Digitální multimetry jsou přesné a precizní přístroje, přičemž některé modely jsou velmi drahé. Bez ohledu na cenu však každým z těchto přístrojů prostupuje jeden problém: Měřicí přístroje špatně zprostředkovávají analogové chování vstupního signálu.
 |
Stáhnout tento článek v .PDF Tento typ souboru obsahuje grafiku ve vysokém rozlišení a případná schémata. |
Chcete-li provést operaci, při níž chcete při nastavení maximalizovat nebo minimalizovat nějaký parametr, musíte pozorně vizuálně sledovat údaj a skutečně studovat číselné zobrazení, abyste zjistili, zda rychle se měnící číslice rostou nebo klesají, nebo se náhodně mění v malém či velkém rozsahu hodnot. Tento proces vyžaduje vaše oči i soustředění, přičemž se stále věnujete procesu provádění nastavení a možná i stabilnímu držení měřicí sondy ve správné poloze.
Některé špičkové digitální multimetry (DMM) jsou vybaveny hrubým sloupcovým grafem na displeji z tekutých krystalů, který zprostředkovává analogové informace. Ty jsou však většinou k ničemu a vyvolávají touhu po starém analogovém měřiči s pohyblivou jehlou.
Místo sloupcového grafu nebo pohyblivé jehly vydává mé řešení zvuk, jehož slyšitelná frekvence (výška tónu) se mění spolu s velikostí digitálního displeje. S rostoucí zobrazenou velikostí se zvyšuje slyšitelná frekvence a s klesající zobrazenou velikostí klesá slyšitelná frekvence. Ukazuje se, že je to neuvěřitelně účinný způsob, jak zprostředkovat přesné analogové chování, stejně dobrý nebo lepší než sledování ručičky analogového měřidla, a nemusíte sledovat displej.
Frekvence slyšitelného tónu představuje velikost
Lidské ucho je schopno rozlišit malé změny výšky tónu (frekvence). Toto uspořádání poskytuje lepší rozlišení než jehla analogového měřiče a vy se můžete dívat na to, co zkoušíte a nastavujete, a zároveň poslouchat výsledné změny parametrů. Tato metoda poskytuje měření bez pohledu očí. Můžete maximalizovat, minimalizovat nebo provádět relativní změny, aniž byste se na přístroj dívali!
U prototypu, který jsem postavil v roce 2008, jsem použil přesný převodník napětí na frekvenci (VFC) LM331, který vytváří slyšitelný tón úměrný napětí na digitálním měřidle v DMM. DMM vhodně slouží k převodu všech vstupů, ať už napětí, proudu, odporu nebo jakéhokoli jiného parametru, na napětí v rozsahu ±199,9 mV nebo někdy ±399,9 mV, v závislosti na konkrétní jednotce.
Signál ze vstupu interního digitálního multimetru zesílíme, odebereme absolutní hodnotu, aplikujeme na VFC, převedeme výstupní impuls s nízkým pracovním cyklem na signál s vysokým pracovním cyklem a aplikujeme jej na reproduktor pro generování vhodného slyšitelného tónu. Obrázek 1 znázorňuje tuto koncepci, zatímco obrázek 2 ukazuje schéma jednoho úspěšného raného prototypu.
Slyšitelná frekvence se bude měnit podle velikosti napětí na měřidle v DMM (obr. 3). Zatím se tento obvod chová jako slyšitelný sloupcový graf s velmi vysokým rozlišením. Díky převodníku absolutních hodnot mezi vstupním vyrovnávacím zesilovačem a VFC ignoruje polaritu signálu. Stejně jako DMM s analogovým sloupcovým grafem poskytuje stejnou indikaci pro kladné i záporné vstupy.
Prezentace velikosti měřeného parametru jako slyšitelné výšky není nová myšlenka. Tuto metodu prezentace hodnot signálu jako měnících se slyšitelných frekvencí jsem použil v předchozích vynálezech1 a v článku v časopise QEX.2 Stále mám k dispozici hardware, který jsem používal kolem roku 1988. Ve skutečnosti má sluchátko v gumovém kalíšku z modemu s rychlostí 300 baudů, které spojuje slyšitelný výstupní signál s obyčejným starým telefonním sluchátkem, aby mi měření předávalo přes telefonní spojení na vzdálené místo, kde jsem prováděl úpravy optického datového spoje ve volném prostoru, které ovlivňovaly měření.
Slyšitelná funkce pro indikaci polarity
Aby bylo toto zařízení použitelnější, rozhodl jsem se, že pomocí snímače polarity a měniče tvaru vlny budou signály s kladnou a zápornou polaritou znít jinak. Zpočátku jsem přecházel mezi sinusovkou a čtvercovou vlnou, ale rozdíl byl výraznější, když jsem k označení záporných signálů použil tremolo, nízkofrekvenční změnu amplitudy. Amplitudová obálka výšky zvuku se při záporné polaritě vstupu mění na nízké frekvenci a dodává záporným vstupům velmi výrazný a charakteristický zvuk.
Funkce Quelch
Ray Bosenbecker, můj přítel a kolega, mě upozornil na to, jak je slyšitelný tón nepříjemný, zejména když se mezi jednotlivými úpravami nemění. Ray navrhl přidat funkci squelch, když byl vstupní signál po určitou dobu neměnný. V tomto okamžiku se stal spoluvynálezcem.
Přirozeně byla funkce squelch nejobtížněji implementovatelná. Čtyři operační zesilovače slouží k bufferování a rozlišování signálu na vstupu VFC a snímání náhlých změn.
Když zůstane údaj po určitou dobu neměnný, slyšitelný tón přestane znít. Když se údaj začne opět měnit, tón se obnoví. To bylo v prototypovém obvodu se squelchem (obr. 4) háklivé a obtížně nastavitelné. Fungoval však dostatečně dobře pro demonstraci konceptu.
Chtěl jsem tento obvod zmenšit tak, aby se vešel do DMM, ale vhodné analogové ekvivalenty komplexních programovatelných logických zařízení (CPLD) a polí programovatelných hradlových polí (FPGA) se nikdy nekonaly. V důsledku toho jsem měl k dispozici pouze tento složitý a nevhodný analogový obvod, který byl příliš velký, aby se vešel, a vyžadoval nevyhovující úrovně napájecího napětí.
Digitální implementace
Můj přítel Lee Johnson mě povzbudil, abych se pokusil o digitální verzi. Dlouho jsem však odolával, protože mi připadalo hloupé digitalizovat signál jak v DMM, tak v mém zvukovém příslušenství.
Když jsem konečně usedl k pokusu o digitální implementaci, ukázalo se, že je velmi jednoduchá a funguje na první pokus. Digitálním prototypem breadboardu bylo Arduino Uno R3, na kterém běžel ukázkový program s názvem „tonePitchFollower“, což je obdoba VFC. Obvod ještě potřebuje operační zesilovače pro vyrovnávací paměť a zesílení vstupu na rozsah, který je přijatelný pro unipolární analogově-digitální převodník (ADC) na Arduinu. Sladění napěťových rozsahů s frekvenčními rozsahy, přidání tremola pro rozlišení záporné polarity a implementace squelche jsou pouze softwarové.
První plně funkční digitální prototyp používal Arduino ProMini a snadno se vešel do dostupného prostoru v low-endovém DMM Cen-Tech od Harbor Freight. Další použil plnohodnotný 28pinový čip Atmel ATmega328P z Arduina Uno R3 a vešel se stejně dobře. Nedávno se mi podařilo zprovoznit 8pinový čip Atmel ATtiny85, který funguje stejně dobře jako výkonnější čipy, takže je nyní místa dost a vyžaduje méně proudu.
Obrázek 5 ukazuje tři generace prototypů s různými procesory Atmel. První je Arduino Pro Mini, druhý je čip ATmega328P z Arduino Uno R3 a třetí je ATtiny85. Raná verze jednoduchého programu pro Arduino Uno demonstruje metodu bez squelche (obr. 6).
Hack
DMM Harbor Freight se napájí z 9V baterie a dodává regulovaný referenční potenciál 3 V pod kladný potenciál baterie. Vstupní signál interního digitálního měřicího přístroje se vůči tomuto referenčnímu potenciálu mění v rozmezí ±200 mV. Vzorkoval jsem referenční a vstupní signál digitálního měřiče na dvou stranách čipového kondenzátoru pomocí modrého a červeného vodiče (obr. 7, vlevo dole). Ke spínanému napájení +9 V jsem se připojil červeným vodičem blízko středu a k napájení -9 V modrým vodičem vpravo nahoře. Toto uspořádání napájení v sobě skrývá tajemství, jak hacknout DMM Harbor Freight a napájet bipolární operační zesilovače a procesor Atmel.
Obrázek 8 ukazuje úrovně napětí DMM a schéma zapojení tohoto zvukového příslušenství. Regulátor záporného napětí 79L05 vyvede potenciál 5 V pod +9 V baterie (za vypínačem). Optické zesilovače a čip procesoru jej používají jako záporné napájení a potenciál baterie +9 V jako kladné napájení. Tímto způsobem leží referenční potenciál DMM a potenciál výstupního signálu DMM přibližně uprostřed mezi napájením optických zesilovačů a procesoru a v pevném vztahu k nim.
Verze ATtiny85 odebírá z baterie méně než 14 mA, včetně DMM při provozu s reproduktorem o impedanci 150 ohmů. Reproduktory pocházejí ze starých bezdrátových telefonů. Vidím je na webu, ale dodavatel na dotaz neodpověděl.
Měřicí přístroj Fluke 23, který jsem zkoumal, používá stejnou konfiguraci napájecího zdroje jako měřicí přístroj Cen-Tech z Harbor Freight. Z toho usuzuji, že tento hack platí obecně, nejen pro modely Cen-Tech. Doporučuji začít s modely Cen-Tech, protože společnost Harbor Freight čas od času nabízí kupónové akce, v rámci kterých je dává zdarma.
Funkce samokalibrace
Lee Johnson navrhl, že by bylo užitečné, aby DMM zvukově indikoval přiblížení k určitým úrovním vstupního signálu jiným než nula pro účely opakované kalibrace v průmyslovém prostředí. Tuto funkci jsem přidal do softwaru a vyřešil tak svůj vlastní problém s kalibrací.
Předtím každá jednotka vyžadovala v softwaru trochu jinou konstantu, aby se minimální slyšitelná frekvence objevila přesně v okamžiku, kdy displej DMM ukazuje nulu. Nyní, pokud je pin 2 procesoru při zapnutí nízký, jednotka se sama zkalibruje na jakoukoli vstupní úroveň a uloží kalibrační konstantu do nevolatilní paměti EEPROM procesoru. Zkratujte vstup, stáhněte pin 2 dolů a připojte napájení, aby se jednotka normálně kalibrovala. Používám interní jazýčkový spínač a externí magnet, abych stáhl pin 2 dolů, aniž bych musel vrtat díru do pouzdra pro spínač, ale to by fungovalo také.
Funkce kalibrace posunu
Přiložte k jednotce libovolnou kladnou nebo zápornou vstupní úroveň při měření libovolného parametru v libovolném rozsahu. Vypněte napájení, stáhněte pin 2 dolů a znovu jej připojte ke zdroji napájení, aby se jednotka zkalibrovala a indikovala minimální frekvenci a průchody nulou při dané vstupní úrovni. V závislosti na vašem měřicím přístroji můžete tento postup provádět s kapacitou, odporem a frekvencí, stejně jako s napětím, proudem a odporem.
Nyní můžete věnovat pozornost umístění sondy nebo specifikům provádění nastavení a zároveň jednoduše poslouchat a nastavovat minimální slyšitelnou frekvenci. Tímto způsobem přístroj indikuje, zda se vstupní úroveň blíží nebo odchyluje od požadované hodnoty parametru.
Domnívám se, že tato funkce kalibrace posunu je nová a možná patentovatelná myšlenka, ale Lee a já jsme se ji raději rozhodli zveřejnit v tomto článku. Není zač. Pojmenujte ji po nás.
Další využití
Zkoušejte, zda je potenciometr znečištěný (hlučný), nebo zda má dobrý kontakt v celém rozsahu, nastavením na měření odporu a posloucháním výpadků při otáčení hřídele. Budou velmi zřetelné. Můžete také získat informace o tom, zda je změna odporu lineární, nebo má logaritmický kužel.
Zvažte použití desky s příslušenstvím s jakýmkoli digitálním panelovým měřičem ±199,9 mV nebo ±399,9 mV, který zabudujete do vlastních aplikací. Budete muset změnit uspořádání napájení, abyste zajistili symetrický nebo téměř symetrický rozsah napájení přibližně 5 V, který sahá nad i pod referenční vstup vašeho měřicího přístroje. Různé měřiče budou vyžadovat různá řešení. Někdo by měl časem nabídnout digitální panely s touto vestavěnou funkcí. Toto příslušenství poskytuje velmi univerzální zvukovou kontrolu spojitosti digitálním měřičům, které tuto funkci postrádají.
|
Download this article in .PDF format This file type includes high resolution graphics and schematics when applicable. |
On a unit with the squelch feature, leave the instrument to monitor a critical supply or bias voltage that shouldn’t vary. When it does, the unit breaks squelch to provide an alarm.
Availability
I do not plan to make and sell digital multimeters. However, to popularize my method, I’m considering ways to provide this accessory as a small assembled and operating circuit board that users can build into their own DMMs. Tyto jednotky mají patice pro procesor ATtiny85, takže uživatelé mohou přizpůsobit software svým vlastním aplikacím. Obrázek 9 ukazuje novou desku s plošnými spoji, na které je umístěn jazýčkový spínač pro samokalibraci při aktivaci externím magnetem.
Toto příslušenství by mělo být dostupné u společnosti Citrus Electronics.3 Stav zkontrolujte na webových stránkách. Pokud bude po zbývajících deskách poptávka, vyrobíme jich více.
Tyto desky příslušenství mohu dodat se softwarem, který generuje zvukový tón, jehož frekvence se zvyšuje a snižuje s velikostí číselného zobrazení DMM. Společnost Boeing vlastní americký patent 8 803 560 4, který se vztahuje na funkci zvukové indikace polarity a funkci squelch, takže je nemohu poskytnout (viz níže „Omezení patentů na duševní vlastnictví“).
Představte si, co dalšího můžete s touto sestavou dělat. Napadá mě několik vylepšení a několik jsem jich již zapracoval do dostupné verze. Mým cílem je, aby DMM s těmito funkcemi byly k dispozici uživatelům, kteří si již dlouho stěžují na nedostatek slušných analogových indikací. Doufám, že se to podaří. Dokonce doufám, že Boeing vydělá nějaké peníze.
Dr. Sam Green je letecký inženýr v důchodu, který se specializoval na optické a optovláknové datové komunikace a fotoniku ve volném prostoru. Vystudoval elektronické inženýrství na Northwestern University a University of Illinois at Urbana. Je uveden jako vynálezce v 18 patentech, je registrovaným profesionálním inženýrem v Missouri a doživotním seniorním členem IEEE. Kontaktujte Sama na adrese [email protected].
1. Viz patenty 5 729 335 a 7 898 395.
2. „Fun with Voltage-to-Frequency Converters“, QEX, březen/duben 2013, str. 7-10.
3. http://www.citrus-electronics.com
4. „Fun with Voltage-to-Frequency Converters“, QEX, březen/duben 2013, str. 7-10. http://www.google.com.ar/patents/US8803560
Omezení patentů na duševní vlastnictví
Použití převodníku napětí na frekvenci (VFC) k indikaci změn velikosti jako proporcionálních změn slyšitelné frekvence není novým konceptem. Princip převodu napětí na slyšitelnou frekvenci je již veřejným majetkem, protože to dělají převodníky VFC a protože jsem to udělal už dávno.
Přidání tremola pro rozlišení kladné a záporné polarity je však nové. Použití funkce squelch k umlčení tónu, když se přestane měnit, a k jeho opětovnému zapnutí, když se změna obnoví, je další novinkou.
Společnost Boeing vlastní patent číslo 8 803 560, který se vztahuje na tyto dvě funkce. Popisuji zde realizaci tohoto vynálezu, protože bych rád viděl tento způsob v širokém použití. Každý, kdo má zájem o licencování funkcí této metody v USA, musí jednat s mým bývalým zaměstnavatelem.
Boeing vlastní patent na funkce squelch a tremolo, takže nemohu nabízet prodej jednotek s funkcí tremolo nebo squelch. Místo toho mohu poskytnout procesor ATtiny85 s alternativním softwarem, který místo indikace polarity zvukově signalizuje překročení nuly, což se ukazuje jako pozoruhodně účinné. Budete muset přerušit napájení, aby se ztišil, nebo naprogramovat pevnou provozní dobu do vypnutí, místo abyste snímali, kdy se vstup přestane měnit nebo opět začne měnit.
Poznamenejme, že existuje pouze americký patent. Proto může kdokoli vyrábět a prodávat jednotky s funkcemi tremolo a squelch mimo USA. Doufám, že jeden nebo dva výrobci si tuto metodu licencují, aby byla dostupná i zde ve Spojených státech. Nazvěte to třeba Green Whistler nebo nějak jinak, ať mám nějaký kredit.