Los multímetros digitales son instrumentos precisos y exactos, y algunos modelos son muy caros. Independientemente del coste, hay un problema que afecta a todos estos dispositivos: Hacen un mal trabajo al transmitir el comportamiento analógico de una señal de entrada.
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Para realizar una operación en la que desee maximizar o minimizar algún parámetro al realizar un ajuste, debe supervisar visualmente la lectura de cerca y estudiar realmente la pantalla numérica para determinar si los dígitos que cambian rápidamente aumentan o disminuyen, o varían aleatoriamente en un rango pequeño o grande de valores. Este proceso requiere tanto de sus ojos como de su concentración, sin dejar de atender el proceso de realizar el ajuste y tal vez mantener una sonda de prueba fija en la posición correcta.
Algunos multímetros digitales (DMM) de gama alta vienen con un tosco gráfico de barras en la pantalla de cristal líquido para transmitir la información analógica. Sin embargo, generalmente son inútiles y hacen que uno añore un viejo medidor de aguja móvil analógico.
En lugar de un gráfico de barras o una aguja móvil, mi solución produce un sonido cuya frecuencia audible (tono) cambia junto con la magnitud de la pantalla digital. A medida que la magnitud mostrada aumenta, la frecuencia audible aumenta; y a medida que la magnitud mostrada disminuye, la frecuencia audible disminuye. Esto resulta ser una forma increíblemente efectiva de transmitir un comportamiento analógico preciso, tan bueno o mejor que mirar la aguja de un medidor analógico, y no tienes que mirar la pantalla.
La frecuencia del tono audible representa la magnitud
El oído humano es capaz de resolver pequeños cambios en el tono (frecuencia). Esta disposición proporciona una mejor resolución que la aguja de un medidor analógico, y usted puede mirar lo que está sondeando y ajustando mientras escucha los cambios de los parámetros resultantes. Este método permite realizar mediciones sin necesidad de mirar. Para el prototipo que construí en 2008, utilicé un convertidor de precisión de voltaje a frecuencia (VFC) LM331 para producir un tono audible proporcional al voltaje a través del medidor digital dentro del DMM. El DMM sirve convenientemente para convertir todas las entradas, ya sea tensión o corriente o resistencia o cualquier otro parámetro, a una tensión en el rango de ±199,9 mV o a veces ±399,9 mV, dependiendo de la unidad particular.
Tampona la señal de la entrada al medidor digital interno, la amplifica, toma el valor absoluto, la aplica al VFC, convierte la salida de impulsos de bajo ciclo de trabajo en una señal de alto ciclo de trabajo y la aplica a un altavoz para generar un tono audible adecuado. La figura 1 ilustra el concepto, mientras que la figura 2 muestra el diagrama esquemático de uno de los primeros prototipos con éxito.
La frecuencia audible variará con la magnitud del voltaje al medidor dentro del DMM (Fig. 3). Hasta ahora, este circuito funciona como un gráfico de barras audible con muy alta resolución. Con un convertidor de valor absoluto entre el amplificador buffer de entrada y el VFC, ignora la polaridad de la señal. Al igual que un DMM con un gráfico de barras analógico, da la misma indicación para entradas positivas y negativas.
Representar la magnitud de un parámetro medido como tono audible no es una idea nueva. Utilicé este método de presentar los valores de la señal como frecuencias audibles variables en inventos anteriores1 y en un artículo en QEX.2 Todavía tengo un hardware que utilicé alrededor de 1988. En realidad tiene el auricular en una taza de goma de un módem de 300 baudios para acoplar la señal de salida audible en un auricular de teléfono antiguo para transmitir las mediciones a través de una conexión telefónica a mí en una ubicación remota, donde hice ajustes a un enlace de datos ópticos en el espacio libre que afectó a la medición.
Función audible de indicación de la polaridad
Para hacer este dispositivo más utilizable, me propuse hacer que las señales de polaridad positiva y de polaridad negativa sonaran de forma diferente con el sensor de polaridad y el cambiador de forma de onda. En un principio, oscilé entre una onda sinusoidal y una onda cuadrada, pero la diferencia fue más pronunciada cuando utilicé el trémolo, una variación de amplitud de baja frecuencia, para denotar las señales negativas. La envolvente de amplitud del tono de audio varía a baja frecuencia cuando la polaridad de entrada es negativa para dar a las entradas negativas un sonido muy notable y distintivo.
Función de silenciamiento
Ray Bosenbecker, mi amigo y colega, señaló lo molesto que resultaba el tono audible, especialmente cuando no cambiaba entre los ajustes. Ray sugirió la adición de squelch cuando la señal de entrada era invariable durante un tiempo. En este punto, se convirtió en coinventor.
Naturalmente, el squelch fue la característica más difícil de implementar. Cuatro op amps sirven para amortiguar y diferenciar la señal a la entrada del VFC y detectar los cambios repentinos.
Cuando la lectura permanece invariable durante un tiempo, el tono audible cesa. Cuando la lectura comienza a variar de nuevo, el tono se reanuda. Esto era delicado y difícil de ajustar en el circuito prototipo con silenciador (Fig. 4). Funcionó lo suficientemente bien como para demostrar el concepto.
Quería reducir este circuito para que cupiera en un DMM, pero los equivalentes analógicos adecuados de los dispositivos lógicos programables complejos (CPLD) y las matrices de puertas programables en campo (FPGA) nunca llegaron. En consecuencia, sólo tenía este complejo e inadecuado circuito analógico que era demasiado grande para encajar y requería niveles de tensión de alimentación inconvenientes.
Implementación digital
Mi amigo Lee Johnson me animó a intentar una versión digital. Sin embargo, me resistí durante mucho tiempo, ya que me parecía una tontería digitalizar la señal tanto en el DMM como en mi accesorio de audio.
Cuando finalmente me senté a intentar una implementación digital, resultó ser muy sencilla y funcionó a la primera. El prototipo digital de la protoboard era un Arduino Uno R3 que ejecutaba un programa de ejemplo llamado «tonePitchFollower», que es equivalente a un VFC. El circuito todavía necesita op amps para amortiguar y amplificar la entrada a un rango que es aceptable para el convertidor analógico-digital unipolar (ADC) en el Arduino. Hacer coincidir los rangos de voltaje con los rangos de frecuencia, añadir trémolo para distinguir la polaridad negativa, e implementar el silenciamiento son sólo software.
El primer prototipo digital completamente funcional utilizó un Arduino ProMini y encajó fácilmente en el espacio disponible dentro de un DMM Cen-Tech de gama baja de Harbor Freight. El siguiente utilizó un chip Atmel ATmega328P de 28 pines de un Arduino Uno R3, y encajó igual de bien. Recientemente conseguí que el chip Atmel ATtiny85 de 8 pines funcionara tan bien como los chips de mayor rendimiento, así que ahora hay mucho espacio, y requiere menos corriente.
La figura 5 muestra tres generaciones de prototipos con varios procesadores Atmel. La primera es un Arduino Pro Mini, la segunda es un chip ATmega328P de un Arduino Uno R3, y la tercera es un ATtiny85. Una primera versión del programa simple para el Arduino Uno demuestra el método sin squelch (Fig. 6).
El Hack
El DMM de Harbor Freight se alimenta de una batería de 9 V y entrega un potencial de referencia regulado 3 V por debajo del potencial positivo de la batería. La señal de entrada al medidor digital interno varía ±200 mV con respecto a este potencial de referencia. Tomé muestras de la señal de referencia y de la señal de entrada del medidor digital en dos lados de un condensador de chip utilizando cables azules y rojos (Fig. 7, abajo a la izquierda). Me conecté a la alimentación conmutada de +9-V con el cable rojo cerca del centro y a la alimentación de -9-V con el cable azul arriba a la derecha. Esta disposición de la energía tiene el secreto para hackear el Harbor Freight DMM para proporcionar energía a los amplificadores operacionales bipolares y el procesador Atmel.
La figura 8 muestra los niveles de tensión del DMM y el diagrama del circuito de este accesorio sonoro. El regulador de voltaje negativo 79L05 deriva un potencial de 5 V por debajo de la batería de +9 V (después del interruptor de encendido). Los op amps y el chip de la CPU utilizan esto como suministro negativo y el potencial de la batería de +9-V como suministro positivo. De esta manera, la referencia del DMM y los potenciales de la señal de salida del DMM se encuentran a medio camino y en una relación fija con los suministros del amplificador óptico y de la CPU.
La versión ATtiny85 consume menos de 14 mA de la batería, incluyendo el DMM cuando funciona con un altavoz de 150-Ω. Los altavoces provienen de viejos teléfonos inalámbricos. Los veo en la web, pero el proveedor no ha respondido a una consulta.
Un DMM Fluke 23 que examiné utiliza la misma configuración de la fuente de alimentación que el DMM Cen-Tech de Harbor Freight. Concluyo que este hack se aplica en general, y no sólo a los modelos Cen-Tech. Recomiendo empezar con los modelos Cen-Tech, porque Harbor Freight ofrece ofertas de cupones que los regalan de vez en cuando.
Función de autocalibración
Lee Johnson sugirió que sería útil que el DMM audible indicara la aproximación a determinados niveles de señal de entrada distintos de cero para fines de calibración repetitiva en un entorno industrial. He añadido esta función al software y he resuelto mi propio problema de calibración.
Antes, cada unidad requería una constante ligeramente diferente en el software para forzar que la frecuencia mínima audible se produjera exactamente cuando la pantalla del DMM indicara cero. Ahora, si el pin 2 de la CPU está bajo en el encendido, la unidad se autocalibrará a cualquier nivel de entrada presente y almacenará la constante de calibración en la memoria EEPROM no volátil de la CPU. Cortocircuite la entrada, tire del pin 2 hacia abajo y aplique la energía para calibrar la unidad normalmente. Yo uso un interruptor de láminas interno y un imán externo para tirar del pin 2 bajo sin tener que taladrar un agujero en la caja para un interruptor, pero eso también funcionaría.
Función de calibración de offset
Aplique cualquier nivel de entrada positivo o negativo a la unidad mientras mide cualquier parámetro en cualquier rango. Desconecte la alimentación, baje el pin 2 y vuelva a aplicar la alimentación para calibrar la unidad e indicar la frecuencia mínima y los cruces por cero en ese nivel de entrada específico. Dependiendo de su medidor, podría hacer esto con la capacitancia, la resistencia y la frecuencia, así como con la tensión, la corriente y la resistencia.
Ahora puede prestar atención a la colocación de la sonda o a los detalles de la realización de su ajuste mientras simplemente escucha y ajusta la frecuencia mínima audible. Así es como el instrumento indica si el nivel de entrada se acerca o se aleja del valor del parámetro que desea.
Creo que esta función de calibración de desplazamiento es una idea nueva y posiblemente patentable, pero Lee y yo optamos por divulgarla en este artículo. De nada. Ponerle el nombre de nosotros.
Otros usos
Prueba si un potenciómetro está sucio (ruidoso) o hace buen contacto en todo su rango configurando para medir la resistencia y escuchando las caídas mientras giras el eje. Serán muy perceptibles. También puede obtener información sobre si la variación de la resistencia es lineal o tiene una conicidad logarítmica.
Considere la posibilidad de utilizar la placa accesoria con cualquier medidor de panel digital de ±199,9 mV o ±399,9 mV que construya en sus propias aplicaciones. Tendrá que cambiar la disposición de la alimentación para proporcionar un rango de alimentación simétrico o casi simétrico de unos 5 V que se extienda tanto por encima como por debajo de la entrada de referencia de su medidor. Diferentes medidores requerirán diferentes soluciones. Con el tiempo, alguien debería ofrecer paneles digitales con esta funcionalidad incorporada. Este accesorio proporciona una comprobación de continuidad audible muy versátil a los medidores digitales que carecen de esta función.
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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. Estas unidades tienen zócalos para la CPU ATtiny85, por lo que los usuarios pueden adaptar el software a sus propias aplicaciones. La figura 9 muestra una nueva placa de circuito impreso que aloja un interruptor de láminas para la autocalibración cuando se activa con un imán externo.
Este accesorio debería estar disponible en Citrus Electronics.3 Compruebe el sitio web para el estado. Si hay demanda para las placas restantes, fabricaremos más de ellas.
Puedo proporcionar estas placas accesorias con un software que genera un tono audible cuya frecuencia aumenta y disminuye con la magnitud de la pantalla numérica del DMM. La compañía Boeing es propietaria de la patente estadounidense 8,803,560,4 que cubre la función de indicación de polaridad audible y la función de silenciamiento, por lo que no puedo proporcionarlas (ver «Restricciones de patentes de propiedad intelectual» más adelante).
Imagine qué más puede hacer con esta configuración. Se me ocurren varias mejoras, y ya he incorporado un par en la versión disponible. Mi objetivo es ver DMMs con estas características disponibles para los usuarios que durante mucho tiempo se han quejado de la falta de indicación analógica decente. Espero que esto ocurra. Incluso espero que Boeing gane algo de dinero.
El Dr. Sam Green es un ingeniero aeroespacial retirado que se especializó en comunicaciones de datos ópticas y de fibra óptica en el espacio libre y en fotónica. Es licenciado en ingeniería electrónica por la Universidad Northwestern y la Universidad de Illinois en Urbana. Figura como inventor en 18 patentes, es ingeniero profesional registrado en Missouri y miembro senior vitalicio del IEEE. Contacte con Sam en [email protected].
1. Véanse las patentes 5.729.335 y 7.898.395.
2. «Fun with Voltage-to-Frequency Converters» (Diversión con los convertidores de tensión a frecuencia), QEX, marzo/abril de 2013, págs. 7-10.
3. http://www.citrus-electronics.com
4. http://www.google.com.ar/patents/US8803560
Restricciones de patentes de propiedad intelectual
El uso de un convertidor de tensión a frecuencia (VFC) para indicar cambios de magnitud como cambios proporcionales en la frecuencia audible no es un concepto nuevo. El principio de conversión de voltaje a frecuencia audible ya es de dominio público, porque eso es lo que hacen los VFC y porque yo lo hice hace mucho tiempo.
Sin embargo, la adición del trémolo para distinguir entre la polaridad positiva y negativa es nueva. El uso del squelch para silenciar el tono cuando deja de cambiar y para volver a encenderlo cuando se reanuda el cambio es otra novedad.
La compañía Boeing tiene la patente número 8.803.560 que cubre estas dos características. Describo la implementación de esta invención aquí, porque me gustaría ver este método en el uso generalizado. Cualquiera que esté interesado en licenciar las características de este método en los Estados Unidos debe tratar con mi antiguo empleador.
Boeing posee la patente de las características de squelch y tremolo, por lo que no puedo ofrecer la venta de unidades con tremolo o squelch. En cambio, puedo proporcionar la CPU ATtiny85 con un software alternativo que indica audiblemente los cruces de cero en lugar de indicar la polaridad, lo que resulta notablemente eficaz. Tendrás que interrumpir la alimentación para que sea silencioso o programar un tiempo de funcionamiento fijo hasta el apagado, en lugar de detectar cuando la entrada deja de variar o empieza de nuevo a variar.
Nótese que sólo hay una patente estadounidense. Por lo tanto, cualquiera puede construir y vender unidades con las características de trémolo y squelch fuera de los EE.UU. Espero que uno o dos fabricantes licencien este método para que estén disponibles aquí en los Estados Unidos. Llámalo Green Whistler o algo así para que me den algo de crédito.