Les multimètres offrent de multiples moyens de lutter contre le vol et la manipulation de l’électricité

Les multimètres numériques sont des instruments précis et exacts, dont certains modèles sont très coûteux. Quel que soit le coût, un problème imprègne chacun de ces appareils : Ils parviennent mal à transmettre le comportement analogique d’un signal d’entrée.

Télécharger cet article au format .PDF Ce type de fichier comprend des graphiques et des schémas en haute résolution, le cas échéant.

Pour effectuer une opération où vous voulez maximiser ou minimiser un certain paramètre lors d’un réglage, vous devez surveiller visuellement la lecture de près et étudier vraiment l’affichage numérique pour déterminer si les chiffres qui changent rapidement augmentent ou diminuent, ou varient de façon aléatoire sur une petite ou grande plage de valeurs. Ce processus nécessite à la fois vos yeux et votre concentration, tout en restant attentif au processus d’exécution du réglage et peut-être en maintenant une sonde de test stable dans la bonne position.

Certains multimètres numériques (DMM) haut de gamme sont livrés avec un graphique à barres grossier sur l’écran à cristaux liquides pour transmettre des informations analogiques. Cependant, ceux-ci sont généralement inutiles et donnent envie d’un vieux multimètre analogique à aiguille mobile.

Au lieu d’un graphique à barres ou d’une aiguille mobile, ma solution produit un son dont la fréquence audible (hauteur) change en même temps que la magnitude de l’affichage numérique. Lorsque la magnitude affichée augmente, la fréquence audible augmente ; et lorsque la magnitude affichée diminue, la fréquence audible diminue. Cela s’avère être un moyen incroyablement efficace de transmettre un comportement analogique précis, aussi bien, voire mieux, que l’observation de l’aiguille d’un compteur analogique, et vous n’avez pas à regarder l’affichage.

La fréquence des sons audibles représente la magnitude

L’oreille humaine est capable de résoudre de petits changements de hauteur (fréquence). Cette disposition offre une meilleure résolution qu’une aiguille de compteur analogique, et vous pouvez regarder ce que vous sondez et ajustez tout en écoutant les changements de paramètres résultants. Cette méthode permet d’obtenir des mesures sans contact visuel. Vous pouvez maximiser, minimiser ou effectuer des changements relatifs sans regarder l’instrument !

Pour le prototype que j’ai construit en 2008, j’ai utilisé un convertisseur tension-fréquence de précision LM331 (VFC) pour produire un son audible proportionnel à la tension aux bornes du compteur numérique dans le DMM. Le DMM sert commodément à convertir toutes les entrées, qu’il s’agisse de tension ou de courant ou de résistance ou de tout autre paramètre, en une tension de l’ordre de ±199,9 mV ou parfois ±399,9 mV, selon l’unité particulière.

Tamponer le signal de l’entrée au compteur numérique interne, l’amplifier, prendre la valeur absolue, l’appliquer au VFC, convertir la sortie d’impulsion à faible rapport cyclique en un signal à rapport cyclique élevé, et l’appliquer à un haut-parleur pour générer une tonalité audible appropriée. La figure 1 illustre le concept, tandis que la figure 2 montre le schéma de principe d’un premier prototype réussi.

La fréquence audible varie en fonction de l’amplitude de la tension du compteur à l’intérieur du DMM (figure 3). Jusqu’à présent, ce circuit se comporte comme un graphique à barres audible avec une très haute résolution. Avec un convertisseur de valeur absolue entre l’amplificateur tampon d’entrée et le VFC, il ignore la polarité du signal. Tout comme un DMM avec un graphique à barres analogique, il donne la même indication pour les entrées positives et négatives.

Représenter la magnitude d’un paramètre mesuré sous forme de hauteur audible n’est pas une idée nouvelle. J’ai utilisé cette méthode de présentation des valeurs de signaux sous forme de fréquences audibles variables dans des inventions précédentes1 et dans un article paru dans QEX.2 J’ai encore du matériel que j’ai utilisé vers 1988. Il s’agit en fait de l’écouteur dans un gobelet en caoutchouc d’un modem de 300 bauds pour coupler le signal de sortie audible dans un combiné téléphonique ordinaire pour transmettre les mesures par une connexion téléphonique à moi dans un endroit distant, où j’ai fait des ajustements à une liaison de données optiques en espace libre qui ont affecté la mesure.

Fonction d’indication de polarité audible

Pour rendre cet appareil plus utilisable, j’ai entrepris de faire sonner différemment les signaux de polarité positive et de polarité négative avec le capteur de polarité et le changeur de forme d’onde. J’ai d’abord passé d’une onde sinusoïdale à une onde carrée, mais la différence était plus prononcée lorsque j’ai utilisé le trémolo, une variation d’amplitude à basse fréquence, pour désigner les signaux négatifs. L’enveloppe d’amplitude de la hauteur audio varie à basse fréquence lorsque la polarité de l’entrée est négative pour donner aux entrées négatives un son très perceptible et distinctif.

Fonction squelch

Ray Bosenbecker, mon ami et collègue, m’a fait remarquer à quel point le ton audible devenait gênant, surtout lorsqu’il ne changeait pas entre les réglages. Ray a suggéré l’ajout d’un squelch lorsque le signal d’entrée était invariable pendant un certain temps. À ce moment-là, il est devenu un co-inventeur.

Naturellement, le squelch était la fonctionnalité la plus difficile à mettre en œuvre. Quatre amplificateurs opérationnels servent à tamponner et à différencier le signal à l’entrée du VFC et à détecter les changements soudains.

Lorsque la lecture reste invariable pendant un certain temps, le son audible cesse. Lorsque la lecture recommence à varier, la tonalité reprend. Ce phénomène était délicat et difficile à régler dans le circuit prototype avec squelch (figure 4). Il a cependant suffisamment bien fonctionné pour démontrer le concept.

Je voulais réduire ce circuit pour l’intégrer dans un DMM, mais les équivalents analogiques appropriés des dispositifs logiques programmables complexes (CPLD) et des réseaux de portes programmables sur le terrain (FPGA) ne sont jamais arrivés. Par conséquent, je n’avais que ce circuit analogique complexe et inadapté, trop grand pour être intégré et nécessitant des niveaux de tension d’alimentation peu pratiques.

Mise en œuvre numérique

Mon ami Lee Johnson m’a encouragé à tenter une version numérique. J’ai pourtant longtemps résisté, car il me semblait idiot de numériser le signal à la fois dans le DMM et dans mon accessoire audio.

Quand je me suis finalement assis pour essayer une implémentation numérique, elle s’est avérée très simple et a fonctionné du premier coup. La planche à pain du prototype numérique était un Arduino Uno R3 exécutant un programme d’exemple appelé « tonePitchFollower », qui est équivalent à un VFC. Le circuit a encore besoin d’amplificateurs opérationnels pour tamponner et amplifier l’entrée dans une gamme acceptable pour le convertisseur analogique-numérique (CAN) unipolaire de l’Arduino. Faire correspondre les plages de tension aux plages de fréquence, ajouter du tremolo pour distinguer la polarité négative et mettre en œuvre le squelch ne sont que des logiciels.

Le premier prototype numérique entièrement fonctionnel utilisait un Arduino ProMini et s’insérait facilement dans l’espace disponible au sein d’un DMM Cen-Tech bas de gamme de Harbor Freight. Le suivant a utilisé une puce Atmel ATmega328P 28 broches de taille normale provenant d’un Arduino Uno R3, et il s’est tout aussi bien adapté. J’ai récemment obtenu que la puce Atmel ATtiny85 à 8 broches fonctionne aussi bien que les puces plus performantes, donc il y a maintenant beaucoup de place, et elle nécessite moins de courant.

La figure 5 montre trois générations de prototypes avec divers processeurs Atmel. Le premier est un Arduino Pro Mini, le deuxième est une puce ATmega328P provenant d’un Arduino Uno R3, et le troisième est un ATtiny85. Une première version du programme simple pour l’Arduino Uno démontre la méthode sans squelch (figure 6).

Le Hack

Le DMM Harbor Freight s’alimente à partir d’une batterie de 9 V et délivre un potentiel de référence régulé 3 V en dessous du potentiel positif de la batterie. Le signal d’entrée du compteur numérique interne varie de ±200 mV par rapport à ce potentiel de référence. J’ai échantillonné le signal de référence et le signal d’entrée du compteur numérique sur les deux côtés d’un condensateur à puce en utilisant des fils bleus et rouges (Fig. 7, en bas à gauche). Je me suis connecté à l’alimentation commutée de +9 V avec le fil rouge près du centre et à l’alimentation de -9 V avec le fil bleu en haut à droite. Cette disposition d’alimentation détient le secret pour pirater le DMM de Harbor Freight afin de fournir de l’énergie aux amplis op bipolaires et au processeur Atmel.

La figure 8 montre les niveaux de tension DMM et le schéma de circuit de cet accessoire sonore. Le régulateur de tension négative 79L05 dérive un potentiel de 5 V en dessous de la batterie +9 V (après l’interrupteur d’alimentation). Les amplificateurs opérationnels et la puce CPU utilisent ce potentiel comme alimentation négative et le potentiel de la batterie +9-V comme alimentation positive. De cette façon, les potentiels de référence et de signal de sortie du DMM se trouvent juste à peu près à mi-chemin entre, et dans une relation fixe avec, les alimentations des amplis op et du CPU.

La version ATtiny85 tire moins de 14 mA de la batterie, y compris le DMM lorsqu’elle fonctionne avec un haut-parleur de 150-Ω. Les haut-parleurs proviennent de vieux téléphones sans fil. Je les vois sur le Web, mais le fournisseur n’a pas répondu à une demande de renseignements.

Un DMM Fluke 23 que j’ai examiné utilise la même configuration d’alimentation que le DMM Cen-Tech de Harbor Freight. J’en conclus que ce hack s’applique de manière générale, et pas seulement aux modèles Cen-Tech. Je recommande de commencer par les modèles Cen-Tech, car Harbor Freight propose des offres de coupons qui les donnent gratuitement de temps en temps.

Fonction d’auto-étalonnage

Lee Johnson a suggéré qu’il serait utile que le DMM audible indique l’approche de niveaux particuliers de signaux d’entrée autres que zéro à des fins d’étalonnage répétitif dans un cadre industriel. J’ai ajouté cette fonctionnalité au logiciel et résolu mon propre problème d’étalonnage.

Auparavant, chaque unité nécessitait une constante légèrement différente dans le logiciel pour forcer la fréquence audible minimale à se produire exactement lorsque l’affichage du DMM indique zéro. Maintenant, si la broche 2 de l’unité centrale est basse à la mise sous tension, l’unité s’auto-calibre à n’importe quel niveau d’entrée présent et stocke la constante d’étalonnage dans la mémoire EEPROM non volatile de l’unité centrale. Court-circuitez l’entrée, tirez la broche 2 vers le bas, et appliquez la puissance pour calibrer l’unité normalement. J’utilise un interrupteur à lames interne et un aimant externe pour tirer la broche 2 basse sans percer un trou dans le boîtier pour un interrupteur, mais cela fonctionnerait aussi bien.

Fonctionnalité de calibrage par décalage

Appliquez n’importe quel niveau d’entrée positif ou négatif à l’appareil tout en mesurant n’importe quel paramètre sur n’importe quelle plage. Coupez l’alimentation, tirez la broche 2 vers le bas, et réappliquez l’alimentation pour calibrer l’appareil afin d’indiquer la fréquence minimale et les passages à zéro à ce niveau d’entrée spécifique. En fonction de votre compteur, vous pourriez faire cela avec la capacité, la résistance et la fréquence ainsi que la tension, le courant et la résistance.

Maintenant, vous pouvez faire attention au placement de la sonde ou aux spécificités de l’exécution de votre réglage tout en écoutant et en réglant simplement la fréquence minimale audible. C’est ainsi que l’instrument indique si le niveau d’entrée s’approche ou s’éloigne de la valeur du paramètre que vous souhaitez.

Je crois que cette fonction d’étalonnage du décalage est une idée nouvelle et peut-être brevetable, mais Lee et moi avons plutôt choisi de la divulguer dans cet article. Vous êtes les bienvenus. Donnez-lui un nom en notre honneur.

Autres utilisations

Tester si un potentiomètre est sale (bruyant) ou fait un bon contact sur toute sa plage en s’installant pour mesurer la résistance et en écoutant les chutes pendant que vous faites tourner l’arbre. Ils seront très perceptibles. Vous pouvez également avoir un aperçu de la question de savoir si la variation de la résistance est linéaire ou a un cône logarithmique.

Pensez à utiliser la carte d’accessoires avec n’importe quel compteur numérique à panneau ±199,9-mV ou ±399,9-mV que vous construisez dans vos propres applications. Vous devrez modifier le dispositif d’alimentation pour fournir une plage d’alimentation symétrique ou presque symétrique d’environ 5 V qui s’étend à la fois au-dessus et au-dessous de l’entrée de référence de votre compteur. Des compteurs différents exigeront des solutions différentes. Quelqu’un devrait éventuellement proposer des panneaux numériques avec cette fonctionnalité intégrée. Cet accessoire fournit un contrôle de continuité audible très polyvalent aux compteurs numériques qui ne disposent pas de cette fonctionnalité.

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. Ces unités ont des prises pour le CPU ATtiny85, de sorte que les utilisateurs peuvent adapter le logiciel à leurs propres applications. La figure 9 montre une nouvelle carte de circuit imprimé qui accueille un interrupteur à lames pour l’auto-étalonnage lorsqu’il est activé par un aimant externe.

Cet accessoire devrait être disponible auprès de Citrus Electronics.3 Vérifiez l’état du site Web. S’il y a une demande pour les cartes restantes, nous en fabriquerons davantage.

Je peux fournir ces cartes accessoires avec un logiciel qui génère une tonalité audible dont la fréquence augmente et diminue avec l’ampleur de l’affichage numérique du DMM. La société Boeing est propriétaire du brevet américain 8,803,560,4 qui couvre la fonction d’indication de polarité audible et la fonction squelch, je ne peux donc pas les fournir (voir « Restrictions de brevet de propriété intellectuelle » ci-dessous).

Imaginez ce que vous pouvez faire d’autre avec cette configuration. Je peux penser à plusieurs améliorations, et j’en ai déjà incorporé quelques-unes dans la version disponible. Mon objectif est de voir des DMM avec ces fonctionnalités disponibles pour les utilisateurs qui se sont longtemps plaints du manque d’indication analogique décente. J’espère que cela arrivera. J’espère même que Boeing gagne un peu d’argent.

Le Dr Sam Green est un ingénieur aérospatial à la retraite qui s’est spécialisé dans les communications de données optiques et à fibres optiques en espace libre et dans la photonique. Il est diplômé en génie électronique de l’Université Northwestern et de l’Université de l’Illinois à Urbana. Inscrit comme inventeur sur 18 brevets, il est ingénieur professionnel agréé dans le Missouri et membre senior à vie de l’IEEE. Contactez Sam à l’adresse [email protected].

1. Voir les brevets 5,729,335 et 7,898,395.

2. « Fun with Voltage-to-Frequency Converters », QEX, mars/avril 2013, p. 7-10.

3. http://www.citrus-electronics.com

4. http://www.google.com.ar/patents/US8803560

Restrictions de brevet en matière de propriété intellectuelle

L’utilisation d’un convertisseur tension-fréquence (VFC) pour indiquer les changements de magnitude comme des changements proportionnels de la fréquence audible n’est pas un concept nouveau. Le principe tension-fréquence audible est une propriété publique maintenant, parce que c’est ce que font les VFC et parce que je l’ai fait il y a si longtemps.

L’ajout du trémolo pour distinguer la polarité positive et négative est nouveau, cependant. L’utilisation du squelch pour faire taire la tonalité lorsqu’elle cesse de changer et pour la rallumer lorsque le changement reprend est une autre nouveauté.

La société Boeing détient le brevet numéro 8,803,560 qui couvre ces deux caractéristiques. Je décris ici la mise en œuvre de cette invention, car j’aimerais que cette méthode soit largement utilisée. Toute personne intéressée à obtenir une licence pour les caractéristiques de cette méthode aux États-Unis doit traiter avec mon ancien employeur.

Boeing détient le brevet sur les caractéristiques de squelch et de tremolo, je ne peux donc pas proposer de vendre des unités avec tremolo ou squelch. Je peux en revanche fournir l’unité centrale ATtiny85 avec un logiciel alternatif qui indique de manière audible les passages à zéro au lieu d’indiquer la polarité, ce qui s’avère remarquablement efficace. Vous devrez interrompre l’alimentation pour le rendre silencieux ou programmer un temps de fonctionnement fixe jusqu’à l’arrêt, plutôt que de détecter le moment où l’entrée cesse de varier ou recommence à varier.

Notez qu’il n’existe qu’un brevet américain. Par conséquent, n’importe qui peut construire et vendre des unités avec les fonctions tremolo et squelch en dehors des États-Unis. J’espère vraiment qu’un ou deux fabricants accorderont une licence pour cette méthode afin qu’ils deviennent disponibles ici aux États-Unis. Appelez-le le Green Whistler ou quelque chose de cool pour que j’obtienne un peu de crédit.