Digitala multimetrar är exakta och noggranna instrument, och vissa modeller är mycket dyra. Oavsett kostnaden finns det ett problem som genomsyrar alla dessa apparater: De är dåliga på att förmedla det analoga beteendet hos en ingångssignal.
 |
Ladda ner denna artikel i .PDF-format Denna filtyp innehåller högupplöst grafik och scheman i förekommande fall. |
För att utföra en operation där du vill maximera eller minimera någon parameter när du gör en justering måste du visuellt övervaka avläsningen noga och verkligen studera den numeriska displayen för att avgöra om de snabbt föränderliga siffrorna ökar eller minskar, eller varierar slumpmässigt över ett litet eller stort värdeområde. Denna process kräver både dina ögon och din koncentration, samtidigt som du fortfarande är uppmärksam på att utföra justeringen och kanske hålla en testsond stadigt i rätt läge.
En del avancerade digitala multimetrar (DMM) levereras med ett grovt stapeldiagram på vätskekristallskärmen för att förmedla analog information. Dessa är dock i allmänhet värdelösa och får en att längta tillbaka till en gammal analog mätare med rörlig nål.
Istället för ett stapeldiagram eller en rörlig nål producerar min lösning ett ljud vars hörbara frekvens (tonhöjd) ändras tillsammans med storleken på den digitala displayen. När den visade storleken ökar ökar den hörbara frekvensen, och när den visade storleken minskar minskar den hörbara frekvensen. Detta visar sig vara ett otroligt effektivt sätt att förmedla exakt analogt beteende, lika bra eller bättre än att titta på en analog mätarnål, och man behöver inte titta på displayen.
Hörbar tonfrekvens representerar magnitud
Det mänskliga örat kan upplösa små förändringar i tonhöjd (frekvens). Det här arrangemanget ger bättre upplösning än en analog mätarnål, och du kan titta på det du testar och justerar samtidigt som du lyssnar på de resulterande parameterförändringarna. Denna metod ger mätningar utan ögon. Du kan maximera, minimera eller göra relativa ändringar utan att titta på instrumentet!
För den prototyp som jag byggde 2008 använde jag en LM331-precisionsspännings- till frekvensomvandlare (VFC) för att producera en hörbar ton som är proportionell mot spänningen över den digitala mätaren i DMM:en. DMM:n tjänar bekvämt nog till att omvandla alla ingångar, oavsett om det är spänning eller ström eller motstånd eller någon annan parameter, till en spänning i intervallet ±199,9 mV eller ibland ±399,9 mV, beroende på den aktuella enheten.
Buffer signalen från ingången till den interna digitala mätaren, förstärk den, ta det absoluta värdet, applicera den på VFC, omvandla pulsutgången med låg arbetscykel till en signal med hög arbetscykel och applicera den på en högtalare för att generera en lämplig hörbar ton. Figur 1 illustrerar konceptet, medan figur 2 visar det schematiska diagrammet för en framgångsrik tidig prototyp.
Den hörbara frekvensen kommer att variera med storleken på spänningen till mätaren i DMM (fig. 3). Hittills fungerar den här kretsen som ett hörbart stapeldiagram med mycket hög upplösning. Med en absolutvärdesomvandlare mellan ingångsbuffertförstärkaren och VFC ignorerar den signalpolariteten. Precis som en DMM med ett analogt stapeldiagram ger den samma indikation för positiva och negativa ingångar.
Representera storleken på en uppmätt parameter som hörbar tonhöjd är ingen ny idé. Jag använde denna metod för att presentera signalvärden som varierande hörbara frekvenser i tidigare uppfinningar1 och en artikel i QEX.2 Jag har fortfarande kvar en del hårdvara som jag använde runt 1988. Den har faktiskt hörlurarna i en gummikopp från ett 300-baud-modem för att koppla den hörbara utsignalen till en vanlig telefonlur för att förmedla mätningar via en telefonförbindelse till mig på en avlägsen plats, där jag gjorde justeringar av en optisk datalänk i det fria rummet som påverkade mätningen.
Hörbar polaritetsindikerande funktion
För att göra den här apparaten mer användbar satte jag mig för att få signaler med positiv polaritet och negativ polaritet att låta olika med polaritetssensorn och vågformsväxlaren. Jag gick till en början mellan en sinusvåg och en fyrkantsvåg, men skillnaden blev tydligare när jag använde tremolo, en lågfrekvent amplitudvariation, för att beteckna negativa signaler. Amplitudkuvertet för ljudhöjden varierar vid låg frekvens när ingångspolarisationen är negativ för att ge negativa ingångar ett mycket märkbart och distinkt ljud.
Squelch-funktion
Ray Bosenbecker, min vän och kollega, påpekade hur irriterande den hörbara tonen blev, särskilt när den inte förändrades mellan justeringar. Ray föreslog att man skulle lägga till squelch när ingångssignalen var oföränderlig ett tag. Vid denna tidpunkt blev han meduppfinnare.
Naturligtvis var squelch den svåraste funktionen att genomföra. Fyra op-förstärkare tjänar till att buffra och differentiera signalen vid VFC:s ingång och känna av plötsliga förändringar.
När avläsningen förblir oförändrad under en tid upphör den hörbara tonen. När avläsningen börjar variera igen återupptas tonen. Detta var känsligt och svårt att justera i prototypkretsen med squelch (fig. 4). Den fungerade tillräckligt bra för att demonstrera konceptet.
Jag ville minska den här kretsen så att den skulle rymmas i en DMM, men lämpliga analoga motsvarigheter till komplexa programmerbara logiska enheter (CPLD) och fältprogrammerbara grindmatriser (FPGA) har aldrig funnits. Följaktligen hade jag bara denna komplexa och olämpliga analoga krets som var för stor för att få plats och som krävde obekväma spänningsnivåer för strömförsörjningen.
Digitalt genomförande
Min vän Lee Johnson uppmuntrade mig att försöka mig på en digital version. Jag motsatte mig dock länge, eftersom det verkade dumt att digitalisera signalen både i DMM:n och i mitt ljudtillbehör.
När jag äntligen satte mig ner för att prova ett digitalt genomförande visade det sig vara mycket enkelt och fungerade på första försöket. Den digitala prototypen breadboard var en Arduino Uno R3 som körde ett exempelprogram som heter ”tonePitchFollower”, vilket motsvarar en VFC. Kretsen behöver fortfarande op-förstärkare för att buffra och förstärka ingången till ett intervall som är acceptabelt för den unipolära analog-digitalomvandlaren (ADC) på Arduino. Att matcha spänningsområden till frekvensområden, lägga till tremolo för att särskilja negativ polaritet och implementera squelch är bara mjukvara.
Den första fullt fungerande digitala prototypen använde en Arduino ProMini och passade lätt in i det tillgängliga utrymmet i en lågklassig Cen-Tech DMM från Harbor Freight. I nästa prototyp användes ett 28-stifts Atmel ATmega328P-chip i full storlek från en Arduino Uno R3, och det passade lika bra. Jag fick nyligen Atmel ATtiny85-chippet med 8 stift att fungera lika bra som de högpresterande chipen, så nu finns det gott om plats, och det kräver mindre ström.
Figur 5 visar tre generationer av prototyper med olika Atmel-processorer. Den första är en Arduino Pro Mini, den andra är ett ATmega328P-chip från en Arduino Uno R3 och den tredje är en ATtiny85. En tidig version av det enkla programmet för Arduino Uno visar metoden utan squelch (fig. 6).
Hacka
Den Harbor Freight DMM tar ström från ett 9 V-batteri och levererar en reglerad referenspotential 3 V under den positiva batteripotentialen. Ingångssignalen till den interna digitala mätaren varierar ±200 mV i förhållande till denna referenspotential. Jag samplade referens- och digitalmätarens ingångssignal på två sidor av en chipkondensator med hjälp av blå och röda trådar (fig. 7, nedre vänster). Jag anslöt till den omkopplade +9 V-strömmen med den röda ledningen nära mitten och till -9 V-strömmen med den blå ledningen uppe till höger. Detta strömarrangemang är hemligheten bakom att hacka Harbor Freight DMM för att ge ström till de bipolära op-förstärkarna och Atmel-processorn.
Figur 8 visar DMM-spänningsnivåerna och kretsschemat för detta ljudtillbehör. Den negativa spänningsregulatorn 79L05 härleder en potential 5 V under +9-V-batteriet (efter strömbrytaren). Op-förstärkarna och CPU-chipet använder detta som negativ matning och +9-V batteripotentialen som positiv matning. På detta sätt ligger DMM:s referens- och DMM:s utgångssignalpotential ungefär mitt emellan och i ett fast förhållande till op-förstärkar- och CPU-försörjningen.
Attiny85-versionen drar mindre än 14 mA från batteriet, inklusive DMM när den drivs med en 150-Ω-högtalare. Högtalarna kommer från gamla trådlösa telefoner. Jag ser dem på webben, men leverantören har inte svarat på en förfrågan.
En Fluke 23 DMM som jag undersökte använder samma strömförsörjningskonfiguration som Cen-Tech DMM från Harbor Freight. Jag drar slutsatsen att detta hack gäller generellt och inte bara för Cen-Tech-modeller. Jag rekommenderar att man börjar med Cen-Tech-modeller, eftersom Harbor Freight erbjuder kupongerbjudanden som ger bort dem gratis från tid till annan.
Självkalibreringsfunktion
Lee Johnson föreslog att det skulle vara användbart att låta den hörbara DMM:n indikera tillvägagångssättet för vissa andra ingångssignalnivåer än noll för att möjliggöra upprepad kalibrering i en industriell miljö. Jag lade till denna funktion till programvaran och löste mitt eget kalibreringsproblem.
Förut krävde varje enhet en något annorlunda konstant i programvaran för att tvinga den minsta hörbara frekvensen att inträffa exakt när DMM-displayen visar noll. Nu, om stift 2 i CPU:n är låg vid start, kommer enheten att självkalibrera sig till vilken ingångsnivå som helst och lagra kalibreringskonstanten i CPU:ns icke-flyktiga EEPROM-minne. Kortsluta ingången, dra stift 2 till låg nivå och sätt på strömmen för att kalibrera enheten normalt. Jag använder en intern reedbrytare och en extern magnet för att dra stift 2 lågt utan att borra ett hål i höljet för en brytare, men det skulle fungera lika bra.
Offset-kalibreringsfunktion
Använd vilken positiv eller negativ ingångsnivå som helst på enheten medan du mäter vilken parameter som helst inom vilket område som helst. Stäng av strömmen, dra stift 2 lågt och sätt på nytt på strömmen för att kalibrera enheten så att den anger lägsta frekvens och nollgenomgångar vid den specifika ingångsnivån. Beroende på din mätare kan du göra detta med kapacitans, motstånd och frekvens samt spänning, ström och motstånd.
Nu kan du vara uppmärksam på sondplacering eller detaljerna i utförandet av din justering samtidigt som du helt enkelt lyssnar och justerar för minsta hörbara frekvens. På så sätt anger instrumentet om ingångsnivån närmar sig eller avviker från det parametervärde du önskar.
Jag tror att denna funktion för offsetkalibrering är en ny och eventuellt patenterbar idé, men Lee och jag valde i stället att avslöja den i den här artikeln. Det var så lite som möjligt. Uppge den efter oss.
Andra användningsområden
Testa om en potentiometer är smutsig (bullrig) eller om den har god kontakt i hela sitt område genom att ställa in den så att den mäter motståndet och lyssnar efter bortfall medan du roterar axeln. De kommer att vara mycket märkbara. Du kan också få en uppfattning om huruvida motståndsvariationen är linjär eller har en logaritmisk avsmalning.
Överväg att använda tillbehörskortet tillsammans med en digital panelmätare på ±199,9 mV eller ±399,9 mV som du bygger in i dina egna tillämpningar. Du måste ändra strömförsörjningsarrangemanget för att tillhandahålla ett symmetriskt eller nästan symmetriskt strömförsörjningsområde på cirka 5 V som sträcker sig både över och under referensingången till din mätare. Olika mätare kräver olika lösningar. Någon bör så småningom erbjuda digitala paneler med denna funktionalitet inbyggd. Detta tillbehör ger en mycket mångsidig hörbar kontinuitetskontroll till digitala mätare som saknar denna funktion.
|
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. Dessa enheter har uttag för ATtiny85 CPU, så att användarna kan skräddarsy programvaran för sina egna tillämpningar. Figur 9 visar ett nytt kretskort som rymmer en reedbrytare för självkalibrering när den aktiveras med en extern magnet.
Detta tillbehör bör bli tillgängligt från Citrus Electronics.3 Kontrollera webbplatsen för status. Om det finns en efterfrågan på de återstående kretskorten kommer vi att tillverka fler av dem.
Jag kan förse dessa tillbehörskort med programvara som genererar en hörbar ton vars frekvens ökar och minskar med storleken på DMM:s numeriska display. Boeing Company äger det amerikanska patentet 8,803,560,4 som täcker den hörbara polaritetsindikatorn och squelch-funktionen, så jag kan inte tillhandahålla dessa (se ”Begränsningar för patent på immateriella rättigheter” nedan).
Föreställ dig vad du kan göra mer med den här installationen. Jag kan tänka mig flera förbättringar och har redan införlivat ett par av dem i den tillgängliga versionen. Mitt mål är att se DMM:er med dessa funktioner tillgängliga för användare som länge har klagat över bristen på anständig analog indikation. Jag hoppas att detta kommer att ske. Jag hoppas till och med att Boeing tjänar lite pengar.
Dr Sam Green är en pensionerad rymdingenjör som specialiserat sig på optisk och fiberoptisk datakommunikation och fotonik i fria rymden. Han har examina i elektronikteknik från Northwestern University och University of Illinois at Urbana. Han är upphovsman till 18 patent, registrerad yrkesingenjör i Missouri och seniormedlem på livstid i IEEE. Kontakta Sam på [email protected].
1. Se patenten 5 729 335 och 7 898 395.
2. ”Fun with Voltage-to-Frequency Converters”, QEX, mars/april 2013, s. 7-10.
3. http://www.citrus-electronics.com
4. http://www.google.com.ar/patents/US8803560
Intellektuella patentbegränsningar
Användningen av en spännings- till frekvensomvandlare (VFC) för att indikera storleksförändringar som proportionella förändringar i den hörbara frekvensen är inget nytt koncept. Principen spänning-till-hörbar-frekvens är numera allmän egendom, eftersom det är vad VFC:er gör och eftersom jag gjorde det för så länge sedan.
Att lägga till tremolo för att skilja mellan positiv och negativ polaritet är dock nytt. Användningen av squelch för att tysta tonen när den upphör att förändras och för att slå på tonen igen när förändringen återupptas är en annan ny vändning.
The Boeing Company innehar patent nummer 8,803,560 som täcker dessa två funktioner. Jag beskriver genomförandet av denna uppfinning här, eftersom jag skulle vilja se denna metod i bred användning. Den som är intresserad av att licensiera funktionerna i denna metod i USA måste vända sig till min tidigare arbetsgivare.
Boeing äger patentet på squelch- och tremolofunktionerna, så jag kan inte erbjuda mig att sälja enheter med tremolo eller squelch. Jag kan i stället förse ATtiny85-processorn med en alternativ programvara som hörbart indikerar nollgenomgångar i stället för att indikera polaritet, vilket visar sig vara anmärkningsvärt effektivt. Du måste avbryta strömmen för att göra den tyst eller programmera en fast drifttid fram till avstängning, i stället för att känna av när ingången upphör att variera eller återigen börjar variera.
Bemärk att det bara finns ett amerikanskt patent. Därför kan vem som helst bygga och sälja enheter med tremolo- och squelch-funktionerna utanför USA. Jag hoppas att en eller två tillverkare kommer att licensiera denna metod så att de blir tillgängliga här i USA. Kalla det Green Whistler eller något coolt så att jag får lite cred.