Multimetrele digitale sunt instrumente precise și exacte, unele modele fiind foarte scumpe. Indiferent de cost, o problemă se regăsește în fiecare dintre aceste dispozitive: Ele nu reușesc să transmită bine comportamentul analogic al unui semnal de intrare.
Acest tip de fișier include grafice și scheme de înaltă rezoluție, atunci când este cazul.
Pentru a efectua o operațiune în care doriți să maximizați sau să minimizați un anumit parametru atunci când efectuați o ajustare, trebuie să monitorizați vizual citirea îndeaproape și să studiați cu adevărat afișajul numeric pentru a determina dacă cifrele care se schimbă rapid sunt în creștere sau în scădere, sau variază aleatoriu pe o gamă mică sau mare de valori. Acest proces necesită atât ochii, cât și concentrarea dumneavoastră, în timp ce continuați să vă ocupați de procesul de efectuare a reglajului și, poate, să țineți o sondă de testare stabilă în poziția corectă.
Câteva multimetre digitale (DMM) de înaltă calitate vin cu un grafic de bare rudimentar pe afișajul cu cristale lichide pentru a transmite informații analogice. Cu toate acestea, acestea sunt în general inutile și te fac să tânjești după un vechi contor analogic cu ac mobil.
În loc de un grafic de bare sau de un ac în mișcare, soluția mea produce un sunet a cărui frecvență audibilă (pitch) se modifică odată cu magnitudinea afișajului digital. Pe măsură ce magnitudinea afișată crește, frecvența audibilă crește; și pe măsură ce magnitudinea afișată scade, frecvența audibilă scade. Acest lucru se dovedește a fi un mod incredibil de eficient de a transmite un comportament analogic precis, la fel de bun sau mai bun decât privitul acului unui contor analogic, și nu trebuie să priviți afișajul.
Frecvența tonului audibil reprezintă mărimea
Urechea umană este capabilă să rezolve mici modificări ale înălțimii (frecvenței). Acest aranjament oferă o rezoluție mai bună decât un ac de contor analogic și puteți privi la ceea ce sondați și reglați în timp ce ascultați modificările parametrilor rezultați. Această metodă produce măsurători fără ochi. Puteți maximiza, minimiza sau face modificări relative fără să vă uitați la instrument!
Pentru prototipul pe care l-am construit în 2008, am folosit un convertor de precizie tensiune-frecvență (VFC) LM331 pentru a produce un ton audibil proporțional cu tensiunea de pe contorul digital din cadrul DMM. DMM-ul servește în mod convenabil pentru a converti toate intrările, fie că este vorba de tensiune sau curent sau rezistență sau orice alt parametru, într-o tensiune în intervalul de ±199,9 mV sau, uneori, ±399,9 mV, în funcție de unitatea respectivă.
Bufferul semnalului de la intrarea în contorul digital intern, îl amplifică, ia valoarea absolută, îl aplică la VFC, convertește ieșirea de impulsuri cu ciclu de funcționare scăzut într-un semnal cu ciclu de funcționare ridicat și îl aplică la un difuzor pentru a genera un ton audibil adecvat. Figura 1 ilustrează conceptul, în timp ce figura 2 prezintă diagrama schema unui prototip timpuriu de succes.
Frecvența audibilă va varia în funcție de magnitudinea tensiunii la contorul din cadrul DMM (Fig. 3). Până în prezent, acest circuit se comportă ca un grafic de bare audibil cu o rezoluție foarte mare. Cu un convertor de valoare absolută între amplificatorul tampon de intrare și VFC, acesta ignoră polaritatea semnalului. La fel ca un DMM cu un grafic de bare analogic, oferă aceeași indicație pentru intrări pozitive și negative.
Reprezentarea magnitudinii unui parametru măsurat ca ton audibil nu este o idee nouă. Am folosit această metodă de prezentare a valorilor semnalului sub forma unor frecvențe audibile variabile în invenții anterioare1 și într-un articol din QEX.2 Încă mai am niște hardware pe care l-am folosit în jurul anului 1988. Acesta are, de fapt, căștile de ureche într-o cupă de cauciuc de la un modem de 300 baud pentru a cupla semnalul de ieșire audibil la un handset de telefon obișnuit pentru a transmite măsurătorile printr-o conexiune telefonică către mine la o locație la distanță, unde am făcut ajustări la o legătură de date optică în spațiu liber care a afectat măsurarea.
Funcție audibilă de indicare a polarității
Pentru a face acest dispozitiv mai ușor de utilizat, mi-am propus să fac ca semnalele de polaritate pozitivă și de polaritate negativă să sune diferit cu ajutorul senzorului de polaritate și al schimbătorului de forme de undă. Inițial, am trecut de la o undă sinusoidală la o undă pătrată, dar diferența a fost mai pronunțată atunci când am folosit tremolo, o variație de amplitudine de frecvență joasă, pentru a indica semnalele negative. Învelișul de amplitudine al tonului audio variază la frecvență joasă atunci când polaritatea de intrare este negativă pentru a da intrărilor negative un sunet foarte vizibil și distinctiv.
Funcția Squelch
Ray Bosenbecker, prietenul și colegul meu, a subliniat cât de enervant devenea tonul audibil, mai ales atunci când nu se schimba între reglaje. Ray a sugerat adăugarea funcției squelch atunci când semnalul de intrare era invariabil pentru o perioadă de timp. În acest moment, el a devenit co-inventator.
Natural, squelch-ul a fost cea mai dificil de implementat caracteristică. Patru amplificatoare operaționale au rolul de a tampona și diferenția semnalul de la intrarea VFC și de a detecta schimbările bruște.
Când citirea rămâne invariabilă pentru un timp, tonul audibil încetează. Când citirea începe să varieze din nou, tonul se reia. Acest lucru a fost delicat și dificil de reglat în circuitul prototip cu squelch (Fig. 4). Acesta a funcționat suficient de bine pentru a demonstra conceptul.
Am vrut să reduc acest circuit pentru a se potrivi în cadrul unui DMM, dar echivalentele analogice adecvate ale dispozitivelor logice programabile complexe (CPLD) și ale rețelelor de porți programabile pe teren (FPGA) nu s-au întâmplat niciodată. În consecință, am avut doar acest circuit analogic complex și nepotrivit, care era prea mare pentru a încăpea și necesita niveluri de tensiune de alimentare incomode.
Implementare digitală
Prietenul meu Lee Johnson m-a încurajat să încerc o versiune digitală. M-am împotrivit mult timp, totuși, deoarece mi se părea o prostie să digitalizez semnalul atât în DMM, cât și în accesoriul meu audio.
Când m-am așezat în cele din urmă să încerc o implementare digitală, aceasta s-a dovedit a fi foarte simplă și a funcționat din prima încercare. Breadboard-ul prototipului digital a fost un Arduino Uno R3 care rulează un program de exemplu numit „tonePitchFollower”, care este echivalent cu un VFC. Circuitul are încă nevoie de amplificatoare operaționale pentru a tampona și amplifica intrarea la un interval acceptabil pentru convertorul analogic-digital unipolar (ADC) de pe Arduino. Potrivirea intervalelor de tensiune cu intervalele de frecvență, adăugarea de tremolo pentru a distinge polaritatea negativă și implementarea squelch-ului sunt doar software.
Primul prototip digital complet funcțional a folosit un Arduino ProMini și s-a încadrat cu ușurință în spațiul disponibil în cadrul unui DMM Cen-Tech DMM low-end de la Harbor Freight. Următorul a folosit un cip Atmel ATmega328P Atmel ATmega328P cu 28 de pini de dimensiuni normale de la un Arduino Uno R3, și s-a potrivit la fel de bine. Recent, am reușit ca cipul Atmel ATtiny85 cu 8 pini să funcționeze la fel de bine ca și cipurile mai performante, așa că acum există mult spațiu și necesită mai puțin curent.
Figura 5 prezintă trei generații de prototipuri cu diverse procesoare Atmel. Primul este un Arduino Pro Mini, al doilea este un cip ATmega328P de la un Arduino Uno R3, iar al treilea este un ATtiny85. O versiune timpurie a programului simplu pentru Arduino Uno demonstrează metoda fără squelch (Fig. 6).
The Hack
DMM-ul Harbor Freight se alimentează de la o baterie de 9 V și furnizează un potențial de referință reglementat cu 3 V sub potențialul pozitiv al bateriei. Semnalul de intrare către contorul digital intern variază cu ±200 mV în raport cu acest potențial de referință. Am eșantionat semnalul de referință și semnalul de intrare al contorului digital pe cele două părți ale unui condensator cu cip folosind firele albastru și roșu (Fig. 7, stânga jos). M-am conectat la alimentarea comutată de +9 V cu firul roșu aproape de centru și la alimentarea de -9 V cu firul albastru în dreapta sus. Acest aranjament de alimentare deține secretul hacking-ului DMM-ului Harbor Freight pentru a furniza energie amplificatoarelor operaționale bipolare și procesorului Atmel.
Figura 8 prezintă nivelurile de tensiune DMM și schema de circuit a acestui accesoriu sonor. Regulatorul de tensiune negativă 79L05 derivă un potențial de 5 V sub cel al bateriei de +9 V (după comutatorul de alimentare). Amplificatoarele operaționale și cipul CPU folosesc acest lucru ca sursă de alimentare negativă și potențialul de +9 V al bateriei ca sursă de alimentare pozitivă. În acest fel, potențialul de referință al DMM și potențialul semnalului de ieșire al DMM se află aproximativ la jumătatea distanței dintre alimentarea amplificatoarelor operaționale și a CPU și se află într-o relație fixă cu acestea.
Versiunea ATtiny85 consumă mai puțin de 14 mA de la baterie, inclusiv DMM-ul, atunci când funcționează cu un difuzor de 150-Ω. Difuzoarele provin de la vechile telefoane fără fir. Le văd pe Web, dar furnizorul nu a răspuns la o cerere de informații.
Un DMM Fluke 23 pe care l-am examinat folosește aceeași configurație a sursei de alimentare ca și DMM-ul Cen-Tech de la Harbor Freight. Ajung la concluzia că acest hack se aplică în general, și nu doar la modelele Cen-Tech. Vă recomand să începeți cu modelele Cen-Tech, deoarece Harbor Freight oferă oferte de cupoane care le oferă gratuit din când în când.
Funcționalitate de autocalibrare
Lee Johnson a sugerat că ar fi util ca DMM-ul audibil să indice apropierea de anumite niveluri ale semnalului de intrare, altele decât zero, în scopul calibrării repetitive într-un cadru industrial. Am adăugat această funcție la software și am rezolvat propria mea problemă de calibrare.
Până acum, fiecare unitate necesita o constantă ușor diferită în software pentru a forța frecvența minimă audibilă să apară exact atunci când afișajul DMM indică zero. Acum, dacă pinul 2 al procesorului este scăzut la pornire, unitatea se va autocalibra la orice nivel de intrare prezent și va stoca constanta de calibrare în memoria nevolatilă EEPROM a procesorului. Scurtați intrarea, trageți pinul 2 la nivel scăzut și aplicați alimentarea pentru a calibra unitatea în mod normal. Eu folosesc un întrerupător cu lamelă intern și un magnet extern pentru a trage pinul 2 la nivel scăzut fără a face o gaură în carcasă pentru un întrerupător, dar ar funcționa și așa.
Offset-Calibration Feature
Aplicați orice nivel de intrare pozitiv sau negativ la unitate în timp ce măsurați orice parametru pe orice interval. Opriți alimentarea, trageți pinul 2 la nivel scăzut și reaplicați alimentarea pentru a calibra unitatea pentru a indica frecvența minimă și trecerile pe zero la acel nivel de intrare specific. În funcție de aparatul dumneavoastră de măsură, puteți face acest lucru cu capacitatea, rezistența și frecvența, precum și cu tensiunea, curentul și rezistența.
Acum puteți fi atenți la plasarea sondei sau la specificul efectuării reglajului dvs. în timp ce pur și simplu ascultați și reglați pentru frecvența minimă audibilă. Acesta este modul în care instrumentul indică dacă nivelul de intrare se apropie sau se îndepărtează de valoarea parametrului pe care o doriți.
Cred că această funcție de calibrare a decalajului este o idee nouă și posibil de brevetat, dar Lee și cu mine am ales în schimb să o dezvăluim în acest articol. Sunteți bineveniți. Dați-i numele nostru.
Alte utilizări
Testați dacă un potențiometru este murdar (zgomotos) sau dacă face un contact bun în toată gama sa, configurându-l pentru a măsura rezistența și ascultând dacă există scăpări în timp ce rotiți arborele. Acestea vor fi foarte vizibile. De asemenea, puteți afla dacă variația rezistenței este liniară sau are o conicitate logaritmică.
Considerați utilizarea plăcii de accesorii cu orice aparat de măsură digital de ±199,9-mV sau ±399,9-mV pe care îl construiți în propriile aplicații. Va trebui să modificați aranjamentul de alimentare pentru a oferi o gamă de alimentare simetrică sau aproape simetrică de aproximativ 5 V care să se extindă atât deasupra cât și sub intrarea de referință a contorului dumneavoastră. Contoare diferite vor necesita soluții diferite. Cineva ar trebui să ofere în cele din urmă panouri digitale cu această funcționalitate încorporată. Acest accesoriu oferă o verificare audibilă foarte versatilă a continuității pentru contoarele digitale care nu dispun de această funcție.
|
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. Aceste unități au socluri pentru procesorul ATtiny85, astfel încât utilizatorii pot adapta software-ul la propriile aplicații. Figura 9 prezintă o nouă placă de circuite imprimate care găzduiește un comutator reed pentru autocalibrare atunci când este activat cu un magnet extern.
Acest accesoriu ar trebui să devină disponibil de la Citrus Electronics. 3 Verificați site-ul web pentru status. Dacă există cerere pentru plăcile rămase, vom fabrica mai multe.
Pot furniza aceste plăci accesorii cu un software care generează un ton audibil a cărui frecvență crește și scade odată cu magnitudinea afișajului numeric al DMM-ului. Compania Boeing deține brevetul american 8,803,560,4 care acoperă funcția de indicare a polarității sonore și funcția de squelch, așa că nu le pot furniza (a se vedea „Restricții privind brevetele de proprietate intelectuală” de mai jos).
Imaginați-vă ce mai puteți face cu această configurație. Mă pot gândi la mai multe îmbunătățiri și am încorporat deja câteva în versiunea disponibilă. Scopul meu este de a vedea DMM-uri cu aceste caracteristici disponibile pentru utilizatorii care se plâng de mult timp de lipsa unor indicații analogice decente. Sper ca acest lucru să se întâmple. Sper chiar ca Boeing să facă niște bani.
Dr. Sam Green este un inginer aerospațial pensionat care s-a specializat în domeniul comunicațiilor de date optice în spațiu liber și pe fibră optică și în fotonică. Este licențiat în inginerie electronică la Northwestern University și la University of Illinois at Urbana. Cotat ca inventator în 18 brevete, este inginer profesionist înregistrat în Missouri și membru senior pe viață al IEEE. Contactați-l pe Sam la [email protected].
1. A se vedea brevetele 5,729,335 și 7,898,395.
2. „Fun with Voltage-to-Frequency Converters”, QEX, martie/aprilie 2013, pp. 7-10.
3. http://www.citrus-electronics.com
4. http://www.google.com.ar/patents/US8803560
Restricții privind brevetele de proprietate intelectuală
Utilizarea unui convertor tensiune-frecvență (VFC) pentru a indica modificările de magnitudine ca modificări proporționale în frecvența audibilă nu este un concept nou. Principiul de transformare a tensiunii în frecvență audibilă este deja proprietate publică, pentru că asta fac VFC-urile și pentru că eu am făcut-o cu mult timp în urmă.
Adăugarea tremolo-ului pentru a distinge între polaritatea pozitivă și cea negativă este nouă, totuși. Utilizarea squelch-ului pentru a reduce tonul la tăcere atunci când încetează să se schimbe și pentru a porni tonul din nou atunci când se reia schimbarea este o altă noutate.
Compania Boeing deține brevetul numărul 8,803,560 care acoperă aceste două caracteristici. Descriu aici implementarea acestei invenții, deoarece aș dori să văd această metodă folosită pe scară largă. Oricine este interesat să licențieze caracteristicile acestei metode în SUA trebuie să trateze cu fostul meu angajator.
Boeing deține brevetul pentru caracteristicile squelch și tremolo, așa că nu mă pot oferi să vând unități cu tremolo sau squelch. Pot, în schimb, să furnizez procesorul ATtiny85 cu un software alternativ care indică în mod audibil trecerile pe zero în loc să indice polaritatea, care se dovedește a fi remarcabil de eficient. Va trebui să întrerupeți alimentarea pentru a face liniște sau să programați un timp de funcționare fix până la oprire, mai degrabă decât să sesizați când intrarea încetează să mai varieze sau începe din nou să varieze.
Rețineți că există doar un brevet american. Prin urmare, oricine poate să construiască și să vândă unități cu funcțiile tremolo și squelch în afara S.U.A. Sper ca unul sau doi producători să licențieze această metodă, astfel încât acestea să devină disponibile aici, în Statele Unite. Numiți-l Green Whistler sau ceva mișto, astfel încât să primesc ceva credit.