Миллиомметр своими руками на ардуино

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 04.10.2024

В радиолюбительской практике иногда требуется измерить малые сопротивления, например, измерительных шунтов, обмоток дросселей и трансформаторов. Для этих целей применяется такой прибор, как миллиомметр, вариант реализации которого представлен в этой статье. Кроме того, одно из основных назначений описываемого прибора – внутрисхемный поиск мест короткого замыкания при ремонте радиоаппаратуры путем определения участка с минимальным сопротивлением.

Основные особенности описываемого прибора: измерение активного сопротивления резисторов и дросселей без выпаивания из схемы; определение участка схем с минимальным сопротивлением без выпаивания элементов при поиске КЗ; питание всего от одного щелочного элемента типа ААА; переход в спящий режим с малым потреблением при отсутствии измерений; защита от пробоя входа внешним напряжением, например, при случайном подключении к заряженному конденсатору.

Технические характеристики устройства:

Напряжение питания, В ………………………….……………………..… 1.2 – 1.6
Ток потребления: в режиме измерения, не более, мА ………………..… 200
в режиме ожидания, мА ……….……….………..….. 6
в спящем режиме, мА ………………..…………. … 0.03 – 0.05
Погрешность измерения: в диапазоне 0.01 – 0.9 Ом, не более, % …….. ±(1+2 ед. индикации)
в диапазоне 0.01 – 3 Ом, не более, % …….. ±(2+2 ед. индикации)
Общий диапазон измерения, Ом ………………………………………… 0.001 – 3.6
Время перехода в спящий режим из режима ожидания, с ………….…. 40

Рассмотрим принципиальную схему устройства.

Основным элементом схемы является микроконтроллер (МК) PIC16F690, который тактируется от внутреннего генератора частотой 8 МГц. Питание 3 В на МК подается с LDO (Low Drop Out) стабилизатора DA3 типа XC6206P301, который характеризуется экстремально низкими током потребления (1 мкА) и минимальным падением напряжения. На DA3 поступает напряжение 3.3 В с повышающего преобразователя на элементах DA2, L1, VD5, C3 – C5. Здесь преобразователь DA2 типа NCP1402SN33 включен по типовой схеме. Необходимость стабилизатора DA3 обусловлена чрезмерно высоким уровнем помех на выходе повышающего преобразователя, которая отрицательно влияет на точность измерений.

Индикация осуществляется посредством четырехразрядного светодиодного индикатора красного цвета свечения, сегментные выводы которого подключены к порту C МК, а выводы разрядов – к порту B. Здесь, как и в (1), применена посегментная динамическая индикация (ДИ) – в каждый момент времени опрашивается только один сегмент (по кругу все за 32 цикла). Такой способ ДИ позволил отказаться как от разрядных ключей, так и от гасящих резисторов в цепях сегментов, при этом, импульсный ток выходов МК не превышает 15 мА. В данной схеме тип индикатора определяется автоматически, для чего при включении прибора на выход RC0 подается высокий уровень при низком на разрядных выводах RB4-RB7. Напряжение на выводе RC0 измеряется АЦП (AN4) и по его значению делается вывод о типе индикатора, ОА или ОК. При этом, не требуется никаких внешних элементов!

Собственно, ДИ организована в прерываниях от таймера TMR1 с интервалом 512 мкс. Частота опроса индикатора – 1/(0.5*32), примерно равна 63Гц. Яркость индикатора, несмотря на небольшой средний ток через сегмент, вполне достаточна и комфортна.

Измерительный ток (примерно 45 мА) задается резистором R6 и, отчасти R1, через открытый в этом случае транзистор VT1. Подобная простая схема подачи измерительного тока многим может показаться примитивным и не обеспечивающим достойную погрешность, ведь в подобных приборах часто используется сложный источник тока (ИТ) на активных элементах. Однако, это не совсем так. Применение активного ИТ, а так же источника питания МК, как опорного для АЦП, приводит к температурному дрейфу как одного, так и другого. Это снижает точность измерения либо требует сложных схем термокомпенсации. В данном же случае, сопротивление резистора вычисляется по формуле Rx = N * Ro / (1023*Kop – N), где Ro = R6+R1, Kop – коэффициент усиления (КУ) ОУ, N – величина отсчета АЦП. Как видно из формулы, результат не зависит от напряжения питания (при его равенстве с напряжением, подаваемым на R6) и, вообще, не зависит от активных элементов. Как результат, по моему мнению, данная схема при своей простоте обеспечивает более высокую точность измерений, чем при использовании активного ИТ.

При каждом измерении измерительный ток подается непрерывно в течении всего цикла, что минимизирует влияние больших емкостей и индуктивностей на результат при внутрисхемных измерениях.

Напряжение элемента питания измеряется по выводу 9 (AN9), также задействованному в ДИ, что потребовало использовать цепочку R10VD4. Резистор R10 ограничивает паразитный ток при работе ДИ, а диод Шоттки VD4 уменьшает утечку тока от имеющего высокий потенциал вывода 9 МК на элемент питания в спящем режиме. При измерении напряжения он не оказывает существенного влияния, так как при малом (не более 0.5 мкА) протекающем прямом токе, на нем падает всего около 20мВ (компенсируется программно).

Все детали устройства, включая элемент питания, размещены на печатной плате размерами 35мм на 85мм из фольгированного стеклотекстолита с односторонней металлизацией.

Применены как обычные, так и SMD компоненты. Микроконтроллер установлен на разъемной колодке. Индикатор можно заменить на FYQ3641AH, а так же, практически любой подобных размеров и красного цвета свечения как с ОА, так и с ОК. ОУ можно применить MCP601, но с коррекцией рисунка платы. В качестве DA3 подойдет XC6206P302MR. MOSFET транзистор VT1 можно заменить транзистором типа AO3401. Диод VD1 меняется на любой из серии 1N100x, а VD2 - VD4 – на 1N5818. Стабилитрон VD3 – любой на напряжение 2.7 - 3.3 В.

Резисторы R5 - R8 следует брать с допуском не более ±0.5 %. В крайнем случае, их можно отобрать из экземпляров с допуском ±5%, подбирая с точностью не менее ±0.25% омметром с классом точности не хуже 0.25%. Но есть еще один вариант - использовать точные только резисторы R5 и R8 с последующей программной коррекцией. В случае отказа от применения точных резисторов совсем, скорее всего, программно настроить до заявленной точности удастся только один из диапазонов измерения (0 – 0.9 Ом или 0.9 – 3.6) . Остальные резисторы – с допуском ±5%. Все SMD конденсаторы – типоразмера 1206, а резисторы – 0805.

Программа для МК написана на языке Си и оттранслирована в среде MikroC for PIC.

При прошивке, слово конфигурации (00EC) загружается автоматически.

Устройство не требует наладки и начинает работать сразу, при отсутствии ошибок. При применении деталей с указанными допусками, заявленная погрешность обеспечивается автоматически. При необходимости можно установить коэффициент коррекции показаний прибора для обеспечения требуемой точности.

Перейдем к подробному описанию работы прибора

РЕЖИМ ОЖИДАНИЯ. При неподключенных щупах прибор переходит в режим ожидания и на экране загораются средние сегменты 2-го и 3-го разрядов. В этом режиме, через 8 секунд и далее, каждые 16 с, в течении 2 с индицируется напряжение батареи питания в виде ”uX.XX” , где Х.ХХ – напряжение элемента питания. Причем, в первый раз измеряется напряжение при максимальной нагрузке, а в последующие – без нагрузки. Если к прибору ничего не подключено в течении 40 с, он переходит в спящий режим (выключается) с полным гашением индикатора. В таком состоянии прибор может находиться сколь угодно долго, пока щупы не будут замкнуты между собой либо не будет к ним подключен низкоомный резистор.

Решил, в рамках своего проекта универсальной приставки для расширения возможностей цифрового мультиметра, разработать схему миллиомметра, с низковольтным питанием (3-5В), и с правильным положением точки на экране мультиметра. Сначала думал ограничится просто стабилизатором тока 100 мА, и пределом 200мВ. Но неправильное положение точки в этом случае, и как следствие необходимость умножать показания мультиметра на 10, привели к желанию дополнить стабилизатор тока, усилителем напряжения на измеряемом резисторе, в 10 раз, а ещё лучше в 100 раз, тогда измерительный ток можно будет сделать не 100 а 10 мА, и тем самым снизить требования к источнику питания приставки. Вот что нарисовал за вечер:

При макетировании, оказалось что смещение нуля ОУ не позволяет нечего толком измерить. Напряжение смещения нуля, приведенное ко входу, было в районе 1,5-1,7 мВ. И при КУ = 100, на выходе получалось 150-170 мВ. Это конечно абсолютно не приемлемо. Потому был введен узел на TL431 для подачи напряжения балансировки. Но стабильность такого решения оставляет желать лучшего. В начале снизить выходное напряжение ниже 1 мВ, не удалось, но даже при этом оно периодически самопроизвольно повышалось на несколько милливольт. Включив макет на следующий день, обнаружил что на выходе уже всего 300 мкВ. Но вчера же было 1-3 мВ! От чего это зависит?
Это всё при питании 5В. При повышении питания, напряжение на выходе таки тоже повышается!
Измерения дали следующее:
При питании 5В, напряжение на TL431 равно 2,46В, на выходе ОУ 300мкВ.
При повышении питания до 7,5 Вольт, напряжение на TL431 УМЕНЬШАЕТСЯ до 2,45В, на выходе ОУ 8,6мВ.
При повышении питания до 12В, напряжение на TL431 УМЕНЬШАЕТСЯ до 2,44В, а на выходе ОУ соответственно увеличивается до 21,5 мВ.

Где нестабильность? Нестабильность смещения нуля ОУ при изменении питания? или отрицательная нестабильность TL431 при изменении тока через неё? Или и то и то сразу?
И в конце концов, это LM358 не пригодна для данного применения, или схему надо существенно изменить?

_________________
Программируемой электроникой (МК, ПЛИС) не интересуюсь! Только классика. Настоятельно прошу, не предлагать мне делать что-то на МК.

правда столкнулся с тем, что не все 358 вели себя адекватно.
пробовал разные, у некоторых действительно ну очень большое смещение.

если ограничить напряжение 5-6 вольтами, то возможно использование mcp602 оперов.
на уд17 с однополяром у меня не завелось

JLCPCB, всего $2 за прототип печатной платы! Цвет - любой!

Благодарю за ссылку, прочёл всю соседнюю тему. на которую вы там ссылаетесь. Выходит собственно как я и предполагал, LM358 не годится для данной схемы. Буду искать что-то прецизионное. Как найду, и испытаю, о результатах напишу.
Да кстати, я забыл, более менее стабильные 300 мкВ, у меня получились таки не спроста, я подпаял между 1 и 4 выводами ОУ резистор на 1 кОм

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Классический ответ - это таки измерять переменным напряжением, тогда между ОУ можно будет поставить разделительные конденсаторы. Ну либо для постоянного напряжения cм Zero drift amplifiers.

Ну и конечно когда измеряешь переменным напряжением - самый дешевенький микроконтроллер с самым простецким ADC/DAC решает много проблем если хочется точности и с минимальной калибровкой.

Необходим быстродействующий преобразователь питания средней мощности с высоким КПД? Он должен быть компактным и недорогим? Решение – карбид-кремниевые модули средней мощности WolfPACK производства Wolfspeed. В статье рассмотрены основные особенности модулей WolfPACK и показано, что переход на эту универсальную и масштабируемую платформу позволяет не только быстро разработать новые устройства, но и без значительных затрат времени и средств модернизировать уже существующие схемы на традиционной элементной базе.

Прецизионный ОУ пока не нашёл (у себя не нашёл, а покупать пока нет возможности).
Но есть альтернативная идея.
Помимо правильного и безкомпромиссного варианта, с использованием прецизионного ОУ, измерительного тока в 10мА, и диапазона мультиметра 2В, можно использовать диапазон мультиметра 2мА!
При этом точка как раз оказывается после старшего разряда: "0.000" Шкала выходит в Омах. Диапазон измерения 1 млОм-1.999 Ом
На этом диапазоне, как правило, используется шунт 100Ом, и падение напряжения соответственно составляет 200мВ. Для минимизации погрешности из-за шунтирующего действия шунта, устанавливаем измерительный ток не 100 а 102 мА. При этом на сопротивлении 2 Ома, погрешность отсутствует, а на минимуме 1-10 млОм, погрешность составит +2%, что вполне приемлемо.

Это так сказать эконом вариант, при отсутствии прецизионного ОУ. Пока скорее всего сделаю именно так, а как найду Прецизионный ОУ, то уже сделаю по уму.

Критически важные распределенные системы требуют синхронного преобразования во всех подсистемах и непрерывного потока данных. Распределенные системы сбора данных могут быть синхронизированы как на основе АЦП последовательного приближения, так и на основе сигма-дельта (∑-Δ)-АЦП. Новый подход, основанный на преобразователе частоты дискретизации (SRC), содержащемся в микросхемах линейки AD7770 производства Analog Devices, позволяет достигать синхронизации в системах на основе сигма-дельта-АЦП без прерывания потока данных.

Сделал, вот что получилось:

Микросхема стабилизатор - LM317 в корпусе ТО-220 с подпиленной верхней частью (куда винт вставляется, на втором снимке видно) без радиатора, рассеиваемая мощность: P=U*I - 5*0,102=0,51 Ватт.

При использовании AMS1117 (SOT-223, TO-261) и (или) повышенного питания, необходим небольшой радиатор.

Корпус - отпиленная нижняя часть китайской зарядки для "мобильного телефона", после сборки, закрытая сверху кусочком трансформаторного картона, и залитая слоем термоклея.

Думал делать зажимы кельвина, но оказалось достаточно просто двух пар проводов, оканчивающихся медными луженными стерженьками, диаметром 1,5 и длиной 25мм. При закорачивании прибор достаточно уверено показывает нули, только иногда, если ослабить пальцы, сжимающие контакты, или просто пошевелить их, проскакивает 1 младшего разряда.

Не очень понял как получилась точность 2%. Но если у вас получилось измерить 1 мВ с точностью 2%, то ОУ сильно не помогут на постоянном токе. У них все равно ноль плавает. Поэтому только измерение переменным током.

Название разделов
Источники питания В данном разделе собраны конструкции иточников питания. Рассмотены способы преобразования и получения электрической энергии
Реклама на ВРТП Реклама на вртп.

Мы предлагаем вам два вида интернет рекламы:
- контекстная реклама
- баннерная реклама

Это наиболее продуктивные средства рекламы, позволяющие ускорить раскрутку сайта и улучшить узнаваемость бренда.

Предпочтение отдается технической тематике рекламы или теме HI-TECH.

- Баннер слева сайта: ширина 180 пикселей, высота от 100 до 250 пикселей. При большей высоте баннера цена оговаривается

отдельно.
Сквозное размещение рекламного баннера на главной странице — в левой колонке сайта. Размещение статическое. Стоимость

- Баннер внизу сайта: ширина от 150 до 250 пикселей, высота 150 пикселей.
При большей ширине баннера цена оговаривается отдельно
сквозное размещение рекламного баннера в нижней части центральной колонки. Размещение статическое. Стоимость — 3000р в

Баннерная реклама должна быть в формате GIF или FLASH.

Как видно из схемы подключения Омметр сделать очень легко, нам нужно только взять один известный нам резистор и подключить его по схеме.

После подключения всех компонентов необходимо скопировать программный код приведенный ниже и вставить его в программу Arduino IDE и загрузить этот программный код в саму плату Arduino.

В данном скетче в Переменную R1 записывается значение известного нам резистора в омах.

Принцип работы очень простой, ардуино на входе A0 измеряет напряжение, и как только напряжение меняется и становится ниже 5v, по формуле высчитывается и находится значение неизвестного резистора. И выглядит это все примерно вот так:

Так выглядит измерение резистора в 200 Ом.

Демонстрация работы данной программы можно увидеть в видео приведенном в конце статьи.

Подробнее в видео:

Читайте также: