ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΒΟΛΤΟΜΕΤΡΟΥ CONSTRUCTION OF DIGITAL VOLTMETER ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΟΤΟΣΗΣ ΘΩΜΑΣ Α.Ε.Μ 4037 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΛΥΚΟΥΡΓΟΣ ΜΑΓΚΑΦΑΣ

Transcript

1 CONSTRUCTION OF DIGITAL VOLTMETER ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΛΥΚΟΥΡΓΟΣ ΜΑΓΚΑΦΑΣ ΚΑΒΑΛΑ

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ICL ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ ΦΑΣΗ ΑΥΤΟΜΗΔΕΝΙΣΜΟΥ ΦΑΣΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗΣ ΤΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΦΑΣΗ ΜΗ- ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΕΙΣΟΔΟΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΤΑΣΗ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ COMMON TEST ΨΗΦΙΑΚΟ ΤΜΗΜΑ ΣΥΣΤΗΜΑ ΧΡΟΝΙΣΜΟΥ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗΣ ΠΥΚΝΩΤΗΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗΣ ΠΥΚΝΩΤΗΣ ΑΥΤΟΜΗΔΕΝΙΣΜΟΥ ΠΥΚΝΩΤΗΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ ΤΑΛΑΝΤΩΤΗ ΤΥΠΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΟΘΟΝΗ LED Γενική Περιγραφή Τεχνικές Προδιαγραφές - Χαρακτηριστικά Πως λειτουργεί

3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Η ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΡΥΘΜΙΣΗ ΑΝ ΔΕΝ ΔΟΥΛΕΨΕΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟΥ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΧΡΗΣΕΙΣ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΤΑ ΥΛΙΚΑ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΤΩΝ ΑΚΡΟΔΕΚΤΩΝ ΤΗΣ ΟΘΟΝΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΑΝΑΦΟΡΕΣ- ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ..45 3

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην συγκεκριμένη πτυχιακή εργασία παρουσιάζεται η κατασκευή ενός ψηφιακού βολτόμετρου με LCD(LIQUID CRYSTAL DISPLAY) οθόνη, η οποία έχει πολλά πλεονεκτήματα και δυνατότητες, καθώς και ένα ευρύ φάσμα χρήσεων. Για την κατασκευή αυτού του οργάνου μέτρησης υψηλής ακρίβειας χρησιμοποιήθηκε ένας μικρός αριθμός υλικών. Σημαντικότερη αυτών η χρήση του ολοκληρωμένου της INTERSIL ICL 7106 το οποίο συγκεντρώνει έναν συνδυασμό υψηλής ακρίβειας, μεταβλητότητας και πραγματικής οικονομίας, Περιέχει όλα εκείνα τα απαραίτητα στοιχεία για την κατασκευή του οργάνου μέτρησης, κάτι που γλιτώνει τον κατασκευαστή από την ανεύρεση και την αγορά πρόσθετων υλικών που συχνά επιφέρουν καθυστέρηση ημερών. Κατά την κατασκευή αυτή εφαρμόστηκε στην είσοδο τάση (αναλογικό μέγεθος) και ύστερα από κατάλληλη επεξεργασία αυτή μετατράπηκε σε ψηφιακό μέγεθος, ώστε να απεικονιστεί στην LCD οθόνη. Είναι αξιοσημείωτο πως με κάποιες μετατροπές το όργανο μπορεί να γίνει θερμόμετρο, ντεσιμπελόμετρο, μετρητής υγρασίας κ.α. ABSTRACT In current document shows the construct ion of a digital voltmeter with LCD (LIQUID CRYSTAL DISPLAY) display, which has many advantages and possibilities, and many uses. To build a high performance panel meter (with auto zero and auto polarity features) it is only necessary to use a small number of materials. Most important of them the chip INTERSIL ICL 7106 which bring together a combination of high accuracy, versatility and t rue economy. This includes al l the necessary components for the panel meter construction, something that helps the constructor not to look for extra components that evaluates delay. During the construct ion was applied in the input Voltage (analog), an after the appropriate process was converted in digital to delineated at the LCD display. We, also, have to stress the fact that if certain changes are to be applied to the measuring appliance it can funct ion as a thermometer, decibel meter, humidity meter, etc. 4

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το πρώτο ψηφιακό βολτόμετρο εφευρέθηκε και παράχθηκε από τον Andrew Kay των Non-Linear Systems (και αργότερα ιδρυτή της Kaypro) to τα ψηφιακά βολτόμετρα (DVMs) συνήθως είναι σχεδιασμένα γύρω από έναν ειδικό τύπο αναλογικού σε ψηφιακό μετατροπέα που ονομάζεται ενσωματωμένος μετατροπέας. Η ακρίβεια του βολτόμετρου επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένης της θερμοκρασίας και τις παραλλαγές τάσης τροφοδοσίας. Για να εξασφαλιστεί ότι η ανάγνωση του ψηφιακού βολτόμετρου είναι εντός των καθορισμένων ορίων αντοχής του κατασκευαστή, θα πρέπει περιοδικά να βαθμονομηθεί έναντι μιας standard τάσης, όπως το Weston cell. Τα ψηφιακά βολτόμετρα έχουν κατ 'ανάγκη ενισχυτή εισόδου, και, όπως τα βολτόμετρα σωλήνα κενού, έχουν γενικά μια σταθερή αντίσταση εισόδου των 10 ΜΩ, ανεξάρτητα από το εύρος μέτρησης. Ένα ψηφιακό βολτόμετρο ή DVM χρησιμοποιείται για να ληφθούν εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις τάσης. Τα όργανα αυτά μετρούν την διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ δύο αγωγών σε ένα κύκλωμα. Είναι ηλεκτρικά βολτόμετρα και το προτιμώμενο πρότυπο, δεδομένου ότι προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα αντίστοιχα αναλογικά βολτόμετρα. Βολτόμετρα χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση του κέρδους ή της ζημίας της τάσης μεταξύ δύο σημείων σε ένα κύκλωμα. Τα ηλεκτρόδια συνδέονται παράλληλα σε κάθε πλευρά του κυκλώματος που δοκιμάζεται. Ο θετικός ακροδέκτη του μετρητή θα πρέπει να συνδεθεί πλησιέστερα στην παροχή ρεύματος, και ο αρνητικός ακροδέκτης πρέπει να συνδεθεί μετά από το κύκλωμα που δοκιμάζεται. Η αναλογική γραμμή ή ψηφιακή οθόνη θα εμφανίζει την τάση μέτρησης. Ένα ψηφιακό βολτόμετρο αποτελείται συνήθως από ένα αναλογικό προς ψηφιακό μετατροπέα (A / D) με ψηφιακή οθόνη. Το αναλογικό σήμα μετατρέπεται σε ένα ψηφιακό κώδικα ανάλογα προς το μέγεθος του σήματος. Τάσεις από picovolts σε megavolts είναι μετρήσιμα, αν και η κλίμακα κυμαίνεται συνήθως σε millivolt, volts, ή κιλοβόλτ. Συχνότητες μεταξύ μηδέν και αρκετά megahertz μπορούν επίσης να μετρηθούν. Τα εργαλεία αυτά μετρούν τόσο το εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) όσο και το συνεχές ρεύμα (DC) στην ηλεκτρονική. Συχνά, ένα βολτόμετρο χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση μιας μονάδας, όπως μια γεννήτρια. Φορητές ή συσκευές χειρός, όπως το ψηφιακό πολύμετρο (DMM), για παράδειγμα, μπορεί να συνδυάζουν διάφορες λειτουργίες σε ένα όργανο μέτρησης τάσης, ρεύματος και αντίστασης. Αυτό είναι το προτιμώμενο εργαλείο του έναν ηλεκτρολόγο. 5

6 Τα κύρια χαρακτηριστικά της κατασκευής του ψηφιακού βολτόμετρου είναι: Εγγυημένη μηδενική ανάγνωση για είσοδο 0Volt σε όλες τις κλίμακες. Χαρακτηριστικό ρεύμα εισόδου 1pA. LCD ICL7106, LED lcl7107 Χαμηλό θόρυβο, λιγότερο από 15μVP-P. Χαμηλή κατανάλωση ενέργειας - τυπικά λιγότερο από 10 mw. Δεν υπάρχουν επιπλέον ενεργά κυκλώματα που να απαιτούνται. εν χρειάζεται κύκλωµα δειγµατοληψίας και συγκράτησης. Χαµηλό κόστος. Η διαδικασία της μετατροπής ενός αναλογικού σήματος σε ψηφιακό γίνεται σε τρία στάδια, όπως δείχνεται στο σχήμα Σχήμα 1.1 Βασικά τμήματα ενός μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό 1. Δειγματοληψία (sampling): Αυτή είναι η διαδικασία μετατροπής ενός σήματος συνεχούς χρόνου σε ένα σήμα διακριτού χρόνου, παίρνοντας δείγματα του σήματος συνεχούς χρόνου σε διακριτές στιγμές του χρόνου. Έτσι, αν xα(t) είναι η είσοδος στον δειγματολήπτη, τότε η έξοδος αυτού είναι xα(nt) x(n), όπου Τ η περίοδος δειγματοληψίας. 2. Κβάντιση (quantisation): Πρόκειται για την διαδικασία μετατροπής ενός σήματος διακριτού χρόνου συνεχών τιμών σε ένα σήμα διακριτού χρόνου διακριτών τιμών (ψηφιακό). Το κάθε δείγμα του σήματος αντιπροσωπεύεται από μία τιμή η οποία επιλέγεται από ένα πεπερασμένο σύνολο πιθανών τιμών. Η διαφορά μεταξύ του αρχικού μη-κβαντισμένου δείγματος x(n) και της κβαντισμένης εξόδου xq(n) αποτελεί το λεγόμενο σφάλμα κβάντισης. 6

7 3. Κωδικοποίηση (coding): Κατά την διαδικασία της κωδικοποίησης, κάθε διακριτή τιμή xq(n) αντιπροσωπεύεται από έναν αριθμό αποτελούμενο από b-bits. ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ICL7106 Το Intersil ICL7106 είναι υψηλής απόδοσης, χαμηλής ισχύος, 3½ ψηφίων A/D μετατροπέων. Περιλαμβάνονται επτά αποκωδικοποιητές, προγράμματα οδήγησης οθόνης, και ένα ρολόι. Το ICL7106 έχει σχεδιαστεί για διασύνδεση με οθόνη υγρών κρυστάλλων (LCD) και περιλαμβάνει μια πολυπλεγμένη πλακέτα βάσης. Το ICL 7106 συγκεντρώνει έναν συνδυασμό υψηλής ακρίβειας, ευελιξία και πραγματικής οικονομίας. Διαθέτει αυτομηδενιστή σε λιγότερο από 10 μv, μετατόπιση του μηδενός σε λιγότερο από 1µV/oC και σφάλμα λιγότερο από ένα ψηφίο. Διαθέτει διαφορικές εισόδους οι οποίες είναι χρήσιμες σε όλα τα συστήματα αλλά δίνουν στον σχεδιαστή ένα ασυνήθιστο πλεονέκτημα κατά την μέτρηση δυναμοκυψέλων, μετρητές τάσης και άλλους μετατροπείς τύπου γέφυρας. Τέλος, η πραγματική οικονομία της ενιαίας λειτουργίας παροχής ρεύματος (ICL7106), επιτρέπει σε ένα μετρητή υψηλής απόδοσης να κατασκευαστεί με την προσθήκη μόνο 10 παθητικών στοιχείων και μιας οθόνης. Σχήμα ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ Στο σχήμα 1 φαίνεται το αναλογικό τμήμα του ICL Κάθε μέτρηση κύκλου χωρίζεται σε τρείς φάσεις. Αυτές είναι : Φάση αυτομηδενισμού Φάση ενσωμάτωσης του σήματος 7

8 Φάση μη-ενσωμάτωσης 2.3 ΦΑΣΗ ΑΥΤΟΜΗΔΕΝΙΣΜΟΥ Κατά την φάση του αυτομηδενισμού τρία πράγματα συμβαίνουν. 1. Οι είσοδοι υψηλής και χαμηλής είναι αποσυνδεμένες από τις ακίδες και είναι βραχυκυκλωμένες σε κοινό αναλογικό σημείο. 2. Ο πυκνωτής αναφοράς είναι φορτισμένος από την τάση αναφοράς. 3. Ένας βρόγχος ανάδρασης κλείνει γύρω από το σύστημα για να φορτίσει τον πυκνωτή αυτομηδενισμού CAZ να αντισταθμίσει τις τάσεις offset στον ενισχυτή απομόνωσης τον συγκριτή και τον ολοκληρωτή. Δεδομένου ότι ο συγκριτής περιλαμβάνεται στο βρόγχο, η ακρίβεια AZ περιορίζεται μόνο από το θόρυβο του συστήματος. Σε οποιαδήποτε περίπτωση, η αντιστάθμιση που αναφέρεται στην είσοδο είναι μικρότερη από 10μV. Σχήμα ΦΑΣΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗΣ ΤΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ Κατά την διάρκεια ολοκλήρωσης του σήματος ο βρόγχος αυτομηδενισμού είναι ανοιχτό το εσωτερικό βραχυκύκλωμα, έχει αφαιρεθεί η εσωτερική είσοδος υψηλής και χαμηλής και είναι συνδεδεμένες με τις εξωτερικές ακίδες. Ο μετατροπέας στην συνέχεια ενσωματώνει την διαφορά τάσης μεταξύ υψηλής και χαμηλής εισόδου για ένα καθορισμένο χρόνο. Αυτή η διαφορά τάσης μπορεί να είναι μέσα σε μια ευρεία κοινή περιοχή : πάνω από 1Volt για κάθε παροχή. Από την άλλη αν το σήμα εισόδου δεν έχει επιστρέψει όσον αφορά την παροχή ηλεκτρικού ρεύµατος του µετατροπέα, η χαμηλή είσοδος μπορεί να συνδεθεί στο ΚΟΙΝΟ αναλογικό για να καθοριστεί η σωστή κοινή τάση λειτουργίας. Στο τέλος αυτής της φάσης η πολικότητα του ολοκληρωμένου σήματος είναι καθορισμένη. 2.5 ΦΑΣΗ ΜΗ- ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗΣ Η τελική φάση είναι η μη-ενσωμάτωση ή αναφορά ενσωμάτωσης. Η χαμηλή είσοδος είναι συνδεδεμένη εσωτερικά με το ΚΟΙΝΟ αναλογικό και η υψηλή είσοδος είναι 8

9 συνδεδεμένη με τον προηγουμένως φορτισμένο πυκνωτή αναφοράς. Το κύκλωμα μέσα στο ολοκληρωμένο εξασφαλίζει ότι ο πυκνωτής θα είναι συνδεδεμένος με την σωστή πολικότητα για να προκαλέσει την έξοδο του ολοκληρωτή να επιστρέψει στο μηδέν. Ο χρόνος που απαιτείται για να επιστρέψει η έξοδος στο μηδέν είναι ανάλογο με το σήμα εισόδου. Συγκεκριµένα, η ψηφιακή ανάγνωση που επιδεικνύεται στην οθόνη είναι Display Count = 1000 ( V IN V REF ) 2.6 ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΕΙΣΟΔΟΣ Η είσοδος μπορεί να δεχτεί διαφορετικές τάσεις οπουδήποτε μέσα στην περιοχή του ενισχυτή εισόδου ή συγκεκριμένα από 0.5 Volt κάτω από την θετική παροχή σε 1Volt πάνω από την αρνητική παροχή. Σε αυτό το εύρος το σύστημα έχει το CMRR στα 86dB τυπικά. Ωστόσο πρέπει να επιδειχθεί προσοχή ώστε να διασφαλιστεί ότι η έξοδος του ολοκληρωτή δεν έχει κορεστεί. Μια δυσμενείς περίπτωση θα ήταν μια μεγάλη θετική κοινή τάση λειτουργίας με μία κοντινή πλήρη κλίμακα αρνητικών διαφορικών τάσεων εισόδου. Το αρνητικό σήμα εισόδου οδηγεί τον ολοκληρωτή θετικά, όταν το µεγαλύτερο µέρος της ταλάντωσης έχει καταναλωθεί από την θετική τάση. Για αυτές τις κρίσιμες εφαρμογές η ταλάντωση της εξόδου του ολοκληρωτή μπορεί να μειωθεί σε λιγότερο από την προτεινόμενη 2Volt πλήρη κλίμακα ταλάντωσης με λίγη απώλεια της ακρίβειας. Η έξοδος του ολοκληρωτή μπορεί να ταλαντωθεί εντός των 0,3 Volt σε κάθε παροχή χωρίς να χαθεί η γραμμικότητα. 2.7 ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΤΑΣΗ ΑΝΑΦΟΡΑΣ Η τάση αναφοράς μπορεί να παραχθεί οπουδήποτε με την τάση τροφοδοσίας του μετατροπέα. Η κύρια πηγή λάθους είναι είναι μια roll-over τάση που προκαλείται απο τον πυκνωτή αναφοράς και αύτο γιατί χάνει ή κερδίζει την χωριτικότητα στους οπλισμούς του. Αν υπάρχει μια κοινή τάση λειτουργίας ο πυκνωτής τάσης μπορεί να αποκτίσει φορτίο (αύξηση της τάσης) όταν καλείται να μη-ενσωματώσει ένα θετικό σήμα, αλλά να χάσει φορτίο (μείωση τάσης) όταν καλείται να μή-ενσωματώσει ένα αρνητίκο σήμα εξόδου. Αυτή η διαφορά στην τάση αναφοράς για θετική ή αρνητική τάση εισόδου θα δώσει ένα roll-over σφάλμα. Ωστόσο, η επιλογή του πυκνωτή αναφοράς έτσι ώστε να είνα αρκετά μεγάλος σε σύγκριση με την χωριτικότητα, αυτό το σφάλμα μπορεί πραγματοποιηθεί σε λιγότερο απο 0,5 την χειρότερη περίπτωση. 2.8 ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ COMMON Αυτή η ακίδα περιλαμβάνεται κατα κύριο λόγο για να ρυθμιστεί η κοινή λειτουργία τάσης για τη λειτουργία της μπαταρίας (ICL 7106) ή για οποιοδήποτε σύστημα όπου τα σήματα εισόδου κυμαίνονται, όσο αφορά την παροχή ρεύματος. Η COMMON 9

10 ακίδα ορίζει μια τάση η οποία είναι περίπου 2,8 Volt πιο αρνητική απο την θετική παροχή ρεύματος. Αυτό επιλέγεται για να δώσει ένα ελάχιστο τέλος στον κύκλο ζωής της μπαταρίας τάσης περίπου 6 Volt. Ωστόσο το αναλογικό COMMON έχει μερικά απο τα χαρακτηριστικά της τάσης αναφοράς. Όταν η συνολική παροχή τάσης είναι αρκετά μεγάλη ώστε να προκαλέσει τη δίοδο zener να ρυθμίσει (>7Volt), η κοινή τάση θα έχει ένα χαμηλό συντελεστή τάσης (0,001%/V) χαμηλή σύνθετη αντίσταση εξόδου ( 15Ω) και ένα συντελεστή θερμοκρασίας τυπικά μικρότερο απο 80ppm/ oc. Οι περιορισμοί που έχει το ολοκληρωμένο θα πρέπει επίσης να αναγνωρίζονται, ωστόσο. Με το ICL 7106 η εσωτερική θέρμανση που προκείπτει απο τους οδηγούς LED μπορεί να προκαλέσει υποβάθμιση των επιδόσεων. Λόγω της υψηλότερης θερμικής τους ανθεκτικότητας, πλαστικά μέρη είναι υποδιαίστερα σε αυτό σε σύγκριση με τα κεραμικά. Ο συνδυασμός του συντελεστή της θερμοκρασίας αναφοράς (TC), ο εσωτερικός σχεδιασμός του chip και η θερμική αντίσταση μπορούν να αυξήσουν τον θόρυβο κοντά σε πλήρη κλίμακα απο 25μF σε 80µVP-P. Επίσης η γραμμικότητα στη μετάβαση απο μια υψηλή απαγωγη όπως το 1000 (20 τμήματα on) σε μια χαμηλή απαγωγή όπως 1111 (8 τμήματα on) εδέχεται να πληγούν απο μια μέτρηση ή περισσότερο. Συσκευές με μια θετική TC αναφορά μπορεί να απαιτούν απο πολλές απόψεις να αποχωριστούν απο μια over-range κατάσταση. Αυτό συμβαίνει επειδή η over-range είναι μια λειτουργία χαμηλής διάχυσης, με τα τρία λιγότερο σημαντικά ψηφία σβησμένα. Ομοίως, οι μονάδες με αρνητικό TC μπορεί να κάνουν κύκλο μεταξύ over-range και non-overrange. Όλα αυτά τα προβλήματα βέβαια μπορούν να εξαλειφθούν, αν η εξωτερική αναφορά χρησιμοποιείται. Το ICL7106, με αμελητέα διάχυση της θερμότητας δεν πλήτεται απο κανένα απο αυτά τα προβλήματα. Σε κάθε περίπτωση, μια εξωτερική αναφορά μπορεί εύκολα να προστεθεί, όπως φαίνεται στο σχήμα 2. 10

11 Σχήμα 2.3 Χρησιμοποιώντας μια εξωτερική αναφορα. Το αναλογικό COMMON χρησιμοποιείται επίσης ως είσοδος χαμηλής αποδόσης κατά την διάρκεια του αυτομηδενισμού και της διαφόρισης. Αν η χαμηλή είσοδος είναι διαφορετική απο το αναλογικό COMMON, μια κοινή τάση λειτουργίας υπάρχει στο σύστημα και φροντίζει για την τέλεια CMRR του μετατροπέα. Ωστόσο σε ορισμένες εφαρμογές η χαμηλή είσοδος θα καθορίζεται ως γνωστή τάση (κοινό τροφοδοτικό για παράδειγμα). Σε αυτή την εφρμογή, το αναλογικό COMMON πρέπει να συνδέεται με το ίδιο σημείο, εξουδετερώνοντας έτσι την κοιή ταση λειτουργίας απο τον μετατροπέα. Το ίδιο μπορεί να ισχύει και για την τάση αναφοράς. Αν η αναφορά μπορέι να συνδέεται εύκολα με το αναλογικό COMMON, δεδομένου αυτό θα πρέπει να απομακρυνθεί η κοινή τάση λειτουργίας απο το σύστημα αναφοράς. Μέσα στο IC (ολοκληρωμένο), το αναλογικό COMMON είναι συνδεδεμένο με ένα N-CHANNEL FET, αυτό μπορεί να βυθίσει περίπου 30 ma του ρεύματος για να κρατήσει την τάση στα 2,8 Volt κάτω απο την θετική παροχή ( όταν ένα φορτίο προσπαθεί να τραβήξει την κοινή γραμμή θετικά). Ωστόσο, υπάρχουν μόνο 10 μα απο την πηγή ρεύματος, έτσι λοιπόν το COMMON μπορεί εύκολα να συνδεθεί σε μια αρνητική τάση η οποία παραμερίζει την εσωτερική αναφορά. 2.9 TEST Η ακίδα TEST εξυπηρετεί δύο σκοπούς. Στο ICL 7106 η ακίδα του TEST είναι συνδεδεμένη με την εσωτερική παραγόμενη ψηφιακή παροχή μέσω μιας αντίστασης 500Ω. Έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αρνητική παροχη για εξωτερικά διαμορφομένους οδηγούς, όπως δεκαδικά ψηφία ή για οποιαδήποτε άλλη παρουσίαση ο χρήστης θέλει να περιλαμβάνει η οθόνη LCD. Τα σχήματα 5 και 6 δείχνουν μια τέτοια εφαρμογή. Δεν πρέπει να εφαρμοστεί περισσότερο απο 1mA φορτίο. 11

12 Σχήμα 2.4 Απλός μετατροπέας για τον καθορισμό δεκαδικού σημείου. Σχήμα 2.5 Αποκλειστική πύλη OR για οδηγό δεκαδικού σημείου. Η δεύτερη λειτουργία είναι ένα test λαμπτήρων. Όταν η ακίδα του TEST είναι τραβηγμένη ψηλά (V+) όλα τα τμήματα θα είναι ανοιχτά και στην οθόνη θα πρέπει να διαβάζεται το Η ακίδα TEST θα βυθίσει το ρεύμα περίπου 15 μα υπό αυτές τις συνθήκες. ΠΡΟΣΟΧΗ: Στην λειτουργία δοκιμής των λαμπτήρων, τα τμήματα έχουν μια σταθερή DC τάση (όχι τετραγωνική κυματομορφή). Αυτό μπορεί να κάψει την οθόνη LCD, εάν διατηρηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα ΨΗΦΙΑΚΟ ΤΜΗΜΑ Το σχήμα 5 δείχνει το ψηφιακό τμήμα για το ICL Στο ICL 7106, μια εσωτερική ψηφιακή γείωση παράγεται απο μια δίοδο Zener των 6 Volt και ένα μεγάλο P-Channel ακόλουθος πηγής. Αυτή η παροχή γίνεται δύσκολο να απορροφήσει τις σχετικά μεγάλες χωριτικότητες όταν η τάση BP( back plane ) είναι ενοργοποιημένη. Η συχνότητα BP είναι η συχνότητα του ρολογιού διαιρούμενη με το 800. Για τρεις αναγνώσεις/sec, αυτό είναι ένα τετραγωνικό κύμα 60Hz με ένα ονομαστικό πλάτος των 5Volt. Τα τμήματα οδηγούνται στην ίδια συχνότητα και πλάτος και είναι σε φάση με την BP όταν είναι OFF, αλλά εκτός φάσης όταν είναι ON. Σε όλες τις περιπτώσεις αμελητέα τάση DC υπάρχει σε όλα τα τμήματα. 12

13 Σχήμα 2.6 Ψηφιακό τμήμα του ICL ΣΥΣΤΗΜΑ ΧΡΟΝΙΣΜΟΥ Στο σχήμα 6 φαίνεται η διάταξη χρονισμού που χρησιμοποιείται στο ICL7106. Δύο βασικές διατάξεις χρονισμού μπορούν να χρησιμοποιηθούν: 1. Σχήμα 6Α: Ένας εξωτερικός ταλαντωτής συνδεδεμένος με την ακίδα Σχήμα 6 Β : Έναν R-C ταλαντωτή χρησιμοποιόντας και τις τρείς ακίδες. Η συχνότητα του ταλαντωτή διαιρήται με το 4 πριν χρονομετρήσει τους δεκαδικούς μετρητές. Τότε διαιρήται περαιτέρω για να σχηματίσει τις τρείς φάσεις. Αυτά είναι ενσωματωμένα σήματα (1000 μετρήσεις), αναφορά μηενσωμάτωσης ( 0 εώς2000 μετρήσεις) και αυτομηδενισμού ( 1000 εώς 3000 μετρήσεις). Για σήματα λιγότερα απο την πλήρη κλίμακα, αυτομηδενισμό παίρνει το αχρησιμοποίητο τμήμα της αναφοράς μη-ολοκλήρωσης. Αυτό κάνει μια πλήρης μέτρηση κύκλου των 4000 μετρήσεων ( παλμοί χρονομέτρησης) ανεξάρτητα απο την τάση εισόδου. Για τρείς αναγνώσεις / δευτερόλεπτο, μια συχνότητα ταλάντωσης των 48 khz θα χρησιμοποιούταν Σχήμα 6Α 13

14 Σχήμα 6 Β Σχήμα 2.7 Κυκλώματα χρονομέτρησης Για να επιτευχθεί η μέγιστη απόρριψη των 60 Hz pickup, το σήμα ενσωμάτωσης του κύκλου θα πρέπει να είναι πολλαπλάσιο των 60 H. Συχνότητες του ταλαντωτή των 240kHz, 120kHz, 80kHz, 60kHz, 48kHz, 40kHz, khz κλπ. θα πρέπει να επιλεγούν. Για 50 Hz απόρριψης, συχνότητες ταλάντωσης των 200kHz, 100kHz, khz, 50kHz, 40kHz κλπ. θα ήταν κατάλληλα. Σημειώστε ότι οι συχνότητες των 40kHz (2,5 αναγνώσεις / δευτερόλεπτο) θα απορρίφθούν τόσο όσο και των 50Hz και 60Hz (παρομοίως των 400Hz και 440Hz). 2.12ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗΣ Τόσο ο ενισχυτής απομόνωσης και ο ολοκληρωτής έχουν μια κλάση Α έξοδου του βαθμού των 100μA του ρεύματος ηρεμίας. Μπορούν να παρέχουν 4μΑ του ρεύματος οδήγησης με αμελητέα μη-γραμμικότητα. Η ενσωματωμένη αντίσταση θα πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη για να παραμείνει σε αυτή την πολύ γραμμική περιοχή πάνω απο το εύρος τάσης εισόδου, αλλά αρκετά μικρές αρκεί οι αδικαιολόγητες απαιτήσεις διαρροής να μην υπάρχουν στην πλακέτα του Η/Υ. Για 2Volt πλήρους κλίμακας, 470 kω είναι κοντά στο βέλτιστο και ομοίως τα 47kΩ για 200 mv κλίμακα ΠΥΚΝΩΤΗΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗΣ Ο πυκνωτής ολοκλήρωσης πρέπει να επιλέγεται για να δώσει μέγιστη τάση ταλάντωσης που να εξασφαλίζει συσσωρευμένη ανοχή δεν θα κορέσει τον ολοκληρωτή ταλάντωσης (περίπου 0.3V κάθε παροχή). Στο ICL 7106 όταν το κοινό αναλογικό χρησιμοποιείται ως σημείο αναφοράς, ονομαστικής +2Vπλήρους κλίμακας η ταλάντευση του ολοκληρωτή είναι εντάξει. Μια επιπλέον απαίτηση του ενσωματομένου πυκνωτή είναι ότι πρέπει να έχει χαμηλή απορρόφηση διηλεκτρικού για τη πρόληψη των σφαλμάτων. Ενώ άλλα είδη πυκνωτών είναι επαρκή για αυτή την εφαρμογή, πυκνωτές πολυπροπυλενίου δίνουν μη- ανιχνεύσιμα σφάλματα. 14

15 2.14 ΠΥΚΝΩΤΗΣ ΑΥΤΟΜΗΔΕΝΙΣΜΟΥ Το μέγεθος του πυκνωτή αυτομηδενισμού έχει κάποια επιρροή στον θόρυβο του συστήματος. Για 200 mv πλήρους κλίμακας όπου ο θόρυβος είναι πολύ σημαντικός, ένας πυκνωτής των 0,47 μf προτείνεται. Στην κλίμακα των 2V, ένας πυκνωτής των 0,047 μf αυξάνει την ταχύτητα της ανάκαμψης απο την υπερφόρτωση και είναι επαρκής για τον θόρυβο σε αυτή την κλίμακα ΠΥΚΝΩΤΗΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ Ένας πυκνωτής των 0,1μF δίνει καλά αποτελέσματα στις περισσότερες εφαρμογές. Ωστόσο όταν μια μεγάλη τάση λειτουργίας υφίσταται (δηλαδή η REF LO ακίδα δεν είναι στο αναλογικό COMMON) και 200 mv κλίμακας χρησιμοποιείται, μια μεγαλύτερη αξία απαιτείται για την πρόληψη της ανατροπής (roll-over) σφάλματος. Γενικά 1μF θα κρατήσει την ανατροπή (roll-over) του σφάλαματος στο 0,5 σε αυτή την περίπτωση ΕΞΑΡΤΗΜΑΤΑ ΤΑΛΑΝΤΩΤΗ Για όλα τα φάσματα των συχνοτήτων συνιστάται μια αντίσταση 100kΩ και ο πυκνωτής επιλέγεται απο την εξίσωση: f = 0.45/RC για 48kHz (3 αναγνώσεις/sec) C = 100pF ΤΥΠΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Ο ICL 7106 μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μια ευρεία ποικιλία διαμορφώσεων. Τα κυκλώματα που ακολουθούν δείχνουν κάποιες απο τις δυνατότητες και χρησιμεύουν στην απεικόνιση της εξαιρετικής ευελιξίας αυτού του A/D μετατροπέα. Οι ακόλουθες σημειώσεις των εφαρμογών περιέχουν πολύ χρήσιμες πληροφορίες στην κατανόηση και εφαρμογή του παρόντος μέρους και είναι διαθέσιμα απο την Intersil Corporation. NOTE # AN016 AN017 AN018 AN023 AN032 ΠΙΝΑΚΑΣ 1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΕΠΙΛΟΓΗ A/D ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΕΝΣΩΜΑΤΩΣΗ A/D ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΠΡΕΠΕΙ ΚΑΙ ΜΗ ΣΤΙΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ A/D ΧΑΜΗΛΟ ΚΟΣΤΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΠΙΝΑΚΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΑΤΑΝΟΗΣΗ ΤΟΥ ΑΥΤΟΜΗΔΕΝΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΚΟΙΝΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ ΟΙΚΟΓΕΝΙΑΣ ICL AN046 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ Battery-Operated Auto Ranging DVM ΜΕ ΤΟ ICL 7106 AN052 AN9609 ΣΥΜΒΟΥΛΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΑΠΛΟΥ CHIP 3 1/2 ΨΗΦΙΩΝ ΣΤΟΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ A/D ΞΕΠΕΡΝΟΝΤΑΣ ΘΕΜΑΤΑ ΤΗΣ ΕΜΒΕΛΕΙΑΣ ΚΟΙΝΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΕ ΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ INTERSIL INTEGRATING CONVERTERS 15

16 Σχήμα 2.8 Χρήση εσωτερικής αναφορας στο ICL 7106 Οι τιμές που παρουσιαζονται είναι για 200mV πλήρους κλίμακας, 3αναγνώσεις/sec, κυμαινόμενη τάση τροφοδοσίας (μπαταρία 9V). ICL 7106 προτεινόμενες συνιστόσες τιμές για 2V πλήρους κλίμακας. Σχήμα

17 Σχήμα 2.10 Το ICL 7106 χρησιμοποιείται ως ψηφιακό θερμόμετρο. Μια δίοδος πυριτίου συνδεδεμένη με τρανζίστορ έχει συντελεστή θερμοκρασίας περίπου -2mV/oC. Η βαθμονόμηση επιτυγχάνεται με την τοποθέτηση του αισθητήριου τρανζίστορ σε παγωμένο νερό και ρυθμίζοντας το ποτενσιόμετρο μηδενισμού για ανάγνωση. Ο αισθητήρας τότε πρέπει να τοποθετηθεί σε βραστό νερό και η κλίμακα-παράγοντας του ποτενσιόμετρου ρυθμίζεται για αναγνώσεις ΟΘΟΝΗ LED Γενική Περιγραφή Αυτό είναι εύκολο να κατασκευαστεί, αλλά παρόλα αυτά είναι πολύ ακριβείς και χρήσιμο ψηφιακό βολτόμετρο. Έχει σχεδιαστεί ως ένα μετρητής πίνακα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε DC τροφοδοτικά ή οπουδήποτε αλλού είναι απαραίτητο να έχουμε μια ακριβή ένδειξη της τάσης. Το κύκλωμα χρησιμοποιεί το ADC (αναλογικό σε ψηφιακό μετατροπέα) IC CL7106 που κατασκευάζονται από την INTERSIL. Αυτό το IC ενσωματώνει σε 40 ακίδες όλα τα κυκλώματα για να μετατρέψει ένα αναλογικό σήμα σε ψηφιακό και μπορεί να οδηγήσει σε μια σειρά από τέσσερις οθόνες LED επτά τμημάτων άμεσα. Το κύκλωμα ενσωματωμένο στο IC είναι ένας αναλογικός σε ψηφιακό μετατροπέα, ένας συγκριτής, ένα ρολόι ένα αποκωδικοποιητή και ένα πρόγραμμα οδήγησης της οθόνης επτά τμημάτων LED. Το κύκλωμα που περιγράφεται εδώ μπορεί να εμφανιστεί σε οποιαδήποτε τάση DC στο εύρος Volts. 17

18 Τεχνικές Προδιαγραφές - Χαρακτηριστικά Τάση τροφοδοσίας:... + / - 5 V (Συμμετρική) Απαιτήσεις ισχύος: ma (μέγιστο) Εύρος μέτρησης:... + / - 0-1,999 VDC σε τέσσερις σειρές Ακρίβεια: % ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ - Μικρό μέγεθος - Εύκολη κατασκευή - Χαμηλό κόστος. - Απλή ρύθμιση. - Εύκολο να το διαβάσετε από μια απόσταση. - Λίγα εξωτερικά εξαρτήματα Πως λειτουργεί Προκειμένου να γίνει κατανοητή η αρχή λειτουργίας του κυκλώματος, είναι αναγκαίο να εξηγηθεί πώς η ADC IC λειτουργεί. Αυτό το IC έχει τα εξής πολύ σημαντικά χαρακτηριστικά: - Μεγάλη ακρίβεια. - Δεν επηρεάζεται από τον θόρυβο. - Δεν υπάρχει ανάγκη για ένα δείγμα και κρατήστε πατημένο το κύκλωμα. - Διαθέτει ενσωματωμένο ρολόι. - Δεν έχει καμία ανάγκη για υψηλής ακρίβειας εξωτερικά εξαρτήματα. 18

19 Σχήμα 2.11 α και 2.11 β Οθόνη 7 τμημάτων pinout MAN ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ A. Ανεξαρτησία μετρήσεων από τη συχνότητα του σήματος εισόδου 1) Hμιτονοειδής Είσοδος Sinusoidal Input (sin) ac sin input 5V, 500Hz magenta lm331 sqr digital output ~5kHz yellow 19

20 ac sin input 5V, 5kHz magenta lm331 sqr digital output ~5kHz yellow 2) Τετραγωνική Είσοδος Square Input (sqr) ac sqr input 5V, 500Hz magenta.lm331 sqr digital output ~5kHz yellow 20

21 ac sqr input 5V, 5kHz magenta lm331 sqr digital output ~5kHz yellow 3) Τριγωνική Είσοδος Triangular Input (tr) ac tr input 5V, 500Hz magenta lm331 sqr digital output ~5kHz yellow 21

22 ac tr input 5V, 5kHz magenta lm331 sqr digital output ~5kHz yellow 22

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Πρόκειται για ένα απλό αλλά πολύ χρήσιμο όργανο μέτρησης τάσης. Χρησιμοποιεί μεγάλη ευανάγνωστη οθόνη υγρών κρυστάλλων LCD 3 1/2 ψηφίων για την απεικόνιση της τιμής της τάσης. Το κύκλωμα είναι απλό στην κατασκευή και αξιόπιστο λόγω της χρήσης του ολοκληρωμένου κυκλώματος ICL 7106 της INTERSIL που έχει ενσωματωμένο σε μια θήκη 40 ακροδεκτών όλα τα κυκλώματα που χρειάζονται ώστε ένα αναλογικό μέγεθος όπως η τάση να υποστεί την κατάλληλη επεξεργασία για να μετατραπεί σε ψηφιακό και να αποδοθεί με μορφή πραγματικού αριθμού από μια οθόνη LCD. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα ICL 7106 περιέχει εσωτερικά μετατροπέα από αναλογικό σε ψηφιακό συγκριτή, εσωτερικό χρονιστή, αποκωδικοποιητή και οδηγεί απ ευθείας μια οθόνη υγρών κρυστάλλων. 3.2Η ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ Πριν αρχίσει η κατασκευή αναγνωρίζουμε πρώτα όλα τα εξαρτήματα. Δεν ανοίγουμε το προστατευτικό αλουμινόχαρτο του ολοκληρωμένου. Πρώτα απ όλα κολλάμε με 4 μικρά κομματάκια σύρματα 4 γεφυρώματα (και τα τέσσερα είναι κάτω απο το ολοκληρωμένο). Κατόπιν κολλάμε το ολοκληρωμένο κύκλωμα προσεκτικά (ένα ένα ποδαράκι, αφήνουμε να κρυώσει λίγο και χρησιμοποιούμε μικρό κολλητήρι απαραίτητα γειωμένο). Στη συνέχεια κολλάμε τις αντιστάσεις. Ακολούθως τους πυκνωτές και το τρίμερ P1. Τέλος κολλάμε το τρανζίστορ Q1. Ελέγχουμε για άλλη μια φορά προσεκτικά ένα ένα όλα τα εξαρτήματα και τις κολλήσεις. Κολλάμε τα δύο κομματάκια απο τη βάση στη θέση που θα τοποθετηθεί η οθόνη. Μ αυτό τον τρόπο η οθόνη τοποθετείται ψηλότερα και επιτρέπει στο ολοκληρωμένο να αερίζεται κανονικά. Κάνουμε έναν τελευταίο προσεκτικό έλεγχο, βεβαιονόμαστε οτι όλα είναι εντάξει και τότε κολλάμε το μαύρο καλώδιο του κλίπ της μπαταρίας στο σημείο 1(-) της πλακέτας και το κόκκινο καλώδιο στο σημείο 2(+), και συνδέουμε στο κλίπ μια πλακέ μπαταρία 9V. Αν όλα είναι εντάξει ο υγρός κρύσταλλος θα δείξει έναν τριψήφιο αριθμο π.χ. 18, ΡΥΘΜΙΣΗ Βραχυκυκλωνουμε την είσοδο (σημεία 3 και 4) ρυθμίζουμε το τρίμμερ μέχρι να δείξει το βολτόμετρο τότε είναι έτοιμο, ρυθμισμένο. Το τοποθετούμε σε ένα μικρό πλαστικό κουτάκι και έτσι έχουμε ένα ψηφιακό όργανο ακριβείας για οποιαδήποτε μέτρηση συνεχούς τάσης. 23

24 Η ιδανική ρύθμιση είναι να έχουμε ένα άλλο ψηφιακό βολτόμετρο ακριβείας και να ρυθμίσουμε την κατασκευή παράλληλα με αυτό. Ελλείψη αυτού όμως η προηγούμενη μέθοδος έιναι απλή και σίγουρη. 3.3 ΑΝ ΔΕΝ ΔΟΥΛΕΨΕΙ Ελέγχουμε προσεκτικά τις θέσεις και τις τιμές των εξαρτημάτων. Αν χρησιμοποιούμε σολντερίνη καθαρίζουμε σχολαστικά το πίσω μέρος της πλακέτας. Ελέγχουμε αν έχουμε ξεχάσει τα γεφυρώματα ή μήπως έχουμε αφήσει κάποιο εξάρτημα ή ποδαράκι ακόλλητο. Επίσης μπορεί να έχουμε κάνει ψυχρή κόλληση. Ξαναζεσταίνουμε τις κολλήσεις. Η καλή κόλληση απλώνει και γυαλίζει. Δεν γίνεται κόμπος ούτε έιναι θαμπή. Κοιτάμε μήπως έχουμε βραχυκυκλώσει κάποια σημεία στην πλακέτα επειδή οι γραμμές είναι πυκνές. Τέλος ελέγχουμε μήπως έχουμε κάψει κάποιο εξάρτημα ή το ολοκληρωμένο ή την οθόνη κατα την συγκόλληση ή απο κακή μεταχείρηση. Δείγμα Τροφοδοσία 1 24

25 Δείγμα Τροφοδοσία 2 Σχήμα 3.1 α και 3.1 β 3.4 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟΥ Για να καταλάβει κάποιος την λειτουργία του ψηφιακού βολτόμετρου είναι απαραίτητο πρώτα να γνωρίζει λίγα στοιχειώδη πράγματα γύρω από τους μετατροπείς σημάτων. Εδώ θα ασχοληθούμε με τον μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (ADC) που έχει τα παρακάτω πλεονεκτήματα: Εσωτερική Ακρίβεια Δεν χρειάζεται δυσεύρετα ή υλικά ακριβείας Εξαιρετική αδιαφορία στον θόρυβο Δεν χρειάζεται κύκλωμα δειγματοληψίας και συγκράτησης Χαμηλό κόστος Ένας αναλογικός σε ψηφιακό μετατροπέας ( για συντομία από δω και στο εξής θα αναφέρεται σαν ADC) είναι γνωστός σαν μετατροπέας ολοκλήρωσης ή διπλής κλίσης. Αυτός δουλεύει με τον εξής τρόπο. Χονδρικά ο κύκλος μετατροπής χωρίζεται σε δύο φάσεις: Στην πρώτη φάση σε ένα ορισμένο διάστημα δίνονται τα αποτελέσματα της ολοκλήρωσης της τάσης εισόδου. 25

26 Η τάση εξόδου του ολοκληρωτή είναι από απ ευθείας ανάλογη της εφαρμοζόμενης τάσης εισόδου. Στο τέλος αυτής της χρονικής περιόδου ο ολοκληρωτής τροφοδοτείται με μια εσωτερική τάση αναφοράς ώστε να αρχίσει να μειώνεται η τάση εξόδου. Η ολοκλήρωση συνεχίζεται μέχρι η τάση εξόδου του ολοκληρωτή να πέσει στη στάθμη αναφοράς μηδενισμού. Αυτή η φάση είναι γνωστή σαν περίοδος αρνητικής κλίσης ή μηδενισμού και είναι η δεύτερη φάση της μετατροπής. Η πρώτη φάση είναι σταθερή για κάθε χρόνο μετατροπής ενώ η δεύτερη φάση εξαρτάται από την πρώτη. Αν μετρηθούν οι δύο περίοδοι και γνωρίζοντας την τάση αναφοράς βρίσκεται εύκολα η αναλογική τάση εισόδου που είναι και η ζητούμενη προς μέτρηση τάση. Αυτή την εργασία την πραγματοποιεί το ολοκληρωμένο κύκλωμα με την βοήθεια λίγων εξωτερικών εξαρτημάτων την χρησιμότητα των οποίων θα γνωρίσουμε στην λειτουργία του κυκλώματος. 3.5 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Η αντίσταση R6 μαζί με τον πυκνωτή C5 αποτελούν τα στοιχεία ταλάντωσης και καθορίζουν την συχνότητα του εσωτερικού ταλαντωτή. Με τις τιμές αυτές επιτυγχάνεται ταλάντωση περίπου 48kHz ικανή να παρέχει μέχρι και 3 μετρήσεις το δευτερόλεπτο. Ο πυκνωτής C4 είναι πυκνωτής τάσης αναφοράς και για ικανοποιητικές ενδείξεις δεν πρέπει να αποκλείνει απο την τιμή αυτή γιατί θα υπάρχουν σφάλματα κατά την μέτρηση, για τον απλούστατο λόγο οτι ο πυκνωτής αυτός φορτίζει σε μια σταθερή τάση που χρησιμοποιείται απο το ολοκληρωμένο σαν εσωτερική τάση αναφορας. Η είσοδος HIGH είναι το σημείο 4, και LOW το σημείο 3 της πλακέττας. Η αντίσταση R7 είναι ο διαιρέτης που χρειάζεται το κύκλωμα εισόδου για να μετρήσει 0-200V DC. Η αντίσταση R8 είναι η αντίσταση προστασίας εισόδου του IC1. Ο πυκνωτής C2 έιναι ο πυκνωτής αυτομηδενισμού. Η τιμή του έχει εκλεγεί ώστε σ αυτή την κλίμακα μέτρησης να μην έχει σφάλμα γιατί αλλάζοντας την τιμή του μεγαλώνει η κλίμακα μέτρησης, και διαφοροποιούνται τα όρια και ο αυτομηδενισμός του οργάνου είναι δύσκολος. Η αντίσταση R2 μαζί με τον C1 αποτελούν το δικτύωμα ολοκλήρωσης της τάσης εισόδου ενώ παράλληλα εμποδίζουν την διαίρεση της τάσης εισόδου κάνοντας το όλο σύστημα ταχύτερο και πιο αξιόπιστο, μειώνοντας στο ελάχιστο το σφάλμα μέτρησης. Η αντίσταση R1 οδηγεί το σήμα υπέρβασης της κλίμακας που δίνει το ολοκληρωμένο στη βάση του τρανζίστορ ώστε όταν υπάρχει υπέρβαση ορίων της κλίμακας να ανάβει στην οθόνη ο αριθμός 1 και η Τρίτη τελεία πράγμα που σημαίνει ότι η μετρούμενη τάση είναι έξω από τις δυνατότητες ένδειξης της οθόνης. 26

27 Από τους ακροδέκτες 2-20 και του ολοκληρωμένου κυκλώματος οδηγείται απ ευθείας μια οθόνη υγρών κρυστάλλων LCD του τύπου DO51030-RΟ40, ή αντίστοιχη. 3.6 ΤΕΧΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Τάση λειτουργίας 9V DC Ρεύμα λειτουργίας... 1,5 ma Περιοχή μετρήσεως V DC Ακρίβεια μετρήσεως +/- 0,1 V 3.7 ΧΡΗΣΕΙΣ Μέτρηση συνεχούς τάσης Μέτρηση τάσης σε τροφοδοτικά (panel meter) 3.8 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ Μικρό μέγεθος Εύκολη και απλή κατασκευή Ευανάγνωστη οθόνη από αρκετή απόσταση Αξιοπιστία και ακρίβεια λόγω του ολοκληρωμένου κυκλώματος Λίγα εξωτερικά εξαρτήματα Χαμηλό κόστος Μεγάλη διάρκεια μπαταρίας Εύκολη ρύθμιση με τρίμμερ 3.9 ΤΑ ΥΛΙΚΑ R1,5,6 100 KΩ 1/4W (καφέ, μαύρο, κίτρινο) ή (καφέ, μαύρο, μαύρο, πορτοκαλί) R2..47 KΩ 1/4W (κίτρινο, μώβ, πορτοκαλί) ή (κίτρινο, μώβ, μαύρο, κόκκινο) R3,8 1 MΩ 1/4W (καφέ, μαύρο, πράσινο) ή (καφέ, μαύρο, μαύρο, κίτρινο) 27

28 R4 22 KΩ 1/4W (κόκκινο, κόκκινο, πορτοκαλί) ή (κόκκινο, κόκκινο, μαύρο, κόκκινο) R7 1 KΩ 1/4W ( καφέ, μαύρο, κόκκινο) ή (καφέ, μαύρο, μαύρο, καφέ) Σημείωση: Οι τιμές στην πρώτη γραμμή δίπλα σε κάθε αντίσταση αφορούν σε κοινές αντιστάσεις άνθρακα 5% ενώ οι τιμές ακριβώς από κάτω στην δεύτερη στήλη αφορούν σε αντιστάσεις ακριβείας metal film ή παρόμοιες 1 ή 2% με περισσότερα από 4 χρώματα. P1 3-5 KΩ (τρίμμερ) C1.220 nf (224 ή 0.22 μf) polyester C nf (334 ή 0,33 μf) C3,4 100nF (104 ή 0,1μF) C5 100 pf (101 ή 0,0001μF) κεραμεικός Q1 BC548 (NPN transistor) IC1 ICL 7106 (3 1/2 digit LCD chip) Display DO51030-RO40 (οθόνη υγρού κρυστάλλου 3 1/2 ψηφίων) Διάφορα : κόλληση, καλώδιο, κλίπ μπαταρίας 9V, βάση για την οθόνη, πλακέτα SMART KIT No Το όργανο το οποίο κατασκευάστηκε αποτελείται από μια οθόνη LCD 3 ½ ψηφίων για την απεικόνιση της τάσης, είναι κατάλληλο για μετρήσεις τάσεων από 0 έως και 199 Volt. Το κύκλωμα που χρησιμοποιεί είναι απλό στην κατασκευή του λόγω της χρήσης του ολοκληρωμένου κυκλώματος της Intersil ICL 7106 το οποίο έχει ενσωματωμένο 40 ακροδέκτες όπου βρίσκονται όλα τα κυκλώματα που χρειάζονται για την κατάλληλη επεξεργασία του αναλογικού σήματος έτσι ώστε να μετατραπεί σε ψηφιακό και να αποδοθεί με μορφή πραγματικού αριθμού στην οθόνη. Το κύκλωμα 28

29 ICL 7106 περιέχει εσωτερικό µετατροπέα από αναλογικό σε ψηφιακό, συγκριτή, εσωτερικό χρονιστή, αποκωδικοποιητή και οδηγεί απ ευθείας σε µια οθόνη υγρών κρυστάλλων ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΤΩΝ ΑΚΡΟΔΕΚΤΩΝ ΤΗΣ ΟΘΟΝΗΣ Σχήμα 3.2 Σχήμα

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΔΙΑΙΡΕΤΗΣ ΤΑΣΗΣ Έστω ότι έχω μια παροχή τάσης 9V (π.χ. μια μπαταρία 9V) και θέλω μια τάση μικρότερη 9V. Ας υποθέσουμε ότι ζητάμε μια τάση των 4,5V. O τύπος που μας δίνει την επιθυμητή τάση εξόδου VOUT είναι: Τάση εξόδου=(r2/r1+ R2) X Τάση παροχής Το κύκλωμα θα είναι το παρακάτω: Έχουμε VΙΝ = 9 V R1= 1K R2= 1K VOUT = ( R2 /R1+ R2 ) x VΙΝ VOUT = (1K / 1K +1K) x 9V VOUT = 1/2 x 9 = 4, 5 V Στην συνέχεια αλλάζουμε την τάση τροφοδοσίας στο κύκλωμα και οι μεταβολλές παρατηρούνται στον παρακάτω πίνακα 30

31 ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΒΟΛΤΟΜΕΤΡΟ ΚΑΒΑΛΑ ΠΙΝΑΚΑΣ 2 ΤΑΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΒΟΛΤΟΜΕΤΡΟ ΑΠΟΚΛΙΣΗ 1V 0,5V 0,43V 14% 2V 0,9V 0,86V 4,44% 3V 1,4V 1,45V 3,57% 4V 1,9V 1,9V 0% 5V 2,4V 2,4V 0% 6V 2,9V 2,85V 1,72% 7V 3,4V 3,5V 2,94% 8V 3,9V 4V 2,56% 9V 4,3V 4,5V 4,65% 10V 4,8V 5V 4,16% 6 Σύγκριση 5 y = 1,0572x - 0,1021 R² = 0, Σειρά1 Γραμμική (Σειρά1) ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ 31

32 ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΒΟΛΤΟΜΕΤΡΟ ΚΑΒΑΛΑ ΠΙΝΑΚΑΣ 3 ΤΑΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΒΟΛΤΟΜΕΤΡΟ ΑΠΟΚΛΙΣΗ 1V 0,9V 1V 10% 2V 1,9V 2V 10,00% 3V 2,9V 3V 10,00% 4V 3,9V 4V 10% 5V 4,9V 5V 10% 6V 5,8V 6V 20,00% 7V 6,8V 7V 20,00% 8V 7,8V 8V 20,00% 9V 8,7V 9,05V 35,00% 10V 9,7V 10V 30,00% Ο Πίνακας 3 μας δείχνει τις τιμές του εμπορικού αλλά και του καταστκευασμένου βολτόμετρου αφού τα έχουμε τοποθετήσει απευθείας στην τροφοδοσία και στην συνέχεια μεταβάλλαμε την τάση 12 Σύγκριση 10 8 y = 1,0275x + 0,0284 R² = 0, Σειρά1 Γραμμική (Σειρά1) ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ 32

33 ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΒΟΛΤΟΜΕΤΡΟ ΚΑΒΑΛΑ ΠΙΝΑΚΑΣ 4 ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟ ΒΟΛΤΟΜΕΤΡΟ ΑΠΟΚΛΙΣΗ 1000Ω 4,3V 4,5V 20% 700Ω 5,1V 5,2V 10,00% 570Ω 5,5V 5,7V 20,00% 475Ω 5,9V 6,05V 15% 390Ω 6,2V 6,45V 25% 330Ω 6,5V 6,7V 20,00% 220Ω 7,1V 7,4V 30,00% 180Ω 7,4V 7,6V 20,00% 100Ω 7,9V 8,2V 30,00% 34Ω 8,4V 8,7V 30,00% Στον παραπάνω πίνακα φαίνονται οι μετρήσεις μετά απο την συνεχή αλλαγή της αντίστασης R1 10 Σύγκριση y = 1,0374x - 0,0206 R² = 0, ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ Σειρά1 Γραμμική (Σειρά1) 33

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Το παρόν αποτελεί τη θεωρητική µελέτη και απόδοση ενός οργάνου µέτρησης. Οι έλεγχοι στους οποίους έχει υποβληθεί ήταν πολλοί και ποικίλοι. Εξάλλου κάθε όργανο µέτρησης πρέπει να υποβάλλεται σε µια σειρά από ελέγχους και δοκιµασίες. οκιµάστηκε σε χαµηλές τιµές τάσεις (ac,dc) αλλά και στις πραγµατικές συνθήκες εργασίας του και µε διαφορετικά δοκίµια κάθε φορά. Αυτά τα δοκίµια ήταν ωµικά, χωρητικά αλλά και µεικτά. Πολλές καταστάσεις κρίνονται εκ των αποτελεσµάτων. Αν όχι όλες. Ακόµα και τα όργανα µετρήσεων. Έτσι και οι επιδόσεις του συγκεκριµένου οργάνου αξιολογήθηκαν πολύ καλές. Πάντοτε όµως στο καλό µπορεί να παρουσιασθεί κάτι καλύτερο. Σύµφωνα µε τον φιλόσοφο Ηράκλειτο ο εχθρός του καλού είναι το καλύτερο. Το όργανο µπορεί να δεχθεί και άλλες βελτιώσεις. Κάποια από τα τµήµατά του θα µπορούσαν να αντικατασταθούν από ηλεκτρονικά τελευταίας τεχνολογίας όπως είναι οι Μικρο-υπολογιστές. Με ενσωµατωµένα διάφορα κυκλώµατα, όπως µετατροπείς AC-DC, κυκλώµατα παραγωγής αλλά και µέτρησης παλµών κ.ά., επιτυγχάνεται δραστική µείωση χώρου αλλά και χρόνου στη διεκπεραίωση µετρήσεων, συγκρίσεων, µετατροπών και άλλων λειτουργιών. Παρακάτω μπορούμε να δούμε τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των αναλογικών και ψηφιακών βολτόμετρων. Η θετική πλευρά των αναλογικών μέτρων, για μένα, είναι οι εξής: Μπορούμε να παρακολουθούμε την κίνηση του μετρητή και τις ορατές αλλαγές στο επίπεδο, αν χρειαστεί για δοκιμή ή αξιολόγιση. Αυτή η οπτική επιτρέπει να αποκτήσουν μια ανάγνωση ή το επίπεδο χωρίς το δυναμικό σταθερό ψηφίο αλλάζει κατά την μέτρηση. Οι αρνητικές πλευρές του αναλογικού είναι: Δεν λαμβάνει φυσικές επιπτώσεις όπως η ρίψη πολύ καλά- κυρίως λόγω της ευαίσθητης κίνησης του μετρητή/ 34

35 Είναι δύσκολο να εξακριβωθεί σε δέκατα, εκατοστά ή λιγότερο από μια μετρούμενη τιμή με ακρίβεια. Σφάλμα Parallex, χωρίς κλίμακα ειδώλου είναι μια δυνατότητα για μια μικρή εσφαλμένη ανάγνωση του μετρητή. Δύσκολο να διαβαστεί σε οποιαδήποτε απόσταση. Η θετική πλευρά του ψηφιακού είναι: Έχουμε την δυνατότητα να διαβάσουμε μέχρι 2-3 ψηφία σε μια μετρούμενη τιμή, με αξιοπρεπή βαθμό ακριβείας. Πιο στιβαρή κατασκευή που μπορεί να προληφθεί η καταστροφή του μετρητή, εάν υποστεί ζημιά ή πέσει. Δεν υπάρχει Parallex σφάλμα, απλά διαβάζουμε τους αριθμούς. Είναι πιο εύκολο να διαβαστεί από απόσταση. Η αρνητική πλευρά του ψηφιακού είναι: Μια μικρή αλλαγή στα ψηφία σε μία μέτρηση προκαλεί δυσκολία στην ανάγνωση και στην απόφαση της πραγματικής αξίας. Οι μετρητές είναι διαθέσιμοι σε πολλές κλίμακες τιμών. Ένα ζήτημα είναι το Ω ανά Volt. Αυτό είναι το ποσό των παράλληλων φορτίων που μετριούνται σε ένα μετρούμενο κύκλωμα. Η υψηλή αντίσταση στα κυκλώματα απαιτούν υψηλά Ohm/Volt για την ελάχιστη φόρτωση του κυκλώματος ή μεταβολή της λειτουργίας του. Τα αναλογικά μέτρα που είναι στην φτηνή πλευρά θα έχουν χαμηλά Ohm/Volt αλλά είναι μια χαρά για γενική μέτρηση τάσης, όπως 120 Vrms AC σε μία πρίζα, ένας διακόπτης, οτιδήποτε με μια πηγή χαμηλής αντίστασης της τάσης. Τα περισσότερα ψηφιακά μέτρα έχουν ένα υψηλό, σε πολύ υψηλό, Ohm/Volt. Αυτό είναι πολύ σημαντικό όταν σε ένα κύκλωμα σωλήνα κενού εργάζονται και άλλα κυκλώματα υψηλής σύνθετης αντίστασης. 35

36 Τα ψηφιακά βολτόμετρα έχουν χαμηλότερη σύνθετη αντίσταση εισόδου και έτσι είναι εγγενώς λιγότερο αξιόπιστα και έχουν πιο σημαντικό σφάλμα στις αναγνώσεις τους. Αλλά είναι πιο εύκολο να το διαβάσουμε. Τα ψηφιακά βολτόμετρα είναι εύκολο να τα διαβάσουμε και γενικά μπορεί να ρυθμίζει αυτόματα τις όποιες κλίμακες χρήσεις. Επίσης επειδή δεν έχει βελόνα οι αναγνώσεις είναι πιο ακριβείς. Το κύριο μειονέκτημα σε ένα ψηφιακό βολτόμετρο είναι ότι συνήθως είναι δύσκολο να εντοπίσουμε παροδικές αιχμές ηλεκτρικού ρεύματος κανονικής τάσης κλπ. Η βελόνα του αναλογικού βολτόμετρου δεν μένει σταθερή και βλέποντας αυτό θα ξέρουμε ότι η τάση δεν είναι σταθερή, αλλά θα εξακολουθούμε να γνωρίζουμε ποια είναι η μέση τιμή. Τα ψηφιακά βολτόμετρα είτε δεν θα είναι σε θέση να κλειδώσουν μια σταθερή τιμή ( που τους καθιστά σχεδόν αδύνατο να διαβαστεί) ή αλλιώς θα εμφανίσει μια σταθερή τιμή, παραβλέπουμε το γεγονός ότι η τάση δεν είναι πραγματικά σταθερή. Πολλά ψηφιακά βολτόμετρα έχουν μια μικρή μεταβατική γραμμή τάσης που προορίζεται να αποδείξει όταν η τάση είναι θορυβώδης όπως αυτό, αλλά δεν λειτουργούν τόσο καλά. Η βελόνα τρέμει ως πιο εύκολο να εντοπιστεί. Από την άλλη μεριά η αναλογική βελόνα μπορεί να τρέμει λίγο από τις δονήσεις παρόλο που η τάση είναι σταθερή. Έτσι πρέπει να το σκεφτούμε αυτό όταν προσπαθούμε να πάρουμε μετρησεις. 36

37 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ital_voltmeter CF%8C%CE%BC%CE%B5%CF%84%CF%81%CE%BF Βιβλιοθήκη Δ.Ε.Η Καβάλας/Χρυσούπολης 37