Ez az áramkör célzottan labortápegységek panelmérőjeként szolgál. 3¾ digites, automatikusan vált méréshatárt és a komoly hardveres illetve szoftveres trükköknek hála igen pontos. Hétszegmenses LED kijelzői vannak, melyek közös katódosak és közös anódosak is lehetnek! A maximálisan mérhető feszültség beállítható 40V-ra vagy 400V-ra, illetve az áram 4A-re vagy 40A-re. A méréshatár-váltás ha szükséges, kikapcsolható.
Nagyon régóta építek ICL7107 és ICL7135-ös cél IC-kkel műszereket. Most azonban hogy végre elkezdtem a PIC mikrovezérlőkkel foglalkozni, sokkal szabadabban tudok többek közt műszereket is tervezni. A fentebb említett IC-k messze elbújhatnak eme áramkör mögött.
Míg például egy ICL7107-es feszültségmérő és árammérő két darab ICL7107-et igényel, addig ehhez az áramkörhöz csupán egy PIC kell és ez működteti mindkét LED kijelzőt. Multiplexálva természetesen, s így a panelmérő áramfelvétele is kisebb a közkedvelt ICL7107-es kapcsolásokhoz képest. A mikrovezérlők némely olyan dolgot ami analóg módon nagyon nehezen kivitelezhetők, röhögve megoldanak. Ilyen például a szorzás. Ezt kihasználva a panelmérő nem csak a labortápegység kimeneti feszültségét és áramát képes kijelezni, hanem a kimeneti teljesítményt és a terhelés ellenállását is! Méréshatárt természetesen itt is vált. A PIC 12 bites A/D-t használ ami azt eredményezi hogy az ICL7107 felbontásánál nagyobb a panelmérőé. Nem 1999 a maximálisan kijelezhető érték, hanem 4000. Tehát nem 3½ digites, hanem 3¾ digites. A PIC-es panelmérő több hardveres megoldásnak (külső referencia, teliföldek, árnyékolás, csillagpontok…) és pár szoftveres trükknek hála nagyon pontos lett. Ilyen szoftveres trükk például, hogy a PIC nem 1db mintát vesz amit aztán kijelez hanem 80db-ot amiből a nyolc legkisebbet és a nyolc legnagyobbat eldobja, majd a maradék 64db-ból átlagot von és a matematika szabályai szerint kerekíti. De még nincs vége; a panelmérő automatikusan vált méréshatárt! Sajnos viszont emiatt az anyagköltsége a két kis DIL tokos reed relé borsos ára miatt magasabb, viszont úgy terveztem meg a nyákot és a PIC programját, hogy méréshatár-váltás nélkül is működni tudjon ha az utánépítő így kívánja. A panelmérő DC és AC feszültségről is tud működni, így még jobban megkönnyíti az utánépítők dolgát. Ugyanis ha a panelmérőt az utánépítő egy labortápegységbe építi bele, ott nagy esély van rá hogy a ±5V-os segédtáp-feszültségek már rendelkezésre állnak és ez esetben erről tud működni a PIC-es panelmérő, s így nem szükséges egy külön szekunder-tekercs a készülékbe. A panelmérő mérete az SMD alkatrészeknek és az alaposan átgondolt kivitelezésnek hála a lehető legkisebb lett. De még mindig nincs vége: Ha valaki netán nem hétszegmenses LED-kijelzőkkel szeretné a műszert megépíteni hanem LCD modullal, erre is lehetőség van! Hardveresen a kijelző cseréjén kívül semmiféle módosításra nincs szükség, ahogyan szoftveresen sem. Ugyan az a szoftver képes lekezelni a hétszegmenses multiplexált LED-kijelzőket és a 2x16-os LCD-modult is! Akár azt is meg lehet tenni hogy az ember megépíti hétszegmenses LED kijelzőkkel a műszert, majd pár hónap múlva úgy dönt hogy inkább LCD-re cseréli a labortápja kijelzőjét. A vezérlő-áramkörön semmit sem kell változtatni, csupán a kijelzőt kell lecserélni. A műszer által maximálisan kijelezhető ellenállás-érték LED és LCD kijelző esetén különböző, mert LCD esetén van mód mértékegységet is kijelezni. Ezért LED kijelző esetén 9999Ω a maximum, LCD esetén viszont 9999kΩ. LCD kijelzőnél van még egy különbség, ugyanis 'analóg' vonalkijelzés is bekapcsolható.
Egyetlen hátránya talán a panelmérőnek, hogy csak olyan labortápegységekbe építhető bele, amelyeknél az áramfigyelő sönt a táp pozitív ágában van.
Az áramkör működése:
Az áramkör kétféle tápfeszültség-forrásról képes működni. Egyrészt 12V váltakozófeszültségről, melyet a nyákon a JP3-as csatlakozón kapcsolunk a panelra. D7, D8 diódák ezt kétszer félutasan egyenirányítják, majd C12, C13 elektrolit-kondenzátorok pufferolják, C8, C10 fóliakondenzátorok pedig szűrik. A negatív ágban az IC6-os 79L05-ös integrált feszültség-stabilizátor -5V-ra stabilizál, a pozitív ágban pedig az IC5-ös 7805. Előbbi TO-92, utóbbi pedig TO-220 tokozású, mert a pozitív ág terhelése lényegesen nagyobb. C9 és C11 fóliakondenzátorok ismételten szűrnek, s így már előállnak a ±5V-os tápfeszültségek. R8 és R9 0Ω-os ellenállások az analóg és digitális földek, illetve az analóg és digitális +5V-os tápfeszültségek különválasztására szolgálnak.
A tápellátás másik módja, amikor a PIC-es panelmérő a működéséhez elengedhetetlen ±5V-os tápfeszültségeket nem önmaga állítja elő hanem kívülről kapja azt. E célt szolgálja a JP6-os csatlakozó. Ha a labortápegység amelybe a PIC-as panelmérőt építjük már előállít magának ±5V-ot, akkor azt a panelmérő ezen a csatlakozón kaphatja meg. A csatlakozó lábkiosztása a következő: -5V, DGND, AGND, digitális +5V, analóg +5V. Az analóg és digitális +5V-ok, illetve az AGND és a DGND vezetékek kizárólag a labortápegység ±5V-os segédtáp-stabilizátorainál találkozhatnak, csillagpontban! További elvárás külső tápforrás esetén, hogy a labortáp GND-je a labortáp pozitív kimeneti pontja kell hogy legyen (úgynevezett "lebegőtáp"), illetve az áramfigyelő sönt ellenállásnak továbbra is a labortáp pozitív ágában kell lennie. A PIC-es panelmérőt a jelen cikk írásakor még csak folyamatban lévő "Labortápegység II." áramkör kiegészítő moduljaként szántam, az a labortáp majd fel lesz készítve jelen panelmérő közvetlen 'fogadására', amikor is a labortápegység saját ±5V-os segédtápját fogja használni saját maga működtetésére.
A két mérendő jel (feszültség és áram) a JP2-es csatlakozón kerül a panelra. A mérendő feszültség az R18, P1, R17 és az R22, P4, R21-es ellenállásokból álló két osztóra kerül, melyek közül a K2-es kis reed-relé választja ki hogy melyik kerüljön az IC4 (OP07) bemenetére. A két helitrimmer (P1, P4) a két feszültség-méréshatár pontos beállítására szolgál. Ha nem akarunk méréshatár-váltást választani, akkor az R22, P4, R21 és K2 alkatrészeket be sem kell forrasztanunk a nyákba. Ez azért jó mert a kis Hamlin reed-relé elég drága és jócskán megdobja a műszer anyagköltségét. Ennek kihagyása esetén viszont a J3-as jumpert, ami a nyákon van kialakítva két egymás mellett lévő kis fóliasziget formájában, egy ónhíddal rövidre kell zárnunk. A mérendő feszültséggel arányos jelet ez után C7 fóliakondenzátor még megszűri, majd az IC4 bemenetére jut. IC4 típusa OP07, amely egy viszonylag alacsony offsetű és driftű műveleti erősítő, melynek offsetje is állítható a P2-es helitrimmerrel. Ennek nagy jelentőssége van, de erről majd később. IC4 erősítése valamivel több mint -1. Azért, mert a két osztóra kerülő jel negatív előjelű, a PIC belső A/D-ja pedig csak pozitív jelet képes mérni. Erősítése pedig azért több mint 1, hogy a legkisebb 4V-os méréshatárban is be lehessen állítani a pontos kijelzést. Az IC4 kimeneti jelét az R16-C6 alkatrészekből álló integráló tag szűri, D3 dióda pedig megakadályozza hogy a műszer bekapcsolásakor tranziens formájában negatív feszültség kerüljön a PIC AN1-es bemenetére.
A labortápegység áramkörében lévő áramfigyelő söntellenállást használja fel a PIC-es panelmérő az áram mérésére azért, hogy ne kelljen egy külön söntöt még az áram útjába tenni. Ettől egyrészt nőne a labortáp disszipációja, kisebb lenne a hatásfoka és nem utolsó sorban romlana a szabályozási viselkedése. Ezért a PIC-es panelmérőnek nincs saját árammérő söntje. A labortáp söntjének 4A kimenő áramig 0,1Ω-nak, 4A feletti kimenő áram esetén pedig 0,01Ω-nak kell lennie. Ha netán más értékű lenne, akkor az IC2 visszacsatoló ágaiban lévő ellenállások értékeinek változtatásával ez módosítható. A labortápegység söntjéről a jel a JP2 csatlakozó középső lábán jut el az IC2 nem invertáló bemenetére. A jel erősítését R23, P5 és R25, P6 állítják be a két méréshatárhoz. Ha nem akarunk méréshatár-váltást választani, akkor az R25, P6 és K1 alkatrészeket be sem kell forrasztanunk a nyákba. Ez azért jó mert a kis Hamlin reed-relé elég drága és jócskán megdobja a műszer anyagköltségét. Ennek kihagyása esetén viszont a J4-es jumpert, ami a nyákon van kialakítva két egymás mellett lévő kis fóliasziget formájában, egy ónhíddal rövidre kell zárnunk. P3 trimmerrel az IC2 offsetjét tudjuk beállítani, de erről majd később. Az IC2 kimeneti jelét az R26-C15 alkatrészekből álló integráló tag illetve C5 szűri, D4 dióda pedig megakadályozza hogy a műszer bekapcsolásakor tranziens formájában negatív feszültség kerüljön a PIC AN0-ás bemenetére.
A precizitás miatt a PIC külső referenciaforrást használ IC3 formájában. Ez egy viszonylag drága (kb. 800Ft), de cserébe 10ppm/C°-os, 4096mV±0,24%-os referenciaforrás. Ez adja a PIC-nek a referenciát a VREF- és VREF+ lábaira. A PIC AN0 és AN1 bemeneteinek végkitérése így 4096mV, valójában viszont csak kereken 4000mV lesz. C3 és C4 kondenzátorok feladata a szűrés.
Az áramkör lelke természetesen az IC1, azaz a PIC18F2423. Minden dolgot ami nem analóg, azt ő végzi. A PIC18F2423 jelen áramkörben fontos tulajdonsága, hogy saját belső A/D átalakítója 12 bites. Ezt kihasználva tud 3¾ digites lenni a PIC-es panelmérő. A PIC belső oszcillátort használ, ezért nincs az áramkörben kvarc oszcillátor. Ezen megoldásra azért volt szükség, mert szűkében voltam az I/O lábakkal. A LED kijelző szegmensei a PORTB -re vannak kötve, az egyes digiteket pedig a PORTC vezérli. Ezen két port a panel szélén lévő csatlakozósoron kapcsolódik a hétszegmenses kijelző-mátrix panelra egy 17. vezeték kíséretében. Ennek a 17. vezetéknek a potenciálját a J2 nevű, a nyákon fóliaszigetek formájában kialakított jumper segítségével választhatjuk ki hogy DGND vagy +5V legyen-e. Ez a vezeték aztán a digiteket kapcsoló tranzisztorok emitterére kerül. Erre azért van szükség, hogy közös anódos és közös katódos kijelzőket is lehessen használni. A 17. vezetősáv a tranzisztorok emitterén kívül a PIC PORTA5-ös bemenetére is odakerül, a mikrovezérlő innen tudja hogy közös anódos vagy közös katódos kijelzőket kell-e vezérelnie. Közös anódos esetén ugyanis értelem-szerűen a szegmensek jelét negáltan adja ki. A PORTA6 és PORTA7-es lábakon a PIC a méréshatár-váltásért felelős K1 és K2 reed-reléket kapcsolja. Azonban ezekre a lábakra vannak még kötve a J5-ös és a J6-os, nyákon kialakított jumperek. Ezekkel a panelmérő maximális mérendő feszültsége és árama állítható be. A PORTE3 láb egyrészt a programozásért felelős, másrést viszont a J1-es jumper segítségével beállítható, hogy a panelmérő váltson-e automatikusan méréshatárt vagy sem. A most felsorolt J1, J2, J5 és J6 jumperek mind a PIC-es panelmérő működési módjának beállítására szolgálnak. Ezen állapotokat a PIC rögtön a bekapcsolása után gyorsan beolvassa, majd eszerint beállítja magát. PORTA6 és PORTA7 lábak ezek után kimenetté konfigurálódnak és így vezérlik K1 és a K2 reléket. A JP4-es csatlakozón keresztül a PIC-et tudjuk felprogramozni. A JP5-ös csatlakozóra egy külső kapcsolót köthetünk, mellyel a panelmérő kijelzés-módját változtathatjuk meg. LED kijelző esetén ugyanis a mikrovezérlő a felső kijelzőre a feszültséget írja ki, az alsóra pedig az áramot. Ha viszont a JP5 csatlakozóra kötött kapcsolót átkapcsoljuk, akkor a kijelzés átvált és a felső kijelzőn a labortáp kimeneti teljesítményét, az alsó kijelzőn pedig a terhelés ellenállás-értékét írja ki. LCD kijelző használata esetén alapból kiírja mind a négy értéket a PIC, a kapcsoló átkapcsolásával viszont az alsó sorban 'analóg' vonalkijelzéssel jelenik meg az áram.
Az áramkör megépítése:
Jelenleg, amíg a PIC-es panelmérő fejlesztésébe fektetett összeg vissza nem térül, addig a műszer szoftverét nem teszem közzé. Ezért a beégetett PIC-hez csak tőlem, megrendelés útján lehet hozzájutni 1650Ft+postaköltség áron. Erről bővebbenITT lehet olvasni.
Az áramkör utánépítését természetesen a nyáklapok elkészítésével kezdjük. A PIC-es panelmérő két nyáklapon került megépítésre; az egyik a kétoldalas vezérlőpanel, a másik pedig az egyoldalas kijelző-panel. Ha a hétszegmenses LED-kijelzők helyett LCD modult szeretnénk használni akkor csak a vezérlőpanelt kell elkészítenünk. A nyáklapok legyártására én a laminálós módszert javaslom. A vezérlőpanel beültetését az SMD alkatrészekkel kezdjük. Ne feledjük, hogy Az R17, R18, R21, R22, P1 és P4 alkatrészek értékei függnek a használni kívánt méréshatároktól! A felületszerelt alkatrészek felforrasztása után a nyákot állítsuk az élére és kis alkatrészláb-darabokat dugdossunk át az összes VIA-n. Azért kell élére állítani a panelt hogy ezek a kis drót-darabkák ne essenek ki belőle. Ha minden VIA-ba (átkötésbe) drót került, akkor forrasszuk be ezeket a nyák mindkét oldalán, majd csipkedjük le őket tőben! Ez után forrasszuk csak be a furatszerelt alkatrészeket. Ha LCD modult használunk kijelzőnek, akkor a panel szélén lévő csatlakozósorba ültessünk egy 13 pólusú tápcsatlakozót ÍGY. Ha a hétszegmenses LED-kijelzőket választjuk, akkor ültessük be a kijelző-panelt szintén az SMD alkatrészekkel kezdve. Ha közös katódos kijelzőket szeretnénk használni akkor a tranzisztoroknak NPN-nek, ha közös anódosat akkor pedig PNP-nek kell lenniük. A felületszerelt alkatrészek után jöhetnek az átkötések és végül a kijelzők foglalatai és a kijelzők. Ha mindkét áramköri lappal elkészültünk akkor ellenőrizzük le hogy nincs-e valahol zárlat vagy szakadás rajtuk. Ha nincs akkor az 5mm-es távtartókon keresztül csavarozzuk egymáshoz a két nyákot és a panelok szélein lévő 17 eres csatlakozósoron dugjunk át 1-1db lecsípett alkatrészlábat átkötésként, és forrasszuk be őket mindkét panelon.
A műszer élesztése:
A PIC-es panelmérő vezérlőpanelján a J1, J2, J3, J4, J5 és J6 jumpereket ónhíd átfolyatásával állítsuk be, ezzel megadva a mikrovezérlőnek hogy hogyan működjön. Ha szeretnénk hogy méréshatárt váltson akkor a J1-et folyassuk össze. Ha nem akarunk méréshatár-váltást és a K1, K2 reléket sem ültettük be, akkor a J3 és J4 jumpereket is össze kell zárni! Ha közös katódos kijelzőket használunk akkor J2-t úgy folyassuk össze hogy a jumper középső részére a DGND kerüljön, közös anódos kijelzők esetén pedig a +5V. Ha azt akarjuk hogy a panelmérő 400V-osméréshatárban legyen maximum akkor J5-öt össze kell folyatni. Ha a méréshatár-váltást bekapcsoltuk akkor ezáltal a műszerünk 40V és 400V-os méréshatárokkal fog működni. Ha kikapcsoltuk a méréshatár-váltást, akkor mindig 400V-osban marad. Ha a J5-ös jumpert nem folyatjuk össze akkor méréshatár-váltás nélkül mindig 40V-osban lesz a panelmérő, de ha bekapcsoltuk a méréshatár-váltást akkor 4V-os és 40V-os méréshatárokkal fog üzemelni. Hasonló a célja a J6-os jumpernak, csak ezzel az áram-mérés méréshatárai állíthatóak be 400mA, 4A illetve 4A és 40A közt választva.
Ha LCD modult használunk akkor a vezérlőpanel szélén lévő csatlakozósor 15. és 16. vezetékét egy ónhíddal össze kell folyatni, ÍGY.
Az LCD modul a csatlakozósor 1. és 13. vezetékeire kerül. Ezek lábkiosztása a következő ábrán látható:
A nyákon réz-szigetekből kialakított, ónhidakkal összezárható jumperek így helyezkednek el:
A PIC-es panelmérő elsősorban LED kijelzőkhöz lett megtervezve, LCD kijelző csak kis kompromisszumokkal csatlakoztatható a vezérlőpanelre: Az LCD modul háttérvilágítását ugyanis a PIC nem tudja az I/O lábain keresztül ellátni mint a modul tápfeszültségét. Ezért a háttérvilágítást valahova máshova kell kötnünk. Illetve a vezérlőpanelnek nincs külön egy analóg kimenete az LCD kontrasztjának állításához, ezért ezt a VSS és a VDD lábak közé között 5k-s trimmerről oldhatjuk meg (KÉP).
Ha a műszert a jumperokkal beállítottuk és a kijelzőt is megválasztottuk, akkor már csak rá kell kapcsolni a labortápegység áramkörére. Ezt a következő rajz szerint kell megtenni:
Ha ezzel is megvagyunk, akkor kapcsoljuk be a PIC-es panelmérőt és persze a labortápegységet! A panelmérő a szoftververzió és annak dátumának kiírása után kész a mérésre. De még be kell hangolni a műszert; először is állítsuk be a labortápegység kimeneti feszültségét 0V-ra! Ezt külső digimultival mérjük, nagyon fontos hogy valóban 0V legyen (0,000V) a PIC-es panelmérő bemenetén! Ha ez megvan, akkor a P2-es trimmert tekerjük el úgy hogy a panelmérő 0001-et mutasson feszültség-mérés esetén. A tizedesvesszőt most szándékosan nem írtam oda, az teljesen lényegtelen hogy hol van. A fontos az, hogy a felső három digit 0 legyen, a legalsó pedig 1. Ez után nagyon óvatosan még egy hangyányit tekerjük lefelé a P2-es trimmert csak addig, hogy a legkisebb digit is éppen hogy 0 legyen! Ez után a labortápegység kimeneti feszültségét állítsuk a műszer végkitérése közelébe de ne haladjuk meg azt! Tehát próbáljunk meg mondjuk 3992-t beállítani. Azért ne menjünk 4000 fölé mert akkor túlcsordul a műszer. Szóval állítsunk be majdnem 4000 körüli értéket és a P1-es trimmerrel állítsuk be hogy a PIC-es panelmérő feszültség-kijelzése hiteles legyen! Természetesen a 400V-os méréshatár beállításához nem kell 400V-ot beállítani a labortápon hiszen ennyit jó eséllyel nem is tud. Ez esetben a labortáp maximális kimenő feszültségéhez állítsuk be a kimeneti feszültséget. Ha az automata méréshatár-váltás be van kapcsolva akkor a hitelesítést az alsó méréshatárban is el kell végezni, ez esetben a P4-es trimmerrel és szintén végkitérés közelében. Viszont arra figyeljünk hogy ekkor a panelmérő az alsó méréshatárban legyen!
Az árammérő kör beállítása nagyon hasonló, itt is először a műveleti erősítő offsetjét kell beállítani, a P3-as trimmerrel. Tekerjük le teljesen a labortáp kimenő feszültségét, majd ugyan úgy mint a másik offset-állításnál, most is addig tekerjük a trimmert amíg éppenhogy 0000-ba vált át a 0001-ről. Erre az offset-állításra egyébként azért van szükség mert a PIC belső A/D-ja is offsetben kicsit el van tolva. Ha a nulla-beállítás megvan, akkor kapcsoljunk terhelést (vagy akár rövidzárat) a labortápunk kimenetére és állítsuk be a kimenő áramot a végkitérés közelébe, majd az előbbiekhez hasonlóan állítsuk be a pontos kijelzést a P5 helitrimmerrel, vagy ha be van kapcsolva a méréshatár-váltás akkor a P6-al is. Ha a labortápunk maximális kimenő árama kisebb mint a PIC-es panelmérő méréshatára, akkor természetesen nem végkitéréshez hitelesítünk itt sem, hanem a maximális kimenő áramhoz.
Sikeres utánépítést kívánok!
www.pa-elektronika.hu
2010
Frissítés: 2011. 03. 18.:
Rájöttem hogy a panelmérő az ellenállást néha nem jól számolja ki. Ennek okára rájöttem és kijavítottam, kicseréltem ezt egy teljesen új szubrutinra ami egyébként a most még készülőfélben lévő PIC-es vezérlőmodulban is dolgozni fog. Ez a verzió a V1.40-es számot kapta.
A PIC-es panelmérők fejlesztésébe ölt kb 35000Ft nagy része, 28000Ft visszatérült. Most már felteszem a PIC-be égetendő hex fájlokat, mindenki használja egészséggel!