Zgovorni voltmeter

Matjaž Vidmar, S53MV

Digitalni voltmeter je danes vsem dobro znan merilnik. Na tržišču dobimo digitalne voltmetre skoraj za vse želje, skoraj za vse okuse in v vseh cenovnih razredih. Kar tržnim merilnikom kvečjemu manjka, kako uporabniku sporočiti merjeno veličino, ko so uporabnikove oči nujno potrebne drugje, na primer za držanje sonde na mikroskopsko majhnem merjencu ali pa na visokonapetostnem merjencu? Govoreči voltmeter oziroma voltmeter, ki izmerjeno veličino sporoča uporabniku z umetnim človeškim govorom, je še vedno razmeroma redek in malo poznan merilni inštrument.

Preprost govoreči voltmeter se da izdelati z enim samim mikrokrmilnikom, ki vsebuje A/D pretvornik, D/A pretvornik in zadostno količino pomnilnika za vsa govorna sporočila. Slednje zmorejo vsi sodobni 32-bitni mikrokrmilniki. Zgled je prikazan v članku Mikrokrmilnik ARM predvsem kot zgled programiranja mikrokrmilnika LPC2138/01 v zbirniku: kako uporabljati A/D in D/A pretvornike, kako uporabljati prekinitve in kako v zbirniški program vgraditi obsežne zunanje podatke, na primer zvočne posnetke. Golo tiskano vezje mikrokrmilnika LPC2138/01 zmore meriti napetosti od 0V do 3.3V z ločljivostjo 10bit in vhodno impedanco v razredu 100kΩ ter neposredno krmiliti slušalke oziroma manjši zvočnik. A/D pretvorniki znotraj kompliciranih mikrokrmilnikov niso najboljši: motnje ostalih vezij znotraj istega čipa dodajajo šum in odmik.

Uporaben govoreči voltmeter bi moral imeti vhodno impedanco vsaj 10MΩ ali več ter sposobnost meriti pozitivne in negativne napetosti v razponu najmanj od -15V do +15V za meritve v sodobni elektroniki oziroma še dosti več za meritve v energetiki. Poleg glasnega krmiljenja poljubnega zvočnika je smiselno prikazati rezultat meritve in vsa pripadajoča obvestila (nastavitve merilnika, prekoračitve področja) še na LCD zaslonu v številski obliki in kot analogni stolpec ter poslati na računalnik preko preprostega vmesnika.

Zgovorni voltmeter je zasnovan na preverjenem vezju Mikrokrmilnik ARM z dodatkom analognega vhoda in nizkofrekvenčnega ojačevalnika za zvočnik. Blokovni načrt zgovornega voltmetra je prikazan na risbi:

Vprašanje vhodne impedance in razpona vhodne napetosti vključno z negativnimi vrednostmi je prepuščeno dvojnemu operacijskemu ojačevalniku LMC6482. Slednji krmili dva neodvisna 10bitna A/D pretvornika +ADC in -ADC v notranjosti LPC2138/01, kar poveča razpon meritve na 11bit. Vzporedno vhodu se lahko vključi tokovni vir 1mA za meritev najrazličnejših polprevodniških diod, od Schottky do LED vseh barv. Zvočnik krmili mostični ojačevalnik MC34119. Večina obdelave je prepuščena številski obdelavi signalov v programu mikrokrmilnika LPC2138/01. Slednji je načrtovan tako, da dopolnjuje tisto, kar znajo običajni digitalni voltmetri: vsebuje nastavljivo nizkoprepustno sito in meri povprečno (enosmerno) napetost, maksimum, minimum ter vrednost vrh-vrh, to je razliko slednjih dveh. En cikel merjenja vključuje 49152 prekinitev FIQ, kar pri frekvenci prekinitev 200kHz pomeni približno 4 cikle merjenja v sekundi oziroma povsem primerljivo z običajnimi digitalnimi voltmetri.

Zvočna sporočila so sestavljena iz besed, vzorčenih s frekvenco 8kHz (prekinitve IRQ) in ločljivostjo 8bit ter shranjenih v pomnilniku FLASH v zapisih oblike ".wav".

Zgovorni voltmeter izkorišča LCD zaslon, tipke za nastavitev parametrov in FTDI virtualni COM port, ki so sestavni deli preverjene enote Mikrokrmilnik ARM. Skupaj z dodatnim analognim vhodom, nizkofrekvenčnim ojačevalnikom, zvočnikom in preprostim napajalnikom 12V so vsa vezja zgovornega voltmetra vgrajena v skupno aluminijasto ohišje:

Analogni vhod ima isto napajanje kot mikrokrmilnik. Ud USB napetosti +5V ostane kvečjemu +4.7V po padcu Schottky diode. Analogni vhod je zato zasnovan z dvojnim CMOS rail-to-rail operacijskim ojačevalnikom LMC6482. Izhoda slednjega gresta kvečjemu do +10mV nad negativnim napajanjem. Dva emitorska sledilnika z NPN tranzistorjema BC817 omogočata izhodno napetost od točno +0V (manj kot +1mV) vse do približno +4V. Veja za merjenje pozitivnih napetosti vsebuje uporovni delilnik 4:1=(20MΩ+6.6MΩ):(6.6MΩ), ki vhodni razpon 0V...+15V preslika v območje 0V...+3.75V. Operacijski ojačevalnik je vezan kot napetostni sledilnik. Natančno pozitivno skalo nastavi trimer 1kΩ (10 obratov) na območje 0V...+3.3V A/D pretvornika +ADC.

Veja za merjenje negativnih napetosti vsebuje obračalnik polaritete signala z drugo polovico LMC6482. Uporovni delilik 4:1=(20MΩ):(4.9MΩ) preslika vhodni razpon -15V...0V v območje 0V...+3.75V. Kondenzator 3.3pF je nujno potreben za frekvenčno kompenzacijo povratne vezave, da je delovanje stopnje stabilno. Natančno negativno skalo nastavi trimer 1kΩ (10 obratov) na območje 0V...+3.3V A/D pretvornika -ADC. Pri merjenju negativnih vhodnih napetosti gre izhod +ADC v nasičenje pri 0V. Obratno pri merjenju pozitivnih vhodnih napetosti gre izhod -ADC v nasičenje pri 0V. Opisano vezje torej deluje kot par idealnih polvalovnih usmernikov.

CMOS integrirano vezje LMC6482 vsebuje na vseh vhodih zaščitne diode proti obem napajanjem, ki prenesejo tok do +/-10mA. Vhodni tokovi CMOS vezja LMC6482 so sicer izredno nizki pod +/-50pA. Uporaba dodatnih zunanjih zaščitnih diod v opisanem vezju ni potrebna. Povrhu so izgubni tokovi Schottky oziroma Zener diod kar nekaj velikostnih razredov večji in bi motili delovanje voltmetra. Izhoda +ADC in -ADC imata zaporedno vezana dva upora 6.8kΩ, ki z upoštevanjem vhodnih tokov A/D pretvornikov znotraj LPC2138/01 popravita odmik skale:

Analogni vhod vsebuje še tokovni vir 1mA za meritev padca napetosti na diodah oziroma kot enostavni Ohm-meter. Najvišja izhodna napetost tokovnega vira je omejena z napajanjem na približno +4V pri nazivnem toku 1mA oziroma okoli +4.3V pri odprtih sponkah. Slednja omogoča meritev vseh svetlečih diod v prevodni smeri. Hkrati je napetost dovolj nizka, pod 5V, da ne pride do poškodb diod iz III-V polprevodnikov (LED iz GaAs, GaAsP, GaP, GaN), v katerih je preboj v zaporni smeri lahko uničujoč. Natančen tok 1mA nastavi trimer 1kΩ (10 obratov) v emitorju BC817. Temperaturna kompenzacija tokovnega vira je izvedena z rdečo LED (GaAsP), ki ima podoben temperaturni koeficient (približno -2.2mV/K) ampak okoli 1.3V višji padec napetosti od spoja BE NPN tranzistorja BC817.

Vezje tokovnega vira mora biti tako načrtovano, da v izključenem stanju ne moti delovanja voltmetra. Tokovno zrcalo z dvema PNP tranzistorjema 2SB1002 zagotavlja majhen padec napetosti v delovanju in hkrati visoko izhodno impedanco v izključenem stanju za negativne vhodne napetosti do vsaj -50V. Visoko vhodno impedanco za pozitivne napetosti tudi preko +50V zagotavlja dioda D1F60. Tokovni vir se popolnoma izklopi s stikalom s PNP tranzistorjem BC807, da izgubne upornosti vgrajenih polprevodnikov v izključenem stanju ne motijo. Zener dioda 5V6 ščiti vezja mikrokrmilnika v primeru preboja polprevodnikov v tokovnem viru.

Frekvenčni odziv uporovnih delilnikov ni kompenziran. Pasovna širina analognega vhoda z LMC6428 je zato omejena na približno 7kHz (-3dB). Kaj dosti več ni smiselno, saj pri krmiljenju analognega vhoda s simetričnim sinusnim signalom 7kHz opazimo še druge pojave. Zakasnitev odziva po nasičenju je še posebno moteča na izhodu -ADC in nekoliko manj na izhodu +ADC:

D/A pretvornik mikrokrmilnika LPC2138/01 omogoča izhodni tok do 1mA, kar komaj zadošča za krmiljenje visokoohmskih slušalk. Za krmiljenje zvočnika je smiselno vgraditi primeren nizkofrekvenčni ojačevalnik. Kot nizkofrekvenčni ojačevalnik male moči se obnese mostični ojačevalnik MC34119, ki lahko deluje pri zelo nizkih napetostih napajanja od 2V navzgor. Mostični ojačevalnik MC34119 zahteva zvočnik nekoliko višje impedance 16Ω ali več. V prikazanem vezju daje MC34119 večinoma tokovno ojačanje. Napetostno ojačanje je v prikazani vezavi MC34119 zelo nizko. potenciometer za glasnost ni potreben, saj je nastavitev glasnosti izvedena v programu, ki teče na prekinitvah IRQ mikrokrmilnika LPC3138/01.

Kar je v govorečem voltmetru bistveno, nizkofrekvenčni ojačevalnik v nobenem primeru ne sme motiti delovanja voltmetra. Vezje MC34119 je zato vgrajeno na lastno, ločeno tiskanino. Motnje na napajanju dušita tantalov elektrolitski kondenzator 150μF in upor 22Ω:

Medsebojna vezava posameznih enot zgovornega voltmetra: mikrokrmilnik LPC3138/01, analogni vhod LMC6482, nizkofrekvenčni ojačevalnik MC34119 in preprost napajalnik za 12V z vezjem 7805, je prikazana na spodnjem načrtu:

V primeru dovolj majhne porabe (vprašljivi sta osvetlitev LCD in ojačevalnik za zvočnik) je možno celo napajanje celotnega vezja preko USB. Nizkofrekvenčni ojačevalnik krmili izhod DAC (AOUT oziroma P0.25). Tokovni vir 1mA vključi open-drain izhod P0.2.

Mikrokrmilnik LPC2138/01 vsebuje dva neodvisna A/D pretvornika AD0 in AD1, ki med sabo nista nujno popolnoma enaka. Najbolj vidna posledica je odstopanje ničle voltmetra. Učinkovit protiukrep je medsebojna zamenjava A/D pretvornikov vsak lihi cikel meritve. V sodih ciklih prekinitev FIQ signal +ADC krmili vhod AD0.7 (P0.5) in signal -ADC krmili vhod AD1.0 (P0.6). V lihih ciklih prekinitev FIQ signal +ADC krmili vhod AD1.1 (P0.8) in signal -ADC krmili vhod AD0.6 (P0.4). V povprečju 49152 prekinitev FIQ se razlike med AD0 in AD1 izničijo (autozero). Prekinitev FIQ istočasno proži oba pretvornika AD0 in AD1, ker so v tem primeru medsebojne motnje najmanjše.

Zgovorni voltmeter je izdelan na štirih enostranskih tiskanih vezjih analogni vhod, mikrokrmilnik, nizkofrekvenčni ojačevalnik in tipke:

Spodnji strani tiskanin nizkofrekvenčnega ojačevalnika in analognega vhoda vsebujeta vse SMD gradnike:

Gornji strani tiskanin nizkofrekvenčnega ojačevalnika in analognega vhoda vsebujeta le vtičnice, trimerje in svetlečo diodo:

Podatkovni listi gradnikov dodatnih enot so zbrani v zapisu ".zip". Mikrokrmilnik je lahko zgrajen tudi na industrijsko izdelanem tiskanem vezju:

Enote zgovornega voltmetra so vgrajene v ohišje iz aluminijeve pločevine širine 200mm, višine 45mm in globine 100mm:

Dno ohišja je izdelano iz aluminijeve pločevine debeline 1mm:

Pokrov iz aluminijeve pločevine debeline 0.6mm je pritrjen s štirimi samoreznimi vijaki 2.2mmX6.5mm. Na prednji plošči so nameščeni vhodna BNC vtičnica, LCD modul in tipke:

Zadnja stena višine 45mm omogoča vgradnjo zvočnika premera 40mm in obe vtičnici USB-B in napajanje +12V:

BNC vtičnica na prednji plošči je namenjena uporabi standardne sonde za osciloskop oziroma vzporedni vezavi zgovornega voltmetra in osciloskopa, saj se ta dva merilnika učinkovito dopolnjujeta med sabo:

Standardna sonda za osciloskop je opremljena s preklopnikom 1:1 ali 1:10. V nastavitvi 1:10 sonda vključi dodaten zaporedni upor 9MΩ, kar vnaša deljenje 1:10 na standardno vhodno upornost osciloskopa 1MΩ. Ker je vhodna upornost voltmetra nad 10MΩ, brez vzporedne vezave osciloskopa potrebujemo na vhodu vzporedni upor 1.1MΩ (dva upora 2.2MΩ vezana vzporedno v BNC vtikač) za delilno razmerje 1:10:

Programska oprema zgovornega voltmetra uporablja dobro četrtino pomnilnika FLASH mikrokrmilnika LPC2138/01. Večino pomnilnika zasedajo posamezne besede govornih sporočil v obliki zapisov ".wav". Jezik oziroma govorca lahko preprosto zamenjamo z novimi zapisi ".wav". Ohranimo le imena zapisov, kot so navedena v izvorniku v zbirniku, da jih odprtokodni prevajalnik Gnu (as, ld in objcopy) vstavi v končno strojno kodo ".hex".

Način delovanja zgovornega voltmetra upravljamo preko štirih tipk na prednji plošči. Pritisk ene same tipke pomeni izbiro merjene veličine: povprečna (enosmerna) vrednost, maksimalna vrednost, minimalna vrednost ali pa razpon vrh-vrh, vse znotraj ene merilne periode 49152 prekinitev FIQ. Hkratni pritisk dveh tipk, skupaj šest možnih ukazov, omogoča nastavitev glasnosti, mejne frekvence vgrajenega nizkoprepustnega sita ter vklop ali izklop tokovnega vira 1mA. Po opravljeni nastavitvi glasnosti, frekvence ali vira je treba ponovno izbrati eno od štirih merjenih veličin s pritiskom ene same tipke.

Vse opisane nastavitve lahko opravimo tudi preko zaporednega vmesnika UART0, 9600bps, 1 stop bit, brez paritete, ki je vezan na virtualni FTDI COM port. Vsak ukaz predstavlja en sam ASCII znak. Male oziroma velike črke učinkujejo enako. Ob vklopu so privzete nastavitve meritev povprečne vrednosti, sito 2 oziroma pasovna širina 4kHz, izključen tokovni vir in glasnost 5:

Zgovorni voltmeter prikaže rezultat meritve na štiri načine: številska vrednost kot govor, številska vrednost na LCD, rastoči stolpec na LCD in številska vrednost preko UART0. Umetni govor vedno vsebuje številsko vrednost izmerjene napetosti in pripadajočo mersko enoto "volta", "maks", "min" ali "vrhvrh". Dodatno lahko umetni govor vsebuje predznak "minus" na začetku in lahko javi napako prekoračitve "preko" na koncu sporočila. Govor vedno vsebuje rezultat najbolj sveže meritve ob začetku govora. Seveda se med izgovarjanjem besed rezultat meritve spreminja na LCD in UART0, ki se lahko odzoveta hitreje.

A/D pretvornika mikrokrmilnika LPC2138/01 omogočata skupno ločljivost 11bit za razpon vhodnih napetosti -15V...+15V oziroma skupaj 30V, kar deljeno z 2048 daje korak meritve približno 15mV. Obilno povprečenje rezultata omogoča smiselno ločljivost 10mV za številske vrednosti. Analogni rastoči stolpec vsebuje do 48 velikih palčk, znotraj vsake palčke še 16 stopenj spodnje črtice, torej 768 možnih različnih rezultatov. Za negativne vrednosti črtice zamenjajo klicaji, torej skupno 1536 možnih različnih rezultatov ali ločljivost 20mV za analogni rastoči stopec.

Meritev sinusne napetost frekvence 500Hz z razponom slabih 17V in odmikom približno -1V daje prikazane rezultate:

Vrednost vrh-vrh je vedno pozitivna in v razponu 0V...30V. Ločljivost analognega rastočega stolpca se tedaj poslabša na 40mV:

Z vklopom vgrajenega tokovnega vira 1mA lahko izmerimo padec napetosti na svetlečih diodah oziroma uporabljamo zgovorni voltmeter kot merilnik upornosti v območju 0Ω...4kΩ z ločljivostjo 10Ω. Ker imajo standardne sonde za osciloskop vgrajen zaporedni dušilni upor v velikostnem razredu 500Ω, moramo svetleče diode oziroma drugačne merjence priključiti neposredno na vhod zgovornega voltmetra:

Končno lahko z vključenim tokovnim virom pri odprtih vhodnih sponkah preverimo napajanje merilnika, kar pri uporabi USB ni samo po sebi umevno:

Merilno območje zgovornega voltmetra -15V...+15V z ločljivostjo 10mV zadošča za večino meritev v sodobni elektroniki. Z uporabo uporovnega delilnika v sondi osciloskopa lahko to območje preprosto razširimo na -150V...+150V. Še to je preveč za neizolirano ohišje zgovornega voltmetra, kaj šele USB brez galvanske ločitve. Na drugo stran je ločljivost omejena s točnostjo operacijskih ojačevalnikov, ki lahko imajo odmik nekaj mV, kar se še pomnoži z razmerjem vhodnega uporovnega delilnika. Preklapljanje več različnih merilnih območij v tem primeru ni smiselno. Navsezadnje nima smisla konkurirati industriji multimetrov in osciloskopov, pač pa cenene tržno dosegljive merilnike dopolniti s tistim, česar sami ne znajo oziroma počnejo slabo: večina ne govori in zahteva pogled na njihov kazalec ali zaslon, večina ima težave z mešanimi signali elektronskih vezij z enosmerno in izmenično komponento, večina ne zna pomeriti svetleče diode...

* * * *