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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Mini-voltímetro digital con LCD. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Tecnología de medición El autor de este artículo investigó el rendimiento de una serie de microcircuitos ADC de la familia ICL71x6 (incluido el KR572PV5) y sus análogos con una tensión de alimentación reducida. Utilizando los resultados de estos estudios, desarrolló el diseño original de un voltímetro digital en miniatura. Sobre la base del microcircuito ADC MAX130, perteneciente a la familia de microcircuitos ICL71x6, se ha desarrollado un voltímetro en miniatura con cuatro límites de medición: 200 mV, 2, 20 y 200 V. El circuito principal del dispositivo se muestra en la fig. 1.
La apariencia del voltímetro se muestra en la fig. 2.
La elección de esta serie de microcircuitos se explica por el hecho de que su límite de operabilidad con un voltaje de suministro reducido coincide aproximadamente con el voltaje umbral de un detector de apagado económico y asequible: el microcircuito KR1171SP42. El uso de este detector permite evitar mediciones erróneas cuando la tensión de alimentación desciende por debajo de un determinado nivel. El consumo de corriente significativamente más bajo en comparación con ICL7106 (KR572PV5) hizo posible aumentar la duración de la operación del voltímetro incluso cuando se usa una batería de tamaño pequeño. A una frecuencia de cuarzo de 32,768 kHz, el voltímetro da alrededor de 2 (32768/16000) lecturas por segundo. La frecuencia de la señal VR es de aproximadamente 40 Hz (32768/800). Para la instancia del microcircuito MAX130CPL utilizado en el minivoltímetro, el voltaje de funcionamiento mínimo en el que aún se mantiene la precisión de la medición resultó ser 4,27 V. Por lo tanto, de las diez instancias disponibles de los detectores 1171SP42 (y tienen un dispersión significativa en el voltaje de respuesta), se eligió una instancia con el voltaje de respuesta Us = 4,3 V e histéresis de 60 mV (sin voltaje - aprox. 4,36 V). La precisión de un ADC está relacionada en gran medida con la calidad de los condensadores utilizados en el ADC. En la documentación y artículos de la empresa sobre el uso del ADC ICL71xx, se recomienda utilizar condensadores con un bajo coeficiente de absorción en el dieléctrico. Si se utiliza un capacitor cerámico como C6 (capacitancia del circuito integrador), el error de linealidad de conversión será del orden de 0,1%, y con un dieléctrico de poliestireno y polipropileno, 0,01% y 0,001%, respectivamente. De los condensadores domésticos, se pueden recomendar K71-4, K71-5, K72P-6, K72-9, K73P-7, K73-16, K73-17. Los condensadores C4 en el nodo de corrección cero y C2 con un voltaje de referencia se pueden usar con un dieléctrico de tereftalato de polietileno. Para referencia: condensadores de los grupos K70-xx y K71-xx - con dieléctrico de poliestireno, grupos K72-xx - fluoroplástico, K73-xx - tereftalato de polietileno, K78-xx - polipropileno. El voltímetro se ensambla en una placa de circuito impreso de placa de pruebas, cuyas dimensiones coinciden con las dimensiones del indicador. El chip ADC se encuentra debajo del indicador y el resto de los elementos se colocan en el reverso de la placa de prueba. Todas las resistencias, excepto el divisor de entrada, son resistencias de chip 0805. La instalación se realiza con un cable delgado. La placa del voltímetro está instalada en una caja de hojalata con dimensiones de 80x35x15 mm. Frente al indicador, hay una ventana en la caja, en la que está pegada una placa de plástico transparente (desde la tapa de la caja del CD). Dimensiones del compartimento de la batería - 35x15x15 mm. Para obtener una tensión de referencia de 100 mV se utilizan los elementos R1, VD1, R3, R5, R6. El rendimiento del diodo zener integrado AD1580ART (Ist min = 50 µA!) es ligeramente mejor que el del RER1004 (LM385), y está disponible en un paquete SOT-23 en miniatura. Se establece un voltaje ejemplar de 100 mV a través de la resistencia R5 ajustando la resistencia de sintonización R6. Se fabricó un voltímetro para cuatro límites de medición de voltaje sin un interruptor especial: un divisor de voltaje externo integrado en el conector de la sonda de medición se conecta al conector XP1. El circuito divisor de entrada se muestra en la fig. 3, y en la fig. 4 muestra su diseño. La transición a otro límite de medición se puede realizar desconectando la sonda con un divisor del conector XP1 del voltímetro, girando la sonda 90 grados y conectando nuevamente ambos nodos.
La impedancia de entrada del voltímetro con un divisor de tensión conectado es de 11,1 MΩ (sin divisor, unos 100 MΩ). Lo mejor es usar resistencias C2-29V 0,062 o 0,125 W con una tolerancia de 0,1% en el divisor de voltaje de entrada. Las resistencias de las resistencias divisoras se eligen como múltiplos de 10, lo que facilita su selección. La resistencia del brazo inferior del divisor en este caso debe ser de 11,11 kOhm; existe tal clasificación para las resistencias C2-29V (fila E192). Puede utilizar los consejos de [1] y conectar en paralelo dos resistencias con valores nominales de la serie E24 de 12 kOhm y 150 kOhm (es importante elegir un valor de 11,11 kOhm). Al instalar resistencias con una tolerancia del 0,1% en el divisor, no se requiere una selección adicional. Desafortunadamente, es imposible encontrar una pequeña resistencia precisa con un valor nominal de 10 MΩ. Por lo tanto, tuve que hacer una resistencia casera a partir de resistencias de chip 0805. El circuito y el diseño de dicha resistencia se muestran en la fig. 5a y la figura. 5B.
Las resistencias R1 '= 8,2 MΩ y R1 "= 1,8 MΩ deben seleccionarse con una tolerancia negativa. Si la desviación es de aproximadamente 0,1% (este es un valor bastante posible para resistencias de chip con una tolerancia de 1%), entonces las otras dos resistencias debe tener las clasificaciones indicadas en la Fig. 5, a. La resistencia R1 * está soldada desde arriba a la resistencia R1 "'. El tamaño de la estructura corresponde aproximadamente a las resistencias C2-23 0,125 o 0,25 vatios. El voltaje máximo permitido en la entrada del divisor está determinado por el voltaje máximo permitido de la resistencia de chip 0805 R1 'y, según los datos del pasaporte, es de 300 V. El voltaje de funcionamiento de las resistencias de chip no debe exceder los 150 V. Dado que la resistencia de la resistencia R1' es 8,2 MΩ / 11,1 MΩ \u73,8d 150% de la impedancia del divisor, entonces el voltaje de operación del divisor es 0,73 V / 203 \u10d 1,999 V, que corresponde al límite máximo de medición de el mini-voltímetro. Puede ajustar la resistencia de 200 MΩ de acuerdo con las lecturas de un ohmímetro de precisión o midiendo el voltaje calibrado de 10 V con un voltímetro de precisión en el divisor ensamblado. Naturalmente, el minivoltímetro en sí debe ajustarse a un límite de 71 mV. En principio, la primera opción de ajuste del ohmímetro no puede dar un buen resultado, ya que siempre hay una corriente de entrada que crea una caída de voltaje notable en la resistencia de 31 MΩ. Pero las corrientes de entrada de la familia de microcircuitos ICL2xx son tan pequeñas que los resultados para una indicación de XNUMX/XNUMX dígitos son bastante satisfactorios. No se recomienda ajustar el divisor conectando un multímetro a sus pasos, aunque sea un orden de magnitud más preciso, ya que puede ocurrir algún error debido al divisor de voltaje interno, que no se apaga incluso en el límite inferior. Antes de llenar la estructura de la sonda con resina epoxi, se recomienda enjuagar bien la resistencia de 10 MΩ y todo el divisor con una mezcla de alcohol y gasolina, agua y champú y secar bien. Para ello, es conveniente utilizar un secador de pelo a una temperatura del aire en su salida en el rango de 70…90°C. Se debe tener cuidado para asegurarse de que el epoxi no fluya hacia el cuerpo de los conectores macho PBD-8. La segunda sonda de entrada del voltímetro con una pinza de cocodrilo en el extremo está conectada al conector KhRS. Dado que la entrada de 200 mV también está conectada al mismo conector, se puede usar para conectar un voltímetro a varios accesorios externos o simplemente como un indicador con una gran resistencia de entrada y una escala de 200 mV. El divisor de voltaje se desconecta del conector XP1, por lo que la posición del punto decimal se puede configurar en el conector XP1 con un puente convencional. La caja de metal del voltímetro no tiene conexiones con la parte eléctrica del dispositivo, pero hay un contacto de "caja" en el conector KhRZ. Puede usarlo según la situación (por ejemplo, con un alto nivel de interferencia). El esquema y el diseño de la sonda negativa se muestran en la fig. 6.
El voltímetro utiliza un indicador LCD ITS-0803 de INTECH [2]. Sus dimensiones son 51x30,5 mm. La imagen ya aparece con un voltaje de 2 ... 2,1 V, y el indicador alcanza el contraste máximo del letrero en relación con el fondo (en IZhTs5-4/8 el contraste es peor) con un voltaje de suministro de 3 .. 3.3 V. Este tipo de indicador puede llamarse estándar, ya que sus contrapartes completas son producidas por varias empresas (Standish, Epson). El propósito y la ubicación de los pasadores y segmentos se muestran en la fig. 7.
Se puede usar el indicador más común, PLI5-4/8, pero no se recomienda. Aparece la imagen de los segmentos, comenzando con un voltaje de 2,5 ... 2,7 V, pero el contraste máximo se logra solo con un valor de voltaje de 4,3 ... 4,8 V. Además, este indicador no tiene un segmento "Batería baja". Hay un análogo de esta pantalla LCD con el nombre "Sobol", cuyas características son mejores y el precio es más alto. Un buen indicador es IZHTS14-4/7 de la planta Reflector. Funciona bien a 3V, pero tiene 50 pines, muchos segmentos adicionales y, por lo tanto, es más grande que el ITS-0803. Hay un segmento de caracteres "LB". La información sobre estos componentes también se puede encontrar en el sitio [2]. Si no hay un segmento de "BATERÍA BAJA" en la pantalla LCD, se puede usar un LED en la unidad de indicación de batería baja; el circuito de control de voltaje para este caso se muestra en la fig. 8. Es deseable elegir un LED con una corriente de funcionamiento mínima. El LED L-934SRC que se muestra en el diagrama es rojo, muy brillante (King Bright). ¡Funciona bien con una corriente continua de 200 ... 300 μA!
El transistor VT2 invierte la señal BP y se usa para encender los puntos decimales en el indicador. El punto requerido en el límite de corriente se enciende mediante un puente en el conector XS2 del divisor de voltaje externo. La misma señal BP invertida (indicada como DP0 en el diagrama) se puede aplicar al segmento LCD "Batería baja" a través de un interruptor en el transistor VT1. El estado de la llave (encendido/apagado) es controlado por el detector de mínima tensión DA1. Las resistencias R4, R7, R10, R11 (con una resistencia de 5 ... 10 MΩ) se instalan para excluir la "luz de fondo" de los segmentos no utilizados. En la mayoría de los casos, el indicador funciona bien sin estas resistencias. Las dimensiones del compartimiento de alimentación, relacionadas con el ancho del indicador utilizado, le permiten instalar en el dispositivo baterías 4LR44, A544, V34PX, PX28A, 4SR44 con un voltaje de 6 V. 13 V. Son bastante comunes y se usan en punteros láser y el juguete infantil "Tomagotchi". Se instala un resorte suficientemente largo en el compartimiento, lo que permite el uso de tres o cuatro elementos de disco. Con cuatro elementos, el voltaje de descarga final es de 4,3 V / 4 \u1,07d 1,43 V. Cuando solo se encienden tres elementos, su capacidad no se utiliza por completo (el voltaje mínimo permitido es de aproximadamente 131 V). El bajo consumo de corriente (especialmente para MAX5) le permite instalar un conjunto de celdas "nuevas" y parcialmente descargadas para un uso más completo de su capacidad. Con un poco de esfuerzo, incluso se pueden colocar 0,9 piezas de celdas completamente descargadas (5 V x 4,5 \uXNUMXd XNUMX V) en el compartimiento, y el voltímetro funcionará bien. La capacidad de las pilas galvánicas alcalinas y las baterías de este tipo es de aproximadamente 100 mAh y plata-zinc: 160 mAh. Esto significa que el tiempo de funcionamiento estimado del voltímetro de una batería con un consumo de corriente promedio de aproximadamente 220 μA (MAX130) será de aproximadamente 500 horas para baterías alcalinas y 800 horas para baterías de plata-zinc. Para otros tipos de microcircuitos de esta familia ADC, puede estimar el tiempo de funcionamiento en función de su consumo de corriente. El error del voltímetro en el límite de 200 mV corresponde a la capacidad del indicador LCD, es decir, todos los números en el indicador son precisos (probado con un voltímetro DT41F + 2/930 dígitos, clase de precisión 0,05), que, de Por supuesto, no es el mérito del autor, sino la alta calidad de fabricación del MAXIM ADC y una fuente de voltaje de referencia de Analog Devices. Dado que el voltaje del ION medido en el voltímetro sintonizado fue ligeramente inferior al valor calculado (alrededor de 99,98 mV), la falta de linealidad del dispositivo que inevitablemente ocurre con este método de corrección de la absorción en el capacitor supera los 3 1/2 dígitos. del indicador. La ausencia de una diferencia notable en las lecturas en los puntos finales de la escala (menos de la mitad del dígito menos significativo del indicador) en este caso es solo un accidente agradable. En los (tres) límites restantes, el error estará determinado por la calidad de fabricación del divisor de tensión. El autor es consciente de cierta ambigüedad en el material presentado en este artículo. Por un lado, se considera el uso de un chip ADC en el diseño de un dispositivo, que no puede ser considerado de otra manera que como un radioaficionado, ya que el modo de alimentación del microcircuito no cumple con las recomendaciones del fabricante. Por otro lado, el autor tiene a su disposición los resultados de un estudio bastante profundo sobre las fuentes de error, que no se incluyó en este artículo. Al mismo tiempo, el autor afirma que dos docenas de microcircuitos de diferentes tipos de la familia ICL71x6 funcionan normalmente en el circuito de conmutación propuesto. Sin embargo, el autor no puede dar conclusiones generales sobre el rendimiento de todos los microcircuitos de este grupo de ADC en este artículo. Para sí mismo, el autor, sin embargo, llegó a una cierta conclusión. Si en un diseño amateur o industrial es necesario conectar un microcircuito de la familia ICL71x6 a un dispositivo con una tensión de alimentación de 5 ... 6 V, puede utilizar el ADC sin convertidores de polaridad, teniendo en cuenta el margen de tensión de alimentación. Literatura
Autor: O. Fedorov, Moscú
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