Prosty woltomierz pseudoanalogowy

Chciałbym przedstawić opis prostego woltomierza pseudoanalogowego. Odczyt wartości zmierzonej następuje w formie punktu świetlnego diody LED, stylizowanej na wzór wskazówki miernika analogowego (opcjonalnie w formie linijki LED), lecz pomiar następuje drogą cyfrową, z wykorzystaniem mikrokontrolera. Dlatego nazwa pseudoanalogowy. Jestem zwolennikiem łączenia "retro" i "teraźniejszości". Nie raz denerwowały mnie latające cyferki wyświetlacza w przypadku wahania wskazań, stąd taki pomysł. Woltomierz powstał jako uzupełnienie budowanego właśnie zasilacza 0-30V i został wykonany z dostępnych pod ręką elementów, z przysłowiowej szuflady, brak w nim specjalizowanych elementów.

Woltomierz składa się z dwóch części: wyświetlacza i części pomiarowej.
Widać, że nie jest to "cud techniki": typowy zasilacz 5V, Atmega8 z zewnętrznym źródłem napięcia odniesienia oraz rejestry przesuwne 4094 z 32 diodami LED.
Podstawowy zakres pomiarowy napięcia to 1-32V o rozdzielczości 1V, lecz postanowiłem dodać automatyczną zmianę zakresu i wyposażyć go w zakres 0,1-3,2V o rozdzielczości 0,1V.
Zasada działania opiera się na pomiarze napięcia przy użyciu dwóch przetworników ADC0 i ADC1. Przetwornik ADC1 służy do określenia zakresu pomiarowego. Wartość odczytana z tego przetwornika pozwala na decydowanie czy dołączyć rezystor R9 - poprzez pin portu PC2 (oznaczony etykietą RNG) do masy- tworząc dzielnik 1:10, czy też nie. Dla napięć 0,1-3,2V napięcie wejściowe z CON2 podawane poprzez rezystor R8 trafia bezpośrednio na wejście przetwornika ADC0. Gdy napięcie przekroczy wartość 3,3V, następuje przełączenie z zakresu niższego, sygnalizowanego zieloną diodą LED33, na zakres wyższy, LED33 zgaszona. Kto chciałby użyć takiego woltomierza do zasilacza 15V, można zamiast dzielnika 1:10 użyć dzielnika 1:4, co daje zakres 16V z rozdzielczością 0,5V. Ponieważ nie każdemu spodoba się przełączanie zakresów, można z tego zrezygnować i wykonać jeden zakres, łącząc R9 bezpośrednio do masy, przecinając połączenie z pinem PC2, ADC1 niewykorzystany, można połączyć do masy.
Diody D2-D5 (wraz z R8, R10) stanowią najprostsze zabezpieczenie przetworników przed podaniem napięcia wyższego niż napięcie zasilania Atmegi, czyli 5V. Kondensatory C7, C8 dodatkowo filtrują napięcie pomiarowe.
Zrezygnowałem z wewnętrznego napięcia odniesienia Atmegi ze względu na jego rozrzut. Napięcie referencyjne wykonano z TL431. Wartość napięcia referencyjnego została ustalona na 3,3V. Dokładnego ustawienia dokonuje się potencjometrem. Rezystory R3 i R4 pozwalają dobrać zakres regulacji napięcia potencjometru. W trakcie ustawienia korzystałem z miernika BRYMEN BM859CFa, w "wolnej chwili" w pracy. Zasilanie części analogowej Atmegi8 również zrealizowano typowo, z wykorzystaniem dławika 10uH i kondensatora 100nF. "Rozdzielono" masę cyfrową i analogową.
Napięcie mierzone "przesyłane" jest szeregowo do rejestrów przesuwnych sygnałami oznaczonymi jako CLK, D oraz STR, które wyprowadzono na złącze CON4 "WY". Zasady działania rejestrów nie będę opisywał.
Woltomierz może pracować w trybie "punktu świetlnego" ustawienie standardowe, lub opcjonalnie, w trybie linijki LED. Zmianę trybu dokonuje się zmianą stanu pinu PB0, pin 14. Podłączenie do masy to tryb punktowy, odłaczenie tego pinu od masy i pozostawienie niepodłączonego, to tryb linijki.
Tranzystor T1, R6, R7, LED1 tworzą proste źródła prądowe, dzięki czemu można uniknąć konieczności stosowania oddzielnych rezystorów dla każdej z 32 diod LED wyświetlacza. Prąd takiego źródła prądowego ustala się R7. Rozwiązanie takie sprawdza się w trybie punktowym, natomiast w trybie linijki sprawa się komplikuje. Nie wchodząc w szczegóły, równolegle łączenie LED w źródle prądowym wymaga m.in. użycia LED o jednakowym, dobieranym, napięciu przewodzenia Uf . Dlatego w trybie linijki należy zmodyfikować źródło prądowe lub po prostu użyć rezystorów ograniczających prąd, dla każdej diody. W modelu wykorzystałem tryb punktowy.


Wyświetlacz woltomierza składa się z 4 rejestrów przesuwnych 4094 wraz z odpowiednio ułożonymi diodami LED. Zgodnie z zasadami warto dodać kondensator 100nF do każdego scalaka. Dlaczego 4094 a nie np. '164 czy '595?. Bo akurat takie miałem i chciałem je wykorzystać. Podobnie z montażem THT zamiast SMD: chęć pozbycia się elementów THT a nie brak umiejętności lutowania.
Do celów testowych, na etapie sprawdzenia działania dodałem możliwość odczytu napięcia i ADC w terminalu, łączem szeregowym CON3. Użyłem przejściówki USB.

Jako napięcia wzorcowego użyłem chińskiego modułu z układem AD584 i napięciach wyjściowych: 2.5V/7.5V/5V/10V.
Jak dla mnie dokładność takiego woltomierza jest wystarczająca i zadowalająca, porównywalna z najtańszym miernikiem cyfrowym. Dla typowych wskazówkowych mierników stosowanych w zasilaczach to 2,5%. Rozdzielczość, no cóż, można by jeszcze dodać kilka rejestrów...

Woltomierz został wykonany na jednostronnych płytkach drukowanych. Ścieżki na "górnej stronie" wykonano jako zworki. Złącze CON4 płytki pomiarowej i CON1 płytki wyświetlacza należy przylutować od strony druku, tworząc kanapkę, co wymaga nieco staranności.
Na płytce pomiarowej dodano obszar "płytki uniwersalnej", gdyby w przyszłości chciał zrobić amperomierz.
Prototyp pokazany na zdjęciach i filmiku różni się od wersji ostatecznej umiejscowieniem elementów związanych z napięciem odniesienia. W załączniku wsad do atmegi8 ( fusebity: low 0xE4, high: 0xD9, wewnętrzny kwarc 8MHz) oraz wydruki pdf dla osób, które chciałyby wykonać taki woltomierz.