I multimetri digitali sono strumenti precisi e accurati, e alcuni modelli sono molto costosi. Indipendentemente dal costo, un problema pervade tutti questi dispositivi: Fanno un pessimo lavoro nel trasmettere il comportamento analogico di un segnale in ingresso.
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Per eseguire un’operazione in cui si vuole massimizzare o minimizzare qualche parametro quando si effettua una regolazione, è necessario monitorare visivamente la lettura da vicino e studiare realmente il display numerico per determinare se le cifre che cambiano rapidamente sono in aumento o in diminuzione, o variano in modo casuale su una piccola o grande gamma di valori. Questo processo richiede sia i vostri occhi che la vostra concentrazione, mentre vi occupate ancora del processo di esecuzione della regolazione e forse di tenere una sonda di prova ferma nella posizione corretta.
Alcuni multimetri digitali (DMM) di fascia alta sono dotati di un rozzo grafico a barre sul display a cristalli liquidi per trasmettere informazioni analogiche. Tuttavia, questi sono generalmente inutili e fanno desiderare un vecchio misuratore analogico ad aghi mobili.
Invece di un grafico a barre o di un ago mobile, la mia soluzione produce un suono la cui frequenza udibile (pitch) cambia insieme alla grandezza del display digitale. Come la grandezza visualizzata aumenta, la frequenza udibile aumenta; e come la grandezza visualizzata diminuisce, la frequenza udibile diminuisce. Questo risulta essere un modo incredibilmente efficace per trasmettere un preciso comportamento analogico, buono come o meglio che guardare l’ago di un misuratore analogico, e non è necessario guardare il display.
La frequenza dei toni udibili rappresenta la grandezza
L’orecchio umano è in grado di risolvere piccoli cambiamenti di tono (frequenza). Questa disposizione fornisce una migliore risoluzione di un ago di un misuratore analogico, e si può guardare ciò che si sta sondando e regolando mentre si ascoltano i cambiamenti dei parametri risultanti. Questo metodo produce misurazioni senza occhi. Puoi massimizzare, minimizzare o fare cambiamenti relativi senza guardare lo strumento!
Per il prototipo che ho costruito nel 2008, ho usato un convertitore tensione-frequenza di precisione LM331 (VFC) per produrre un tono udibile proporzionale alla tensione attraverso il misuratore digitale all’interno del DMM. Il DMM serve convenientemente a convertire tutti gli ingressi, sia tensione o corrente o resistenza o qualsiasi altro parametro, in una tensione nell’intervallo di ±199,9 mV o talvolta ±399,9 mV, a seconda dell’unità particolare.
Buffer il segnale dall’ingresso al contatore digitale interno, amplificarlo, prendere il valore assoluto, applicarlo al VFC, convertire l’uscita dell’impulso a basso duty-cycle in un segnale ad alto duty-cycle, e applicarlo ad un altoparlante per generare un tono udibile adeguato. La Figura 1 illustra il concetto, mentre la Figura 2 mostra il diagramma schematico di un primo prototipo di successo.
La frequenza udibile varierà con la grandezza della tensione al contatore all’interno del DMM (Fig. 3). Finora, questo circuito si comporta come un grafico a barre udibile con una risoluzione molto alta. Con un convertitore di valore assoluto tra l’amplificatore buffer d’ingresso e il VFC, ignora la polarità del segnale. Proprio come un DMM con un grafico a barre analogico, dà la stessa indicazione per gli ingressi positivi e negativi.
Rappresentare la grandezza di un parametro misurato come altezza udibile non è un’idea nuova. Ho usato questo metodo di presentare i valori del segnale come frequenze udibili variabili in invenzioni precedenti1 e in un articolo su QEX.2 Ho ancora dell’hardware che ho usato intorno al 1988. In realtà ha l’auricolare in una tazza di gomma da un modem a 300 baud per accoppiare il segnale di uscita udibile in una cornetta di un vecchio telefono normale per trasmettere le misure su una connessione telefonica a me in una posizione remota, dove ho fatto aggiustamenti a un collegamento dati ottico nello spazio libero che ha influenzato la misura.
Caratteristica udibile di indicazione della polarità
Per rendere questo dispositivo più utilizzabile, ho deciso di far suonare diversamente i segnali di polarità positiva e negativa con il sensore di polarità e il cambiaforma d’onda. Inizialmente sono passato da un’onda sinusoidale a un’onda quadra, ma la differenza è stata più pronunciata quando ho usato il tremolo, una variazione di ampiezza a bassa frequenza, per indicare i segnali negativi. L’inviluppo di ampiezza del pitch audio varia a bassa frequenza quando la polarità dell’ingresso è negativa per dare agli ingressi negativi un suono molto evidente e distintivo.
Funzione Squelch
Ray Bosenbecker, mio amico e collega, ha fatto notare quanto fastidioso diventasse il tono udibile, specialmente quando non cambiava tra le regolazioni. Ray suggerì l’aggiunta dello squelch quando il segnale d’ingresso era invariante per un po’. A questo punto, è diventato un co-inventore.
Naturalmente, lo squelch era la caratteristica più difficile da implementare. Quattro amplificatori operazionali servono a tamponare e differenziare il segnale all’ingresso del VFC e a percepire i cambiamenti improvvisi.
Quando la lettura rimane invariata per un po’, il tono udibile cessa. Quando la lettura comincia a variare di nuovo, il tono riprende. Questo era delicato e difficile da regolare nel circuito prototipo con squelch (Fig. 4). Ha funzionato abbastanza bene per dimostrare il concetto.
Volevo ridurre questo circuito per adattarlo a un DMM, ma gli equivalenti analogici adatti dei dispositivi logici programmabili complessi (CPLD) e dei field-programmable gate array (FPGA) non sono mai successi. Di conseguenza, avevo solo questo complesso e inadatto circuito analogico che era troppo grande per adattarsi e richiedeva livelli di tensione di alimentazione scomodi.
Attuazione digitale
Il mio amico Lee Johnson mi ha incoraggiato a tentare una versione digitale. Ho resistito per molto tempo, però, poiché mi sembrava stupido digitalizzare il segnale sia nel DMM che nel mio accessorio audio.
Quando finalmente mi sono seduto per provare un’implementazione digitale, si è rivelata molto semplice e ha funzionato al primo tentativo. Il prototipo digitale su breadboard era un Arduino Uno R3 che esegue un programma di esempio chiamato “tonePitchFollower”, che è equivalente a un VFC. Il circuito ha ancora bisogno di amplificatori operazionali per tamponare e amplificare l’ingresso in una gamma che sia accettabile per il convertitore analogico-digitale (ADC) unipolare su Arduino. Abbinare le gamme di tensione alle gamme di frequenza, aggiungere il tremolo per distinguere la polarità negativa, e implementare lo squelch sono solo software.
Il primo prototipo digitale completamente funzionale ha usato un Arduino ProMini e si è adattato facilmente allo spazio disponibile all’interno di un DMM Cen-Tech di fascia bassa di Harbor Freight. Il successivo ha usato un chip Atmel ATmega328P a 28 pin da un Arduino Uno R3, e si adatta altrettanto bene. Recentemente ho ottenuto che il chip Atmel ATtiny85 a 8 pin funzioni bene come i chip più performanti, quindi ora c’è molto spazio, e richiede meno corrente.
La figura 5 mostra tre generazioni di prototipi con vari processori Atmel. Il primo è un Arduino Pro Mini, il secondo è un chip ATmega328P da un Arduino Uno R3, e il terzo è un ATtiny85. Una prima versione del semplice programma per l’Arduino Uno dimostra il metodo senza squelch (Fig. 6).
L’Hack
L’Harbor Freight DMM prende energia da una batteria da 9 V e fornisce un potenziale di riferimento regolato 3 V sotto il potenziale positivo della batteria. Il segnale di ingresso al misuratore digitale interno varia ±200 mV rispetto a questo potenziale di riferimento. Ho campionato il segnale d’ingresso del riferimento e del contatore digitale su due lati di un condensatore di chip usando i fili blu e rosso (Fig. 7, in basso a sinistra). Mi sono collegato all’alimentazione +9-V commutata con il filo rosso vicino al centro e all’alimentazione -9-V con il filo blu in alto a destra. Questa disposizione dell’alimentazione contiene il segreto per hackerare l’Harbor Freight DMM per fornire alimentazione agli amplificatori operazionali bipolari e al processore Atmel.
La figura 8 mostra i livelli di tensione DMM e lo schema elettrico di questo accessorio acustico. Il regolatore di tensione negativo 79L05 deriva un potenziale di 5 V sotto la batteria +9 V (dopo l’interruttore di accensione). Gli amplificatori operazionali e il chip della CPU usano questo come alimentazione negativa e il potenziale della batteria a +9 V come alimentazione positiva. In questo modo, i potenziali di riferimento e di segnale in uscita del DMM si trovano circa a metà strada tra, e in un rapporto fisso con, gli amplificatori operazionali e le alimentazioni della CPU.
La versione ATtiny85 assorbe meno di 14 mA dalla batteria, compreso il DMM quando funziona con un altoparlante da 150-Ω. Gli altoparlanti provengono da vecchi telefoni senza fili. Li vedo sul web, ma il fornitore non ha risposto a una richiesta di informazioni.
Un Fluke 23 DMM che ho esaminato usa la stessa configurazione di alimentazione del Cen-Tech DMM da Harbor Freight. Concludo che questo hack si applica in generale, e non solo ai modelli Cen-Tech. Raccomando di iniziare con i modelli Cen-Tech, perché Harbor Freight offre offerte di coupon che li danno gratis di tanto in tanto.
Caratteristica di autocalibrazione
Lee Johnson ha suggerito che sarebbe utile avere il DMM udibile che indica l’approccio a particolari livelli di segnale d’ingresso diversi da zero per scopi di calibrazione ripetitiva in un ambiente industriale. Ho aggiunto questa caratteristica al software e ho risolto il mio problema di calibrazione.
In precedenza, ogni unità richiedeva una costante leggermente diversa nel software per forzare la minima frequenza udibile a verificarsi esattamente quando il display DMM indica zero. Ora, se il pin 2 della CPU è basso all’accensione, l’unità si autocalibra a qualsiasi livello di ingresso sia presente e memorizza la costante di calibrazione nella memoria EEPROM non volatile della CPU. Cortocircuitare l’ingresso, tirare il pin 2 basso e applicare l’alimentazione per calibrare l’unità normalmente. Io uso un interruttore interno reed e un magnete esterno per tirare il pin 2 basso senza fare un buco nel case per un interruttore, ma funzionerebbe anche questo.
Caratteristica di calibrazione offset
Applica qualsiasi livello di ingresso positivo o negativo all’unità mentre misuri qualsiasi parametro su qualsiasi gamma. Spegnete l’unità, abbassate il pin 2 e riapplicate l’alimentazione per calibrare l’unità e indicare la frequenza minima e gli incroci dello zero a quel livello d’ingresso specifico. A seconda del vostro misuratore, potreste farlo con capacità, resistenza e frequenza, oltre a tensione, corrente e resistenza.
Ora potete prestare attenzione al posizionamento della sonda o alle specifiche dell’esecuzione della vostra regolazione mentre semplicemente ascoltate e regolate la minima frequenza udibile. È così che lo strumento indica se il livello d’ingresso si avvicina o si allontana dal valore del parametro desiderato.
Credo che questa funzione di calibrazione offset sia un’idea nuova e forse brevettabile, ma Lee ed io abbiamo invece scelto di rivelarla in questo articolo. Non c’è di che. Dategli il nostro nome.
Altri usi
Testare se un potenziometro è sporco (rumoroso) o fa un buon contatto in tutta la sua gamma impostando la misura della resistenza e ascoltando le cadute mentre si ruota l’albero. Saranno molto evidenti. Si può anche capire se la variazione della resistenza è lineare o ha una conicità logaritmica.
Considera di usare la scheda accessori con qualsiasi misuratore digitale da pannello da ±199,9 mV o ±399,9 mV che costruisci nelle tue applicazioni. Dovrete cambiare la disposizione dell’alimentazione per fornire una gamma di alimentazione simmetrica o quasi simmetrica di circa 5 V che si estende sia sopra che sotto l’ingresso di riferimento del vostro misuratore. Misuratori diversi richiederanno soluzioni diverse. Qualcuno dovrebbe eventualmente offrire pannelli digitali con questa funzionalità incorporata. Questo accessorio fornisce un controllo di continuità udibile molto versatile ai misuratori digitali che mancano di questa caratteristica.
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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. Queste unità hanno prese per la CPU ATtiny85, così gli utenti possono adattare il software alle loro applicazioni. La figura 9 mostra una nuova scheda a circuito stampato che ospita un interruttore reed per l’autocalibrazione quando abilitato con un magnete esterno.
Questo accessorio dovrebbe diventare disponibile da Citrus Electronics.3 Controllare il sito web per lo stato. Se c’è richiesta per le schede rimanenti, ne produrremo altre.
Posso fornire queste schede accessorie con un software che genera un tono udibile la cui frequenza aumenta e diminuisce con la grandezza del display numerico del DMM. La Boeing Company possiede il brevetto U.S. 8,803,560,4 che copre la funzione di indicazione della polarità udibile e la funzione squelch, quindi non posso fornirli (vedi “Restrizioni sui brevetti di proprietà intellettuale” qui sotto).
Immagina cos’altro puoi fare con questa configurazione. Posso pensare a diversi miglioramenti, e ne ho già incorporati un paio nella versione disponibile. Il mio obiettivo è quello di vedere DMM con queste caratteristiche disponibili per gli utenti che si sono a lungo lamentati della mancanza di indicazioni analogiche decenti. Spero che questo accada. Spero anche che Boeing faccia un po’ di soldi.
Il dottor Sam Green è un ingegnere aerospaziale in pensione che si è specializzato nelle comunicazioni di dati nello spazio libero ottico e in fibra ottica e nella fotonica. Ha conseguito lauree in ingegneria elettronica alla Northwestern University e all’Università dell’Illinois a Urbana. Elencato come inventore su 18 brevetti, è un ingegnere professionista registrato nel Missouri e un membro senior a vita di IEEE. Contatta Sam a [email protected].
1. Vedi i brevetti 5,729,335 e 7,898,395.
2. “Fun with Voltage-to-Frequency Converters”, QEX, marzo/aprile 2013, pp. 7-10.
3. http://www.citrus-electronics.com
4. http://www.google.com.ar/patents/US8803560
Restrizioni sui brevetti di proprietà intellettuale
L’uso di un convertitore tensione-frequenza (VFC) per indicare i cambiamenti di grandezza come cambiamenti proporzionali nella frequenza udibile non è un concetto nuovo. Il principio tensione-frequenza udibile è proprietà pubblica ormai, perché questo è ciò che fanno i VFC e perché l’ho fatto tanto tempo fa.
L’aggiunta del tremolo per distinguere tra polarità positiva e negativa è nuova, però. L’uso dello squelch per silenziare il tono quando cessa di cambiare e per riaccendere il tono quando il cambiamento riprende è un’altra novità.
La Boeing Company possiede il brevetto numero 8,803,560 che copre queste due caratteristiche. Descrivo qui l’implementazione di questa invenzione, perché mi piacerebbe vedere questo metodo in largo uso. Chiunque sia interessato a concedere in licenza le caratteristiche di questo metodo negli Stati Uniti deve trattare con il mio ex datore di lavoro.
Boeing possiede il brevetto sulle caratteristiche squelch e tremolo, quindi non posso offrire di vendere unità con tremolo o squelch. Posso invece fornire la CPU ATtiny85 con un software alternativo che indica udibilmente i passaggi a zero al posto di indicare la polarità, il che si dimostra notevolmente efficace. Dovrete interrompere l’alimentazione per renderlo silenzioso o programmare un tempo di funzionamento fisso fino allo spegnimento, piuttosto che rilevare quando l’ingresso cessa di variare o inizia di nuovo a variare.
Nota che esiste solo un brevetto statunitense. Pertanto, chiunque può costruire e vendere unità con le funzioni tremolo e squelch al di fuori degli Stati Uniti. Spero che uno o due produttori diano in licenza questo metodo in modo che siano disponibili qui negli Stati Uniti. Chiamatelo il Whistler verde o qualcosa di figo, così avrò un po’ di credito.