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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Minivoltímetro digital com LCD. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Tecnologia de medição O autor deste artigo investigou o desempenho de vários microcircuitos ADC da família ICL71x6 (incluindo KR572PV5) e seus análogos em uma tensão de alimentação reduzida. Usando os resultados desses estudos, ele desenvolveu o projeto original de um voltímetro digital em miniatura. Com base no microcircuito ADC MAX130, pertencente à família de microcircuitos ICL71x6, foi desenvolvido um voltímetro miniatura com quatro limites de medição: 200 mV, 2, 20 e 200 V. O circuito principal do dispositivo é mostrado na fig. 1.
A aparência do voltímetro é mostrada na fig. 2.
A escolha desta série de microcircuitos é explicada pelo fato de que seu limite de operação em uma tensão de alimentação reduzida coincide aproximadamente com a tensão limite de um detector de desligamento barato e acessível - o microcircuito KR1171SP42. A utilização deste detector permite evitar medições erradas quando a tensão de alimentação cai abaixo de um determinado nível. O consumo de corrente significativamente menor em comparação com o ICL7106 (KR572PV5) tornou possível aumentar a duração da operação do voltímetro mesmo ao usar uma bateria de tamanho pequeno. A uma frequência de quartzo de 32,768 kHz, o voltímetro dá cerca de 2 (32768/16000) leituras por segundo. A frequência do sinal VR é de aproximadamente 40 Hz (32768/800). Para a instância do microcircuito MAX130CPL usado no minivoltímetro, a tensão operacional mínima na qual a precisão da medição ainda é mantida é de 4,27 V. Portanto, das dez instâncias disponíveis dos detectores 1171SP42 (e eles têm um propagação significativa na tensão de resposta), uma instância com a tensão de resposta foi escolhida Us = 4,3 V e histerese 60 mV (off voltage - aprox. 4,36 V). A precisão de um ADC está amplamente relacionada à qualidade dos capacitores usados no ADC. Na documentação da empresa e nos artigos sobre o uso do ADC ICL71xx, recomenda-se o uso de capacitores com baixo coeficiente de absorção no dielétrico. Se for utilizado um capacitor cerâmico como C6 (capacitância do circuito integrador), o erro de linearidade da conversão será da ordem de 0,1%, e com dielétrico de poliestireno e polipropileno, 0,01% e 0,001%, respectivamente. Dos capacitores domésticos, K71-4, K71-5, K72P-6, K72-9, K73P-7, K73-16, K73-17 podem ser recomendados. Os capacitores C4 no nó de correção zero e C2 com uma tensão de referência podem ser usados com um dielétrico de tereftalato de polietileno. Para referência: capacitores dos grupos K70-xx e K71-xx - com dielétrico de poliestireno, grupos K72-xx - fluoroplástico, K73-xx - polietileno tereftalato, K78-xx - polipropileno. O voltímetro é montado em uma placa de circuito impresso breadboard, cujas dimensões coincidem com as dimensões do indicador. O chip ADC está localizado sob o indicador e o restante dos elementos está localizado no verso da placa de ensaio. Todos os resistores, exceto o divisor de entrada, são resistores de chip 0805. A instalação é feita com um fio fino. A placa do voltímetro é instalada em uma caixa de estanho com dimensões de 80x35x15 mm. Em frente ao indicador, há uma janela na caixa, na qual é colada uma placa de plástico transparente (da tampa da caixa do CD). Dimensões do compartimento da bateria - 35x15x15 mm. Para obter uma tensão de referência de 100 mV, são utilizados os elementos R1, VD1, R3, R5, R6. O desempenho do diodo zener integrado AD1580ART (Ist min = 50 µA!) é ligeiramente melhor que o do RER1004 (LM385) e está disponível em um pacote SOT-23 em miniatura. Uma tensão exemplar de 100 mV é ajustada através do resistor R5 ajustando o resistor de ajuste R6. Um voltímetro para quatro limites de medição de tensão foi feito sem um interruptor especial: um divisor de tensão externo embutido no conector da sonda de medição é conectado ao conector XP1. O circuito divisor de entrada é mostrado na fig. 3, e na fig. 4 mostra seu design. A transição para outro limite de medição pode ser realizada desconectando a sonda com divisor do conector XP1 do voltímetro, girando a sonda 90 graus e conectando novamente os dois nós.
A impedância de entrada do voltímetro com um divisor de tensão conectado é de 11,1 MΩ (sem divisor - cerca de 100 MΩ). É melhor usar resistores C2-29V 0,062 ou 0,125 W com tolerância de 0,1% no divisor de tensão de entrada. As resistências dos resistores divisores são escolhidas como múltiplos de 10, o que facilita sua seleção. A resistência do braço inferior do divisor neste caso deve ser de 11,11 kOhm; essa classificação existe para resistores C2-29V (linha E192). Você pode usar o conselho de [1] e conectar em paralelo dois resistores com classificações da série E24 de 12 kOhm e 150 kOhm (é importante escolher um valor de 11,11 kOhm). Ao instalar resistores com tolerância de 0,1% no divisor, nenhuma seleção adicional é necessária. Infelizmente, é impossível encontrar um pequeno resistor preciso com um valor nominal de 10 MΩ. Portanto, tive que fazer um resistor caseiro com resistores de chip 0805. O circuito e o design desse resistor são mostrados na fig. 5a e fig. 5 B.
Os resistores R1 '= 8,2 MΩ e R1 "= 1,8 MΩ devem ser selecionados com uma tolerância negativa. Se o desvio for de cerca de 0,1% (este é um valor bastante possível para resistores de chip com tolerância de 1%), então os outros dois resistores deve ter as classificações indicadas na Fig. 5, a. O resistor R1 * é soldado por cima ao resistor R1 "'. O tamanho da estrutura corresponde aproximadamente aos resistores C2-23 0,125 ou 0,25 watts. A tensão máxima permitida na entrada do divisor é determinada pela tensão máxima permitida do resistor do chip 0805 R1 'e, de acordo com os dados do passaporte, é de 300 V. A tensão operacional dos resistores do chip não deve exceder 150 V. Dado que a resistência do resistor R1' é 8,2 MΩ / 11,1 MΩ \u73,8d 150% da impedância do divisor, então a tensão operacional do divisor é 0,73 V / 203 \u10d 1,999 V, que corresponde ao limite máximo de medição de o minivoltímetro. Você pode ajustar o resistor de 200 MΩ de acordo com as leituras de um ohmímetro preciso ou medindo a tensão calibrada de 10 V com um voltímetro preciso no divisor montado. Naturalmente, o próprio minivoltímetro deve ser ajustado para um limite de 71 mV. Em princípio, a primeira opção de ajuste do ohmímetro não pode dar um bom resultado, pois sempre há uma corrente de entrada que cria uma queda de tensão perceptível no resistor de 31 MΩ. Mas as correntes de entrada da família de microcircuitos ICL2xx são tão pequenas que os resultados para uma indicação de XNUMX/XNUMX dígitos são bastante satisfatórios. Não é recomendado ajustar o divisor conectando um multímetro em seus passos, mesmo que seja uma ordem de grandeza mais precisa, pois pode ocorrer algum erro devido ao divisor de tensão interno, que não desliga nem no limite inferior. Antes de encher a estrutura da sonda com resina epóxi, recomenda-se enxaguar bem o resistor de 10 MΩ e todo o divisor com uma mistura de álcool-gasolina, água e xampu e secar bem. Para isso, é conveniente usar um secador de cabelo com temperatura do ar em sua saída na faixa de 70 ... 90 ° C. Deve-se tomar cuidado para garantir que o epóxi não escorra para o corpo dos conectores macho PBD-8. A segunda sonda de entrada do voltímetro com um clipe de crocodilo no final é conectada ao conector KhRS. Como a entrada de 200 mV também está conectada ao mesmo conector, ela pode ser usada para conectar um voltímetro a vários acessórios externos ou simplesmente como um indicador com uma grande resistência de entrada e uma escala de 200 mV. O divisor de tensão é desconectado do conector XP1, portanto, a posição do ponto decimal pode ser definida no conector XP1 com um jumper convencional. A caixa de metal do voltímetro não possui conexões com a parte elétrica do dispositivo, mas há um contato "caixa" no conector KhRZ. Você pode usá-lo dependendo da situação (por exemplo, com alto nível de interferência). O esquema e o desenho da sonda negativa são mostrados na fig. 6.
O voltímetro usa um indicador LCD ITS-0803 da INTECH [2]. Suas dimensões são 51x30,5 mm. A imagem já aparece na tensão de 2 ... 2,1 V, e o indicador atinge o contraste máximo do sinal em relação ao fundo (em IZhTs5-4/8 o contraste é pior) na tensão de alimentação de 3 .. 3.3 V. Este tipo de indicador pode ser chamado de padrão, pois seus equivalentes completos são produzidos por diversas empresas (Standish, Epson). A finalidade e a localização dos pinos e segmentos são mostradas na fig. 7.
O indicador mais comum, PLI5-4/8, pode ser usado, mas não recomendado. A imagem dos segmentos aparece, começando com uma tensão de 2,5 ... 2,7 V, mas o contraste máximo é alcançado apenas com um valor de tensão de 4,3 ... 4,8 V. Além disso, este indicador não possui um segmento "Bateria fraca". Existe um análogo deste LCD com o nome "Sobol", cujas características são melhores e o preço é mais alto. Um bom indicador é o IZHTS14-4/7 da planta Refletor. Funciona bem em 3V, mas tem 50 pinos, muitos segmentos extras e, portanto, é maior que o ITS-0803. Existe um segmento de caractere "LB". Informações sobre esses componentes também podem ser encontradas no site [2]. Se não houver segmento "LOW BATTERY" no LCD, um LED pode ser usado na unidade de indicação de bateria fraca; o circuito de controle de tensão para este caso é mostrado na fig. 8. É desejável escolher um LED com uma corrente operacional mínima. O LED L-934SRC mostrado no diagrama é vermelho, muito brilhante (King Bright). Funciona bem com uma corrente contínua de 200 ... 300 μA!
O transistor VT2 inverte o sinal de BP e é usado para ligar os pontos decimais no indicador. O ponto necessário no limite de corrente é ligado por um jumper no conector XS2 do divisor de tensão externo. O mesmo sinal BP invertido (indicado como DP0 no diagrama) pode ser aplicado ao segmento LCD "Low Battery" por meio de uma chave no transistor VT1. O estado da chave (on/off) é controlado pelo detector de subtensão DA1. Os resistores R4, R7, R10, R11 (com uma resistência de 5 ... 10 MΩ) são instalados para excluir a "luz de fundo" dos segmentos não utilizados. Na maioria dos casos, o indicador funciona bem sem esses resistores. As dimensões do compartimento de energia, ligadas à largura do indicador usado, permitem que você instale no dispositivo baterias 4LR44, A544, V34PX, PX28A, 4SR44 com tensão de 6 V. 13 V. Eles são bastante comuns e são usados em ponteiros laser e no brinquedo infantil "Tomagotchi". Uma mola suficientemente longa é instalada no compartimento, o que permite o uso de três ou quatro elementos de disco. Com quatro elementos, a tensão de descarga final é de 4,3 V / 4 \u1,07d 1,43 V. Quando apenas três elementos são ligados, sua capacidade não é totalmente utilizada (a tensão mínima permitida é de cerca de 131 V). O baixo consumo de corrente (especialmente para MAX5) permite instalar um conjunto de células "frescas" e parcialmente descarregadas para um aproveitamento mais completo da sua capacidade. Com algum esforço, até 0,9 peças de células totalmente descarregadas (5 V x 4,5 \uXNUMXd XNUMX V) podem ser colocadas no compartimento e o voltímetro funcionará bem. A capacidade das células galvânicas alcalinas e baterias desses tipos é de aproximadamente 100 mAh e prata-zinco - 160 mAh. Isso significa que o tempo de operação estimado do voltímetro de uma bateria com um consumo médio de corrente de cerca de 220 μA (MAX130) será de cerca de 500 para alcalinas e 800 horas para baterias de prata-zinco. Para outros tipos de microcircuitos desta família ADC, você pode estimar o tempo de operação com base no consumo atual. O erro do voltímetro no limite de 200 mV corresponde à capacidade do indicador LCD, ou seja, todos os números do indicador são precisos (testado com um voltímetro DT41F + 2/930 dígitos, classe de precisão 0,05), que, de claro, não é mérito do autor, mas a alta qualidade da fabricação do MAXIM ADC e uma fonte de tensão de referência Analog Devices. Como a tensão do ION medida no voltímetro sintonizado era ligeiramente inferior ao valor calculado (cerca de 99,98 mV), a não linearidade do dispositivo que inevitavelmente ocorre com esse método de correção da absorção no capacitor está além de 3 1/2 dígitos do indicador. A ausência de uma diferença perceptível nas leituras nos pontos finais da escala (menos de 1/2 do dígito menos significativo do indicador) neste caso é apenas um acidente agradável. Nos (três) limites restantes, o erro será determinado pela qualidade de fabricação do divisor de tensão. O autor está ciente de alguma ambigüidade no material apresentado neste artigo. Por um lado, considera-se o uso de um chip ADC no projeto de um dispositivo, que não pode ser considerado senão como um rádio amador, uma vez que o modo de alimentação do microcircuito não atende às recomendações do fabricante. Por outro lado, o autor tem à sua disposição os resultados de um estudo bastante aprofundado das fontes de erro, que não foi incluído neste artigo. Ao mesmo tempo, o autor afirma que duas dezenas de cópias de microcircuitos de diferentes tipos da família ICL71x6 funcionam normalmente no circuito de comutação proposto. No entanto, o autor não pode dar nenhuma conclusão generalizante sobre o desempenho de todos os microcircuitos deste grupo de ADCs neste artigo. Para si mesmo, o autor, no entanto, fez uma certa conclusão. Se em um projeto amador ou industrial for necessário conectar um microcircuito da família ICL71x6 a um dispositivo com tensão de alimentação de 5 ... 6 V, você pode usar o ADC sem conversores de polaridade, levando em consideração a margem de tensão de alimentação. Literatura
Autor: O. Fedorov, Moscou
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