Digitale multimeters zijn nauwkeurige en precieze instrumenten, waarvan sommige modellen erg duur zijn. Ongeacht de prijs hebben al deze apparaten met één probleem te kampen: Ze geven het analoge gedrag van een ingangssignaal slecht weer.
 |
Download dit artikel in .PDF-formaat Dit bestandstype bevat hoge resolutie afbeeldingen en schema’s indien van toepassing. |
Om een bewerking uit te voeren waarbij u een parameter wilt maximaliseren of minimaliseren bij het maken van een aanpassing, moet u de aflezing visueel nauwlettend in de gaten houden en het numerieke display echt bestuderen om te bepalen of de snel veranderende cijfers toenemen of afnemen, of willekeurig variëren over een klein of groot bereik van waarden. Dit proces vereist zowel uw ogen als uw concentratie, terwijl u ook aandacht moet besteden aan het uitvoeren van de afstelling en wellicht een testsonde in de juiste positie moet houden.
Sommige high-end digitale multimeters (DMM’s) worden geleverd met een ruw staafdiagram op het liquid-crystal display om analoge informatie over te brengen. Deze zijn echter over het algemeen nutteloos en doen verlangen naar een oude analoge moving-needle meter.
In plaats van een staafdiagram of een bewegende naald produceert mijn oplossing een geluid waarvan de hoorbare frequentie (toonhoogte) verandert met de magnitude van het digitale display. Als de weergegeven magnitude toeneemt, neemt de hoorbare frequentie toe; en als de weergegeven magnitude afneemt, neemt de hoorbare frequentie af. Dit blijkt een ongelooflijk effectieve manier te zijn om nauwkeurig analoog gedrag over te brengen, zo goed als of beter dan kijken naar een analoge meternaald, en je hoeft niet naar het display te kijken.
Frequentie van hoorbare tonen vertegenwoordigt grootte
Het menselijk oor is in staat om kleine veranderingen in toonhoogte (frequentie) op te lossen. Deze opstelling biedt een betere resolutie dan een analoge meternaald, en u kunt kijken naar wat u onderzoekt en aanpast terwijl u luistert naar de resulterende parameterwijzigingen. Deze methode levert oog-af metingen op. U kunt maximaliseren, minimaliseren, of relatieve veranderingen aanbrengen zonder naar het instrument te kijken!
Voor het prototype dat ik in 2008 bouwde, gebruikte ik een LM331 precisie spanning-naar-frequentie omzetter (VFC) om een hoorbare toon te produceren die evenredig is met de spanning over de digitale meter in de DMM. De DMM is handig om alle ingangen, of het nu spanning of stroom of weerstand of een andere parameter is, om te zetten in een spanning in het bereik van ±199,9 mV of soms ±399,9 mV, afhankelijk van de specifieke eenheid.
Het signaal van de ingang naar de interne digitale meter bufferen, versterken, de absolute waarde nemen, toepassen op de VFC, de pulsuitgang met lage duty-cycle omzetten in een signaal met hoge duty-cycle, en toepassen op een luidspreker om een geschikte hoorbare toon op te wekken. Figuur 1 illustreert het concept, terwijl figuur 2 het schematische diagram toont van een succesvol vroeg prototype.
De hoorbare frequentie zal variëren met de grootte van de spanning naar de meter binnen de DMM (Fig. 3). Tot dusver functioneert deze schakeling als een hoorbaar staafdiagram met zeer hoge resolutie. Met een absolute-waarde-omzetter tussen de ingangsbufferversterker en de VFC, negeert hij de signaalpolariteit. Net als een DMM met een analoog staafdiagram geeft het dezelfde indicatie voor positieve en negatieve inputs.
Het weergeven van de grootte van een gemeten parameter als hoorbare toonhoogte is geen nieuw idee. Ik heb deze methode om signaalwaarden voor te stellen als variërende hoorbare frequenties gebruikt in eerdere uitvindingen1 en een artikel in QEX.2 Ik heb nog wat hardware die ik rond 1988 heb gebruikt. De oortelefoon zat in een rubber cupje van een 300-baud modem om het hoorbare uitgangssignaal te koppelen aan een gewone oude telefoon om de metingen via een telefoonverbinding naar mij op een afgelegen locatie te sturen, waar ik aanpassingen deed aan een optische dataverbinding in de vrije ruimte die de meting beïnvloedden.
Audible Polarity-Indicating Feature
Om dit apparaat bruikbaarder te maken, ben ik aan de slag gegaan om positieve en negatieve polariteitssignalen verschillend te laten klinken met de polariteitssensor en de golfvormwisselaar. Ik ging aanvankelijk tussen een sinusgolf en een blokgolf, maar het verschil was meer uitgesproken toen ik tremolo, een laagfrequente amplitudevariatie, gebruikte om negatieve signalen aan te duiden. De amplitudeomhullende van de audiotoonhoogte varieert bij lage frequentie wanneer de inputpolariteit negatief is, zodat negatieve inputs een zeer merkbaar en onderscheidend geluid geven.
Squelch Feature
Ray Bosenbecker, mijn vriend en collega, wees me erop hoe irritant de hoorbare toon werd, vooral als die niet veranderde tussen de aanpassingen. Ray stelde voor om squelch toe te voegen wanneer het ingangssignaal een tijdje onveranderlijk was. Op dat moment werd hij mede-uitvinder.
Natuurlijk was de squelch het moeilijkst te implementeren. Vier op amps dienen om het signaal aan de ingang van de VFC te bufferen en te differentiëren en plotselinge veranderingen op te merken.
Wanneer de aflezing enige tijd onveranderlijk blijft, houdt de hoorbare toon op. Wanneer de aflezing weer begint te variëren, wordt de toon hervat. Dit was gevoelig en moeilijk in te stellen in het prototype circuit met squelch (Fig. 4). Het functioneerde echter goed genoeg om het concept te demonstreren.
Ik wilde deze schakeling verkleinen om in een DMM te passen, maar geschikte analoge equivalenten van complexe programmeerbare logische apparaten (CPLD’s) en field-programmable gate arrays (FPGA’s) zijn er nooit gekomen. Bijgevolg had ik alleen deze complexe en ongeschikte analoge schakeling, die te groot was om erin te passen en onhandige voedingsspanningsniveaus vereiste.
Digitale implementatie
Mijn vriend Lee Johnson moedigde me aan een digitale versie te proberen. Ik heb me er echter lang tegen verzet, omdat het me onzinnig leek het signaal zowel in de DMM als in mijn audio-accessoire te digitaliseren.
Toen ik er eindelijk voor ging zitten om een digitale implementatie te proberen, bleek het heel eenvoudig te zijn en werkte het bij de eerste poging. Het digitale prototype breadboard was een Arduino Uno R3 met een voorbeeld programma genaamd “tonePitchFollower,” wat gelijk staat aan een VFC. De schakeling heeft nog steeds op amps nodig om de ingang te bufferen en te versterken naar een bereik dat acceptabel is voor de unipolaire analoog-digitaal omzetter (ADC) op de Arduino. Het afstemmen van spanningsbereiken op frequentiebereiken, het toevoegen van tremolo om negatieve polariteit te onderscheiden, en het implementeren van squelch zijn slechts software.
Het eerste volledig functionele digitale prototype gebruikte een Arduino ProMini en paste gemakkelijk in de beschikbare ruimte van een low-end Cen-Tech DMM van Harbor Freight. Het volgende prototype gebruikte een full-size 28-pins Atmel ATmega328P chip van een Arduino Uno R3, en die paste net zo goed. Ik heb onlangs de 8-pins Atmel ATtiny85 chip zo gekregen dat hij net zo goed werkt als de chips met hogere prestaties, dus er is nu ruimte genoeg, en hij heeft minder stroom nodig.
Figuur 5 toont drie generaties prototypen met verschillende Atmel-processoren. De eerste is een Arduino Pro Mini, de tweede is een ATmega328P chip van een Arduino Uno R3, en de derde is een ATtiny85. Een vroege versie van het eenvoudige programma voor de Arduino Uno demonstreert de methode zonder squelch (Fig. 6).
De hack
De Harbor Freight DMM wordt gevoed door een 9-V batterij en levert een gereguleerd referentiepotentiaal 3 V onder het positieve batterijpotentiaal. Het ingangssignaal naar de interne digitale meter varieert ±200 mV ten opzichte van dit referentiepotentiaal. Ik bemonsterde het referentie- en digitale-meter-ingangssignaal aan twee kanten van een chipcondensator met blauwe en rode draden (Fig. 7, linksonder). Ik sloot aan op de geschakelde +9-V voeding met de rode draad in het midden en op de -9-V voeding met de blauwe draad rechtsboven. Deze stroomvoorziening is het geheim van het hacken van de Harbor Freight DMM om de bipolaire op amps en de Atmel processor van stroom te voorzien.
Figuur 8 toont de spanningsniveaus van de DMM en het schakelschema van dit hoorbare accessoire. De 79L05 negatieve spanningsregelaar leidt een potentiaal af dat 5 V onder de +9-V batterij ligt (na de aan/uit-schakelaar). De op amps en de CPU-chip gebruiken dit als negatieve voeding en het +9-V-accupotentiaal als positieve voeding. Op deze manier liggen de referentie- en uitgangspotentialen van de DMM ongeveer in het midden tussen, en in een vaste relatie met, de op versterker- en CPU-voedingen.
De ATtiny85-versie trekt minder dan 14 mA uit de batterij, inclusief de DMM bij gebruik met een 150-Ω-luidspreker. De luidsprekers komen van oude draadloze telefoons. Ik zie ze op het web, maar de leverancier heeft nog niet gereageerd op een vraag.
Een Fluke 23 DMM die ik onderzocht, gebruikt dezelfde voedingsconfiguratie als de Cen-Tech DMM van Harbor Freight. Ik concludeer dat deze hack in het algemeen geldt, en niet alleen voor Cen-Tech modellen. Ik raad aan te beginnen met Cen-Tech modellen, omdat Harbor Freight coupon aanbiedingen heeft waarbij ze van tijd tot tijd gratis worden weggegeven.
Zelf-kalibratiefunctie
Lee Johnson stelde voor dat het nuttig zou zijn om de hoorbare DMM de benadering van bepaalde ingangssignaalniveaus anders dan nul te laten aangeven voor herhaalde kalibratie in een industriële omgeving. Ik heb deze functie aan de software toegevoegd en mijn eigen kalibratieprobleem opgelost.
Voorheen had elke eenheid een iets andere constante in de software nodig om de minimale hoorbare frequentie te forceren precies op het moment dat de DMM-display nul aangeeft. Nu, als pin 2 van de CPU laag is bij het inschakelen, zal de eenheid zichzelf kalibreren op welk ingangsniveau ook aanwezig is en de kalibratieconstante opslaan in het niet-vluchtige EEPROM-geheugen van de CPU. Sluit de ingang kort, trek pin 2 laag, en sluit de voeding aan om het toestel normaal te kalibreren. Ik gebruik een interne reed-schakelaar en een externe magneet om pen 2 laag te trekken zonder een gat in de behuizing te boren voor een schakelaar, maar dat zou ook werken.
Offset-Calibration Feature
Toepas een positief of negatief ingangsniveau op het apparaat terwijl u een parameter op een willekeurig bereik meet. Schakel de voeding uit, trek pin 2 laag, en schakel de voeding weer in om het apparaat te kalibreren en de minimum frequentie en nuldoorgangen bij dat specifieke ingangsniveau aan te geven. Afhankelijk van uw meter kunt u dit doen met capaciteit, weerstand en frequentie, maar ook met spanning, stroom en weerstand.
Nu kunt u aandacht besteden aan de plaatsing van de sonde of aan de specifieke uitvoering van uw aanpassing, terwijl u gewoon luistert en aanpast op de minimale hoorbare frequentie. Zo geeft het instrument aan of het ingangsniveau de door u gewenste parameterwaarde benadert of ervan afwijkt.
Ik geloof dat deze offset-kalibratiefunctie een nieuw en mogelijk patenteerbaar idee is, maar Lee en ik hebben er de voorkeur aan gegeven het in dit artikel bekend te maken. U bent van harte welkom. Noem het naar ons.
Andere toepassingen
Test of een potentiometer vuil is (lawaaierig) of goed contact maakt over zijn hele bereik door hem in te stellen om de weerstand te meten en te luisteren of er dropouts optreden terwijl je de as ronddraait. Deze zullen zeer goed merkbaar zijn. U kunt ook zien of de weerstandsvariatie lineair is of een logaritmische taper heeft.
Overweeg het gebruik van het accessoirebord met een digitale paneelmeter van ±199,9-mV of ±399,9-mV die u in uw eigen toepassingen inbouwt. U zult de stroomvoorziening moeten wijzigen om een symmetrisch of bijna symmetrisch voedingsbereik van ongeveer 5 V te verkrijgen dat zich zowel boven als onder de referentie-ingang van uw meter uitstrekt. Verschillende meters zullen verschillende oplossingen vereisen. Op termijn moeten er digitale panelen komen waarin deze functie is ingebouwd. Dit accessoire biedt een zeer veelzijdige hoorbare continuïteitscontrole voor digitale meters die deze functie ontberen.
|
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. Deze units hebben aansluitingen voor de ATtiny85 CPU, zodat gebruikers de software kunnen aanpassen aan hun eigen toepassingen. Figuur 9 toont een nieuwe printplaat die plaats biedt aan een reed-schakelaar voor zelfkalibratie wanneer deze wordt ingeschakeld met een externe magneet.
Dit accessoire zou beschikbaar moeten komen bij Citrus Electronics.3 Controleer de website voor de status. Als er vraag is naar de resterende printplaten, zullen we er meer fabriceren.
Ik kan deze accessoirekaarten voorzien van software die een hoorbare toon genereert waarvan de frequentie toeneemt en afneemt met de grootte van het numerieke display van de DMM. De Boeing Company bezit het U.S. patent 8,803,560,4 dat betrekking heeft op de hoorbare polariteitsaanduidende functie en de squelch-functie, dus die kan ik niet leveren (zie “Intellectuele-eigendomsrechtelijke octrooibeperkingen” hieronder).
Bedenk eens wat je nog meer met deze opstelling kunt doen. Ik kan verschillende verbeteringen bedenken, en heb er al een paar in de beschikbare versie opgenomen. Mijn doel is om DMM’s met deze mogelijkheden beschikbaar te maken voor gebruikers die al lang klagen over het gebrek aan een fatsoenlijke analoge indicatie. Ik hoop dat dit gebeurt. Ik hoop zelfs dat Boeing er geld aan verdient.
Dr. Sam Green is een gepensioneerd lucht- en ruimtevaartingenieur die zich specialiseerde in optische en optische datacommunicatie in de vrije ruimte en glasvezel en fotonica. Hij is afgestudeerd in elektrotechniek aan de Northwestern University en de University of Illinois at Urbana. Hij is uitvinder van 18 patenten, geregistreerd als beroepsingenieur in Missouri en levenslang senior lid van de IEEE. Neem contact op met Sam via [email protected].
1. Zie patenten 5.729.335 en 7.898.395.
2. “Plezier met spanning-naar-frequentieomzetters,” QEX, maart/april 2013, pp. 7-10.
3. http://www.citrus-electronics.com
4. http://www.google.com.ar/patents/US8803560
Intellectuele-eigendomsbeperkingen van octrooien
Het gebruik van een spanning-naar-frequentieomzetter (VFC) om magnitudeveranderingen aan te geven als evenredige veranderingen in hoorbare frequentie is geen nieuw concept. Het principe van spanning-naar-auditieve-frequentie is inmiddels publiek bezit, omdat dat is wat VFC’s doen en omdat ik het al zo lang geleden heb gedaan.
De toevoeging van tremolo om onderscheid te maken tussen positieve en negatieve polariteit is wel nieuw. Het gebruik van squelch om de toon tot zwijgen te brengen wanneer hij niet meer verandert en om de toon weer aan te zetten wanneer het veranderen hervat wordt, is een andere nieuwe wending.
De Boeing Company heeft octrooi nummer 8,803,560 dat op deze twee eigenschappen betrekking heeft. Ik beschrijf hier de toepassing van deze uitvinding, omdat ik graag zou zien dat deze methode op grote schaal wordt toegepast. Iedereen die geïnteresseerd is in het in licentie geven van de eigenschappen van deze methode in de V.S. moet zaken doen met mijn voormalige werkgever.
Boeing bezit het patent op de squelch en tremolo eigenschappen, dus ik kan niet aanbieden om eenheden met tremolo of squelch te verkopen. In plaats daarvan kan ik de ATtiny85 CPU voorzien van alternatieve software die de nuldoorgang hoorbaar aangeeft in plaats van de polariteit, wat opmerkelijk effectief blijkt te zijn. U zult de stroom moeten onderbreken om hem stil te maken of een vaste bedrijfstijd tot uitschakeling moeten programmeren, in plaats van te voelen wanneer de ingang ophoudt te variëren of weer begint te variëren.
Merk op dat er alleen een Amerikaans octrooi is. Daarom kan iedereen eenheden met de tremolo en squelch functies bouwen en verkopen buiten de V.S. Ik hoop wel dat een of twee fabrikanten een licentie zullen nemen op deze methode, zodat ze hier in de Verenigde Staten beschikbaar komen. Noem het de Green Whistler of zoiets cools zodat ik wat krediet krijg.