В статье описан цифровой вольтметр на базе новейшего микроконтроллера EFM8LB12 (Silicon Laboratories), оснащенного высокоскоростным 14-разрядным SAR АЦП. Повышенное разрешение прибора (6 десятичных разрядов) получено в результате использования известного метода передискретизации и осреднения, позволяющего существенно поднять разрешающую способность АЦП. Индикация показаний осуществляется на ЖКИ ИЖЦ13-8-7 с контроллерами КР1820ВГ1. Прибор в корпусе размером 115 × 57 × 38 мм имеет автономное питание от литиевых батареек ER18505 емкостью 4 А·ч и ER14250 1 А·ч со временем непрерывной работы 700 часов и сроком службы до 10 лет. Устройство имеет два диапазона измерения напряжений: 0 – 6 В и 0 – 60 В. В статье приводится аппаратные средства (принципиальные схемы, разводка плат и фотографии устройств) и программные (готовая к загрузке программа для микроконтроллера в *.hex - формате), позволяющие изготовить подобный прибор своими силами.
Введение
Применение метода передискретизации и осреднения к встроенному в микроконтроллер (МК) EFM8LB12 14-разрядному SAR АЦП позволило довести его разрешение до 6 значащих десятичных разрядов (1 знак перед запятой и 5 знаков после запятой) [1]. Эксперименты автора, описанные в [1], вкратце сводились к следующему. На вход АЦП МК подавалось постоянное напряжение, регулируемое потенциометром, а результаты в цифровом виде передавались по интерфейсу USB в компьютер, где по программе рассчитывалось напряжение, которое выводилось на экран монитора. Высокие показатели АЦП натолкнули автора на идею: а нельзя ли сконструировать автономный цифровой вольтметр, работающий от батареек и производящий вывод информации на малопотребляющий жидкокристаллический дисплей (индикатор) – ЖКИ. Такой прибор не потребует компьютера и может быть использован для относительно точных измерений напряжения. Поскольку стоимость МК (не более 1–2$), ЖКИ (около 3–4 $ вместе с контроллерами), батареек (не более 5$) и корпуса (2–4 $), по подсчетам автора, не должна превышать 10–15 $, то по сравнению с относительно дешевыми цифровыми мультиметрами с разрешением в 4 значащие десятичные цифры (за похожую цену) такой прибор будет превосходить их по разрешающей способности, а по сравнению с относительно дорогими мультиметрами с разрешением 5 и более цифр стоимостью не менее 1000$ – по цене. В результате реализации этой идеи и получился цифровой вольтметр, описанный ниже. Но прежде чем перейти к его описанию, на взгляд автора, необходимо пояснить, в чем заключается сам метод передискретизации и осреднения, существенно повышающий разрешающую способность АЦП, имеющего относительно скромную разрядность (например, всего 14 двоичных разрядов).
Предварительные замечания
Суть метода передискретизации (oversampling) и осреднения (averaging) заключается в следующем. Предположим, имеется 14-разрядный АЦП. Для увеличения его разрядности на 1 бит, т.е. до 15 бит (разумеется, это относится к результатам его аналого-цифрового преобразования, а не к самому АЦП, разрядность которого фиксирована и определяется его устройством) требуется:
- Произвести 4-кратное аналого-цифровое преобразование, т.е. получить четыре 14-разрядных числа, являющихся результатом этого преобразования (для увеличения разрешающей способности на n бит необходимо произвести 4n преобразований). Максимальное значение 14-разрядного числа (разумеется, двоичного) – это 214 = 16384.
Но причем здесь передискретизация? Тут дело в том, что если оцифровываемый АЦП процесс имеет спектр, частота самой высокочастотной компоненты которого составляет fMAX, то в соответствии с теоремой Котельникова оцифровка такого процесса должна проводиться с частотой fK ≥ 2fMAX для того чтобы по отсчетам можно было восстановить сам процесс (точнее его реализацию). А вот если частота оцифровки процесса fn выше fK, то это уже будет передискретизацией. В частности, если, например, частота fn = 4n × fK, то при оцифровке можно получить дополнительное количество бит n, о которых говорилось выше. Но при измерении постоянного напряжения, частота которого, очевидно, равна нулю, оцифровка этого напряжения с любой частотой уже сама по себе будет передискретизацией. Здесь главное получить 4n отсчетов для увеличения числа значащих бит. А вот для того чтобы снизить время оцифровки, частоту дискретизации желательно выбрать максимально возможной для данного АЦП (иначе результатов можно ждать целый день :) ). Хотя и тут имеет место определенный компромисс: чем выше частота аналого-цифрового преобразования, тем больше энергии требуется АЦП, поэтому, если такой АЦП (или МК с АЦП) питается от батарейки, то чем быстрее производится оцифровка, тем быстрее закончится энергия этой батарейки.
- Осреднить полученный результат, но не обычным способом, когда под осреднением понимается суммирование этих четырех 14-разрядных чисел и деление суммы на 4 (в этом случае мы получим тот же 14-разрядный результат), а несколько иным. Максимальное значение суммы четырех 14-разрядных чисел будет равно 4×16384 = 65536 = 216, т.е. уже 16-разрядному числу. Причем, у этого 16-разрядного числа самый младший бит (назовем его нулевым) не несет полезной информации, в связи с чем его можно отбросить, а вот следующий бит (первый) уже является значащим. Так вот, теоретически доказано, что если сдвинуть это 16-разрядное число на 1 бит вправо (отбросив таким образом незначащий младший бит), то есть разделить это число не на 4 (как при обычном осреднении), а на 2, то у полученного числа (15-разрядного) все его 15 бит будут уже значащими (для увеличении разрешающей способности на n бит число нужно разделить на 2n, или сдвинуть его вправо на n разрядов). Такой метод осреднения называется децимацией (прореживанием).
Но это еще не всё. Предположим, при измерении напряжения с помощью АЦП мы получили, например, 10 или даже 100 15-разрядных чисел по вышеописанной технологии. Далеко не факт, что все эти числа будут равны между собой. Поэтому для получения более точного результата имеет смысл осреднить эти числа, но уже обычным способом (не децимацией), то есть просто просуммировать их, и результат разделить на их количество.
Тогда возникают два вопроса:
- До какого количества бит (n) необходимо увеличить число значащих разрядов при аналого-цифровом преобразовании (например, 14-разрядного АЦП) и
- Какое количество чисел, полученных в результате таких n-разрядных аналого-цифровых преобразований, потребуется осреднить, чтобы получить надежное значение напряжения, например, с 6 значащими десятичными разрядами.
К сожалению, теоретически эти два вопроса решить невозможно в виду большого числа факторов, влияющих на результат. Поэтому автором был проведен эксперимент [1], который показал, что если производить децимацию 2048 двухбайтных чисел, являющихся результатами АЦП, и далее осреднить 16 таких результатов, то в выборке, состоящей из 80 чисел с 6 десятичными знаками (1 знак перед запятой и 5 знаков после запятой), полученных таким образом, все 80 чисел имеют одно и то же значение, вплоть до 5-го знака после запятой. При меньшем количестве осреднений (8, 4 и т.д.) в выборке из 80 чисел встречаются такие, у которых младший (5-й) знак уже отличается, причем, чем меньше количество осреднений, тем больше таких отличающихся чисел. Кроме того, было выяснено, что увеличение количества осреднений свыше 16 (например, 32 и 64) уже не влияет на результат (а вот времени занимает, естественно, тем больше, чем больше количество осреднений).
Здесь следует заметить, что как программа, представленная в [1], так и настоящая программа появились не на пустом месте.
В программе EFM8LB1_ADC_Autoscan_Large_Buffer.c, поставляемой компанией Silicon Laboratories как один из примеров работы с АЦП МК EFM8LB12, производится осреднение 2048 двухбайтных слов, являющихся результатами работы АЦП. Заполнение «большого» буфера – практически всей оперативной памяти (XRAM) МК (4096 байт) происходит автоматически без участия процессора с помощью так называемого режима автосканирования. Осреднение, то есть расчет среднего значения, производится в целых числах, а результат осреднения также в целых числах (в милливольтах – это тысячи мВ) выводится в стандартный поток данных по интерфейсу RS-232 в компьютер. А в компьютере с помощью известной программы HyperTerminal осуществляется прием данных (результатов АЦП) по COM-порту (COM1) и вывод этих данных на экран монитора. Осреднение 2048 двухбайтных результатов АЦП осуществляется стандартным образом (без децимации), или, другими словами, берется просто сумма из 2048 двухбайтных слов, которая делится на 2048. В программе для тактирования процессора используется внутренний тактовый генератор частотой 24 МГц, а частота тактирования АЦП выбрана 12 МГц.
В программе автора, представленной в [1], используется тот же метод заполнения буфера памяти (2048 двухбайтных слов), что и в программе EFM8LB1_ADC_Autoscan_Large_Buffer.c, при этом после заполнения буфера суммируются все 2048 слов, а результат помещается в 4-байтное длинное целое беззнаковое (ulong) число. В зависимости от параметра N, передаваемого из компьютера в МК, таких ulong чисел накапливается N = 4, 8, 16, 32 или 64. Далее числа суммируются, а сумма (также ulong) передается в компьютер в виде элемента массива, состоящего из 80 таких чисел. В компьютере по программе, написанной автором, принимается такой 80-элементный массив, производится децимация каждого из чисел (подробности см. в [1]), умножение на опорное напряжение (встроенный источник 2.4 В) и в виде таблицы (10 строк по 8 чисел) выводится на экран монитора. Формат вывода чисел – одна цифра до запятой и 5 цифр после запятой (например, 2.34567). 80-кратная выборка из таких чисел является достаточно представительной (репрезентативной). Кроме того, такая таблица позволяет визуально оценить, при каком N разница (вплоть до 5-го знака после запятой) у всех чисел исчезает (по эксперименту автора это наступает уже при N = 16).
Связь МК с компьютером осуществляется по интерфейсу USB (подробности в [1, 2, 3]). Поскольку устройство питается от внешнего источника питания, в связи с чем об экономии энергии речь не идет, для максимальной скорости работы устройства тактирование процессора осуществляется внешним кварцевым генератором частотой 72 МГц, а частота тактирования АЦП выбрана максимально возможной – 18 МГц.
Теперь, после этих предварительных пояснений, можно уже сформулировать основную идею разработки цифрового вольтметра на базе МК EFM8LB12. Она состоит в следующем.
Если выбрать тот же способ автоматического заполнения памяти результатами АЦП, что и в вышеописанных программах, применить децимацию и расчет напряжения с плавающей запятой как в программе [1], но уже самим МК, а вывод результатов АЦП осуществить на ЖКИ, потребляющий ничтожную энергию по сравнению с МК, и использовать для питания устройства литиевые батарейки, то вполне возможно сконструировать автономный цифровой вольтметр с повышенным разрешением.
Такая идея и была осуществлена. Ниже будут описаны аппаратные и программные средства такого цифрового вольтметра.
Таким образом, дальнейшее изложение будет построено следующим образом. Вначале будут описаны принципиальные электрические схемы устройства, затем – программные средства (в основном их отличия от программных средств, примененных в [1]), а также программные средства вывода информации на ЖКИ. Далее будут приведены разводка плат устройства, ЖКИ и их фотографии. После этого будут показаны фотографии внутреннего устройства вольтметра, а также его общего вида в сборе. Далее будет объяснен принцип калибровки нуля и полной шкалы и описана последовательность действий для осуществления такой калибровки, а также настройки всего устройства. И, наконец, будут приведены результаты работы вольтметра при измерении напряжений.
Принципиальные схемы устройства
Схема основной платы вольтметра (Рисунок 1), на взгляд автора, не отличается особой сложностью. Вначале рассмотрим аналоговую часть схемы.
 |
||
| Рисунок 1. | Принципиальная схема основной платы вольтметра. | |
Входное напряжение (сигнал Вх+ и «земля») подается на 2-контактный разъем XUвх. К этому разъему подключен аттенюатор – делитель напряжения, состоящий из резисторов R3 – R7. Номиналы резисторов выбраны таким образом, что сумма сопротивления R3 и сопротивления верхней по схеме части подстроечного резистора R4 равна сумме сопротивлений нижней части R4 и R5, R6 и R7. В связи с этим напряжение на движке резистора R4 (сигнал x2) в точности равно половине входного напряжения (сигнал Вх+), т.е. напряжение сигнала x2 = Вх+/2. Кроме того, сумма сопротивлений R3, R4, R5 и верхней по схеме части подстроечного резистора R6 относится к сумме сопротивлений нижней части R6 и R7 как 1/19, в связи с чем напряжение на движке резистора R6 (сигнал x20) равно 1/20 входного напряжения (сигнал Вх+), то есть напряжение сигнала x20 = Вх+/20. Оба сигнала x2 и x20 подключены к разъему выбора диапазона измерения XD. Сигнал CALV подключен ко входу повторителя на ОУ OPA334. 2-й контакт заземлен, а к четвертому контакту подключен сигнал DIAP, который соединен с портом P03 микроконтроллера DD1.
 |
||
| Рисунок 2. | Дополнительные схемы к схеме Рисунок 1. | |
К разъему XD подключен кабель, на одном конце которого расположен 6-контактный ответный разъем XD1 – Рисунок 2г (этим разъемом кабель подключен к разъему XD), а второй конец этого кабеля припаян к галетному переключателю (ГП) ПГ2-18-3П8НВ (ГП1, Рисунок 2г): сигналы x20, x2 и CALV подключены, соответственно, к его контактам 2, 3 и 2’ Пл.1 (см. далее). В зависимости от положения ГП контакт 3 разъема XD (сигнал CALV) соединяется либо с контактом 1 – сигнал x2 (при этом сигнал DIAP заземлен), либо с контактом 5 – сигнал x20 (при этом сигнал DIAP свободен).
Таким образом, на вход повторителя DA2 подается либо уменьшенное в 2 раза входное напряжение, либо уменьшенное в 20 раз. Сигнал DIAP «сообщает» МК какой из двух режимов выбран (x2 или x20), а программа, соответственно, умножает (в том числе) входное напряжение АЦП на 2 или на 20. С выхода повторителя на ОУ DA2 (вывод 1) сигнал через RC-цепочку R9C7 поступает на вход АЦП МК – сигнал ADC_IN (вывод 24 DD1). Цепочка R9C7 – стандартный НЧ-фильтр, который обязательно должен присутствовать на входе любого SAR-АЦП. Для исключения наводок на аттенюатор к входному напряжению (Вх+), сигналам x20 и x2, соответственно, подключены конденсаторы C8, C9 и C10. Это сделано в связи с тем, что входное сопротивление аттенюатора достаточно высокое – более 1 МОм. Как нетрудно подсчитать, оно равно сумме резисторов R3 (560 кОм), R4 (15 кОм), R5 (510 кОм) и R7 (56 кОм), что составляет 1141 кОм, даже если не учитывать сопротивление R6.
 |
|
| Рисунок 3. | Зависимость выходного напряжения ИОН REF3025 от напряжения питания (а) и тока нагрузки (б). |
Подстроечные резисторы R4 и R6 марки СП5-2ВБ (на 40 оборотов) можно заменить на более дешевые импортные 3296W (на 25 оборотов), однако чем больше оборотов, тем, естественно, точнее настройка.
Для питания устройства используются три напряжения: +3.5 В, +7 В и –3.5 В. Эти три напряжения (и «земля») поступают на 4-контактный разъем питания XП.
Напряжение +3.5 В используется для питания повторителя на DA2 (вывод 6) и МК (вывод 4 DD1 – вход Vdd). Конденсаторы C2 и C3, соответственно, служат для штатной работы МК и повторителя.
Напряжение –3.5 В используется для того чтобы при нулевом входном напряжении выходное напряжение повторителя было бы также нулевым. Это требуется для точной калибровки нуля (см. далее). Хотя ОУ OPA334 и является rail-to-rail input и rail-to-rail output, т.е. должен быть способен воспринимать входное напряжение в диапазоне от нуля до напряжения питания, а также воспроизводить выходное напряжение в этом же диапазоне, на практике он может воспроизводить выходное напряжение на несколько милливольт меньше напряжения питания и на несколько милливольт больше напряжения «земли» (но воспринимать входное напряжение в этом диапазоне он может с высокой точностью). В режиме калибровки полной шкалы (см. далее) на вход повторителя должно подаваться напряжение источника опорного напряжения (ИОН), которое составляет +3 В (см. далее). Поскольку это напряжение меньше напряжения питания ОУ (+3.5 В) на 0.5 В, такое напряжение ОУ воспроизвести может. Но если входное напряжение равно нулю, то без дополнительных схемных решений такое напряжение точно воспроизвести ОУ не может. Для того чтобы это было возможно, к выходу ОУ требуется подключить небольшое отрицательное напряжение через резистор номиналом в несколько десятков кОм. В частности, в справочном листке на ОУ OPA334 приведен пример подключения к выходу ОУ напряжения –5 В через резистор 40 кОм, благодаря чему выходное напряжение ОУ может не только быть нулевым (естественно, при нулевом входном), но даже изменяться в отрицательную область вплоть до –2 мВ (при входном напряжении –2 мВ). Снизив номинал резистора 40 кОм пропорционально в 3.5 В/5 В = 0.7 раз, т.е. до 28 кОм и выбрав ближайший к 28 кОм номинал из ряда Е24 (27 кОм – это как раз номинал R8), можно быть уверенным, что ОУ точно воспроизведет выходной нулевой потенциал (при нулевом входном). Вместо ОУ OPA334 можно использовать OPA335 в корпусе SOT23-5, у которого отсутствует разрешающий вход Enable (вывод 5 OPA334), или, другими словами, OPA335 всегда «разрешен». Разводка платы (см. далее) сделана под OPA334, т.е. так, что на его место штатно подходит OPA335 (без среднего вывода с одной из сторон микросхемы).
Напряжение +7 В используется для обеспечения питанием ИОН REF3030 (DA3), выходное напряжение (сигнал VREF, вывод 2) которого (+3 В) подключено к входу опорного напряжения микроконтроллера P0.0/Vref (вывод 2 DD1), а также к контакту 1 разъема XC1, служащего для калибровки нуля и полной шкалы (см. далее). К контакту 2 XC1 подключен сигнал CALV, а его контакт 3 заземлен. Для питания ИОН DA3 используется напряжение +5 В, которое подключается к входу DA3 (вывод 1), а вывод 2 DA3 заземлен. Конденсаторы C4, C5 и C6 служат для штатной работы DA3. Напряжение +5 В формируется стабилизатором LP2950Z5.0 (DA1). К входу стабилизатора (вывод 3 DA1) подключено напряжение +7 В, выходное напряжение формируется на его выводе 1, а вывод 2 заземлен. Конденсатор C13 служит для штатной работы DA1. Вместо стабилизатора LP2950Z5.0 может использоваться недорогой ИОН ADR293GT9 (номера его выводов указаны в скобках на Рисунке 1), выходное напряжение которого также составляет +5 В. Диапазон разброса выходного напряжения ADR293GT9 самого низкого класса точности «G» составляет 4.99 В – 5.01 В (против 4.9 В – 5.1 В у стабилизатора LP2950Z5.0). А от точности напряжения питания (+5 В) и тока нагрузки существенно зависит точность выходного напряжения ИОН REF3030. Штатное напряжение питания всех ИОН REF30XX составляет +5 В. Из графика Рисунок 3а, приведенного в справочном листке на REF30XX (для примера взят ИОН REF3025), можно заметить, как разброс напряжения питания влияет на точность выходного напряжения: красный пунктир соответствует разбросу выходного напряжения для LP2950Z5.0, а ширина зеленой линии – разбросу выходного напряжения для ADR293GT9. Как видно из этого графика, при использовании ADR293GT9 выходное напряжение ИОН незначительно отличается от номинала (не более нескольких мкВ). Потребление тока по входу Vref МК EFM8LB12 согласно справочному листку составляет около 5 мкА, а если еще выход ИОН REF3030 подключить к входу вольтметра Вх+ (такой режим предусмотрен – см. далее), то от ИОН потребуется еще около 3 мкА (3 В/1 МОм), что в сумме составит 8 мкА. Ширина зеленой линии на графике Рисунок 3б (этот график также приведен в справочном листке на REF30XX) приблизительно соответствует такому току, из чего можно сделать вывод, что выходное напряжение ИОН при таком малом токе незначительно отличается от номинала.
Для обеспечения питанием платы вольтметра, а также для включения одного из двух диапазонов измерения напряжения (0 – 6 В и 0 – 60 В) используется ГП ПГ2-18-3П8НВ на 3 положения и 8 направлений. Он состоит из двух идентичных плат (Пл.1 и Пл.2) на 3 положения и 4 направления каждая.
Для питания вольтметра, как упоминалось выше, используются 3 напряжения: +3.5 В, +7 В и –3.5 В. Эти три напряжения обеспечиваются тремя литиевыми батарейками с номинальным напряжением 3.6 В: ER18505H/T емкостью 4 А·ч, размером (d×h) 18×50 мм (BAT1) и ER14250H/T емкостью 1.2 А·ч и размером 14×25 мм (BAT2 и BAT3). При подключении питания напряжение батареек падает с 3.6 В до приблизительно 3.5 В (см. далее). Конструктивно батарейки выполнены с приваренными к их полюсам металлическими лепестками. На эти лепестки надеваются ответные части ножевых клемм KL1 – KL6 (2.8F), к которым припаиваются провода, соединяющие клеммы с ГП в соответствии со схемой Рисунок 2г. Применение батареек с лепестками имеет тройное преимущество по сравнением с обычными, установленными в батарейный отсек: во-первых, существенно улучшен контакт, во-вторых, габариты батарейных отсеков существенно больше, и, в-третьих, стоимость батарейных отсеков достаточно высокая и нередко превышает стоимость самих батареек. Батарейки укреплены в нижней части корпуса вольтметра (см. далее).
К разъему питания XП (Рисунок 1) подключен кабель, на одном конце которого расположен ответный разъем XП1, а второй конец припаян к галетному переключателю ГП1 в соответствии со схемой Рисунок 2г.
В первом положении ГП1 вольтметр выключен, поскольку питание на разъем XП1 не подается.
Во втором положении сигнал x20 (контакт 2 Пл.1) соединяется с сигналом CALV (контакт 2’ Пл.1), в связи с чем в разъеме XD1 контакты 3 и 5 соединяются между собой, и на вход АЦП (Рисунок 1) подается входное напряжение, уменьшенное в 20 раз. При этом пустой контакт 5 Пл.1 соединяется с сигналом DIAP (контакт 2’ Пл.1), который в связи с этим остается свободным; свободным также остается контакт 4 XD1. При этом состоянии сигнала DIAP в программе для МК происходит (в том числе) умножение входного напряжения на 20.
В этом же положении ГП1:
- Контакты 8 и 9 Пл.1 соединяется с контактом 8’ Пл.1, в связи с чем на разъем XП1 подается напряжение +3.5 В (контакт 1 XП1),
- Контакты 11 и 12 Пл.1 соединяются с контактом 11’ Пл.1, в связи с чем на разъем XП1 подается напряжение –3.5 В (контакт 4 XП1),
- Контакты 2 и 3 Пл.2 соединяется с контактом 2’ Пл.1, в связи с чем на разъем XП1 подается напряжение +7 В (контакт 3 XП1).
В третьем положении сигнал x2 (контакт 3 Пл.1) соединяется с сигналом CALV (контакт 2’ Пл.1), в связи с чем в разъеме XD1 соединяются между собой контакты 1 и 3, и на вход АЦП подается входное напряжение, уменьшенное в 2 раза. При этом сигнал GND (контакт 6 Пл.1) соединяется с сигналом DIAP (контакт 5’ Пл.1), в связи с чем соединяются между собой контакты 2 и 4 разъема XD1, и таким образом сигнал DIAP заземляется, то есть на него подается лог. 0. При этом состоянии сигнала DIAP в программе для МК происходит (в том числе) умножение входного напряжения на 2.
В этом же положении ГП1 все три напряжения питания (+3.5 В, –3.5 В и +7 В) также подаются на разъем XП1, а оттуда – на плату вольтметра (Рисунок 1).
Входное напряжение на вольтметр подается с помощью двух клемм B1 и B2 (ЗМЗ) черного и красного цвета (Рисунок 2б), а с них – по двухпроводному кабелю с ответным разъемом SIP-02 на входной разъем XUвх платы вольтметра.
Литература
- Кузьминов А. Повышение разрешающей способности АЦП микроконтроллера EFM8LB12. Современная электроника. 2018. № 8, 9
- Кузьминов А. Преобразователь интерфейсов USB-SPI на базе нового 51-совместимого микроконтроллера EFM8UB1. Современная электроника. 2017. № 1 – 3
- Кузьминов А. Преобразователи интерфейсов USB-SPI с гальванической развязкой на базе нового 51-совместимого микроконтроллера EFM8UB30. РадиоЛоцман. 2018. № 10
