Мультиметр с автоматическим выбором пределов измерений на базе ICL7135

Автор: xodbox
Опубликовано 22.03.2024
Создано при помощи КотоРед.

Приветствую всех. В жизни радиолюбителя встречаются разные интересные задачи. Расскажу свою историю.

Занимаюсь я любительским ремонтом всякой бытовой мелочевки телевизоры, ноутбуки и всего остального в этом же духе. Приобрел я себе около 10 лет назад в «ЧипДип» мультиметр APPA 62T, за все время эксплуатации поменял только, года два назад приборные концы. А так все работает отлично и никаких проблем с ним нет. И для моих работ больше и ничего не нужно, измерять параметры с большой точностью необходимости нет. Но как говорится, что то меня в нем не устраивало. Это автоматическое отключение при отсутствии измерения. Бывало сидишь, корпеешь над схемой, в голове собираешь головоломку, а он раз и выключился. Все это начинало надоедать. Возникла мысль приобрести прибор, но сразу чуть с улучшенными параметрами. У APPA 62T разрешение 3 и ½, а хотелось 4 и ½. Иногда приходилось проверять резисторы сопротивлением 1 Ом и показание 1 знака после запятой не всегда устраивало. (Знаменитый все измерительный прибор от Маркуса Фрейека у меня уже был. [3]). И ценник на тот момент приборов с таким разрешением сильно кусался. И тут возникла мысль собрать свой мультиметр. Задача была поставлена простая, измерение следующих параметров и дополнительные требования:

1. Напряжение постоянного тока с точностью 0,5% и выше
2. Напряжение переменного тока с точностью 2% и выше
3. Постоянный ток в пределе до 1А с точностью 0,5% и выше
4. Постоянный ток в пределе до 10А с точностью 1% и выше
5. Измерение сопротивления с точностью 1% и выше
6. Проверка диодов
7. Звуковая прозвонка цепей
8. Измерение частоты при измерении переменного напряжения до 5МГц
9. Автоматический и ручной выбор диапазона измерения при измерении постоянного, переменного напряжения и сопротивления.
10. Индикация светодиодами при измерениях.
11. По возможности выйти на бюджет в 2 раза ниже «кусающихся приборов».

1 Общая компоновка и схемотехника

Так как проблемы автономности у данного прибора не существовало, планировалось питание от сети. То в основу построения данного прибора была поставлена знаменитая АЦП ICL7135 [1] c разрешением 4 и ½ и c погрешностью измерений подходящих под выше указанные параметры.

Изначально предполагалось строить схему на логике 155 серии, но обрисовав вкратце работу логики, понял что элементная база будет гигантская. И для упрощения схемотехники необходимо заняться изучением микроконтроллеров.

Вся необходимая логика по работе с кнопками, автоматическим выбором пределов измерения, переключение между видами измерений, индикация светодиодами ложилась на Atmega328PB [2].

Для увеличения надежности при коммутации высоких напряжений в аттенюаторе были установлены герконовые реле в SIP корпусе. Для переключения аттенюатора между измерением напряжения и сопротивления использовались обычные реле напряжением 5 вольт.

Резисторы для делителя напряжения были выбраны мощностью 0,5Вт и  подгонялись под требуемые параметры ручным способом. Удалялось покрытие механическим способом и самой мелкой шкуркой шлифовался резистивный слой до требуемых параметров. После подгонки резистор покрывался лаком. Как только все резисторы были подогнаны, они были залиты в единый блок эпоксидной смолой, для выравнивания температуры.

ИОН был запланирован простой шунтовой с погрешностью 0,5% без серьезных требований.

Токовый шунт на 10А самодельный из нихромовой проволки.

Частотомер знаменитого немецкого радиолюбителя (by Wolfgang "Wolf" Büscher, DL4YHF [4]), был приобретен на АлиЭкспресс в ввиду того, что он стоил дешевле нового PIC микроконтроллера в «ЧипДип».

Светодиодные семисегментные индикаторы приобретались на АлиЭкспресс, был выбран желто-зеленый цвет свечения. Изменение цвета проводилось путем подбора гасящего резистора в цепи питания.

Печатная плата рисовалась под готовый корпус Gainta. Компоновка прибора состоит из двух плат расположенных друг за другом. Соединения осуществлялись через два разьема, по обе стороны платы. На одной плате кнопки, индикаторы, микроконтроллер, частотомер. На другой АЦП, аттенюатор, шунты, ИОН.

На отдельной плате был изготовлен двух полярный блок питания состоящий из силового маломощного трансформатора на 220В с двумя выходными обмотками, выпрямительного моста и 2 LDO стабилизатора на отрицательную и положительную полярность.

2. Недостатки и то что осталось не реализованным.

Так опыта построения измерительных приборов у меня не было, то допустил кучу ошибок в размещении компонентов и в разводке. Что в итоге вылилось в поиск проблем плавания показаний АЦП. При измерении сопротивления при касании рукой одного из проводников приводят к погрешности измерений (прыгают последние 2 знака). При установке выбрал не правильную «пастельку» под ICL7135, что привело к пропаданию контактов при изгибах платы. При выборе переключателей SPDT не правильно выбрал корпус, слишком маленькое расстояние между выводами, пришлось паять под микроскопом. Купил не качественные приборные клеммы, прессованный китайский алюминий, покрытый псевдо золотом.  Четвертую клемму для измерения тока до 10А по этой причине не вывел. Буду искать из нормальной латуни, поменяю все и выведу четвертую.

Не удалось реализовать измерение переменного тока, так как неожиданно выросла цена на AD736. И соответственно цена за микросхему по цене сопоставимая с нормальным мультиметром исключила ее применение. Можно было реализовать TRUE RMS преобразователь по схеме с двумя операционными усилителями, но схема с даташита появилась, когда печатная плата была уже готова.

Не реализовано измерение частоты на переменном токе, так как не предусмотрел развязку от цепей измерений через операционный усилитель. Возможно реализую измерение частоты через отдельный выход.

3. Программирование

Опыт программирования микроконтроллеров был равен 0 :)). Пришлось учится писать код и программировать. Был выбран язык C++ и оболочка Atmel Studio 7. Логика работы была простая, опрос кнопок по таймеру, получение сигнала на автопереключение от ICL7135 и переключение аттенюатора, переключение светодиодов, включение частотомера. При подаче питания по умолчанию включается режим измерения постоянного напряжения с пределом 1,9В. Запоминание последнего режима измерений не предусмотрено.Код получился не сложный. Программатор под оболочку Atmel Studio 7 был приобретен на АлиЭкспресс [5].

4. Заключение

Построение и изготовление данного мультиметра рассматриваю как опытный образец для тренировки навыков проектирования различной микроэлектроники. Как показометр этот опытный образец работает без претензий. В будущем планирую проектирование мультиметра на базе АЦП LTC2400 или LTC2440.

Литература:

[1] DATASHEET ICL7135 https://www.renesas.com/us/en/document/dst/icl7135-datasheet

[2] DATASHEET Atmega328PB https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/40001906A.pdf

[3] https://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-Transistortester

[4] https://www.qsl.net/dl4yhf/freq_counter/freq_counter.html

[5]https://aliexpress.ru/item/32827854235.html?sku_id=64941395409&spm=a2g2w.productlist.search_results.7.5d5c62ab2YB2yF

Материалы по мультиметру за исключением разводки печатной платы:

1.Схема платы измерений, индикации и блока питания.

2.Исходники кода для прошивки.

Файлы:
Прошивка и схема мультиметра

Все вопросы в Форум.