デジタル・マルチメーターは精密で正確な機器であり、非常に高価なモデルもあります。 しかし、コストに関係なく、1 つの問題がこれらのデバイスのすべてに浸透しています。 それは、入力信号のアナログ動作を伝えるのが下手だということです。
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調整時に何らかのパラメーターを最大または最小にしたい操作を行うには、視覚的に読み取り値をよく観察して、急速に変化する数値が増加しているか減少しているか、あるいは値の大小範囲にランダムに変化するかを判断し、数値表示をよく検討する必要があります。
一部のハイエンドのデジタル マルチメーター (DMM) には、アナログ情報を伝えるために、液晶ディスプレイ上に粗い棒グラフが表示されます。 しかし、これらは一般に役に立たず、古いアナログの移動針式メーターが懐かしくなります。
棒グラフや動く針の代わりに、私のソリューションでは、デジタル表示の大きさに伴って可聴周波数 (ピッチ) が変化する音を発生させます。 表示される大きさが増加すると、可聴周波数は増加し、表示される大きさが減少すると、可聴周波数は減少します。 これは、アナログメーターの針を見るのと同じかそれ以上に、正確なアナログ動作を伝える非常に効果的な方法であることがわかり、ディスプレイを見る必要がありません。
可聴音の周波数は大きさを表す
人間の耳はピッチ (周波数) の小さな変化を理解することができます。 この配置は、アナログ メーターの針よりも優れた分解能を提供し、結果として生じるパラメーターの変化を聞きながら、プロービングや調整をしているものを眺めることができます。 この方法では、目線を外した測定が可能です。
2008年に私が作ったプロトタイプでは、LM331 精密電圧-周波数変換器 (VFC) を使用して、DMM 内のデジタル メーターの電圧に比例した可聴音を発生させました。 DMMは、電圧、電流、抵抗など、あらゆる入力を、単位によって±199.9 mV、ときには±399.9 mVの範囲の電圧に変換する便利な装置である。
入力からの信号を内部のデジタルメーターにバッファし、増幅して絶対値を取り、VFCに適用し、低デューティーサイクルのパルス出力を高デューティーサイクルの信号に変換し、スピーカに適用して適当な聴感音を発生させることができます。 図1にコンセプトを、図2に成功した初期のプロトタイプの回路図を示す。
可聴周波数は、DMM内のメーターへの電圧の大きさによって変化します(図3)。 これまでのところ、この回路は非常に高い分解能で可聴バーグラフのように動作しています。 入力バッファアンプとVFCの間に絶対値変換器があるため、信号の極性は無視される。 アナログの棒グラフを持つ DMM のように、正と負の入力に対して同じ表示をします。
測定されたパラメーターの大きさを可聴ピッチとして表現するのは、新しいアイデアではありません。 私は、以前の発明1 と QEX の記事2 で、信号の値を可聴周波数の変化として表示するこの方法を使用しましたが、1988 年頃に使用したハードウェアをまだ持っています。 これは、300ボーのモデムのラバーカップにイヤホンを装着し、可聴出力信号を普通の電話の受話器に接続して、電話回線を通じて遠隔地の私に測定値を伝え、私が自由空間光データリンクを調整して測定値に影響を与えるというものです。
極性を音声で知らせる機能
この装置をより使いやすくするために、極性センサーと波形チェンジャーで、正極性と負極性の信号を異なる音にすることに取り組みました。 最初はサイン波と矩形波を行き来していたのですが、トレモロという低周波の振幅変化で負信号を表すと、その違いがより顕著になりました。 入力極性がマイナスのときに、音声ピッチの振幅エンベロープが低周波で変化し、マイナス入力が非常に目立つ、特徴的な音になるのです。
スクエルチ機能
私の友人であり同僚でもある Ray Bosenbecker は、特に調整間で変化しない場合、可聴音がいかに煩わしいものになるかを指摘しました。 Ray は、入力信号がしばらくの間不変であったときに、スケルチを追加することを提案しました。 この時点で、彼は共同発明者となった。
当然ながら、スケルチは実装が最も困難な機能でした。 4つのオペアンプがVFCの入力信号をバッファリングして微分し、急激な変化を感知する役割を果たす。
しばらく読み取り値が一定であれば、可聴音は停止します。 読みが再び変化し始めると、音は再開される。 スケルチ付きの試作回路（図4）では、この調整が微妙で難しかった。 しかし、コンセプトを示すには十分な機能であった。
この回路を縮小して DMM に収めたかったのですが、CPLD (complex programmable logic devices) や FPGA (field-programmable gate arrays) のアナログ同等品は実現しませんでした。 その結果、この複雑で大きすぎ、不便な電源電圧レベルを必要とするアナログ回路だけが残されていたのです。
デジタル インプリメンテーション
友人の Lee Johnson は、デジタル版を試みるよう私に勧めました。 しかし、DMM とオーディオ アクセサリの両方で信号をデジタル化するのは馬鹿げているように思えたので、長い間抵抗していました。
最終的にデジタル実装を試みるために腰を下ろしたとき、それは非常にシンプルで、最初の試みで機能することが証明されました。 デジタル プロトタイプのブレッドボードは、Arduino Uno R3 で、VFC に相当する “tonePitchFollower” というサンプル プログラムを実行しました。 この回路には、ArduinoのユニポーラADCが許容できる範囲まで入力をバッファリングして増幅するためのオペアンプがまだ必要です。 電圧レンジと周波数レンジのマッチング、負極性を識別するためのトレモロの追加、スケルチの実装は単なるソフトウェアです。
最初の完全に機能するデジタル プロトタイプは、Arduino ProMini を使用し、Harbor Freight のローエンド Cen-Tech DMM の空きスペースに容易に収まるようにしました。 次のものは、Arduino Uno R3 からフルサイズの 28 ピン Atmel ATmega328P チップを使用し、同様にうまく収まりました。 最近、8ピンのAtmel ATtiny85チップも高性能チップと同様に動作するようになったので、スペースに余裕ができ、必要な電流も少なくなりました。
図 5 は、さまざまな Atmel プロセッサーによる 3 世代のプロトタイプを示したものです。 最初は Arduino Pro Mini、2 番目は Arduino Uno R3 からの ATmega328P チップ、そして 3 番目は ATtiny85 です。 Arduino Uno用の簡易プログラムの初期バージョンは、スケルチなしの方式を実証しています（図6）。
ハック
Harbor Freight DMM は 9V バッテリーから電源を取り、正電位より 3V 下の安定した基準電位を提供します。 内蔵デジタル メーターへの入力信号は、この基準電位に対して ±200 mV 変化します。 この基準電位とデジタルメーターの入力信号を、青線と赤線を用いてチップコンデンサーの両側でサンプリングした（図7左下）。 中央付近の赤線はスイッチングされた＋9V電源に、右上の青線は-9V電源に接続した。 この電源配置が、Harbor Freight DMMをハックしてバイポーラオペアンプとAtmelプロセッサに電力を供給するための秘訣です。
図 8 は DMM の電圧レベルとこのオーディオ アクセサリの回路図です。 79L05 マイナス電圧レギュレータは、+9V バッテリー (電源スイッチ後) の 5V 下の電位を導出します。 オペアンプとCPUチップは、これをマイナス電源とし、電池の＋9V電位をプラス電源として使用します。 このように、DMMの基準電位と出力信号電位は、オペアンプとCPUの電源のちょうど中間に位置し、一定の関係を保っています。
ATtiny85版は、150Ωのスピーカで動作した場合、DMMを含めてバッテリーから14mA未満しか消費されません。 ラウドスピーカーは古いコードレス電話から取得しました。 Webで見ましたが、供給元から問い合わせの返答がありません。
私が調べた Fluke 23 DMM は、Harbor Freight の Cen-Tech DMM と同じ電源構成を使用しています。 このハックは、Cen-Tech モデルに限らず、一般的に適用されると結論付けています。 ハーバー・フリーイットでは、時々クーポンで無料配布しているので、まずはセンテックモデルから始めることをお勧めします。
自己校正機能
Lee Johnson は、産業環境で繰り返し校正する目的で、ゼロ以外の特定の入力信号レベルへのアプローチを音声 DMM で示すことが有用であることを提案しました。
以前は、DMM ディスプレイがゼロを示すときに、可聴周波数の最小値を正確に発生させるために、各ユニットはソフトウェアでわずかに異なる定数を必要としました。 現在では、電源投入時に CPU のピン 2 が低い場合、ユニットはどのような入力レベルであっても自己校正し、校正定数を CPU の不揮発性 EEPROM メモリに保存します。 入力を短絡し、2番ピンをLowにした後、電源を投入すると、ユニットが正常に校正されます。 私は内蔵のリード・スイッチと外部の磁石を使って、ケースにスイッチ用の穴を開けずに2番ピンをローに引っ張っていますが、これも同様に動作するでしょう。
オフセット キャリブレーション機能
任意の範囲の任意のパラメーターを測定しながら、ユニットに正または負の入力レベルを適用する。 電源をオフにし、2 ピンをローにプルし、電源を再投入して、その特定の入力レベルでの最小周波数とゼロクロスを示すようにユニットを較正します。 メーターによっては、電圧、電流、抵抗だけでなく、静電容量、抵抗、周波数についても、このようなことが可能です。
これで、単に可聴周波数の最小値を聞き、調整しながら、プローブの配置や調整を行う具体的な内容に注意を払うことができるようになります。
このようにして、入力レベルが希望するパラメーター値に近づくか離れるかを示すことができるのです。
このオフセット キャリブレーション機能は、新しく、特許を取得できる可能性のあるアイデアだと思いますが、Lee と私は、この記事でそれを公開することにしました。 歓迎します。 私たちの名前を付けてください。
その他の用途
抵抗を測定するように設定し、シャフトを回転させながらドロップアウトを聞くことによって、ポテンショメーターが汚れているか (ノイズがあるか) またはその範囲全体で良好な接触をしているかをテストします。 それらは非常に顕著になります。 また、抵抗値の変化が直線的か、対数的なテーパーを持つかについての洞察を得ることができます。
独自のアプリケーションに組み込む ±199.9 mV または ±399.9 mV デジタル パネル メーターで、このアクセサリ基板を使用することを検討してみてください。 メーターの基準入力の上下に広がる約 5 V の対称またはほぼ対称の電源範囲を提供するために、電源配置を変更する必要があります。 メーターが違えば、必要なソリューションも違ってくる。 いずれ、この機能を組み込んだデジタルパネルが発売されるはずです。 このアクセサリーは、この機能を持たないデジタル・メーターに、非常に汎用性の高い可聴導通チェックを提供します。
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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. これらのユニットにはCPUであるATtiny85のソケットがあり、ユーザーは自分のアプリケーションに合わせたソフトウェアを作成することができます。 図9は、外部磁石でセルフキャリブレーションを行うためのリードスイッチを搭載した新しいプリント基板である。
このアクセサリは、Citrus Electronicsから入手できるようになるはずです。 残りの基板に需要があれば、さらに製造する予定です。
これらのアクセサリ ボードに、DMM の数値表示の大きさに応じて周波数が増減する可聴音を生成するソフトウェアを提供することができます。 ボーイング社は、可聴極性表示機能とスケルチ機能をカバーする米国特許 8,803,560,4 を所有しているので、提供できません (下記の「知的財産権に関する特許の制約」参照)。
このセットアップで他に何ができるか想像してみてください。 私の目標は、まともなアナログ表示がないことに長い間不満を抱いてきたユーザーが、これらの機能を備えた DMM を利用できるようにすることです。 そうなればいいなと思います。 ボーイング社が儲かるといいなとさえ思っています。
Dr. Sam Green は、自由空間光および光ファイバーによるデータ通信とフォトニクスを専門とする退職した航空宇宙エンジニアです。 ノースウェスタン大学およびイリノイ大学アーバナ校で電子工学の学位を取得しています。 18件の特許の発明者として記載されており、ミズーリ州の登録専門技術者であり、IEEEの終身上級会員でもあります。 Sam へのお問い合わせは、[email protected] まで。
1. 特許 5,729,335 および 7,898,395 を参照。
2.「Fun with Voltage-to-Frequency Converters」、QEX、2013 年 3 月/4 月、7 ～ 10 ページ。
3. http://www.citrus-electronics.com
4.「Fun with Voltage-to-Frequency Converter」、QEX、2013 年 4 月、7 ～ 8 ページ。 http://www.google.com.ar/patents/US8803560
Intellectual-Property Patent Restrictions
可聴周波数の比例変化として大きさの変化を示す電圧-周波数変換 (VFC) の使用は、新しいコンセプトではありません。 電圧から可聴周波数への原理は、VFC が行うことであり、私がずっと前に行ったことなので、もう公有財産です。
正と負の極性を区別するためにトレモロを追加したことは新しいことですが。
ボーイング社は、これら 2 つの機能をカバーする特許番号 8,803,560 を保有しています。 この方法が広く使われることを望んでいるので、この発明の実装をここで説明します。
ボーイング社は、スケルチおよびトレモロ機能に関する特許を所有しているので、トレモロまたはスケルチ付きのユニットを販売することはできません。
ボーイング社はスケルチとトレモロの特許を所有しているので、トレモロやスケルチを備えたユニットを販売することはできませんが、代わりに ATtiny85 CPU に、極性を示す代わりにゼロクロスを音声で示す代替ソフトウェアを提供することができ、これは驚くほど効果的です。 入力が変化しなくなったとき、または再び変化し始めたときに感知するのではなく、静かにするために電源を遮断するか、遮断までの固定動作時間をプログラムする必要があります。
米国特許しかないことに注意してください。
この特許は米国だけのもので、米国外では誰でもトレモロとスケルチの機能を持つユニットを製造し販売することができます。 グリーン・ウィスラー（Green Whistler）と呼ぶか、何かクールな名前にして、私の信用を得るようにします。