Niniejszy artykuł stanowi tłumaczony z języka angielskiego skrót opisu urządzenia wykonanego przez autora, który został opublikowany w czasopiśmie Радио (12 (2009), ss. 18-21).
Zaprezentowany mikroamperomierz jest przeznaczony do pomiarów małych wartości pobieranego przez urządzenia prądu. Autor dysponował jedynie zwykłym multimetrem w swojej pracowni, używanie go do niektórych pomiarów nie było wygodne. Powodem stworzenia mikroamperomierza był fakt, że większość obecnie produkowanych urządzeń elektronicznych posiada tryb oszczędzania energii, gdzie pobór prądu spada o 1-3 rzędy wielkości względem wartości nominalnej. Pomiar poboru prądu urządzenia, które okresowo przechodzi w tryb uśpienia wymaga każdorazowo zmiany zakresu pomiaru multimetru, jeśli taka funkcja nie jest obsługiwana automatycznie. Niestety, multimetr autora umożliwiał jedynie ręczną zmianę zakresów. Ponadto, często istnieje konieczność pomiaru prądu i napięcia jednocześnie, co w przypadku posiadania jednego miernika jest wysoce niewygodne.
Opisany mikroamperomierz posiada następujące cechy:
Zakres pomiaru prądu: 0,05μA - 10mA
Cztery podzakresy: 0,05μA - 9,99μA, 10μA - 99,9μA, 100μA - 999μA, 1mA - 9,99mA, automatyczna zmiana zakresu pomiarowego.
Spadek napięcia: Maksymalnie 82mV.
Automatyczne wyłączanie po około trzech minutach bezczynności.
Zasilanie z dwu baterii typu AAA, średni pobór prądu 10mA.
Układ odpowiadający za pomiar prądu oparto na wzmacniaczu typu "current-sensing" MAX4372F. Autor użył wersji "F" układu, czyli o wzmocnieniu wynoszącym 50. Wzmacniacz mierzy spadek napięcia (Vsense) na rezystorach bocznikujących R1-R4 i podaje na wyjściu wzmocnione napięcie Vout = 50 x Vsense. W czasie pomiaru wykorzystywany jest jedynie jeden rezystor bocznikujący, załączany za pomocą obwodu zawierającego tranzystory MOSFET. Rezystor R1 odpowiada zakresowi 0,03μA - 9,99μA, a rezystor R4 zakresowi 1mA - 9,99mA. Napięcie ze wzmacniacza podawane jest na wejście przetwornika A/D mikroprocesora PIC. Napięcie odniesienia dla przetwornika A/D generowane jest za pomocą układu DA4 i wynosi 4,096V. Jeśli, załóżmy, wartość rezystora R3 wynosi 82Ω, to spadek napięcia spowodowany przepływem prądu Iin, po wzmocnieniu przez układ MAX4372 da na jego wyjściu napięcie:
Vout = 82 x 50 x Iin = 4100 x Iin
Jeśli mierzony prąd wynosi 1mA (0,001A), to powyższa wartość wyniesie 4100 x 0,001 = 4,1V, co jest wartością zbliżoną do napięcia odniesienia 4,096V (różnica poniżej 0,1%). Używając napięcia odniesienia 4,096V, wartość generowana przez przetwornik A/D wyniesie:
NADC = (Vout / 4096) x 1024 = 1024 x Iin.
W przypadku pomiaru prądu Iin = 1mA, wyświetlacz powinien wskazać wartość 1000 zamiast 1024, więc wartość generowana przez przetwornik A/D wymaga skalowania, aby być poprawnie wyświetlana, zgodnie z zależnością:
NLCD = NADC x (1000 / 1024) = 1000 x Iin
W rozważanym przypadku NLCD to wartość mierzonego prądu w mikroamperach. Ta zależność jest także spełniona dla pozostalych zakresów pomiaru prądu. Wartość NLCD wysyłana jest do układu sterującego wyświetlaczem LCD PCF8660. Sterownik wyświetlacza połączony jest z mikroprocesorem za pomocą magistrali I2C (wyposażonej w rezystory podciągające 10 kΩ) i steruje 3-cyfrowym wyświetlaczem LCD (Lumex, typ LCD-S301C31TR) w sposób statyczny.
Do wyboru właściwego rezystora bocznikującego w obwodzie pomiaru prądu wykorzystane są tranzystory MOSFET. Ponieważ napięcie na zacisku wejściowym "+" może wynosić zaledwie 0,1V (taka sama wartość będzie obecna na źródle tranzystora), a tranzystory MOSFET wymagają do otwarcia i utrzymania niskiej rezystancji w czasie przewodzenia co najmniej 3V różnicy napięć źródło-dren, do sterowania bramkami tranzystorów MOSFET wykorzystano napięcie ujemne. Spowodowało to konieczność wykorzystania przetwornicy. Napięcie -5V uzyskiwane jest za pomocą inwertera napięcia TC7660 (układ DA2). Do filtrowania napięcia wykorzystano kondensatory ceramiczne 10 μF, które są niewiele droższe od swoich tantalowych odpowiedników. Ponieważ rezystancja otwartego tranzystora MOSFET jest bardzo niska (wynosi około 0,05Ω), nie ma ona zauważalnego wpływu na ogólną niedokładność pomiaru.
Jako że do zasilania wyświetlacza LCD niezbędne jest napięcie 5V, a układ zasilany jest z 3-woltowej baterii, konieczne było zastosowanie przetwornicy podwyższającej DC-DC, zbudowanej w oparciu o układ MAX619 (DA3). Wejście SHDN układu musi być przyłączone do masy dla zapewnienia poprawnego działania. Kiedy urządzenie jest wyłączone, na wejście to podawane jest napięcie 3V przez rezystor R14. Zapewnia to ograniczenie zużycia prądu przez przetwornicę do kilku mikroamperów. Włączanie urządzenia odbywa się za pomocą wciśnięcia przycisku S1. W tym momencie wejście SHDN układu MAX619 zwierane jest do masy. Układ dostarcza też napięcia 5V do zasilania mikrokontrolera PIC. Mikrokontroler wystawia stan wysoki na wyprowadzenie 11., co powoduje otwarcie tranzystora VT5 i zamknięcie obwodu przycisku, co pozwala na pracę urządzenia nawet po zwolnieniu włącznika. Wyłączanie miernika zrealizowane jest programowo.
Układ został zmontowany na jednostronnej płytce drukowanej z wykorzystaniem elementów montowanych powierzchniowo. Dolny rząd pinów złącza wejściowego połączony jest z masą. W górnym rzędzie pin środkowy jest niepodłączony, pin po lewej stronie służy do podłączania bieguna dodatniego zasilania, a pin po prawej stronie - do podłączania bieguna dodatniego zasilania badanego urządzenia. Bieguny ujemne zasilania są wspólne.
Płytka drukowana została zaprojektowana pod obudowę Hammond 1591. Płytka we wnętrzu obudowy montowana jest za pomocą sześciu metalowych wsporników o wysokości 5 mm. Wsporniki posiadają gwint o rozmiarze M2 i są przyklejone klejem epoksydowym do spodu obudowy. Wyświetlacz montowany jest na równi z wysokością wsporników. Pojemnik na baterie przyklejony jest do spodu płytki.
Oprogramowanie:
Na początku realizowana jest niezbędna inicjalizacja obwodów mikrokontrolera PIC, ustalane jest taktowanie FOSC = 1 MHz oraz taktowanie przetwornika ADC (FOSC/2), następuje też inicjalizacja sterownika wyświetlacza. Powoduje to wybranie statycznej kontroli wyświetlacza i wyświetlenie wartości "0". Po tym program przechodzi do nieskończonej pętli. Przy każdej iteracji wywoływana jest funkcja getCurrent(), która zwraca wartość konwertowaną do kodu BCD i wysyłaną do sterownika wyświetlacza LCD. Po tym następuje opóźnienie wynoszące 0,25 s., aby zapobiec zbyt szybkiemu odświeżaniu wyświetlacza. Jeśli mierzony prąd wynosi mniej niż 0,05μA, jest to traktowane jak 0 i powoduje zwiększanie stanu licznika mierzącego czas bezczynnej pracy. Ze względu na upływność wzmacniacza MAX4372 wyświetlane wartości mogą wynosić 0,01 do 0,03 przy odłączonych wejściach pomiarowych. Jeśli licznik bezczynnej pracy osiągnie wartość 512, co następuje po około trzech minutach - urządzenie samo się wyłącza dzięki podaniu stanu niskiego na bramkę tranzystora VT5.
Funkcja getCurrent() na początku powoduje ustalenie właściwego zakresu pomiarowego. Za pomocą tranzystora MOSFET przyłączany jest rezystor pomiarowy R4 i urządzenie dokonuje pomiaru na zakresie 1mA - 10mA. Jeśli zmierzona wartość wynosi 10 lub więcej, jest ona wyświetlana na wyświetlaczu. Zakres pomiarowy wskazywany jest zapaleniem obu kropek na wyświetlaczu. Lewa kropka odgranicza miejsce całkowite od części dziesiętnej, a prawa wskazuje na odpowiedni zakres pomiaru. Zakresy są wskazywane zgodnie z poniższym schematem:
[wskazanie (zakres pomiaru)]
0. 0 0 (0 - 0,05 μA)
1. 2 3 (0,03 - 9,99 μA)
1 2. 3 (10,0 - 99,9 μA)
1 2 3 (100 - 999 μA)
1. 2. 3 (1,00 - 9,98 mA)
-.-.- (powyżej 9,99 mA)
Jeśli jednak mierzony prąd jest mniejszy od 1 mA, tranzystor załącza w obwód pomiarowy rezystor R3 i po chwili mierzona jest po raz kolejny wartość prądu. Zwłoka jest wymagana do naładowania kondensatorów w obwodach bramek tranzystorów VT1 - VT4. Jeśli mierzona wartość wynosi więcej niż 100μA, jest ona wyświetlana. Jeśli nie - dołączany jest rezystor R2 itd. Po 4 wstępnych pomiarach prądu ustalany jest zakres pomiarowy (pod warunkiem, że pomiędzy pomiarami wstępnymi wartość prądu nie zmieni się znacznie). Po ustaleniu zakresu pomiarowego zbierane są co 1,5 ms. 63 próbki wartości prądu. Zebrane wartości są następnie uśredniane i zaokrąglane do najbliższej liczby całkowitej. Dzięki temu szum przetwornika A/D jest w znacznym stopniu eliminowany.
Po uśrednieniu mierzonej wartości prądu jest ona normalizowana przez przemnożenie przez 1000/1024. Aby operacja ta była wydajna, należy zwrócić uwagę, że stosunek ten może być przedstawiony jako 250/256. Dzielenie przez 256 może być zrealizowane jako wyzerowanie MSB w wyniku pomiaru. Aby pomnożyć wartość przez 250, należy zwrócić uwagę, że 250 = 256 - 4 -2. Więc, operacja może być wykonana przez dodanie do wartości 8 zer (co odpowiada mnożeniu przez 256), a następnie pomnożeniu przez 2 (przesunięcie wartości w lewo) i odjęcie wyniku od wartości początkowej. Następnie, otrzymaną wartość należy przemnożyć znów przez 2 (kolejne przesunięcie wartości w lewo) i odjąć od poprzedniego wyniku.
Użytkowanie miernika:
Mikroamperomierz zaprojektowano do pomiaru małych prądów, nie jest on wyposażony we wskaźnik i zabezpieczenie przez odwrotną polaryzacją. Układ pomiarowy MAX4372 przeznaczony jest jedynie do pomiarów prądu w konfiguracji high-side. Dlatego też mikroamperomierz musi być włączony pomiędzy biegun dodatni zasilania (zakres napięć 0,1 - 25V) a mierzony układ, biegun ujemny zasilania należy połączyć bezpośrednio z badanym urządzeniem (zobacz poniższy schemat). Sposób połączenia widoczny jest także na poniższych zdjęciach, gdzie zastosowano rezystor w miejsce badanego układu. Pojedyncza bateria AAA zasila badany "układ" (rezystor), podczas gdy dwie baterie AA służyły zasilaniu samego urządzenia w czasie testów. 5-wyprowadzeniowe złącze było używane do programowania. Zostało ono usunięte po dopracowaniu kodu procesora. Na czas programowania wyjście układu generującego napięcie odniesienia musi zostać odłączone od procesora.
Sposób podłączania mikroamperomierza zaprezentowany jest też na zdjęciu tytułowym. Mierzony jest pobór prądu układu zasilanego dwiema bateriami AA.
Na stronie źródłowej znajduje się do pobrania kod źródłowy oraz projekt płytki drukowanej w formacie Eagle.
Cool? Ranking DIY
