На основе исследования работоспособности ряда микросхем АЦП семейства ICL71x6 (в том числе и КР572ПВ5) и ее аналогов при пониженном напряжении питания и используя результаты этих исследований была разработана оригинальная конструкция миниатюрного цифрового вольтметра.

Внешний вид вольтметра показан на рисунке. На основе микросхемы АЦП МАХ130, относящейся к семейству микросхем ICL71x6, разработана конструкция миниатюрного вольтметра с четырьмя пределами измерения: 200 мВ, 2, 20 и 200 В.

Основная схема прибора приведена на рис. 1. Выбор данной серии микросхем объясняется тем, что ее предел работоспособности при пониженном напряжении питания приблизительно совпадает с пороговым напряжением дешевого и доступного детектора понижения питания — микросхемы КР1171СП42. Применение этого детектора позволяет избежать ошибочных измерений при уменьшении напряжения питания ниже определенного уровня.

Существенно меньший в сравнении с ICL7106 (КР572ПВ5) ток потребления позволил увеличить продолжительность работы вольтметра даже при использовании малогабаритной батареи питания. При частоте кварца 32,768 кГц вольтметр дает около 2 (32768/16000) показаний в секунду. Частота сигнала ВР — приблизительно 40 Гц (32768/800).

Рис.1.

Для использованного в мини-вольтметре экземпляра микросхемы MAX130CPL минимальное рабочее напряжение, при котором еще сохраняется точность измерения, оказалось равным 4,27 В. Поэтому из десяти имевшихся экземпляров детекторов 1171СП42 (а они имеют существенный разброс в напряжении срабатывания) был выбран экземпляр с напряжением срабатывания Us = 4,3 В и гистерезисом 60 мВ (напряжение выключения — около 4,36 В).

Точность работы АЦП в значительной степени связана с качеством конденсаторов, используемых в АЦП. В фирменной документации и статьях, посвященных применению АЦП 1С1_71хх, рекомендуется применять конденсаторы с низким значением коэффициента абсорбции в диэлектрике. Если в качестве С6 (емкость интегрирующей цепи) использовать керамический конденсатор, погрешность линейности преобразования будет иметь порядок 0,1 %, а с полистирольным и полипропиленовым диэлектриком — соответственно 0,01 % и 0,001 %.

Из отечественных конденсаторов можно рекомендовать К71-4, К71-5, К72П-6, К72-9, К73П-7, К73-16, К73-17. Конденсаторы С4 в узле коррекции нуля и С2 с образцовым напряжением можно использовать с диэлектриком из полиэтилентерефталата. Для справки: конденсаторы групп К70-хх и К71-хх — с диэлектриком из полистирола, групп К72-хх — фторопластовые, К73-хх — полиэтилентерефталатные, К78-хх — полипропиленовые.

Рис.3.

Вольтметр собран на макетной печатной плате, размеры которой совпадают с размерами индикатора. Микросхема АЦП расположена под индикатором, а с обратной стороны макетной платы размещены остальные элементы. Все резисторы, кроме входного делителя, — чип-резисторы типоразмера 0805. Монтаж выполнен тонким проводом.

Плата вольтметра установлена в корпус из жести габаритами 80x35x15 мм. Напротив индикатора в корпусе прорезано окно, в которое вклеена пластина из прозрачного пластика (от крышки коробки для компакт-диска). Размеры батарейного отсека — 35x15x15 мм.

Для получения образцового напряжения 100 мВ используются элементы R1, VD1, R3, R5, R6. Характеристики интегрального стабилитрона AD1580ART Iст min = 50 мкА!) немного лучше, чем у RER1004 (LM385), и он выпускается в миниатюрном корпусе SOT-23. Образцовое напряжение 100 мВ устанавливают на резисторе R5 регулировкой подстроечного резистора R6.

Рис.4.

Вольтметр на четыре предела измерения напряжения удалось сделать без специального переключателя: к разъему ХР1 подключают внешний делитель напряжения, встроенный в разъем измерительного щупа.

Схема входного делителя приведена на рис. 3, а на рис. 4 показана его конструкция. Переход к другому пределу измерения можно осуществить, если отсоединить щуп с делителем от разъема ХР1 вольтметра, повернуть щуп на 90 град, и опять соединить оба узла.

Входное сопротивление вольтметра с подключенным делителем напряжения — 11,1 МОм (без делителя — порядка 100 МОм). Лучше всего во входном делителе напряжения использовать резисторы С2-29В 0,062 или 0,125 Вт с допуском 0,1 %. Сопротивления резисторов делителя выбраны кратными 10, что облегчает их подбор. Сопротивление нижнего плеча делителя в этом случае должно быть 11,11 кОм; такой номинал существует у резисторов С2-29В (ряд Е192).

Можно воспользоваться советом из [1] и соединить параллельно два резистора с номиналами из ряда Е24 12 кОм и 150 кОм (важно подобрать значение 11,11 кОм). При установке в делитель резисторов с допуском 0,1 % никакого дополнительного подбора их не потребуется. К сожалению, найти точный резистор малого размера с номиналом 10 МОм невозможно. Поэтому пришлось сделать самодельный резистор из чип-резисторов 0805.

Рис.5.

Схема и конструкция такого резистора показаны на рис. 5,а и рис. 5,6.

Резисторы R1' = 8,2MOM и R1' = 1,8 МОм следует подобрать с минусовым допуском. Если отклонение будет иметь величину около 0,1 % (это вполне возможное значение для чип-резисторов с допуском 1 %), то два других резистора должны иметь номиналы, которые указаны на рис. 5,а. Резистор R1* припаивается сверху на резистор R1'''.

Размер конструкции приблизительно соответствует резисторам С2-23 0,125 или 0,25 Вт. Максимальное допустимое напряжение на входе делителя определяется максимально допустимым напряжением чип-резистора 0805 R1' и по паспортным данным равно 300 В. Рабочее напряжение чип-резисторов не должно превышать 150 В.

Если учесть, что сопротивление резистора R1' — это 8,2 МОм/ 11,1 МОм = 73,8% от полного сопротивления делителя, то рабочее напряжение делителя равно 150В / 0,73 = 203В, что соответствует максимальному пределу измерения мини-вольтметра. Подстроить резистор 10 МОм можно либо по показаниям точного омметра, либо измеряя калиброванное напряжение 1,999В точным вольтметром на собранном делителе.

Естественно, что сам мини-вольтметр при этом должен быть настроен на предел 200 мВ. В принципе, первый вариант настройки по показаниям омметра не может дать хорошего результата, поскольку всегда существует входной ток, который создают ощутимое падение напряжения на резисторе 10 МОм. Но входные токи семейства микросхем ICL71xx настолько малы, что результаты для индикации на 31/2 разряда получаются вполне удовлетворительные.

Не рекомендуется настраивать делитель, подключая к его ступеням мультиметр, пусть даже на порядок более точный, поскольку может возникать некоторая погрешность из-за внутреннего делителя напряжения, не отключаемого даже на нижнем пределе.

Прежде чем залить конструкцию щупа эпоксидной смолой, рекомендуется тщательно промыть резистор 10 МОм и весь делитель спиртобензиновой смесью, водой с шампунем и тщательно высушить. Для этой цели удобно использовать фен для волос при температуре воздуха на его выходе в интервале 70...90 °С. Нужно очень внимательно следить за тем, чтобы эпоксидная смола не затекла в корпус штыревых соединителей PBD-8.

Рис.6.

Второй входной щуп вольтметра с зажимом "крокодил" на конце подключают к разъему ХРЗ. Поскольку на этот же разъем выведен и вход 200 мВ, его можно использовать для соединения вольтметра с различными внешними приставками или просто как индикатор с большим входным сопротивлением и шкалой 200 мВ. Делитель напряжения отключают от разъема ХР1, поэтому положение десятичной точки может быть выставлено на разъеме ХР1 обычным джампером.

Металлический корпус вольтметра не имеет соединений с электрической частью прибора, но на разъеме ХРЗ контакт "корпус" присутствует. Использовать его можно в зависимости от ситуации (например, при большом уровне наводок). Схема и конструкция минусового щупа показаны на рис. 6.

В вольтметре применен ЖК индикатор ITS-0803 фирмы INTECH [2]. Его размеры — 51x30,5 мм. Изображение появляется уже при напряжении 2...2,1В, а максимального контраста знака по отношению к фону (у ИЖЦ5-4/8 контрастность хуже) индикатор достигает при напряжении питания З...3,3 В. Этот тип индикатора можно назвать стандартным, поскольку его полные аналоги выпускаются целым рядом фирм (Standish, Epson).

Назначение и расположение выводов и сегментов показаны на рис. 7. Наиболее распространенный индикатор ИЖЦ5-4/8 использовать можно, но нежелательно. Изображение сегментов появляется, начиная с напряжения на нем 2,5...2,7В, но максимальный контраст достигается только при величине напряжения 4,3....4,8 В. Кроме того, у этого индикатора отсутствует сегмент "Low Battery". Существует аналог данного ЖКИ с названием "Соболь", характеристики которого лучше, а цена выше.

Рис.7.

Хороший индикатор — ИЖЦ14-4/7 завода "Рефлектор". Он нормально работает при напряжении питания 3В, но имеет 50 выводов, много лишних сегментов, и, соответственно, большие размеры, чем ITS-0803. Есть символ-сегмент "LB". Сведения об этих компонентах также можно узнать на сайте [2].

Если на ЖКИ отсутствует сегмент "LOW BATTERY", в узле индикации разряда батареи можно использовать светодиод; схема контроля напряжения для этого случая показана на рис. 8. Светодиод желательно выбрать с минимальным рабочим током. Показанный на схеме светодиод L-934SRC — красный, очень яркий (фирма King Bright). Он нормально работает при прямом токе 200...300 мкА! Транзистор VT2 инвертирует сигнал ВР и используется для включения десятичных точек на индикаторе. Нужная на действующем пределе точка включается перемычкой на разъеме XS2 внешнего делителя напряжения.

Этот же инвертированный сигнал ВР (на схеме обозначен как DPO) через ключ на транзисторе VT1 может быть подан на сегмент ЖКИ "Low Battery". Состоянием ключа (вкл./выкл.) управляет детектор понижения напряжения DA1. Резисторы R4, R7, R10, R11 (сопротивлением 5... 10 МОм) установлены для исключения "подсветки" неиспользуемых сегментов. В большинстве случаев индикатор хорошо работает и без этих резисторов.

Рис.8.

Размеры отсека питания, увязанные с шириной примененного индикатора, позволяют устанавливать в прибор батареи 4LR44, А544, V34PX, РХ28А, 4SR44 с напряжением 6 В. Возможно использование и нескольких отдельных дисковых щелочных или серебряно-цинковых гальванических элементов AG13, 376А, LR44, SR44 с номинальным напряжением 1,55 В. Они достаточно распространены и используются в лазерных указках и детской игрушке "Томагочи".

В отсеке установлена достаточно длинная пружина, которая позволяет использовать три или четыре дисковых элемента. Пои четырех элементах конечное напряжение разряда — 4,3В / 4 = 1,07 В. При включении лишь трех элементов получается неполное использование их емкости (минимально допустимое напряжение — около 1,43 В). Малый ток потребления (особенно для МАХ1 31) позволяет устанавливать набор из "свежих" и частично разряженных элементов для более полного использования их емкости. С некоторым усилием в отсек можно уложить даже 5 штук полностью разряженных элементов (0,9В х 5 = 4,5 В), и вольтметр будет нормально работать.

Емкость щелочных гальванических элементов и батарей указанных типов приблизительно равна 100 мА-ч, а серебряно-цинковых — 160 мА-ч. Это означает, что расчетное время работы вольтметра от одной батареи при среднем потребляемом токе около 220 мкА (МАХ130) составит около 500 для щелочных и 800 часов для серебряно-цинковых батарей. Для других типов микросхем данного семейства АЦП можно оценить время работы, исходя из их тока потребления.

Погрешность вольтметра на пределе 200 мВ соответствует разрядности ЖК индикатора, т. е. все цифры на индикаторе точные (проверено по 41/2 - разрядному вольтметру DT930F+, класс точности 0,05), что, разумеется, не заслуга автора, а высокое качество изготовления АЦП MAXIM и источника образцового напряжения Analog Devices. Поскольку измеренное в настроенном вольтметре напряжение ИОН имело величину чуть ниже расчетного значения (около 99,98 мВ), неизбежно возникающая при таком способе коррекции абсорбции в конденсаторе нелинейность прибора находится за пределами 3/2 разрядов индикатора. Отсутствие заметной разницы показаний в конечных точках шкалы (меньше 1/2 единицы младшего разряда индикатора) в данном случае — просто приятная случайность. На остальных (трех) пределах погрешность будет определяться качеством изготовления делителя напряжения.

Автор сознает некоторую двусмысленность материала, изложенного в этой статье. С одной стороны, рассматривается применение микросхемы АЦП в конструкции прибора, который нельзя рассматривать иначе как радиолюбительский, поскольку режим питания микросхемы не соответствует рекомендации фирмы-изготовителя. С другой стороны, автор располагает результатами достаточно глубокого не вошедшего в эту статью исследования источников погрешности. При этом автор утверждает, что два десятка экземпляров микросхем разных типов из семейства ICL71x6 нормально работают в предложенной схеме включения. Однако никаких обобщающих выводов по поводу работоспособности всех экземпляров микросхем из этой группы АЦП в данной статье автор дать не может.

Для себя автор все же сделал определенный вывод. Если в любительской или промышленной конструкции понадобится подключить микросхему семейства ICL71x6 в устройство с напряжением питания 5...6В, можно, учитывая запас по напряжению питания, использовать АЦП без преобразователей полярности.

О. Федоров

Литература:

1. Бирюков С. Портативный цифровой мультиметр: Сб.: "В помощь радиолюбителю", вып. 100, с. 70—90. — М.: ДОСААФ, 1998.

2. http://www.chipindustry.ru/shop/

Материал подготовил А. Кищин (UA9XJK).