Digitalmultimeter sind präzise und genaue Instrumente, wobei einige Modelle sehr teuer sind. Unabhängig vom Preis gibt es jedoch ein Problem, das alle diese Geräte betrifft: Sie können das analoge Verhalten eines Eingangssignals nur schlecht wiedergeben.
 |
Diesen Artikel herunterladen im .PDF-Format Dieser Dateityp enthält hochauflösende Grafiken und Schaltpläne, wenn anwendbar. |
Wenn Sie bei einer Einstellung einen Parameter maximieren oder minimieren wollen, müssen Sie den Messwert genau beobachten und die numerische Anzeige genau studieren, um festzustellen, ob die sich schnell ändernden Ziffern zu- oder abnehmen oder zufällig über einen kleinen oder großen Wertebereich variieren. Dieser Vorgang erfordert sowohl Ihre Augen als auch Ihre Konzentration, während Sie gleichzeitig die Einstellung vornehmen und vielleicht eine Prüfspitze in der richtigen Position halten.
Einige hochwertige Digitalmultimeter (DMMs) sind mit einem groben Balkendiagramm auf der Flüssigkristallanzeige ausgestattet, um analoge Informationen zu vermitteln. Diese sind jedoch in der Regel unbrauchbar und lassen die Sehnsucht nach einem alten analogen Messgerät mit beweglichen Nadeln aufkommen.
Anstelle eines Balkendiagramms oder einer beweglichen Nadel erzeugt meine Lösung einen Ton, dessen hörbare Frequenz (Tonhöhe) sich mit der Größe der digitalen Anzeige ändert. Wenn die angezeigte Größe zunimmt, steigt die hörbare Frequenz; und wenn die angezeigte Größe abnimmt, sinkt die hörbare Frequenz. Dies ist eine unglaublich effektive Methode, um präzises analoges Verhalten zu vermitteln, genauso gut oder besser als das Beobachten einer analogen Messnadel, ohne dass man auf die Anzeige achten muss.
Hörbare Tonfrequenz repräsentiert Größe
Das menschliche Ohr ist in der Lage, kleine Änderungen in der Tonhöhe (Frequenz) aufzulösen. Diese Anordnung bietet eine bessere Auflösung als eine analoge Messnadel, und man kann sich ansehen, was man prüft und einstellt, während man auf die resultierenden Parameteränderungen hört. Mit dieser Methode lassen sich Messungen ohne Augenkontakt durchführen. Bei dem Prototyp, den ich 2008 gebaut habe, habe ich einen LM331-Präzisions-Spannungs-Frequenz-Wandler (VFC) verwendet, um einen hörbaren Ton zu erzeugen, der proportional zur Spannung am digitalen Messgerät im DMM ist. Das DMM dient dazu, alle Eingänge, ob Spannung oder Strom oder Widerstand oder ein anderer Parameter, in eine Spannung im Bereich von ±199,9 mV oder manchmal ±399,9 mV umzuwandeln, je nach dem jeweiligen Gerät.
Das Signal vom Eingang des internen digitalen Messgeräts wird gepuffert, verstärkt, der Absolutwert entnommen, an den VFC angelegt, der Impulsausgang mit niedrigem Tastverhältnis in ein Signal mit hohem Tastverhältnis umgewandelt und an einen Lautsprecher angelegt, um einen geeigneten hörbaren Ton zu erzeugen. Abbildung 1 veranschaulicht das Konzept, während Abbildung 2 das schematische Diagramm eines erfolgreichen frühen Prototyps zeigt.
Die hörbare Frequenz variiert mit der Höhe der Spannung am Messgerät im DMM (Abb. 3). Bis jetzt funktioniert diese Schaltung wie ein akustisches Balkendiagramm mit sehr hoher Auflösung. Mit einem Absolutwertwandler zwischen dem Eingangspufferverstärker und dem VFC ignoriert sie die Signalpolarität. Wie ein DMM mit analogem Balkendiagramm zeigt es bei positiven und negativen Eingängen dasselbe an.
Die Darstellung der Größe eines gemessenen Parameters als hörbare Tonhöhe ist keine neue Idee. Ich habe diese Methode der Darstellung von Signalwerten als variierende hörbare Frequenzen in früheren Erfindungen1 und einem Artikel in QEX verwendet.2 Ich habe noch einige Geräte, die ich um 1988 herum verwendet habe. Es handelt sich dabei um einen Ohrhörer in einer Gummischale eines 300-Baud-Modems, der das hörbare Ausgangssignal in einen einfachen Telefonhörer koppelt, um die Messwerte über eine Telefonverbindung an mich an einem entfernten Standort zu übermitteln, wo ich Anpassungen an einer optischen Freiraum-Datenverbindung vornahm, die sich auf die Messung auswirkten.
Hörbare Polaritätsanzeige
Um das Gerät benutzerfreundlicher zu machen, habe ich mir vorgenommen, Signale mit positiver und negativer Polarität mit dem Polaritätssensor und dem Wellenformwandler unterschiedlich klingen zu lassen. Zunächst habe ich zwischen einer Sinus- und einer Rechteckwelle gewechselt, aber der Unterschied war deutlicher, als ich Tremolo, eine niederfrequente Amplitudenvariation, zur Kennzeichnung negativer Signale verwendete. Die Amplitudenhüllkurve der Tonhöhe variiert bei niedriger Frequenz, wenn die Eingangspolarität negativ ist, und verleiht negativen Eingängen einen sehr auffälligen und unverwechselbaren Klang.
Squelch-Funktion
Ray Bosenbecker, mein Freund und Kollege, wies darauf hin, wie lästig der hörbare Ton wurde, besonders wenn er sich zwischen den Einstellungen nicht veränderte. Ray schlug vor, eine Rauschsperre einzuführen, wenn das Eingangssignal eine Zeit lang unverändert blieb. Zu diesem Zeitpunkt wurde er zum Miterfinder.
Natürlich war die Rauschsperre die am schwierigsten zu implementierende Funktion. Vier Operationsverstärker dienen dazu, das Signal am Eingang des VFC zu puffern und zu differenzieren und plötzliche Änderungen zu erkennen.
Wenn der Messwert eine Zeit lang konstant bleibt, verstummt der hörbare Ton. Wenn der Messwert wieder zu schwanken beginnt, setzt der Ton wieder ein. Beim Prototyp der Schaltung mit Rauschsperre (Abb. 4) war dies heikel und schwierig zu regulieren. Sie funktionierte jedoch gut genug, um das Konzept zu demonstrieren.
Ich wollte diese Schaltung so verkleinern, dass sie in ein DMM passt, aber geeignete analoge Äquivalente von komplexen programmierbaren Logikbausteinen (CPLDs) und feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGAs) gab es nie. Folglich hatte ich nur diese komplexe und ungeeignete analoge Schaltung, die zu groß war, um in ein DMM zu passen, und ungünstige Spannungspegel für die Stromversorgung benötigte.
Digitale Implementierung
Mein Freund Lee Johnson ermutigte mich, eine digitale Version zu versuchen. Ich sträubte mich jedoch lange dagegen, da es mir albern erschien, das Signal sowohl im DMM als auch in meinem Audiozubehör zu digitalisieren.
Als ich mich schließlich hinsetzte, um eine digitale Implementierung zu versuchen, erwies sie sich als sehr einfach und funktionierte auf Anhieb. Das digitale Prototyp-Breadboard war ein Arduino Uno R3, auf dem ein Beispielprogramm namens „tonePitchFollower“ lief, das einem VFC entspricht. Die Schaltung benötigt noch Operationsverstärker, um den Eingang in einen Bereich zu puffern und zu verstärken, der für den unipolaren Analog-Digital-Wandler (ADC) des Arduino akzeptabel ist. Die Anpassung der Spannungsbereiche an die Frequenzbereiche, das Hinzufügen von Tremolo zur Unterscheidung der negativen Polarität und die Implementierung der Rauschsperre sind reine Software.
Der erste voll funktionsfähige digitale Prototyp verwendete einen Arduino ProMini und passte problemlos in den verfügbaren Platz eines preiswerten Cen-Tech DMM von Harbor Freight. Für den nächsten Prototyp wurde ein 28-poliger Atmel ATmega328P-Chip aus einem Arduino Uno R3 verwendet, der ebenso gut passte. Kürzlich habe ich den 8-poligen Atmel ATtiny85-Chip so weit gebracht, dass er genauso gut funktioniert wie die leistungsstärkeren Chips, so dass jetzt viel Platz ist und er weniger Strom benötigt.
Abbildung 5 zeigt drei Generationen von Prototypen mit verschiedenen Atmel-Prozessoren. Der erste ist ein Arduino Pro Mini, der zweite ist ein ATmega328P-Chip aus einem Arduino Uno R3, und der dritte ist ein ATtiny85. Eine frühe Version des einfachen Programms für den Arduino Uno demonstriert die Methode ohne Squelch (Abb. 6).
Der Hack
Das Harbor Freight DMM wird von einer 9-V-Batterie mit Strom versorgt und liefert ein geregeltes Referenzpotenzial, das 3 V unter dem positiven Batteriepotenzial liegt. Das Eingangssignal des internen Digitalmessgeräts schwankt um ±200 mV in Bezug auf dieses Bezugspotenzial. Ich habe das Referenzsignal und das Eingangssignal des Digitalmessgeräts auf zwei Seiten eines Chipkondensators mit blauen und roten Drähten abgetastet (Abb. 7, unten links). Ich habe den roten Draht in der Nähe der Mitte an die geschaltete +9-V-Spannung und den blauen Draht oben rechts an die -9-V-Spannung angeschlossen. Diese Stromversorgungsanordnung ist das Geheimnis, wie man das Harbor Freight DMM hackt, um die bipolaren Operationsverstärker und den Atmel-Prozessor mit Strom zu versorgen.
Abbildung 8 zeigt die DMM-Spannungspegel und den Schaltplan dieses akustischen Zubehörs. Der negative Spannungsregler 79L05 leitet ein Potenzial von 5 V unter der +9-V-Batterie ab (nach dem Netzschalter). Die Operationsverstärker und der CPU-Chip verwenden dieses Potenzial als negative Versorgung und das +9-V-Batteriepotenzial als positive Versorgung. Auf diese Weise liegen das Referenzpotential des DMM und das Potential des DMM-Ausgangssignals genau in der Mitte und in einer festen Beziehung zu den Versorgungen der Operationsverstärker und der CPU.
Die ATtiny85-Version zieht weniger als 14 mA aus der Batterie, einschließlich des DMM, wenn sie mit einem 150-Ω-Lautsprecher betrieben wird. Die Lautsprecher stammen aus alten Schnurlostelefonen. Ich sehe sie im Internet, aber der Anbieter hat auf eine Anfrage nicht reagiert.
Ein Fluke 23 DMM, das ich untersuchte, verwendet die gleiche Stromversorgungskonfiguration wie das Cen-Tech DMM von Harbor Freight. Daraus schließe ich, dass dieser Hack allgemein gilt und nicht nur für Cen-Tech-Modelle. Ich empfehle, mit den Cen-Tech-Modellen zu beginnen, da Harbor Freight von Zeit zu Zeit Gutscheine anbietet, mit denen sie kostenlos abgegeben werden.
Selbstkalibrierungsfunktion
Lee Johnson schlug vor, dass es nützlich wäre, wenn das akustische DMM die Annäherung an bestimmte Eingangssignalpegel außer Null anzeigen würde, um eine wiederholte Kalibrierung in einer industriellen Umgebung zu ermöglichen. Ich habe diese Funktion in die Software aufgenommen und damit mein eigenes Kalibrierungsproblem gelöst.
Zuvor war für jedes Gerät eine leicht unterschiedliche Konstante in der Software erforderlich, damit die minimale hörbare Frequenz genau dann auftritt, wenn das DMM-Display Null anzeigt. Wenn nun Pin 2 der CPU beim Einschalten auf low ist, kalibriert sich das Gerät selbst auf den vorhandenen Eingangspegel und speichert die Kalibrierungskonstante im nichtflüchtigen EEPROM-Speicher der CPU. Schließen Sie den Eingang kurz, ziehen Sie Pin 2 auf low und schalten Sie das Gerät ein, um es normal zu kalibrieren. Ich verwende einen internen Reed-Schalter und einen externen Magneten, um Pin 2 auf Low zu ziehen, ohne ein Loch für einen Schalter in das Gehäuse zu bohren, aber das würde auch funktionieren.
Offset-Kalibrierungsfunktion
Bei der Messung eines beliebigen Parameters in einem beliebigen Bereich kann ein positiver oder negativer Eingangspegel an das Gerät angelegt werden. Schalten Sie das Gerät aus, ziehen Sie Pin 2 nach unten und schalten Sie es wieder ein, um das Gerät so zu kalibrieren, dass es die Minimalfrequenz und den Nulldurchgang bei diesem spezifischen Eingangspegel anzeigt. Je nach Messgerät können Sie dies sowohl mit Kapazität, Widerstand und Frequenz als auch mit Spannung, Strom und Widerstand tun.
Nun können Sie auf die Platzierung der Messfühler oder die Einzelheiten der Einstellung achten, während Sie einfach zuhören und die minimale hörbare Frequenz einstellen. Auf diese Weise zeigt das Gerät an, ob sich der Eingangspegel dem gewünschten Parameterwert nähert oder davon abweicht.
Ich glaube, dass diese Offset-Kalibrierungsfunktion eine neue und möglicherweise patentierbare Idee ist, aber Lee und ich haben uns stattdessen entschieden, sie in diesem Artikel offenzulegen. Sie können sie gerne verwenden. Benennen Sie sie nach uns.
Andere Verwendungszwecke
Testen Sie, ob ein Potentiometer verschmutzt (verrauscht) ist oder über den gesamten Bereich guten Kontakt hat, indem Sie den Widerstand messen und auf Aussetzer achten, während Sie die Welle drehen. Sie werden sehr auffällig sein. Sie können auch feststellen, ob die Widerstandsänderung linear ist oder einen logarithmischen Verlauf hat.
Wägen Sie ab, ob Sie die Zubehörplatine mit einem beliebigen ±199,9-mV- oder ±399,9-mV-Digitalmessgerät verwenden, das Sie in Ihre eigenen Anwendungen einbauen. Sie müssen die Stromversorgungsanordnung ändern, um einen symmetrischen oder nahezu symmetrischen Stromversorgungsbereich von etwa 5 V zu schaffen, der sowohl über als auch unter dem Referenzeingang Ihres Messgeräts liegt. Unterschiedliche Zähler erfordern unterschiedliche Lösungen. Es ist zu erwarten, dass irgendwann Digitalanzeigen mit dieser Funktion angeboten werden. Dieses Zubehör bietet eine sehr vielseitige akustische Durchgangsprüfung für digitale Messgeräte, die diese Funktion nicht haben.
|
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. Diese Einheiten haben Sockel für die ATtiny85-CPU, so dass der Benutzer die Software an seine eigenen Anwendungen anpassen kann. Abbildung 9 zeigt eine neue Leiterplatte, auf der ein Reed-Schalter zur Selbstkalibrierung untergebracht ist, wenn er mit einem externen Magneten aktiviert wird.
Dieses Zubehör sollte von Citrus Electronics erhältlich sein.3 Überprüfen Sie den Status auf der Website. Wenn es eine Nachfrage nach den verbleibenden Platinen gibt, werden wir mehr davon herstellen.
Ich kann diese Zubehörplatinen mit einer Software ausstatten, die einen hörbaren Ton erzeugt, dessen Frequenz mit der Größe der numerischen Anzeige des DMM ansteigt und abfällt. Die Boeing Company besitzt das US-Patent 8,803,560,4, das die akustische Polaritätsanzeige und die Rauschsperre abdeckt, so dass ich diese nicht zur Verfügung stellen kann (siehe unten „Einschränkungen des geistigen Eigentums“).
Stellen Sie sich vor, was Sie sonst noch mit diesem Aufbau machen können. Mir fallen mehrere Verbesserungen ein, von denen ich einige bereits in die verfügbare Version aufgenommen habe. Mein Ziel ist es, dass DMMs mit diesen Funktionen für Benutzer verfügbar werden, die sich schon lange über das Fehlen einer vernünftigen analogen Anzeige beschweren. Ich hoffe, dass dies geschieht. Ich hoffe sogar, dass Boeing etwas Geld verdient.
Dr. Sam Green ist ein pensionierter Luft- und Raumfahrtingenieur, der sich auf optische und faseroptische Datenkommunikation im freien Raum und Photonik spezialisiert hat. Er hat Abschlüsse in Elektrotechnik von der Northwestern University und der University of Illinois in Urbana. Er ist bei 18 Patenten als Erfinder aufgeführt, ein in Missouri eingetragener professioneller Ingenieur und ein Seniormitglied auf Lebenszeit des IEEE. Kontaktieren Sie Sam unter [email protected].
1. Siehe Patente 5,729,335 und 7,898,395.
2. „Fun with Voltage-to-Frequency Converters“, QEX, März/April 2013, S. 7-10.
3. http://www.citrus-electronics.com
4. http://www.google.com.ar/patents/US8803560
Patentrechtliche Beschränkungen
Die Verwendung eines Spannungs-Frequenz-Wandlers (VFC) zur Anzeige von Größenänderungen als proportionale Änderungen der hörbaren Frequenz ist kein neues Konzept. Das Prinzip von Spannung zu hörbarer Frequenz ist inzwischen Allgemeingut, weil VFCs genau das tun und weil ich es schon vor so langer Zeit gemacht habe.
Das Hinzufügen von Tremolo zur Unterscheidung zwischen positiver und negativer Polarität ist allerdings neu. Die Verwendung der Rauschsperre, um den Ton stumm zu schalten, wenn er sich nicht mehr ändert, und ihn wieder einzuschalten, wenn er sich wieder ändert, ist ebenfalls neu.
Die Boeing Company hält das Patent Nr. 8,803,560, das diese beiden Funktionen abdeckt. Ich beschreibe hier die Umsetzung dieser Erfindung, weil ich mir eine breite Anwendung dieser Methode wünsche. Jeder, der an einer Lizenzierung der Funktionen dieser Methode in den USA interessiert ist, muss sich an meinen ehemaligen Arbeitgeber wenden.
Boeing besitzt das Patent auf die Squelch- und Tremolo-Funktionen, so dass ich nicht anbieten kann, Geräte mit Tremolo oder Squelch zu verkaufen. Stattdessen kann ich die ATtiny85-CPU mit einer alternativen Software ausstatten, die Nulldurchgänge anstelle der Anzeige der Polarität akustisch anzeigt, was sich als bemerkenswert effektiv erweist. Sie müssen die Stromversorgung unterbrechen, um ihn leise zu machen, oder eine feste Betriebszeit bis zur Abschaltung programmieren, anstatt zu erkennen, wann der Eingang aufhört zu schwanken oder wieder zu schwanken beginnt.
Beachten Sie, dass es nur ein US-Patent gibt. Daher kann jeder Geräte mit den Tremolo- und Squelch-Funktionen außerhalb der USA bauen und verkaufen. Ich hoffe, dass ein oder zwei Hersteller diese Methode lizenzieren werden, so dass sie hier in den Vereinigten Staaten verfügbar werden. Nennen Sie es den Green Whistler oder etwas anderes Cooles, damit ich etwas Anerkennung bekomme.