Multimetry cyfrowe są precyzyjnymi i dokładnymi instrumentami, a niektóre modele są bardzo drogie. Bez względu na cenę, jeden problem przenika każde z tych urządzeń: Słabo radzą sobie z przekazywaniem analogowego zachowania sygnału wejściowego.
 |
Pobierz ten artykuł w .PDF Ten typ pliku zawiera grafikę wysokiej rozdzielczości i schematy, jeśli dotyczy. |
Aby wykonać operację, w której chcesz zmaksymalizować lub zminimalizować jakiś parametr podczas dokonywania regulacji, musisz uważnie obserwować odczyt i naprawdę przestudiować wyświetlacz numeryczny, aby określić, czy szybko zmieniające się cyfry rosną lub maleją, czy też zmieniają się losowo w małym lub dużym zakresie wartości. Proces ten wymaga zarówno oczu, jak i koncentracji, przy jednoczesnym zachowaniu uwagi na proces wykonywania regulacji i być może utrzymywaniu sondy testowej w prawidłowej pozycji.
Niektóre wysokiej klasy multimetry cyfrowe (DMM) są wyposażone w prymitywny wykres słupkowy na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym, aby przekazać informacje analogowe. Są one jednak na ogół bezużyteczne i sprawiają, że tęskni się za starym, analogowym miernikiem z ruchomą igłą.
Zamiast bargrafu lub ruchomej igły, moje rozwiązanie wytwarza dźwięk, którego słyszalna częstotliwość (wysokość) zmienia się wraz z wielkością cyfrowego wyświetlacza. Gdy wyświetlana wielkość rośnie, częstotliwość dźwiękowa rośnie, a gdy wyświetlana wielkość maleje, częstotliwość dźwiękowa maleje. Okazuje się, że jest to niewiarygodnie skuteczny sposób na przekazanie precyzyjnego zachowania analogowego, tak dobry lub lepszy niż obserwowanie igły analogowego miernika, i nie trzeba patrzeć na wyświetlacz.
Częstotliwość słyszalnego tonu reprezentuje wielkość
Ucho ludzkie jest w stanie uchwycić małe zmiany w wysokości dźwięku (częstotliwości). Ten układ zapewnia lepszą rozdzielczość niż igła miernika analogowego, a ty możesz patrzeć na to, co sondujesz i regulujesz, jednocześnie słuchając wynikowych zmian parametrów. Ta metoda daje pomiary bezwzrokowe. Możesz maksymalizować, minimalizować lub dokonywać względnych zmian bez patrzenia na przyrząd!
W prototypie, który zbudowałem w 2008 roku, użyłem precyzyjnego konwertera napięcia na częstotliwość (VFC) LM331 do wytwarzania słyszalnego tonu proporcjonalnego do napięcia na mierniku cyfrowym w DMM. DMM wygodnie służy do konwersji wszystkich wejść, czy to napięcia, czy prądu, czy rezystancji, czy jakiegokolwiek innego parametru, na napięcie w zakresie ±199,9 mV lub czasami ±399,9 mV, w zależności od konkretnej jednostki.
Buforowanie sygnału z wejścia do wewnętrznego miernika cyfrowego, wzmocnienie go, pobranie wartości bezwzględnej, zastosowanie do VFC, przekształcenie wyjścia impulsowego o niskim cyklu pracy na sygnał o wysokim cyklu pracy i zastosowanie go do głośnika w celu wygenerowania odpowiedniego sygnału dźwiękowego. Rysunek 1 ilustruje koncepcję, natomiast rysunek 2 przedstawia schemat ideowy jednego z udanych wczesnych prototypów.
Słyszalna częstotliwość będzie się zmieniać wraz z wielkością napięcia podawanego na miernik w DMM (Rys. 3). Jak dotąd, ten układ działa jak słyszalny bargraf o bardzo wysokiej rozdzielczości. Dzięki konwerterowi wartości bezwzględnej pomiędzy wejściowym wzmacniaczem buforowym a VFC, ignoruje on polaryzację sygnału. Podobnie jak DMM z analogowym bargrafem, daje takie same wskazania dla wejść dodatnich i ujemnych.
Przedstawianie wielkości mierzonego parametru w postaci słyszalnej wysokości dźwięku nie jest nowym pomysłem. Używałem tej metody przedstawiania wartości sygnału jako zmiennych słyszalnych częstotliwości w poprzednich wynalazkach1 i artykule w QEX.2 Nadal mam trochę sprzętu, którego używałem około 1988 roku. W rzeczywistości ma on słuchawkę w gumowym kubku z 300-baud modemu do sprzężenia dźwiękowego sygnału wyjściowego do zwykłej starej słuchawki telefonicznej do przekazywania pomiarów przez połączenie telefoniczne do mnie w odległej lokalizacji, gdzie dokonałem korekty do wolnej przestrzeni optycznego łącza danych, które wpłynęły na pomiar.
Słyszalna funkcja wskazywania polaryzacji
Aby uczynić to urządzenie bardziej użytecznym, postanowiłem sprawić, by sygnały o polaryzacji dodatniej i ujemnej brzmiały inaczej dzięki czujnikowi polaryzacji i zmieniaczowi kształtu fali. Początkowo przechodziłem pomiędzy sinusoidą a falą kwadratową, ale różnica była bardziej wyraźna, gdy użyłem tremolo, niskoczęstotliwościowej zmiany amplitudy, do oznaczenia sygnałów ujemnych. Obwiednia amplitudy dźwięku zmienia się przy niskiej częstotliwości, gdy polaryzacja wejścia jest ujemna, aby nadać negatywnym wejściom bardzo zauważalny i charakterystyczny dźwięk.
Funkcja squelch
Ray Bosenbecker, mój przyjaciel i kolega, zwrócił uwagę na to jak irytujący stawał się słyszalny ton, szczególnie gdy nie zmieniał się pomiędzy regulacjami. Ray zasugerował dodanie squelcha, gdy sygnał wejściowy był niezmienny przez jakiś czas. W tym momencie został współwynalazcą.
Naturalnie, squelch był najtrudniejszą funkcją do zaimplementowania. Cztery opampy służą do buforowania i różnicowania sygnału na wejściu VFC i wyczuwania nagłych zmian.
Gdy odczyt pozostaje niezmienny przez jakiś czas, sygnał dźwiękowy przestaje być słyszalny. Kiedy odczyt zaczyna się ponownie zmieniać, ton jest wznawiany. W prototypowym układzie z tłumikiem (Rys. 4) było to drażliwe i trudne do wyregulowania. Działał jednak wystarczająco dobrze, aby zademonstrować koncepcję.
Chciałem zmniejszyć ten układ, aby zmieścił się w DMM, ale odpowiednie analogowe odpowiedniki złożonych programowalnych urządzeń logicznych (CPLD) i tablic bramek programowalnych polowo (FPGA) nigdy się nie zdarzyły. W konsekwencji, miałem tylko ten skomplikowany i nieodpowiedni obwód analogowy, który był zbyt duży, aby się zmieścić i wymagał niewygodnych poziomów napięcia zasilania.
Cyfrowa implementacja
Mój przyjaciel Lee Johnson zachęcił mnie do spróbowania cyfrowej wersji. Długo się opierałem, ponieważ wydawało mi się głupotą digitalizować sygnał zarówno w DMM, jak i w moim urządzeniu audio.
Kiedy w końcu usiadłem, aby spróbować cyfrowej implementacji, okazało się, że jest ona bardzo prosta i zadziałała przy pierwszej próbie. Cyfrowym prototypem na breadboardzie było Arduino Uno R3 z uruchomionym przykładowym programem o nazwie „tonePitchFollower”, który jest odpowiednikiem VFC. Układ nadal potrzebuje wzmacniaczy operacyjnych, aby zbuforować i wzmocnić wejście do zakresu, który jest akceptowalny dla unipolarnego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) w Arduino. Dopasowanie zakresów napięć do zakresów częstotliwości, dodanie tremolo, aby odróżnić ujemną polaryzację, oraz zaimplementowanie squelcha to tylko oprogramowanie.
Pierwszy w pełni funkcjonalny cyfrowy prototyp wykorzystał Arduino ProMini i z łatwością zmieścił się w dostępnym miejscu w niskiej klasy mierniku Cen-Tech DMM z Harbor Freight. Następny używał pełnowymiarowego 28-pinowego układu Atmel ATmega328P z Arduino Uno R3, i pasował równie dobrze. Ostatnio udało mi się sprawić, że 8-pinowy układ Atmel ATtiny85 działa tak dobrze, jak układy o wyższej wydajności, więc jest teraz dużo miejsca i wymaga mniej prądu.
Rysunek 5 przedstawia trzy generacje prototypów z różnymi procesorami Atmel. Pierwszy z nich to Arduino Pro Mini, drugi to układ ATmega328P z Arduino Uno R3, a trzeci to ATtiny85. Wczesna wersja prostego programu dla Arduino Uno demonstruje metodę bez squelcha (rys. 6).
The Hack
Miernik Harbor Freight DMM pobiera zasilanie z baterii 9 V i dostarcza regulowany potencjał odniesienia 3 V poniżej dodatniego potencjału baterii. Sygnał wejściowy do wewnętrznego miernika cyfrowego zmienia się o ±200 mV w odniesieniu do tego potencjału odniesienia. Próbkowałem sygnał referencyjny i sygnał wejściowy miernika cyfrowego po dwóch stronach kondensatora scalonego, używając niebieskiego i czerwonego przewodu (Rys. 7, lewy dolny). Podłączyłem się do przełączanego zasilania +9 V czerwonym przewodem w pobliżu środka i do zasilania -9 V niebieskim przewodem w prawym górnym rogu. Ten układ zasilania jest sekretem do zhakowania Harbor Freight DMM, aby dostarczyć zasilanie do bipolarnych wzmacniaczy operacyjnych i procesora Atmel.
Na rysunku 8 przedstawiono poziomy napięć DMM oraz schemat układu tego akcesorium dźwiękowego. Regulator napięcia ujemnego 79L05 wyprowadza potencjał 5 V poniżej +9 V baterii (za włącznikiem zasilania). Wzmacniacze operacyjne i układ CPU wykorzystują ten potencjał jako zasilanie ujemne, a potencjał baterii +9 V jako zasilanie dodatnie. W ten sposób potencjały odniesienia i sygnału wyjściowego multimetru cyfrowego leżą mniej więcej w połowie drogi między i w stałym stosunku do zasilania wzmacniaczy operacyjnych i procesora.
Wersja ATtiny85 pobiera mniej niż 14 mA z baterii, w tym DMM podczas pracy z głośnikiem 150-Ω. Głośniki pochodzą ze starych telefonów bezprzewodowych. Widzę je w sieci, ale dostawca nie odpowiedział na zapytanie.
Miernik Fluke 23 DMM, który badałem, używa tej samej konfiguracji zasilania, co Cen-Tech DMM z Harbor Freight. Stwierdzam, że ten hack ma zastosowanie ogólne, a nie tylko do modeli Cen-Tech. Polecam zacząć od modeli Cen-Tech, ponieważ Harbor Freight oferuje kupony, które od czasu do czasu dają je za darmo.
Funkcja samokalibracji
Lee Johnson zasugerował, że byłoby użyteczne, aby dźwiękowy DMM wskazywał podejście do poszczególnych poziomów sygnału wejściowego innych niż zero dla celów powtarzalnej kalibracji w warunkach przemysłowych. Dodałem tę funkcję do oprogramowania i rozwiązałem swój własny problem z kalibracją.
Poprzednio, każde urządzenie wymagało nieco innej stałej w oprogramowaniu, aby wymusić minimalną częstotliwość słyszalną dokładnie wtedy, gdy wyświetlacz DMM wskazuje zero. Teraz, jeśli pin 2 procesora jest niski przy włączaniu zasilania, urządzenie samo się skalibruje do dowolnego poziomu wejściowego i zapisze stałą kalibracji w nieulotnej pamięci EEPROM procesora. Zwarcie wejścia, ściągnięcie pinu 2 do niskiego poziomu i podanie zasilania powoduje normalną kalibrację urządzenia. Używam wewnętrznego przełącznika kontaktronowego i zewnętrznego magnesu, aby ściągnąć pin 2 w dół bez wiercenia dziury w obudowie dla przełącznika, ale to też by zadziałało.
Offset-Calibration Feature
Zastosuj dowolny dodatni lub ujemny poziom wejściowy do urządzenia podczas pomiaru dowolnego parametru na dowolnym zakresie. Wyłącz zasilanie, przełącz pin 2 w stan niski i ponownie włącz zasilanie, aby skalibrować urządzenie tak, aby wskazywało minimalną częstotliwość i przejścia przez zero przy tym konkretnym poziomie wejściowym. W zależności od twojego miernika, możesz to zrobić z pojemnością, rezystancją i częstotliwością, jak również z napięciem, prądem i rezystancją.
Teraz możesz zwrócić uwagę na rozmieszczenie sond lub specyfikę wykonywania regulacji, podczas gdy po prostu słuchasz i regulujesz dla minimalnej słyszalnej częstotliwości. W ten sposób urządzenie wskazuje, czy poziom wejściowy zbliża się, czy też oddala od żądanej wartości parametru.
Wierzę, że ta funkcja kalibracji offsetu jest nowym i prawdopodobnie patentowalnym pomysłem, ale Lee i ja zamiast tego zdecydowaliśmy się ujawnić ją w tym artykule. Proszę bardzo. Nazwij ją naszym imieniem.
Inne zastosowania
Sprawdź czy potencjometr jest zabrudzony (hałaśliwy) lub czy ma dobry kontakt w całym swoim zakresie, ustawiając pomiar rezystancji i słuchając spadków podczas obracania wałem. Będą one bardzo zauważalne. Można również uzyskać wgląd w to, czy zmiana rezystancji jest liniowa czy ma logarytmiczny stożkowy przebieg.
Rozważ użycie płytki akcesoriów z dowolnym cyfrowym miernikiem panelowym ±199,9-mV lub ±399,9-mV, który wbudowujesz do swoich własnych aplikacji. Będziesz musiał zmienić układ zasilania, aby zapewnić symetryczny lub prawie symetryczny zakres zasilania około 5 V, który rozciąga się zarówno powyżej, jak i poniżej wejścia referencyjnego miernika. Różne mierniki będą wymagały różnych rozwiązań. Ktoś powinien w końcu zaoferować panele cyfrowe z wbudowaną tą funkcjonalnością. To akcesorium zapewnia bardzo uniwersalną dźwiękową kontrolę ciągłości dla mierników cyfrowych, które nie posiadają tej funkcji.
|
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. Urządzenia te posiadają gniazda dla procesora ATtiny85, dzięki czemu użytkownicy mogą dostosować oprogramowanie do własnych aplikacji. Na rysunku 9 pokazano nową płytkę drukowaną, na której umieszczono kontaktron do samokalibracji po włączeniu za pomocą zewnętrznego magnesu.
To akcesorium powinno stać się dostępne w Citrus Electronics.3. Sprawdź stronę internetową, aby uzyskać status. Jeśli będzie zapotrzebowanie na pozostałe płyty, wyprodukujemy ich więcej.
Mogę dostarczyć te płytki z oprogramowaniem generującym sygnał dźwiękowy, którego częstotliwość wzrasta i maleje wraz z wielkością wskazania numerycznego multimetru cyfrowego. The Boeing Company jest właścicielem patentu U.S. 8,803,560,4, który obejmuje dźwiękową funkcję wskazywania polaryzacji oraz funkcję squelch, więc nie mogę ich dostarczyć (patrz „Ograniczenia patentowe własności intelektualnej” poniżej).
Wyobraź sobie, co jeszcze możesz zrobić z tym zestawem. Przychodzi mi do głowy kilka ulepszeń i już włączyłem kilka z nich do dostępnej wersji. Moim celem jest, aby DMM z tymi funkcjami był dostępny dla użytkowników, którzy od dawna narzekają na brak przyzwoitych wskazań analogowych. Mam nadzieję, że to się stanie. Mam nawet nadzieję, że Boeing zarobi trochę pieniędzy.
Dr Sam Green jest emerytowanym inżynierem lotnictwa i kosmonautyki, który specjalizował się w optycznej i światłowodowej transmisji danych w wolnej przestrzeni oraz fotonice. Posiada tytuły naukowe w dziedzinie inżynierii elektronicznej z Northwestern University i University of Illinois at Urbana. Jest autorem 18 patentów, zarejestrowanym zawodowym inżynierem w stanie Missouri i dożywotnim starszym członkiem IEEE. Skontaktuj się z Samem pod adresem [email protected].
1. Patrz patenty 5,729,335 i 7,898,395.
2. „Fun with Voltage-to-Frequency Converters”, QEX, marzec/kwiecień 2013, str. 7-10.
3. http://www.citrus-electronics.com
4. http://www.google.com.ar/patents/US8803560
Ograniczenia patentowe własności intelektualnej
Użycie przetwornika napięcie-częstotliwość (VFC) do wskazania zmian wielkości jako proporcjonalnych zmian częstotliwości słyszalnej nie jest nową koncepcją. Zasada zamiany napięcia na słyszalną częstotliwość jest już własnością publiczną, ponieważ to właśnie robią VFC i ponieważ zrobiłem to tak dawno temu.
Dodanie tremolo w celu rozróżnienia pomiędzy dodatnią i ujemną polaryzacją jest jednak nowe. Użycie squelch do wyciszenia tonu, gdy przestaje się on zmieniać i do ponownego włączenia tonu, gdy zmiana się wznawia, jest kolejnym nowym posunięciem.
The Boeing Company posiada patent numer 8,803,560, który obejmuje te dwie cechy. Opisuję tutaj implementację tego wynalazku, ponieważ chciałbym zobaczyć tę metodę w szerokim użyciu. Każdy zainteresowany licencjonowaniem cech tej metody w USA musi się kontaktować z moim byłym pracodawcą.
Boeing posiada patent na funkcje squelch i tremolo, więc nie mogę oferować sprzedaży urządzeń z tremolo lub squelch. Zamiast tego mogę dostarczyć procesor ATtiny85 z alternatywnym oprogramowaniem, które dźwiękowo sygnalizuje przekroczenie zera zamiast wskazywania polaryzacji, co okazuje się niezwykle skuteczne. Będziesz musiał przerwać zasilanie, aby uczynić go cichym lub zaprogramować stały czas działania aż do wyłączenia, zamiast wyczuwać kiedy wejście przestaje się zmieniać lub ponownie zaczyna się zmieniać.
Zauważ, że istnieje tylko patent USA. Dlatego każdy może budować i sprzedawać urządzenia z funkcjami tremolo i squelch poza Stanami Zjednoczonymi. Mam nadzieję, że jeden lub dwóch producentów udzieli licencji na tę metodę, tak aby stała się ona dostępna tutaj, w Stanach Zjednoczonych. Nazwij to Zielonym Gwizdkiem lub czymś fajnym, żebym miał jakieś uznanie.