Современная электроника №8/2020

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 46 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2020 Цифровой вольтметр с высоким разрешением Часть 1. Принципиальные схемы устройств В статье описан цифровой вольтметр с разрешением 6 десятичных разрядов на базе микроконтроллера EFM8LB12, оснащённого 14-разрядным SAR АЦП. Высокое разрешение прибора получено в результате использования известного метода передискретизации и осреднения, позволяющего существенно поднять разрешающую способность АЦП. В первой части статьи представлены принципиальные схемы устройств. Алексей Кузьминов (compmicrosys@mail.ru ) Введение Для увеличения разрешающей спо- собности АЦП используется хорошо известный метод передискретизации и осреднения. Применение этого мето- да к встроенному в микроконтроллер EFM8LB12 (Silicon Laboratories) 14-раз- рядному SAR-АЦП позволило довести его разрешение до 6 значащих деся- тичных разрядов (1 знак перед запя- той и 5 знаков поле запятой) [1]. При этом производилось 16-кратное осред- нение 2048 двухбайтных слов (т.е. 32 768 слов), являющихся результата- ми аналого-цифрового преобразова- ния, при темпе вывода около 24 пока- заний в секунду. В схеме тестируемого устройства использовался внутрен- ний источник опорного напряжения (ИОН) микроконтроллера напряже- нием 2,4 В. Это напряжение подава- лось на повторитель напряжения на базе ОУ, а с него – на делитель напряже- ния на переменном резисторе, с движ- ка которого напряжение подавалось на вход АЦП через ещё один повтори- тель напряжения. Осреднённые резуль- таты аналого-цифрового преобразо- вания без обработки передавались в компьютер, где осуществлялась окон- чательная обработка и вывод результа- тов на монитор. Для связи с компью- тером использовался изолированный преобразователь интерфейсов USB-SPI на базе микроконтроллера EFM8UB10 [2, 3]. Таким образом, микроконтроллер EFM8LB12 передаёт данные по интер- фейсу SPI, а компьютер получает их по интерфейсу USB. Высокие показатели АЦП микрокон- троллера EFM8LB12 натолкнули авто- ра на идею: а нельзя ли сконструиро- вать автономный цифровой вольтметр на батарейном питании на базе этого микроконтроллера? Вместо передачи результатов АЦП в компьютер такой вольтметр будет отображать их на жид- кокристаллическом индикаторе (ЖКИ). Потребление тока EFM8LB12 при часто- те внутреннего тактового генератора 72 МГц составляет всего 13 мА, а потре- бление тока ЖКИ с контроллером не превышает нескольких сотен мкА. В качестве источника питания вполне возможно использовать, например, литиевую батарею ER18505 с напряже- нием 3,6 В, ёмкостью около 4 А•ч, раз- мером 18 × 50 мм. Срок службы такой батареи составляет около 10 лет, а время непрерывной работы вольтме- тра, как нетрудно подсчитать, составит примерно 300 ч. При использовании более ёмкой батареи ER26500 (9 А•ч, 26 × 50 мм) время работы увеличится более чем в 2 раза. Актуальность данной разработки на фоне огромного ассортимента недоро- гих мультиметров заключается в том, что дешёвые цифровые мультиметры при измерении напряжения имеют разрешение не больше 4 десятичных разрядов. Если же требуется цифровой вольтметр с 5 значащими цифрами, то его стоимость возрастает уже до $1000 и выше, а при 6 значащих цифрах – ещё на порядок больше. Стоимость же микроконтроллера EFM8LB12 не пре- вышает $2, ЖКИ с контроллером – не более $2…3, стоимость батареи ER18505 – меньше $3 (ER26500 – не более $5). Стоимость корпуса вольтметра также не превышает $2…3. Таким образом, сто- имость всего вольтметра с 6 значащи- ми десятичными цифрами не превы- сит $10…15. Для чего может понадобиться такая высокая разрешающая способность? Приведём простой пример. Предпо- ложим, сконструирован стабилизатор напряжения (например, на напряже- ние 30 В с максимальным током 10 А) с малыми пульсациями и малым паде- нием напряжения для использова- ния в УМЗЧ. При подключении к тако- му стабилизатору нагрузки в 3 Ом его выходное напряжение должно несколь- ко упасть, однако если измерить его обычным цифровым тестером с 4 зна- чащими цифрами, то это напряжение по показаниям такого тестера останет- ся неизменным. Причём при подобных измерениях напряжения интерес пред- ставляет не столько абсолютное значе- ние напряжения (которое может варьи- роваться до нескольких десятых вольта, лишь бы оно оставалось постоянным), сколько его изменение в ответ на изме- нение тока. Кроме того, если использовать доста- точно прецизионный резистор, то с помощью подобного вольтметра мож- но измерить очень низкое сопротивле- ние (несколько мОм), например, выход- ной обмотки мощного трансформатора или какой-либо катушки индуктивно- сти, при измерении сопротивления которых обычный 4-разрядный тестер покажет «0». Можно привести и другие подобные примеры. Ниже приведено описание двух вари- антов цифрового вольтметра с разре- шением 6 значащих цифр. Они имеют два диапазона измерения напряжений: 1-й диапазон – 0…6 В (1 цифра до запя- той и 5 цифр после), 2-й диапазон – 0…60 В (2 цифры до запятой и 4 циф- ры после). Первый вариант вольтметра отличается несколько повышенным абсолютным значением измеряемого напряжения, второй – более простой, в связи с чем менее габаритный и более удобный в использовании. Принципиальные схемы устройств На рисунке 1 представлена схема платы цифрового вольтметра пер- вого варианта с повышенной точно- стью абсолютного значения измеряе- мого напряжения. Как видно из схемы, она не отличается особой сложностью. В схеме использован микроконтрол- лер EFM8LB12F64-QFN24 (DD1) в кор- пусе QFN24 с 24 выводами и размером 3 × 3 мм. Входное измеряемое напряже-