IC вольтметра: точное измерение напряжения стало простым

Об IC вольтметра: измерение напряжения между двумя точками электронной схемы дает множество преимуществ. Например, позволяет узнать, работает ли электрическое устройство (батарея) как задумано. Вольтметр также покажет разность потенциалов этой батареи. Вольтметры обычно имеют специальную интегральную схему, такую как ICL7107, для точных измерений. Они интегрируются в схему вместе с семисегментным LED-дисплеем.

Эта статья описывает схему цифрового панельного вольтметра для любого электронного устройства. Начнем!

1. Что такое IC вольтметра?

(Цифровой вольтметр использует IC L7107 для точных измерений. Источник: Wikimedia Commons)

IC вольтметра обеспечивает измерение переменного или постоянного напряжения и отображает значение в числовом виде. Во многих используется 3,5-разрядный АЦП ICL7107 от Intersil. Показывает показания 0–2000 В с точностью 0,1 % и потребляет менее 200 мА. Схема ICL7107 поддерживает драйверы дисплея, генератор тактов, семисегментные декодеры и опорное напряжение.

Однако меняющиеся условия могут влиять на производительность: вариация напряжения питания, температура, входное сопротивление и т.д.

2. Работа цифрового вольтметра

(Цифровой вольтметр измеряет напряжение батареи.)

Диапазон входного напряжения

Цифровой вольтметр (DVM) имеет входной диапазон ±1 В … 1000 В. Точный DVM дает 1 ГОм входное сопротивление с диапазоном 0–20 В.

Конструкция и принцип работы

Аттенюатор цифрового вольтметра имеет последовательное сопротивление, снижающее входной сигнал. В результате напряжение в точке A соответствует входному напряжению V_in. По правилу деления напряжения, точка B (R2) имеет более низкое напряжение, чем точка A (R1). Напряжение точки C (R3) остается ниже обеих.

(Цифровые вольтметры имеют аттенюатор. Источник: Wikimedia Commons)

В целом, аттенюатор ограничивает избыточное напряжение, защищая интегрированные компоненты. Это предопределенная резистивная сеть, защищающая схему через аттенюацию. Обычно это десятичная аттенюация, дающая десятичный счет вольтметра. Аттенюация дает степени десяти.

Вход АЦП получает V_in/N как входное напряжение: N = 1, 10, 100, 1000.

АЦП обеспечивает аналого-цифровое преобразование, выдавая цифровой выход. Цифровой сигнал имеет два уровня: 0 и 1. Процесс дает серию цифровых импульсов, где один импульс = 1 мВ.

Затем деCADE-счетчик получает импульсы. В нем три деCADE-счетчика в каскаде. Каждый дает 10 отсчетов (0–9). Все трое считают до 1000.

Потом DC 7447 конвертирует для отображения BCD значений на семисегментном дисплее. Селектор десятичной точки устанавливает позицию точки по величине напряжения.

3. Типы цифровых вольтметров

(Существуют различные типы цифровых вольтметров.)

Рамповый DVM (Ramp type)

Измеряет время, за которое входное напряжение падает до 0 В. Также — время, за которое рамповое напряжение растет от 0 В до входного.

Двухсклонный интегрирующий DVM (Dual slope integrating)

Работает, когда ключ S подает аналоговый вход на интегратор на фиксированном интервале. Напряжение на компараторе растет до применимого положительного значения. Когда интервал заканчивается, скорость роста напряжения соответствует входному.

Счетчик обнуляется при переходе ключа на опорное напряжение. Выход интегратора падает до значения ниже внутреннего опорного компаратора. Затем сигнал запускает завершение счета.

Интегрирующий DVM (Integrating type)

Использует технику преобразования напряжения в частоту. Генерирует импульсы, эквивалентные величине входного напряжения. Получает серию импульсов, частота которых зависит от измеряемого напряжения.

Последовательно-аппроксимативный DVM (Successive approximation)

Имеет последовательно-аппроксимативный АЦП. Выполняет 1000 измерений в секунду. Сначала подает стартовый импульс на старт/стоп мультивибратор. 8-битный регистр управления показывает 10000000. Выход ЦАП настраивается на половину опорного напряжения.

Цикл измерения продолжается до финального счета.

4. Как сделать цифровой вольтметр с ICL7107?

Включили DIY проект цифрового вольтметра с ICL7107. Читайте дальше!

Принципиальная схема:

(Схема цифрового вольтметра)

Простая схема измеряет постоянные напряжения в диапазоне 0–200 В.

Необходимые компоненты:

• Печатная плата — 1 шт.
• Семисегментный LED дисплей — 4 шт.
• Таймер 555 — 1 шт.
• LM7805 — 1 шт.
• ICL7107 — 1 шт.
• БП 9В/12В — 1 шт.
• Резистор 47 кОм — 1 шт.
• Резистор 1 кОм — 5 шт.
• Резистор 22 кОм — 1 шт.
• Резистор 10 кОм — 1 шт.
• Резистор 120 кОм — 1 шт.
• Потенциометр 5 кОм — 1 шт.
• Конденсатор 100 нФ — 3 шт.
• Конденсатор 10 мкФ — 2 шт.
• Конденсатор 100 пФ — 1 шт.
• Конденсатор 220 нФ — 1 шт.
• Конденсатор 47 нФ — 1 шт.
• LED — 1 шт.
• Диод 1N4148 — 2 шт.
• Зонд — 1 шт.

Шаги:

Заказ и изготовление печатной платы:

Заказ печатной платы онлайн. OurPCB предлагает услуги изготовления плат для этой цели.

Калибровка схемы:

Подайте питание и замкните все входные клеммы. Отрегулируйте резистор R6, пока дисплей не покажет 0 В.

Подключение компонентов:

(Нужно припаять детали на схеме.)

Сначала подключите ICL7107, генератор 555 и все компоненты по схеме. Добавьте четыре семисегментных дисплея и соедините их. Интегрируйте LM7805. Соедините GND с землей. IN — к VCC, OUT — к резистору R10 1 кОм. Резистор к LED, затем к земле. Конденсатор C8 10 мкФ плюс к OUT, минус — к земле.

Резюме

Подводя итог: схема цифрового вольтметра гарантирует правильную работу устройства. Измеряет две точки напряжения и выдает цифровое число. Число проходит конвертацию перед появлением на семисегментном дисплее. Затем число появляется в цифровом формате, представляющем входное напряжение. Цифровые вольтметры доказали полезность для профи и самоделок.

Есть вопросы по IC вольтметра? Обращайтесь к нам!