латунных штырей диаметром 2 мм и длиной 50 мм. В крайнем случае можно использовать заточенные стальные гвозди. Один из них (А) закреплён проволочными хомутами на плате, а другой (Б) вынесен из корпуса на гибком изолированном проводе большого сечения. При необходимости на щупы можно надевать винтовые колодки, применяемые для соединения проводов в электротехнике.

Программа микроконтроллера написана на языке С и оттранслирована в среде mikroC for PIC. Как обычно, для таких микроконтроллеров слово конфигурации содержится в сгенерированном средой HEX-файле. Поэтому при загрузке программы нужная конфигурация микроконтроллера устанавливается автоматически.

Если в приборе применены резисторы с указанными выше допусками, заявленная погрешность обеспечивается автоматически. При необходимости можно задать коэффициент коррекции показаний прибора, обеспечивающий требуемую точность.

Перейдём к подробному описанию работы прибора.

Измерение. При подключении щупов к объекту измерения на индикатор будет выведено его активное сопротивление в омах в формате . Если R_x больше 3,6 0м, но меньше 50 Ом, будет выведено сообщение . В этом состоянии ток, потребляемый прибором, максимален - до 200 мА при почти разряженном элементе питания. Реализован переход в спящий режим не только при разомкнутых щупах, но и при их случайном длительном замыкании и отсутствии реакции на следующее через 30 с приглашение их разомкнуть.

Режим ожидания. При никуда не подключённых щупах прибор через некоторое время переходит в режим ожидания, а на индикаторе включаются элементы F второго и третьего разрядов. Спустя 8 с и далее через каждые 16 с прибор измеряет напряжение элемента питания и в течение 2 с показывает его на индикаторе в формате , где число 8,88 заменено измеренным значением. Первый раз напряжение измеряется при максимальной нагрузке, а далее - без неё.

Если щупы в течение 40 с остаются никуда не подключёнными, прибор переходит в "спящий" режим с полным гашением индикатора. В таком состоянии он может оставаться сколь угодно долго, пока щупы не будут замкнуты между собой либо подключены к цепи с низким сопротивлением.

Режим ожидания при разряженном элементе питания. Если напряжение элемента питания под нагрузкой менее 1,15 В, через 8 с после перехода в режим ожидания в течение 2 с происходит первая индикация напряжения батареи (при этом включённая в младшем разряде индикатора десятичная запятая сигнализирует о разрядке элемента питания).

Сразу после этого (через 10 с, а не 40 с, как обычно) миллиомметр "заснёт". При напряжении элемента G1 менее 1,05 В он выключится немедленно, а включится только после замены элемента.

Калибровка. Если удерживать щупы замкнутыми либо подключёнными к резистору сопротивлением менее 50 Ом более 30 с, на индикатор будет выведено приглашение , а затем , что означает "разомкните щупы". Если в течение 10 с после этого их разомкнуть, миллиомметр перейдёт в режим калибровки, в противном случае - выведет сообщение  - и перейдёт в спящий режим.

Калибровка начнётся с вывода на индикатор сообщения , после чего будет выведено приглашение замкнуть щупы (, а затем ). Если в течение 10 с после этого щупы не замыкать, их собственное сопротивление будет принято нулевым, что и будет записано в EEPROM микроконтроллера. Если щупы замкнуть вовремя, записано будет его реальное значение. Запись сохранится даже после отключения питания.

Далее в течение 2 с индикатор будет пуст, а потом на него будет выведено сообщение о переходе в режим коррекции показаний прибора -  . После паузы выводится текущее значение коэффициента коррекции в процентах, которое каждую секунду увеличивается шагами по 0,5 % до +5 % и далее от -5 % до исходного значения. В момент замыкания щупов произойдёт запись выведенного на индикатор значения в EEPROM. На этом калибровка завершается, что подтверждается сообщениями   и  .

Программа микроконтроллера и файл печатной платы в формате Sprint Layout 6.0. имеются здесь.

Автор: Б. Балаев, г. Нальчик, Кабардино-Балкария