A digitális multiméterek precíz és pontos műszerek, egyes modellek igen drágák. Nem számít, mennyibe kerülnek, egy probléma minden ilyen eszközt áthat: Rosszul adják vissza a bemeneti jel analóg viselkedését.
 |
Download this article in .PDF formátumban Ez a fájltípus adott esetben nagy felbontású grafikákat és kapcsolási rajzokat tartalmaz. |
Az olyan művelet elvégzéséhez, ahol egy beállítás során valamilyen paramétert szeretne maximalizálni vagy minimalizálni, vizuálisan közelről kell figyelnie a leolvasást, és valóban tanulmányoznia kell a számkijelzést, hogy megállapítsa, a gyorsan változó számjegyek növekednek vagy csökkennek, vagy véletlenszerűen változnak egy kisebb vagy nagyobb értéktartományban. Ez a folyamat megköveteli mind a szemét, mind a koncentrációját, miközben a beállítás elvégzésének folyamatára kell figyelnie, és esetleg egy mérőszondát kell stabilan a megfelelő helyzetben tartania.
Néhány csúcskategóriás digitális multiméter (DMM) a folyadékkristályos kijelzőn egy durva oszlopdiagrammal van ellátva az analóg információk közvetítésére. Ezek azonban általában használhatatlanok, és visszavágyik az ember egy régi analóg mozgó tűs mérőműszer után.
A sávdiagram vagy a mozgó tű helyett az én megoldásom olyan hangot ad ki, amelynek hallható frekvenciája (hangmagassága) a digitális kijelző nagyságával együtt változik. Ahogy a megjelenített nagyság nő, úgy nő a hallható frekvencia; és ahogy a megjelenített nagyság csökken, úgy csökken a hallható frekvencia. Kiderült, hogy ez egy hihetetlenül hatékony módja a pontos analóg viselkedés közvetítésének, ugyanolyan jó vagy jobb, mint az analóg mérőtű figyelése, és nem kell figyelni a kijelzőt.
A hallható hangfrekvencia a nagyságot jelenti
Az emberi fül képes felbontani a hangmagasság (frekvencia) kis változásait. Ez az elrendezés jobb felbontást biztosít, mint az analóg mérőtű, és megnézheti, hogy mit vizsgál és állít be, miközben hallgatja az ebből eredő paraméterváltozásokat. Ez a módszer szem nélküli méréseket eredményez. Maximalizálhat, minimalizálhat vagy relatív változtatásokat végezhet anélkül, hogy a műszerre nézne!
A 2008-ban épített prototípushoz egy LM331 precíziós feszültség-frekvencia átalakítót (VFC) használtam, hogy a DMM-en belül a digitális mérőn keresztüli feszültséggel arányos hallható hangot állítsak elő. A DMM kényelmesen arra szolgál, hogy minden bemenetet, legyen az feszültség vagy áram vagy ellenállás vagy bármilyen más paraméter, feszültséggé alakítson ±199,9 mV vagy néha ±399,9 mV tartományban, az adott egységtől függően.
Pufferelje a jelet a bemenetről a belső digitális mérőre, erősítse fel, vegye ki az abszolút értéket, alkalmazza a VFC-re, alakítsa át az alacsony működési ciklusú impulzus kimenetet magas működési ciklusú jellé, és alkalmazza egy hangszóróra, hogy megfelelő hallható hangot generáljon. Az 1. ábra szemlélteti a koncepciót, míg a 2. ábra az egyik sikeres korai prototípus sematikus rajzát mutatja.
A hallható frekvencia a DMM-en belül a mérőre adott feszültség nagyságától függően változik (3. ábra). Eddig ez az áramkör úgy működik, mint egy hallható oszlopdiagram, nagyon nagy felbontással. A bemeneti puffererősítő és a VFC közötti abszolút értékű átalakítóval a jel polaritását figyelmen kívül hagyja. Akárcsak egy analóg oszlopdiagrammal rendelkező DMM, pozitív és negatív bemenet esetén is ugyanazt a jelzést adja.
A mért paraméter nagyságának hallható hangmagasságként való ábrázolása nem új ötlet. A jelértékek változó hallható frekvenciaként való ábrázolásának ezt a módszerét korábbi találmányaimban1 és a QEX-ben megjelent egyik cikkemben is alkalmaztam.2 Még mindig megvan néhány olyan hardver, amelyet 1988 körül használtam. Tulajdonképpen a fülhallgató egy 300 bájtos modem gumicsészében van, hogy a hallható kimeneti jelet egy sima régi telefonkagylóba kapcsolja, hogy a méréseket telefonkapcsolaton keresztül továbbítsa nekem egy távoli helyre, ahol a szabad térbeli optikai adatkapcsolaton elvégeztem a mérést befolyásoló beállításokat.
Hallható polaritást jelző funkció
Az eszköz használhatóbbá tétele érdekében azt tűztem ki célul, hogy a polaritásérzékelő és a hullámforma-váltó segítségével a pozitív és a negatív polaritású jelek különbözőképpen szólaljanak meg. Kezdetben egy szinuszhullám és egy négyszöghullám között mentem, de a különbség még hangsúlyosabb volt, amikor a negatív jelek jelölésére tremolót, egy alacsony frekvenciájú amplitúdóváltozást használtam. A hangmagasság amplitúdó burkológörbéje alacsony frekvencián változik, amikor a bemeneti polaritás negatív, hogy a negatív bemeneteknek nagyon észrevehető és jellegzetes hangzást adjon.
Squelch Feature
Ray Bosenbecker, barátom és kollégám rámutatott, hogy mennyire idegesítő lett a hallható hang, különösen akkor, amikor nem változott a beállítások között. Ray javasolta a squelch hozzáadását, amikor a bemeneti jel egy ideig változatlan volt. Ezen a ponton társfeltaláló lett.
A squelch volt a legnehezebben megvalósítható funkció. Négy műveleti erősítő szolgál a VFC bemenetén lévő jel pufferelésére és differenciálására, valamint a hirtelen változások érzékelésére.
Amikor a leolvasás egy ideig változatlan marad, a hallható hang megszűnik. Amikor a leolvasás ismét változni kezd, a hangjelzés folytatódik. Ez kényes és nehezen beállítható volt a squelch-sel ellátott prototípus áramkörben (4. ábra). Elég jól működött ahhoz, hogy bemutassa a koncepciót.
Azt akartam, hogy ezt az áramkört úgy kicsinyítsem, hogy beférjen egy DMM-be, de a komplex programozható logikai eszközök (CPLD-k) és a terepi programozható kaputáblák (FPGA-k) megfelelő analóg megfelelői soha nem jöttek létre. Következésképpen csak ez a bonyolult és alkalmatlan analóg áramkör maradt, amely túl nagy volt ahhoz, hogy elférjen, és kényelmetlen tápellátási feszültségszinteket igényelt.
Digitális megvalósítás
Barátom, Lee Johnson bátorított, hogy próbálkozzak egy digitális változattal. Sokáig ellenálltam azonban, mivel ostobaságnak tűnt a jelet mind a DMM-ben, mind az audio-kiegészítőmben digitalizálni.
Amikor végül leültem, hogy kipróbáljam a digitális megvalósítást, az nagyon egyszerűnek bizonyult, és elsőre működött. A digitális prototípus kenyértábla egy Arduino Uno R3 volt, amely egy “tonePitchFollower” nevű példaprogramot futtatott, ami egyenértékű a VFC-vel. Az áramkörnek még mindig szüksége van op-erősítőkre a bemenet puffereléséhez és erősítéséhez olyan tartományba, amely elfogadható az Arduino egypólusú analóg-digitális átalakítója (ADC) számára. A feszültségtartományok frekvenciatartományokhoz való illesztése, a negatív polaritás megkülönböztetésére szolgáló tremoló hozzáadása és a squelch megvalósítása csak szoftver.
Az első teljesen működőképes digitális prototípus egy Arduino ProMini-t használt, és könnyen befért a rendelkezésre álló helyre egy Harbor Freightból származó, alacsony árú Cen-Tech DMM-ben. A következő egy teljes méretű, 28 tűs Atmel ATmega328P chipet használt egy Arduino Uno R3-ból, és ugyanolyan jól illeszkedett. Nemrég rávettem a 8 tűs Atmel ATtiny85 chipet, hogy ugyanolyan jól működjön, mint a nagyobb teljesítményű chipek, így most már bőven van hely, és kevesebb áramot igényel.
Az 5. ábrán a prototípusok három generációja látható különböző Atmel processzorokkal. Az első egy Arduino Pro Mini, a második egy ATmega328P chip egy Arduino Uno R3-ból, a harmadik pedig egy ATtiny85. Az Arduino Uno egyszerű programjának egy korai változata mutatja be a módszert squelch nélkül (6. ábra).
A hack
A Harbor Freight DMM egy 9 V-os akkumulátorról kap áramot, és szabályozott referenciapotenciált szolgáltat 3 V-tal az akkumulátor pozitív potenciálja alatt. A belső digitális mérő bemeneti jele ehhez a referenciapotenciálhoz képest ±200 mV-ban változik. A referencia- és a digitális mérő bemeneti jelét egy chipkondenzátor két oldalán kék és piros vezetékek segítségével mintavételeztem (7. ábra, balra lent). A bekapcsolt +9 V-os tápfeszültséghez a piros vezetékkel a középsőhöz közel, a -9 V-os tápfeszültséghez pedig a kék vezetékkel a jobb felső részen csatlakoztattam. Ez a tápellátási elrendezés tartja a titkot a Harbor Freight DMM meghackeléséhez, hogy a bipoláris op-erősítők és az Atmel processzor tápellátását biztosítsa.
A 8. ábra a DMM feszültségszintjeit és ennek a hallható tartozéknak az áramköri rajzát mutatja. A 79L05 negatív feszültségszabályozó 5 V potenciált vezet le a +9 V-os akkumulátor alatt (a bekapcsolás után). Az op-erősítők és a CPU-chip ezt használják negatív tápfeszültségként, és a +9 V-os akkumulátor potenciálját pozitív tápfeszültségként. Ily módon a DMM referencia- és a DMM kimeneti jelpotenciáljai nagyjából középen helyezkednek el az op-erősítő és a CPU tápellátása között, és fix kapcsolatban vannak velük.
Az ATtiny85 változat kevesebb mint 14 mA-t vesz fel az akkumulátorból, beleértve a DMM-et is, amikor 150Ω-os hangszóróval működik. A hangszórók régi vezeték nélküli telefonokból származnak. Látom őket a neten, de a szállító nem válaszolt a megkeresésre.
Egy általam vizsgált Fluke 23 DMM ugyanazt a tápegység-konfigurációt használja, mint a Harbor Freight-tól származó Cen-Tech DMM. Ebből arra következtetek, hogy ez a hackelés általánosságban érvényes, és nem csak a Cen-Tech modellekre. Javaslom, hogy a Cen-Tech modellekkel kezdje, mert a Harbor Freight olyan kuponajánlatokat kínál, amelyekkel időről időre ingyen adják őket.
Az önkalibrációs funkció
Lee Johnson javasolta, hogy hasznos lenne, ha a hallható DMM jelezné a nullától eltérő bizonyos bemeneti jelszintek megközelítését az ipari környezetben történő ismétlődő kalibrálás céljából. Ezt a funkciót hozzáadtam a szoftverhez, és ezzel megoldottam a saját kalibrálási problémámat.
Előtte minden egyes egységhez egy kissé eltérő konstansra volt szükség a szoftverben, hogy a minimális hallható frekvencia pontosan akkor következzen be, amikor a DMM kijelzője nullát jelez. Most, ha a CPU 2. csapja alacsony a bekapcsoláskor, az egység önkalibrálódik bármilyen bemeneti szintre, és tárolja a kalibrációs állandót a CPU nem felejtő EEPROM memóriájában. Rövidre zárja a bemenetet, húzza a 2. tűt alacsonyra, és kapcsolja be a tápellátást az egység normál kalibrálásához. Én egy belső reed-kapcsolót és egy külső mágnest használok a 2. tű alacsonyra húzásához anélkül, hogy lyukat fúrnék a tokba a kapcsolóhoz, de ez is működne.
Offset-kalibrálási funkció
Az egységre bármilyen pozitív vagy negatív bemeneti szintet alkalmazhat, miközben bármely paramétert bármely tartományban mér. Kapcsolja ki a készüléket, húzza a 2. tűt alacsonyra, és kapcsolja be újra a készüléket, hogy kalibrálja a készüléket a minimális frekvencia és a nulla átmenetek jelzésére az adott bemeneti szinten. A mérőeszközétől függően ezt megteheti kapacitással, ellenállással és frekvenciával, valamint feszültséggel, árammal és ellenállással.
Most már figyelhet a szonda elhelyezésére vagy a beállítás elvégzésének sajátosságaira, miközben egyszerűen meghallgatja és beállítja a minimális hallható frekvenciát. A műszer így jelzi, hogy a bemeneti szint megközelíti vagy eltávolodik-e a kívánt paraméterértéktől.
Hiszem, hogy ez az offset kalibrációs funkció egy új és valószínűleg szabadalmaztatható ötlet, de Lee és én inkább úgy döntöttünk, hogy ebben a cikkben hozzuk nyilvánosságra. Szívesen látjuk. Nevezze el rólunk.
Más felhasználási lehetőségek
Tesztelje, hogy egy potenciométer piszkos-e (zajos), vagy jó kapcsolatot teremt-e a teljes tartományban, úgy, hogy beállítja az ellenállás mérését és figyeli a kieséseket, miközben forgatja a tengelyt. Ezek nagyon észrevehetőek lesznek. Arra is betekintést nyerhet, hogy az ellenállás változása lineáris vagy logaritmikusan kúpos.
Figyeljen arra, hogy a tartozéklapot bármilyen ±199,9 mV-os vagy ±399,9 mV-os digitális panelmérővel használja, amelyet saját alkalmazásaiba épít. Meg kell változtatnia a tápellátás elrendezését, hogy szimmetrikus vagy közel szimmetrikus, körülbelül 5 V-os tápellátási tartományt biztosítson, amely a mérőműszer referencia bemenete fölé és alá is kiterjed. A különböző mérők különböző megoldásokat igényelnek. Valakinek végül olyan digitális paneleket kellene kínálnia, amelyekbe ez a funkció be van építve. Ez a tartozék egy nagyon sokoldalú, hallható folytonossági ellenőrzést biztosít azon digitális mérők számára, amelyekből hiányzik ez a funkció.
|
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. Ezek az egységek foglalattal rendelkeznek az ATtiny85 CPU számára, így a felhasználók a saját alkalmazásukhoz igazíthatják a szoftvert. A 9. ábra egy új nyomtatott áramköri lapot mutat, amely egy külső mágnessel aktivált reed-kapcsolónak ad helyet az önkalibráláshoz.
Ez a tartozék a Citrus Electronics-tól válik elérhetővé.3 Ellenőrizze a weboldalon az állapotot. Ha van kereslet a megmaradt lapokra, akkor többet fogunk gyártani belőlük.
Ezeket a kiegészítő lapokat olyan szoftverrel tudom ellátni, amely egy olyan hallható hangot generál, amelynek frekvenciája a DMM numerikus kijelzőjének nagyságával nő és csökken. A Boeing Company tulajdonában van a 8,803,560,4 amerikai szabadalom, amely a hallható polaritásjelző funkciót és a squelch funkciót takarja, így ezeket nem tudom biztosítani (lásd alább a “Szellemi tulajdon szabadalmi korlátozások” című részt).
Mondja el, mit tehet még ezzel a berendezéssel. Számos fejlesztés jut eszembe, és néhányat már be is építettem a rendelkezésre álló verzióba. Az a célom, hogy a DMM-ek ezekkel a funkciókkal rendelkezzenek a felhasználók számára, akik már régóta panaszkodnak a tisztességes analóg kijelzés hiányára. Remélem, hogy ez megtörténik. Még azt is remélem, hogy a Boeing keres némi pénzt.
Dr. Sam Green nyugalmazott űrmérnök, aki a szabad térbeli optikai és száloptikai adatkommunikációra és fotonikára specializálódott. A Northwestern Egyetemen és az Urbanai Illinois Egyetemen szerzett elektronikai mérnöki diplomát. 18 szabadalomban szerepel feltalálóként, Missouri államban bejegyzett hivatásos mérnök és az IEEE élethossziglani szenior tagja. Keresse Samet a [email protected] e-mail címen.
1. Lásd az 5,729,335 és 7,898,395 szabadalmakat.
2. “Fun with Voltage-to-Frequency Converters”, QEX, 2013. március/április, 7-10. oldal.
3. http://www.citrus-electronics.com
4. http://www.google.com.ar/patents/US8803560
Szellemi tulajdon szabadalmi korlátozások
A feszültség-frekvencia átalakító (VFC) használata a nagyságváltozásnak a hallható frekvencia arányos változásaként történő jelzésére nem új koncepció. A feszültség-hallható frekvenciává alakítás elve mostanra már köztulajdon, mert a VFC-k ezt teszik, és mert én már olyan régen megcsináltam.
A tremoló hozzáadása a pozitív és negatív polaritás megkülönböztetésére azonban új. A squelch használata a hang elhallgattatására, amikor a hang megszűnik váltani, és a hang újra bekapcsolására, amikor a váltás folytatódik, egy másik új csavar.
A Boeing Company rendelkezik a 8,803,560 számú szabadalommal, amely ezt a két funkciót takarja. Ennek a találmánynak a megvalósítását írom le itt, mert szeretném, ha ez a módszer széles körben elterjedne. Bárki, aki ennek a módszernek a jellemzőit az Egyesült Államokban licencelni szeretné, annak a korábbi munkaadómmal kell üzletelnie.
A Boeing birtokolja a squelch és a tremolo funkciók szabadalmát, így nem ajánlhatom fel, hogy tremolóval vagy squelch-el ellátott készülékeket áruljak. Ehelyett az ATtiny85 CPU-t alternatív szoftverrel tudom ellátni, amely a polaritás jelzése helyett hallhatóan jelzi a nulla áthaladásokat, ami figyelemre méltóan hatékonynak bizonyul. Meg kell szakítani a tápellátást, hogy csendessé tegye, vagy be kell programozni egy fix működési időt a kikapcsolásig, ahelyett, hogy érzékelné, amikor a bemenet megszűnik változni, vagy ismét változni kezd.
Megjegyzem, hogy csak egy amerikai szabadalom van. Ezért bárki építhet és értékesíthet tremoló és squelch funkcióval rendelkező egységeket az USA-n kívül. Remélem, hogy egy vagy két gyártó licencelni fogja ezt a módszert, hogy elérhetővé váljon itt az Egyesült Államokban. Hívják Green Whistler-nek vagy valami menőnek, hogy kapjak némi elismerést.