Multímetros digitais são instrumentos precisos e precisos, com alguns modelos a serem muito caros. Não importa o custo, um problema permeia cada um destes dispositivos: Eles fazem um mau trabalho a transmitir o comportamento analógico de um sinal de entrada.
 |
Download deste artigo em .formato PDF Este tipo de arquivo inclui gráficos e esquemas de alta resolução, quando aplicável. |
Para realizar uma operação onde você deseja maximizar ou minimizar algum parâmetro ao fazer um ajuste, você deve monitorar visualmente a leitura de perto e realmente estudar a exibição numérica para determinar se os dígitos que mudam rapidamente estão aumentando ou diminuindo, ou variando aleatoriamente sobre uma pequena ou grande faixa de valores. Este processo requer tanto seus olhos quanto sua concentração, enquanto ainda atende ao processo de realizar o ajuste e talvez mantendo uma sonda de teste estável na posição correta.
Alguns multímetros digitais high-end (DMMs) vêm com um gráfico de barras brutas no display de cristal líquido para transmitir informações analógicas. No entanto, estes são geralmente inúteis e fazem um anseio para um velho medidor de agulhas analógicas em movimento.
Em vez de um gráfico de barras ou de uma agulha em movimento, a minha solução produz um som cuja frequência audível (pitch) muda juntamente com a magnitude do mostrador digital. Conforme a magnitude apresentada aumenta, a frequência audível aumenta; e conforme a magnitude apresentada diminui, a frequência audível diminui. Esta revela-se uma forma incrivelmente eficaz de transmitir um comportamento analógico preciso, tão bom ou melhor do que ver uma agulha de medidor analógico, e não é necessário observar o mostrador.
Audible-Tone Frequency Represents Magnitude
O ouvido humano é capaz de resolver pequenas mudanças no tom (frequência). Esta disposição proporciona melhor resolução do que uma agulha de medidor analógico, e você pode olhar o que você está sondando e ajustando enquanto escuta as mudanças de parâmetro resultantes. Este método produz medições de distância entre os olhos. Você pode maximizar, minimizar ou fazer alterações relativas sem olhar para o instrumento!
Para o protótipo que construí em 2008, usei um conversor de precisão de tensão para frequência LM331 (VFC) para produzir um tom audível proporcional à tensão através do medidor digital dentro do DMM. O DMM serve convenientemente para converter todas as entradas, seja tensão ou corrente ou resistência ou qualquer outro parâmetro, para uma tensão na faixa de ±199,9 mV ou às vezes ±399,9 mV, dependendo da unidade em particular.
Buffer o sinal da entrada para o medidor digital interno, amplificá-lo, tomar o valor absoluto, aplicá-lo ao VFC, converter a saída de pulso de ciclo baixo para um sinal de ciclo alto, e aplicá-lo a um alto-falante para gerar um tom audível adequado. A Figura 1 ilustra o conceito, enquanto a Figura 2 mostra o diagrama esquemático de um protótipo inicial bem sucedido.
A frequência audível variará com a magnitude da voltagem para o medidor dentro do DMM (Fig. 3). Até agora, este circuito funciona como um gráfico de barras audível com uma resolução muito alta. Com um conversor de valor absoluto entre o amplificador buffer de entrada e o VFC, ele ignora a polaridade do sinal. Assim como um DMM com um gráfico de barras analógico, ele dá a mesma indicação para entradas positivas e negativas.
Representar a magnitude de um parâmetro medido como passo audível não é uma idéia nova. Eu usei este método de apresentar valores de sinal como frequências audíveis variáveis em invenções anteriores1 e um artigo no QEX.2 Eu ainda tenho algum hardware que usei por volta de 1988. Ele na verdade tem o fone de ouvido em um copo de borracha de um modem de 300 bolas para acoplar o sinal de saída audível em um aparelho de telefone sem fio para transmitir as medições através de uma conexão telefônica para mim em um local remoto, onde eu fiz ajustes em uma conexão de dados óticos de espaço livre que afetou a medição.
Audível Característica de Indicação de Polaridade
Para tornar este dispositivo mais utilizável, eu me propus a fazer com que os sinais de polaridade positiva e negativa soassem diferentes com o sensor de polaridade e o trocador de forma de onda. Inicialmente fui entre uma onda senoidal e uma onda quadrada, mas a diferença foi mais pronunciada quando usei tremolo, uma variação de amplitude de baixa frequência, para denotar sinais negativos. O envelope de amplitude do tom de áudio varia em baixa freqüência quando a polaridade de entrada é negativa para dar às entradas negativas um som muito perceptível e distinto.
Squelch Feature
Ray Bosenbecker, meu amigo e colega, apontou o quão irritante o tom audível se tornou, especialmente quando não estava mudando entre os ajustes. Ray sugeriu a adição de squelch quando o sinal de entrada era invariante por um tempo. Neste ponto, ele se tornou um co-inventor.
Naturalmente, o squelch era a característica mais difícil de implementar. Quatro amplificadores op servem para amortecer e diferenciar o sinal na entrada do VFC e sentir mudanças repentinas.
Quando a leitura permanece invariante por algum tempo, o tom audível cessa. Quando a leitura começa a variar novamente, o tom é retomado. Isto foi sensível e difícil de ajustar no circuito do protótipo com squelch (Fig. 4). Funcionou bem o suficiente para demonstrar o conceito.
Queria reduzir este circuito para caber dentro de um DMM, mas equivalentes analógicos adequados de dispositivos lógicos programáveis complexos (CPLDs) e matrizes de portas programáveis de campo (FPGAs) nunca aconteceram. Consequentemente, eu tinha apenas este circuito analógico complexo e inadequado que era demasiado grande para caber e que exigia níveis de tensão de alimentação inconvenientes.
Aplicação Digital
O meu amigo Lee Johnson encorajou-me a tentar uma versão digital. Mas resisti por muito tempo, pois parecia bobagem digitalizar o sinal tanto no DMM quanto no meu acessório de áudio.
Quando finalmente me sentei para tentar uma implementação digital, provou ser muito simples e funcionou na primeira tentativa. O protótipo digital do breadboard era um Arduino Uno R3 rodando um programa de exemplo chamado “tonePitchFollower”, que é equivalente a um VFC. O circuito ainda precisa de amplificadores op para fazer buffer e amplificar a entrada para um intervalo aceitável para o conversor analógico-digital unipolar (ADC) no Arduino. A correspondência das faixas de tensão com as faixas de freqüência, a adição de tremolo para distinguir a polaridade negativa e a implementação do squelch são apenas software.
O primeiro protótipo digital totalmente funcional utilizou um Arduino ProMini e encaixa-se facilmente no espaço disponível dentro de um DMM Cen-Tech de baixo custo da Harbor Freight. O próximo utilizou um chip Atmel ATmega328P de 28 pinos de tamanho completo de um Arduino Uno R3, e encaixa igualmente bem. Recentemente consegui que o chip Atmel ATtiny85 de 8 pinos funcionasse tão bem como os chips de maior desempenho, por isso agora há muito espaço, e ele requer menos corrente.
Figure 5 mostra três gerações de protótipos com vários processadores Atmel. A primeira é um Arduino Pro Mini, a segunda é um chip ATmega328P de um Arduino Uno R3, e a terceira é um ATtiny85. Uma versão inicial do programa simples para o Arduino Uno demonstra o método sem squelch (Fig. 6).
The Hack
The Harbor Freight DMM tira energia de uma bateria 9-V e fornece um potencial de referência regulado 3 V abaixo do potencial positivo da bateria. O sinal de entrada para o medidor digital interno varia ±200 mV em relação a este potencial de referência. Eu recolhi o sinal de referência e de entrada do medidor digital em dois lados de um condensador chip usando fios azul e vermelho (Fig. 7, canto inferior esquerdo). Liguei à alimentação comutada +9-V com o fio vermelho perto do centro e à alimentação -9-V com o fio azul em cima à direita. Este arranjo de energia contém o segredo para invadir o DMM do porto de carga para fornecer energia aos amperes op bipolares e ao processador Atmel.
Figure 8 mostra os níveis de tensão DMM e o diagrama de circuito deste acessório audível. O regulador de tensão negativa 79L05 deriva um potencial 5 V abaixo da bateria +9-V (após o interruptor de alimentação). Os amperes op e o chip da CPU utilizam-no como alimentação negativa e o potencial da bateria +9-V como alimentação positiva. Desta forma, a referência DMM e os potenciais de saída DMM encontram-se a meio caminho e numa relação fixa entre o amplificador op e as fontes de alimentação da CPU.
A versão ATtiny85 extrai menos de 14 mA da bateria, incluindo o DMM quando operando com um alto-falante de 150-Ω. Os alto-falantes vêm de telefones sem fio antigos. Vejo-os na Web, mas o fornecedor não respondeu a um inquérito.
A Fluke 23 DMM que examinei usa a mesma configuração de fonte de alimentação que a Cen-Tech DMM da Harbor Freight. Concluo que este hack se aplica geralmente, e não apenas aos modelos da Cen-Tech. Recomendo começar pelos modelos da Cen-Tech, porque a Harbor Freight oferece ofertas de cupões que os dão de vez em quando de graça.
Função de auto-calibração
Lee Johnson sugeriu que seria útil que o DMM audível indicasse a aproximação a níveis de sinal de entrada particulares que não o zero para fins de calibração repetitiva em um ambiente industrial. Adicionei este recurso ao software e resolvi meu próprio problema de calibração.
Previamente, cada unidade requeria uma constante ligeiramente diferente no software para forçar a frequência mínima audível a ocorrer exatamente quando o display DMM indica zero. Agora, se o pino 2 da CPU estiver baixo na energização, a unidade irá auto-calibrar para qualquer nível de entrada presente e armazenar a constante de calibração na memória EEPROM não volátil da CPU. Encurte a entrada, puxe o pino 2 para baixo e aplique a energia para calibrar a unidade normalmente. Eu uso um reed switch interno e um imã externo para puxar o pino 2 para baixo sem fazer um furo no caso de um switch, mas isso também funcionaria.
Função de Calibração de Compensação
Aplique qualquer nível de entrada positivo ou negativo à unidade enquanto mede qualquer parâmetro em qualquer faixa. Desligue a energia, puxe o pino 2 para baixo e reaplique a energia para calibrar a unidade para indicar a frequência mínima e os cruzamentos de zero nesse nível de entrada específico. Dependendo do seu medidor, você pode fazer isso com capacitância, resistência e freqüência, assim como tensão, corrente e resistência.
Agora você pode prestar atenção à colocação da sonda ou às especificidades de realizar seu ajuste enquanto simplesmente escuta e ajusta para a frequência mínima audível. É assim que o instrumento indica se o nível de entrada se aproxima ou se afasta do valor do parâmetro que você deseja.
Eu acredito que este recurso de calibração de offset é uma idéia nova e possivelmente patenteável, mas Lee e eu, em vez disso, optamos por divulgá-la neste artigo. De nada. Dê-lhe o nosso nome.
Outros usos
Teste se um potenciômetro está sujo (ruidoso) ou se faz bom contato em toda a sua faixa, ajustando-se para medir a resistência e escutando as quedas enquanto você rotaciona o eixo. Eles serão muito perceptíveis. Você também pode obter informações sobre se a variação da resistência é linear ou se tem um cone logarítmico.
Considerando usando a placa de acessórios com qualquer ±199.9-mV ou ±399.9-mV painel medidor digital que você incorpora em suas próprias aplicações. Terá de alterar a disposição da alimentação para fornecer uma gama de alimentação simétrica ou quase simétrica de cerca de 5 V que se estende tanto acima como abaixo da entrada de referência do seu medidor. Contadores diferentes irão requerer soluções diferentes. Alguém deverá eventualmente oferecer painéis digitais com esta funcionalidade integrada. Este acessório proporciona uma verificação de continuidade audível muito versátil aos contadores digitais que não dispõem desta funcionalidade.
|
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. Estas unidades têm tomadas para a CPU ATtiny85, para que os utilizadores possam adaptar o software às suas próprias aplicações. A Figura 9 mostra uma nova placa de circuito impresso que acomoda um reed switch para auto calibração quando ativado com um ímã externo.
Este acessório deve ficar disponível na Citrus Electronics.3 Verifique o status do site. Se houver demanda para as demais placas, nós fabricaremos mais delas.
Eu posso fornecer a estas placas acessórias um software que gera um tom audível cuja frequência aumenta e diminui com a magnitude da exibição numérica do DMM. A Boeing Company possui a patente americana 8.803.560.4 que cobre a funcionalidade de indicação de polaridade audível e a funcionalidade de squelch, por isso não os posso fornecer (ver “Restrições de Patentes de Propriedade Intelectual” abaixo).
Imagine o que mais pode fazer com esta configuração. Eu posso pensar em várias melhorias, e já incorporei algumas na versão disponível. Meu objetivo é ver DMMs com esses recursos disponíveis para usuários que há muito reclamam da falta de indicação analógica decente. Espero que isso aconteça. Espero até que a Boeing ganhe algum dinheiro.
Dr. Sam Green é um engenheiro aeroespacial aposentado que se especializou em comunicações de dados óticos e de fibra ótica e fotônica de espaço livre. Ele é formado em engenharia eletrônica pela Northwestern University e pela University of Illinois em Urbana. Listado como inventor de 18 patentes, ele é Engenheiro Profissional Registrado no Missouri e membro sênior vitalício do IEEE. Contate Sam em [email protected].
1. Ver patentes 5,729,335 e 7,898,395.
2. “Fun with Voltage-to-Frequency Converters”, QEX, Março/Abril de 2013, pp. 7-10.
3. http://www.citrus-electronics.com
4. http://www.google.com.ar/patents/US8803560
Instruções de Propriedade Intelectual-Patente
br>>p> O uso de um conversor de voltagem para freqüência (VFC) para indicar mudanças de magnitude como mudanças proporcionais na freqüência audível não é um conceito novo. O princípio tensão-para-frequência audível é propriedade pública agora, porque é isso que os VFCs fazem e porque eu fiz isso há muito tempo.
A adição de tremolo para distinguir entre polaridade positiva e negativa é nova, no entanto. O uso do tremolo para silenciar o tom quando ele deixa de mudar e para ligar o tom novamente quando a mudança é retomada é outra novidade.
A Boeing Company detém a patente número 8.803.560 que cobre estas duas características. Descrevo aqui a implementação desta invenção, porque gostaria de ver este método em ampla utilização. Qualquer pessoa interessada em licenciar as funcionalidades deste método nos EUA deve lidar com o meu antigo empregador.
Boeing é dono da patente das funcionalidades squelch e tremolo, por isso não me posso oferecer para vender unidades com tremolo ou squelch. Em vez disso, posso fornecer ao ATtiny85 CPU um software alternativo que indica audivelmente zero travessias em vez de indicar polaridade, o que se revela notavelmente eficaz. Você terá que interromper a energia para que fique silencioso ou programar um tempo de operação fixo até o desligamento, em vez de sentir quando a entrada deixa de variar ou começa a variar novamente.
Nota que existe apenas uma patente americana. Portanto, qualquer um pode construir e vender unidades com as características de tremolo e squelch fora dos EUA. Espero que um ou dois fabricantes licenciem este método para que eles fiquem disponíveis aqui nos Estados Unidos. Chame-o de Green Whistler ou algo legal para que eu receba algum crédito.