Mirley - Elektronika i Programowanie

Opisywany tutaj miernik panelowy jest znakomitym uzupełnieniem każdego budowanego zasilacza. Jest przeznaczony do zasilacza symetrycznego i umożliwia jednoczesny pomiar obu jego napięć wyjściowych oraz prądów pobieranych w dodatnim i ujemnym kanale zasilacza. Na wstępie należą się podziękowania dla Jakuba Moronia, Szymona Kulisa i Przemka Terleckiego za udzielenie cennych wskazówek i zwrócenie uwagi na błędy przy projekcie i budowie układu. Założeniem tego projektu było wykonanie taniego miernika, który jednocześnie pozwala określić napięcia i płynące prądy z możliwie dobrą dokładnością. Dodatkowo wyświetlanie poboru mocy czy też rezystancji dołączonego odbiornika może być przydatne w wielu zastosowaniach. Układ zbudowany jest z wielu popularnych wzmacniaczy operacyjnych TL081, których offsety kalibrowane są za pomocą potencjometrów wieloobrotowych oraz sieci rezystorów. Do pomiaru napięcia wykorzystywane są przetworniki analogowo cyfrowe dostępne wewnątrz mikrokontrolera ATMega8. Wyniki pomiarów dostępne są na wyświetlaczu LCD 16x2 znaki. Przyciski na panelu przednim pozwalają w wygodny sposób przełączać się między wskazaniami prądu, mocy i rezystancji obciążenia. Miernik nadaje się do współpracy z zasilaczem 3,3V-30V, przy mniejszych napięciach należy zastosować wzmacniacze operacyjne Rail-to-Rail aby praca lustra prądowego do pomiaru natężenia była prawidłowa.

Działanie:

Schemat można podzielić na dwie prawie symetryczne części. Jedna odpowiada za pomiar prądu i napięcia w ujemnym kanale współpracującego zasilacza, a druga w dodatnim. Cały opis należy rozpocząć od rezystora R+* (0,2R), gdyż występujący na nim spadek napięcia jest proporcjonalny do płynącego prądu. Współczynnikiem proporcjonalności jest w tym wypadku wartość 1/R+*. Rezystor ten nie występuje fizycznie na płytce miernika, gdyż jest szeregowym rezystorem pomiarowym w układzie współpracującego z miernikiem zasilacza. Punkt A powinien zostać dołączony do wyższego potencjału (przed rezystorem w zasilaczu), natomiast punkt B do potencjału niższego (za rezystorem pomiarowym). Wzmacniacz operacyjny U3 (TL081) porównuje napięcie w punkcie B z napięciem panującym na rezystorach R1-R4 (200R) względem punktu A. Jego wyjście tak steruje tranzystorem T1 (BC857) aby spadek napięcia na równoległym połączeniu R1-R4 był równy spadkowi napięcia na rezystorze pomiarowym R+*. Równoległe połączenie R1-R4, zamiast pojedynczego rezystora zostało zastosowane w celu polepszenia tolerancji rezystancji, a co za tym idzie poprawia dokładność pomiaru. Prąd płynący przez T1 i R1-R4 płynie także przez rezystory R5-R8 (9,1k), a ponieważ wartość tych rezystorów (9,1k /4 = 2,275k) jest 45,5 razy większa od równoległego połączenia R1-R4 (50R), napięcie na kondensatorze C8 (100nF) jest 45,5 razy większe niż na rezystorze pomiarowym R+*. Jak łatwo zauważyć pomiar prądu może odbywać się w maksymalnie 4 zakresach pomiarowych, realizowanych przez rezystory R9-R12 (2,4k), R13-R16 (750R) i tranzystory MOSFET-N z komplementarnych par T3-T4 (IRF7106/IRF7105). Elementy T3 i T4 w istocie zawierają dwa tranzystory o przeciwnych polaryzacjach w jednej obudowie. Jeśli dla przykładu tranzystory MOSFET-N z T3 i T4 będą przewodzić (wysoki stan na bramkach G1) to prąd płynący przez T1 będzie trafiał na równoległe połączenie wszystkich rezystorów R5-R16, realizując najmniejszy mnożnik napięcia i zarazem największy zakres pomiarowy.

Napięcie z dzielnika rezystancyjnego, filtrowane przez C8 trafia na wejście bufora nieodwracającego U4 (TL081) i dalej przez rezystor R21 (9,1k) na wejście przetwornika analogowo cyfrowego za pośrednictwem złącza GP1 (goldpin). Tranzystory zmieniające zakres sterowane są z mikrokontrolera za pomocą złącza GP2 (goldpin). Napięcie na wyjściu bufora U4 nie powinno przekroczyć 2,56V, gdyż przetwornik ADC pracuje z takim napięciem referencyjnym. Gdy napięcie zbliża się do tej wartości zakres prądowy zostaje zmieniony automatycznie na większy.

Rezystory R17-R20 (47k) oraz potencjometry wieloobrotowe P1-P2 (10k) pozwalają zniwelować offset wzmacniaczy U3 i U4, w pierwszej fazie uruchomienia układu nie należy ich montować. Kondensatory C7 (100nF), C9-C10 (100nF) filtrują napięcia zasilające wzmacniacze U3 i U4. Wzmacniacz U3 pracuje na zasilaniu dodatnim o wartości maksymalnej 36V, natomiast U4 działa na zasilaniu symetrycznym +/-5V aby dobrze przenosić sygnały w pobliżu masy. Powyższy opis dotyczy układu pomiaru prądu dodatniej szyny zasilającej.

Pomiar prądu na ujemnej szynie zasilacza jest bardzo podobny. Rezystorem pomiarowym jest tutaj R-* (0,2R), punkt C należy dołączyć do niższego potencjału, a punkt D do wyższego. Dzięki wzmacniaczowi operacyjnemu U6 (TL081) i tranzystorowi T2 (BC847) spadek napięcia na równoległym połączeniu R41-R44 (200R) jest taki sam jak na rezystorze pomiarowym R-*. Prąd płynący przez R41-R44 i T2 płynie także przez równoległe połączenie R23-R25 (9,1k) i R34 (9,1k). Podczas działania układu na wejściu odwracającym wzmacniacza U5 (TL081) ustali się potencjał masy, a zatem rezystor R34 jest podłączony równolegle do R23-R25. Napięcie na kondensatorze filtrującym C13 (100nF) jest w efekcie 45,5 razy większe od napięcia na rezystorze pomiarowym R-*. Wzmacniacz U1 pracuje w konfiguracji odwracającej o wzmocnieniu -1, co jest konieczne w celu umożliwienia pracy przetwornika analogowo cyfrowego w mikrokontrolerze, pracującego tylko na napięciach dodatnich. Podobnie jak w kanale dodatnim dzięki tranzystorom MOSFET-P z par T3 i T4 oraz rezystorom R26-R29 (2,4k) i R30-R33 (750R), możliwa jest zmiana zakresów pomiarowych miernika prądu. Bramki tranzystorów MOSFET-P wymagają sterowania ujemnego względem masy, więc zostały podłączone do mikrokontrolera poprzez transoptory OPT1-OPT2 (LTV357T), pozwalające sterować bramki tranzystorów napięciem dodatnim względem masy. Rezystory R80-R81 (10k) podciągają bramki do potencjału masy, gdy OPT1 i OPT2 są wyłączone, natomiast R45-R46 (1k) ograniczają prąd diod transoptorów. Wyjście bufora odwracającego U5 trafia na rezystor R38 (9,1k) i dalej na złącze GP1.

Rezystory R36-R37 (47k), R39-R40 (47k) oraz potencjometry P3 (10k) i P4 (10k) pozwalają zniwelować offset wzmacniaczy U5 i U6. Kondensatory C11-C12 (100nF) oraz C14 (100nF) filtrują napięcie zasilania wzmacniaczy operacyjnych.

Pomiar napięcia wykonany jest w mniej skomplikowany sposób i działa w oparciu o dzielnik napięcia. W dodatnim kanale pracuje dzielnik składający się z równoległego połączenia R58-R61 (560k) oraz R50-R53 (160k). Stopień podziału wyznaczony jest tutaj na 10/45. Napięcie z dzielnika filtrowane jest za pomocą pojemności C15 (100nF) po czym trafia na bufor U7 (TL081) i poprzez rezystor R49 (9,1k) na złącze wyjściowe GP1, zapewniające kontakt z mikrokontrolerem. Pomiar napięcia dokonywany jest w dwóch zakresach pomiarowych zmienianych dzięki tranzystorowi MOSFET-N z komplementarnej pary T5 (IRF7105/IRF7106). Gdy tranzystor przewodzi do rezystorów R50-R53 dołączają się równolegle R54-R57 (44,2k), zmieniając stopień podziału dzielnika.

Pomiar napięć ujemnych dokonywany jest w bardzo podobny sposób. Dzielnik składa się tym razem z rezystorów R70-R73 (560k) oraz R63-R65 (160k). Podobnie jak na ujemnym zakresie pomiarowym dla prądu, rezystor R74 (160k) dokłada się równolegle do rezystorów R63-R65, ze względu na warunki pracy w układzie. Kondensator C18 (100nF) filtruje napięcie z dzielnika, które jest odwracane za pomocą wzmacniacza U8 (TL081). Stosunek rezystorów R75 (160k) i R74 (160k) ustala wzmocnienie U8 na poziomie -1. Zmiana zakresu pomiaru napięcia po stronie ujemnej odbywa się dzięki tranzystorowi MOSFET-P z pary T5 i rezystorom R66-R69 (44,2k), identycznie jak po stronie dodatniej. Do sterowania tranzystora MOSFET-P wykorzystywany jest transoptor OPT3 (LTV357) oraz rezystory R82 (10k) i R79 (1k).

Rezystory R47-R48 (47k), R76-R77 (47k) oraz potencjometry P5-P6 (10k) pozwalają wyzerować offset wzmacniaczy U7 i U8, a kondensatory C16-C17 (100nF) i C19-C20 (100nF) filtrują napięcie zasilania tych wzmacniaczy. Diody D1-D4 (BAT85) zabezpieczają przed nadmiernym wzrostem napięcia na wejściach wzmacniaczy operacyjnych U4, U5, U7 i U8. W ich miejsce można też dać dowolną zwykłą diodę krzemową w obudowie SOD80, gdyby okazało się że wzmacniacze operacyjne nie pracują stabilnie (testy wykazały że zależy to w dużej mierze od od producenta wzmacniaczy).

Schemat części cyfrowej pokazany jest na rysunku poniżej:

Sercem układu jest tutaj mikrokontroler U1 (ATMega8) wraz z rezonatorem kwarcowym X1 (16MHz) i kondensatorami C1 (22pF) i C2 (22pF). Pomiar dokonywany jest za pomocą przetworników analogowo cyfrowych, wbudowanych w mikrokontroler. Sam przetwornik ADC może pracować tutaj na wewnętrznym lub zewnętrznym napięciu referencyjnym 2,56V. W roli zewnętrznego układu referencyjnego wykorzystywana jest regulowana dioda Zenera U2 (TL431) wraz z elementami współpracującymi P2 (10k), R2 (470R) i C5 (100nF). Kondensatory C5 (100nF) i C15 (10uF) filtrują napięcie referencyjne, a potencjometr P2 pozwala dostroić poziom napięcia.

Wejścia przetworników są filtrowane przez kondensatory C6-C9 (100nF), które tworzą filtr RC razem z szeregowym rezystorem wyjściowym, znajdującym się w części analogowej układu. Złącza GP1 oraz GP2 zapewniają kontakt między płytkami.

Kondensatory C4 (100nF) i C14 (10uF) oraz dławik L1 (10uH) filtrują napięcie zasilające przetwornik. Kondensator C3 (100nF) blisko mikrokontrolera, zapewnia filtrację napięcia zasilającego część cyfrową mikrokontrolera. Ponieważ miernik będzie wykorzystywany w zasilaczu i zasilany przeważnie z pomocniczego uzwojenia transformatora, na płytce przewidziano zasilacz stabilizowany wraz z mostkiem prostowniczym Br1 (1A). Kondensatory C10 (220uF), C11 (100nF), C12 (100nF) i C13 (47uF) współpracują ze stabilizatorem U3 (7805).

Prezentacja wyniku pomiaru odbywa się za pomocą wyświetlacza W1 (16x2). Jego kontrast można dostroić za pomocą potencjometru P1 (10k). Prąd podświetlania wyświetlacza ograniczony jest przez rezystor R1 (47R). Przyciski S1-S2 (uSwitch) umożliwiają zmianę trybu pracy miernika, a diody D1 i D2 sygnalizują przekroczenie najwyższego zakresu pomiarowego prądu. Prądy diod ograniczane są poprzez rezystory R3-R4 (470R).

Budowa:

Kolejnym etapem będzie montaż elementów po drugiej stronie płytki. Pomocą okaże się z pewnością rysunek montażowy dostępny tutaj. W pierwszej kolejności należy wlutować wszystkie zworki, a następnie kondensatory C1 i C2. Wyprowadzenia kondensatorów można zgiąć pod kątem 90 stopni aby można było je położyć na płytce. W roli elementów/złącz R+* i R-* trzeba wlutować przewody, gdyż w tym miejscu powinny zostać dołączone rezystory pomiarowe zasilacza symetrycznego. Do złącza Z będzie trzeba doprowadzić symetryczne napięcie zasilające, więc najprościej także wlutować w tym miejscu kawałek trójżyłowej tasiemki. Potencjometry P1-P6 nie powinny być montowane na tym etapie konstrukcji, nawet gdy będziemy korzystać z możliwości zerowania offsetów wzmacniaczy. Potencjometry można zamontować dopiero po wstępnym uruchomieniu części analogowej.

Gdy część analogowa miernika jest już zlutowana można przystąpić do jej wstępnego uruchomienia. W tym celu należy podłączyć układ do zasilacza symetrycznego zgodnie ze schematem poniżej:

Można też podłączyć układ miernika na czas testów do symetrycznego zasilacza regulowanego i zbudować prosty układ testowy zgodnie z rysunkiem poniżej:

Widoczne na schemacie rezystory 0,2R służą do pomiaru prądu. Napięcie zasilania układu musi być wyższe od napięcia w punkcie A (i po ujemnej stronie w punkcie C) co najmniej kilka woltów i nie wyższe niż 32V (Dla bezpieczeństwa wzmacniaczy operacyjnych i stabilizatorów). Dlatego do testów najlepiej wykorzystać dwa zasilacze laboratoryjne. Na jednym ustawiamy wysokie napięcie symetryczne rzędu 12-32V, jakie normalnie panuje na kondensatorach filtrujących, natomiast drugi zasilacz laboratoryjny symuluje działanie stabilizatora. W roli obciążenia Ro można dać rezystory 330R/5W lub podobne tak żeby prąd płynący przez rezystory pomiarowe był rzędu kilkudziesięciu mA (moc rezystorów obciążenia powinna być dobrana z odpowiednim zapasem).

Rysunek poniżej przedstawia schemat montażowy wraz z zaznaczonymi punktami wyróżnionymi w układzie i opisanymi złączami. Może się on okazać bardzo pomocny przy wstępnym uruchomieniu układu:

Gdy już część analogowa miernika jest podłączona do zasilacza lub układu testowego, można przystąpić do pierwszego uruchomienia układu. Wszystkie wejścia sterujące G1-G6 powinny być zwarte do masy. Po włączeniu zasilania należy sprawdzić czy stabilizatory U1 i U2 dają odpowiednie napięcia (+/-5V). Jeśli wszystko jest Ok można wykonać pomiar napięć w kilku kluczowych punktach układu. Napięcie między punktami A i B jest proporcjonalne do płynącego prądu i powinno ono być równe napięciu między punktami A i E. Świadczy to o poprawnym działaniu układu pomiarowego ze wzmacniaczem U3. Dopuszczalne są tutaj niewielkie różnice napięcia w granicach 1mV (offsety wzmacniaczy nie zostały jeszcze wyzerowane). Z kolei napięcie w punkcie F względem masy powinno być około 45,5 razy większe niż między punktami A i E (sygnały sterujące są zwarte do masy więc układ pracuje z najwyższym wzmocnieniem). Podobny pomiar możemy wykonać po stronie ujemnej szyny zasilania. Napięcie między C i D powinno być równe napięciu między punktami C i G, a w punkcie H względem masy napięcie powinno być 45,5 razy większe (co do wartości bezwzględnej) niż między C i G.

W dalszej kolejności sprawdzamy działanie buforów napięciowych U4 i U5. Napięcie w punkcie Ucurr+ na złączu wyjściowym powinno być równe napięciu w punkcie F (względem masy), natomiast napięcie w punkcie Ucurr- powinno być równe napięciu w punkcie H (ze znakiem -).

Można jeszcze sprawdzić jak zachowują się napięcia w punktach F i H dla innych stopni podziału dzielnika. Wyboru podziału dokonujemy poprzez zmianę poziomów logicznych sygnałów sterujących G1-G4

Ostatnią częścią jaką warto sprawdzić, są dzielniki do pomiaru napięć. Napięcie w punkcie I względem masy powinno być 4,5 razy mniejsze niż napięcie w punkcie B, natomiast na wyjściu U+ napięcie powinno być równe temu w punkcie I. Po stronie ujemnej szyny zasilania, sytuacja jest podobna. Napięcie w punkcie J jest 4,5 razy mniejsze niż w punkcie D (wartości bezwzględne), a w punkcie U- napięcie jest takie samo jak w punkcie J, tylko ze znakiem przeciwnym.

Można jeszcze sprawdzić drugi stopień podziału podając stan wysoki (5V) na sygnały sterujące G5 i G6.

Ostatnim etapem uruchomienia części analogowej miernika jest wyzerowanie offsetów wzmacniaczy operacyjnych. Do tego celu potrzebny będzie miliwoltomierz o jak najlepszej dokładności. Nie jest to obowiązkowy etap i jeśli godzimy się na spadek dokładności przyrządu, możemy go pominąć. Na początku konieczne będzie wlutowanie potencjometrów P1-P6, po czym za ich pomocą porównujemy napięcia między odpowiednimi punktami obwodu. Punkty obwodu i odpowiadające im potencjometry zostały zestawione w tabeli poniżej (napięcia mierzone są względem masy):

W przypadku potencjometrów P1,P2,P4 i P5 wygodniej jest zmierzyć bezpośrednio napięcie między dwoma punktami (pomijając masę) i ustawić wartość napięcia równą 0.

Część sterującą można z powodzeniem zbudować w oparciu o płytkę drukowaną dostępną tutaj. Rysunek w odbiciu lustrzanym dostępny jest tutaj. W pierwszej kolejności należy zamontować elementy od strony ścieżek. Pomocą w konstrukcji będzie rysunek montażowy dostępny tutaj. Najpierw lutujemy mikrokontroler U1, sprawdzając dokładnie jego wyprowadzenia. Łatwo można się pomylić i wlutować procesor w innym ułożeniu, gdyż obudowa jest kwadratowa. W drugiej kolejności lutujemy wszystkie rezystory i kondensatory SMD w obudowach 0805. Największą trudność sprawią tutaj złącza szufladkowe GP1 i GP2, gdyż należy je wlutować od strony ścieżek. Złącza te muszą odstawać od płytki aby piny były widoczne spod plastikowej obudowy, gdyż w przeciwnym wypadku nie będzie można ich przylutować.

W drugim etapie montujemy podzespoły po stronie elementów. Pomocą będzie rysunek dostępny tutaj. Pracę rozpoczynamy od wlutowania trzech zworek. Obowiązkowo należy wlutować potencjometr P1, kondensatory C10 i C13, rezonator kwarcowy X1 oraz stabilizator U3. Mostek prostowniczy jest konieczny tylko wtedy gdy układ będzie zasilany bezpośrednio z uzwojenia transformatora, poprzez złącze Z. Dławik L1 nie jest bezwzględnie konieczny i w najprostszym przypadku można go zastąpić zworką. Jeśli nie używamy przełączanych trybów pracy to przyciski S1 i S2 nie będą potrzebne, podobnie jak potencjometr P2 i układ U2, gdy nie będziemy używać zewnętrznego napięcia referencyjnego. Pod wyświetlacz W1 dobrze jest zastosować 16-pinowe złącze szufladkowe, a w płytkę samego wyświetlacza wlutować goldpin. Na płytce nie zostało wyprowadzone złącze programujące, więc do wyprowadzeń procesora można na czas testów dolutować przewody, za pomocą których będzie można nawiązać komunikację z mikrokontrolerem.

Obie części układu po złożeniu powinny do siebie pasować (ścieżkami do siebie). Wyświetlacz i dwie płytki miernika można ze sobą skręcić za pomocą śrub 3mm.

Wykaz Elementów:

Część analogowa:

3x 1k SMD 0805
8x 2,4k SMD 0805 1%
13x 9,1k SMD 0805 1%
3x 10k SMD 0805
8x 44,2k SMD 0805 1%
12x 47k SMD 0805
9x 160k SMD 0805 1%
8x 200R SMD 0805 1%
8x 560k SMD 0805 1%
8x 750R SMD 0805 1%
6x Potencjometr Wieloobrotowy 10k
18x 100nF SMD 0805
4x 47uF Elektrolit

4x BAT85 lub 1N4148 SMD SOD80
3x IRF7106 lub IRF7105
6x TL081
3x LTV357T
1x BC847
1x BC857
1x Stabilizator 78L05
1x Stabilizator 79L05

Część sterująca:

2x 22pF SMD0805
9x 100nF SMD0805
2x 10uF Tantalowy SMD
1x 47uF Elektrolit
1x 220uF Elektrolit

1x 10uH
1x Rezonator Kwarcowy 16MHz SMD
2x Dioda LED 3mm
1x Mostek Prostowniczy 1A
1x Stabilizator 7805
1x Mikrokontroler ATMEGA8
1x Zródło napięcia odniesienia TL431
1x LCD 16x2

Programowanie:

Pt0:
  Timer0 = 6
  Set F_16ms
  Incr N
  For I = 2 To 5
    Xx = Getadc(i)
    X(i -1) = X(i -1) + Xx
  Next I
 
  If N >= N_max Then
    N = 0
    For I = 1 To 4
      Y(i) = X(i) / N_max
      X(i) = 0
    Next I
    Set Zmierzono
  End If
Return

Sam timer jest 8 bitowy i został skonfigurowany do pracy ze sprzętowym dzielnikiem przez 1024. Na samym początku procedury obsługi przerwania do licznika timera wpisywana jest wartość 6. Powoduje to zliczanie 250 imulsów, o częstotliwości zegara podzielonej przez 1024. Ponieważ procesor pracuje z rezonatorem kwarcowym 16MHz, to przerwanie będzie występować co 16ms. Ustawienie flagi F_16ms pozwala później w pętli głównej odczytywać stany dwóch przycisków. Po każdorazowym wystąpieniu przerwania następuje zwiększenie wartości zmiennej N (numerującej pomiary), po czym program wpada w pętlę for odczytującą przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC2-ADC5). Wartość z przetwornika jest tymczasowo zapisywana do zmiennej Xx a następnie dodawana do odpowiedniej komórki tablicy X(1...4). Tablica ta przechowuje sumę wartości z wielu pomiarów, a jej indeks 1...4 oznacza kolejne przetworniki (wejścia pomiarowe układu).

Przy każdym wywołaniu procedury sprawdzana jest także wartość zmiennej N i jeśli jest równa N_max (definiowana na początku programu ilość pomiarów do uśrednienia) to następuje podzielenie wartości X(1..4) przez N_max, zapisanie wyniku do nowej tablicy Y(1...4) i wyzerowanie wartości X(1...4). Jednocześnie zostaje ustawiona flaga Zmierzono, która świadczy o gotowości wyniku do dalszej obróbki.

Fragment programu poniżej stanowi cześć pętli głównej programu odpowiedzialną za obsługę przycisków:

If F_16ms = 1 Then
  F_16ms = 0
 
  If Sw1 = 0 Then
    Incr Sw_licz(1)
    If Sw_licz(1) = 6 Then
      Incr Mod_1
      If Mod_1 = 3 Then Mod_1 = 0
    End If
  Else
    Sw_licz(1) = 0
  End If
 
  ...
End If

Co każde 16ms jeśli przycisk został wciśnięty, to pin nazwany Sw1 jest w stanie niskim. Zwiększana jest wartość licznika Sw_licz(1) aż do momentu gdy osiągnie on wartość 6. Przycisk zareaguje jeśli zostanie trzymany przynajmniej 6*16ms. Po tym następuje zwiększenie wartości zmiennej Mod_1, określającej jaki parametr ma być pokazany na wyświetlaczu (prąd, moc, rezystancja). Mod_1 zmienia się od 0 do 2 więc gdy wartość tej zmiennej osiąga 3 musi zostać wyzerowana. Zapewnia to cykliczną zmianę trybów wyświetlania. Drugi przycisk działa analogicznie więc jego opis został pominięty.

Procedura poniżej wykonywana jest w pętli głównej, gdy zostanie wykonany pomiar i ustawiona flaga Zmierzono (pominięto fragmenty dla toru napięcia ujemnego w celu uproszczenia):

If Zmierzono = 1 Then
  Zmierzono = 0
 
  For I = 1 To 4                                            
    Mx(i) = 1010 * Curr_pos(i)                              
  Next I
  Y(1) = Y(1) * Curr_pos(curr_pos_z + 1)
  If Y(1) < Mx(3) Then
    Over_pos = 0
    Curr_pos_z = 2
    If Y(1) < Mx(2) Then
      Curr_pos_z = 1
      If Y(1) < Mx(1) Then Curr_pos_z = 0
    End If
  Else
    Curr_pos_z = 3
    If Y(1) > Mx(4) Then Over_pos = 1
  End If
  '**********************************
  Mx(1) = 1010 * Volt_pos(1)                               
  Y(2) = Y(2) * Volt_pos(volt_pos_z + 1)
  If Y(2) < Mx(1) Then Volt_pos_z = 0 Else Volt_pos_z = 1
 
  ....
 
  Gosub Zakresy
  '**********************************
  Locate 1 , 1
  Lcd "+"
  If Y(2) < 10.0 Then Lcd " "
  S = Fusing(y(2) , "#.##")
  Lcd S ; "V "
  '**********************************
  If Mod_1 = 0 Then                                         'jesli pokazuje prad
    If Y(1) < 260 Then
      If Y(1) < 100 Then Lcd " "
      If Y(1) < 10 Then Lcd " "
      S = Fusing(y(1) , "#.##")
      Lcd S ; "mA"
    Else
      Y(1) = Y(1) / 1000
      S = Fusing(y(1) , "#.####")
      Lcd " " ; S ; "A"
    End If
  Elseif Mod_1 = 1 Then
    Y(1) = Y(1) * Y(2)                                      'liczenie mocy
    If Y(1) < 1000 Then
      If Y(1) < 100 Then Lcd " "
      If Y(1) < 10 Then Lcd " "
      S = Fusing(y(1) , "#.##")
      Lcd S ; "mW"
    Else
      Y(1) = Y(1) / 1000
      If Y(1) < 10 Then Lcd " "
      S = Fusing(y(1) , "#.####")
      Lcd S ; "W"
    End If
  Else                                                      'liczenie rezystancji
    Y(1) = Y(2) / Y(1)
    Y(1) = Y(1) * 1000
    If Y(1) < 100 Then Lcd " "
    If Y(1) < 10 Then Lcd " "
    S = Fusing(y(1) , "#.##")
    Lcd " " ; S ; "R"
  End If
  '**********************************
...
 
End if

Na początku w pętli for wyliczane są maksymalne wartości prądu jakie bezpiecznie może mierzyć układ na i-tym zakresie. Wykorzystywane w tym celu są współczynniki przeliczeniowe Curr_pos(1...4) (dokładniej wyjaśnione w kolejnym rozdziale). Wynik zapisywany jest do tablicy Mx(1...4), której kolejne indeksy oznaczają zakresy. Dalej aktualnie zmierzona wartość z przetwornika Y(1) po przeliczeniu za pomocą jednego ze współczynników (odpowiadającemu zakresowi curr_pos_z na którym aktualnie znajduje się zakres prądowy), porównywana jest z wartościami maksymalnymi Mx(1...4) dla kolejnych zakresów. Na tej podstawie ustawiana jest odpowiednia wartość zmiennej curr_poz_z (odpowiedni zakres pomiarowy). Gdy wartość zmierzona po przeliczeniu przekracza maksimum najwyższego zakresu pomiarowego to zostaje ustawiona wartość Over_pos = 1, co powoduje zapalenie czerwonej diody ostrzegawczej.

W następnym kroku wykorzystywana jest (już niepotrzebna), pierwsza z komórek tablicy Mx(1...4) do obliczenia maksymalnej wartości dla mniejszego zakresu napięciowego. Tym razem wykorzystywany jest do tego współczynnik Volt_pos(1). Dalej porównywana jest aktualnie zmierzona wartość napięcia Y(2) (przeliczona zgodnie z aktualnym zakresem napięciowym volt_pos_z) z wartością maksymalną Mx(1) i na podstawie tego program określa aktualny zakres pomiarowy.

Analogicznie ustalane są zakresy dla prądu i napięcia po stronie ujemnej połówki zasilania. Po czym wywoływana jest procedura Zakresy, która ustawia odpowiednie stany na liniach sterujących zakresami miernika.

Dalej program zajmuje się formatowaniem wyniku pomiaru przed wyświetleniem oraz wykonywaniem niezbędnych obliczeń mocy i rezystancji obciążenia jeżeli jest to konieczne. Procedura wygląda na skomplikowaną, jednak pozwala na automatyczne wyrażenie wyniku w jednostkach podstawowych lub podwielokrotnościach w zależności od wartości mierzonej.

Poniżej przedstawione zostały ustawienia fusebitów mikrokontrolera ATMega8:

Kalibracja i pomiary:

Program w mikrokontrolerze nie będzie działał prawidłowo bez odpowiednich wartości współczynników przeliczeniowych. Wszystkie współczynniki zostały przedstawione poniżej. Curr_pos i Curr_neg pozwalają przeliczyć wartość liczbową z przetwornika analogowo cyfrowego na prąd wyrażony w miliamperach, natomiast współczynniki napięciowe Volt_pos i Volt_neg odpowiadają za zamianę liczby z ADC na napięcie wyrażone w woltach.

Curr_pos(4) = 4.6497252747
Curr_pos(3) = 3.6080586081
Curr_pos(2) = 1.3163919414
Curr_pos(1) = 0.2747252747
 
Curr_neg(4) = 4.6497252747
Curr_neg(3) = 3.6080586081
Curr_neg(2) = 1.3163919414
Curr_neg(1) = 0.2747252747
 
Volt_pos(1) = 0.0112500000
Volt_pos(2) = 0.0429242081
 
Volt_neg(1) = 0.0112500000
Volt_neg(2) = 0.0429242081

W przypadku pomiaru prądu występują 4 współczynniki (dla pomiaru po dodatniej stronie), odpowiadające zakresom pomiarowym. W przypadku pomiaru napięcia występują dwa zakresy pomiarowe i dwa współczynniki. W rezultacie otrzymuje się układy, które w uproszczeniu przedstawione są poniżej (a - pomiar prądu, b - pomiar napięcia):

Pomiar prądu dokonywany jest przez pomiar spadku napięcia na rezystorze pomiarowym. Układ miernika zapewnia, że napięcie UR jest takie samo jak na rezystorze pomiarowym. Napięcie UP jest mierzone przez przetwornik i jest ono odpowiednio większe, zależnie od ustawień kluczy tranzystorowych S1 i S2. Możemy wprowadzić następującą zależność:

$$\large U_P = K \cdot U_R$$

gdzie K jest wzmocnieniem układu i zależy od zakresu pomiarowego. W najmniejszym zakresie, gdzie S1 i S2 są rozwarte K=R1/R0. Gdy S2 jest zwarte to pracujemy w drugim zakresie i wtedy K = (R1||R2)/R0 (R1 zastępuje się połączeniem równoległym odpowiednich rezystorów). Napięcia UR i UP wyrażamy jako:

$$\large U_R = I_P \cdot R$$
$$\large U_P = \frac{Vref}{1024} \cdot X$$

gdzie IP jest prądem mierzonym, R jest rezystancją opornika pomiarowego, Vref jest napięciem referencyjnym przetwornik analogowo cyfrowego, a X jest wartością uzyskaną w czasie pomiaru. W rezultacie uzyskuje się:

$$\large I_P = \frac{1}{K} \cdot \frac{1}{R} \cdot \frac{Vref}{1024} \cdot X$$

$$\large Curr\_pos(i) = \frac{1}{K} \cdot \frac{1}{R} \cdot \frac{Vref}{1024}$$

Wstawiając wartość K dla pierwszego zakresu uzyskujemy Curr_pos(1) = 0.2747252747. Układ pomiarowy po ujemnej połówce liczy się analogicznie i w najprostszym przypadku Curr_pos(i) = Curr_neg(i)

Jeśli chodzi o dzielnik napięciowy to sprawa jest jeszcze prostsza. Występuje tu prosta zależność:

$$\large U_z = A \cdot U_P$$

gdzie A = (R0+R1)/R1 dla mniejszego zakresu (S1 rozwarty). Dla większego zakresu R1 zastępuje się równoległym połączeniem R1 i R2. $U_P$ wyraża się analogicznie jak dla zakresu prądowego co daje:

$$\large U_Z = A \cdot \frac{Vref}{1024} \cdot X$$

a zatem:

$$\large Volt\_pos(i) = A \cdot \frac{Vref}{1024}$$

Dla ujemnego zakresu napięciowego Volt_neg(i) obliczany jest w sposób analogiczny. W większości wypadków Volt_pos(i) = Volt_neg(i).

Jeśli dysponujemy dokładnym miernikiem, możemy doświadczalnie wyznaczyć wartość oporu R (pozostałych rezystancji w dzielniku też) oraz dokładnie zmierzyć napięcie referencyjne przetwornika ADC. Zdecydowanie poprawi to jakość pomiaru. Współczynniki można policzyć wykorzystując dostępny tutaj arkusz kalkulacyjny.

Na najwyższym stopniu zaawansowania można zająć się kalibracją przetwornika analogowo cyfrowego znajdując jaką zależnością wyraża się wartość liczbowa uzyskana z przetwornika w stosunku od napięcia na jego wejściu. Wykonanie serii pomiarów i dopasowanie krzywej teoretycznej da funkcję f(X), która w powyższych rozważaniach zastąpi czynnik Vref/1024*X. Współczynniki kalibracyjne będą wtedy zawierały jedynie informację o dzielnikach i rezystancji rezystora pomiarowego (w przypadku pomiaru prądu). Kalibracja przetworników jest tematem na osobny artykuł, który zostanie zaprezentowany niebawem.

Poniższe tabelki przedstawiają wyniki pomiaru opisywanego układu. Wartości Up oraz Ip to wskazanie miernika, natomiast U oraz I to wynik obserwowany na wysokiej klasy multimetrze.

Zdjęcia Projektu: