|
4,5 decade digitale paneelmeter |
|
klik hier voor compleet overzicht |
- Gevoeligheid +/-1,9999 V
- Decimale punt omschakelbaar
- Module opbouw
- Slechts twee IC's
INLEIDING
De meeste digitale paneelmeters die tegenwoordig voor een paar tientjes worden aangeboden werken met een resolutie van 3,5 digit,
drie-en-een-halve decade oftewel een meetbereik van +/-1,999 V. Meer dan nauwkeurig genoeg voor het overgrote deel van de
metingen, maar af en toe mist men toch een vierde cijfertje. Zo kan men met een drie en een halve decade meter een spanning van
bijvoorbeeld 25 V maar tot op 100 mV nauwkeurig meten. Onvoldoende voor het vaststellen van de temperatuursstabiliteit van een zelf
ontworpen voeding!
Ook voor het meten van allerlei andere driftverschijnselen biedt een drie en een halve decade meter onvoldoende resolutie. Gelukkig
brengen diverse halfgeleiderfabrikanten IC's op de markt, waarmee zélf digitale meetinstrumenten met vier en een halve decade
uitlezing zijn samen te stellen. Op dus naar de vier en halve decade, de nieuwe tendens in elektronische paneelmeters!
DE TL500/TL502 COMBINATIE
Een van de genoemde halfgeleiderfabrikanten is Texas Instruments, die reeds in 1979 een viertal IC's introduceerde,
waarmee digitale voltmeters met een resolutie van 4,5 decade kunnen worden samengesteld.
Deze reeks bestaat uit twee zogenoemde 'analoge processoren' (TL50OC en TL501C) en twee digitale processoren (TL502C en
TL503C), die de gebruiker de keuze laat uit vier mogelijke analoog-naar-digitaal omzetters volgens het 'dual
slope'-principe.
De TL50OC heeft een resolutie van 14 bits, een lineariteitsfout van slechts 0,001 %, de TL501C daarentegen biedt een resolutie van
'slechts' 10 tot 13 bits en een lineariteitsfout van 0,01 %. De digitale processoren leveren de stuursignalen voor het analoge
deel van de schakeling in de TL50OC en TL501C. Het verschil tussen beide digitale IC's is dat de TL502C rechtstreeks vijf
zeven-segment uitlezingen kan aansturen en de TL508C gemultiplexte BCD-uitgangen levert. De TL50OC vormt dus samen met de TL502C het
hart van een zeer nauwkeurig 4,5 decade meetsysteem en vandaar dat deze twee IC's in dit bouwontwerp worden toegepast.
HET PRINCIPE VAN DE 'DUAL SLOPE' OMZETTING
Het principe van analoog-naar-digitaal omzetting volgens het 'dual slope' principe is geschetst in figuur 1. Rond een
operationele versterker IC1 is een integrator opgebouwd met tijdconstante RC die, door middel van schakelaar S, de te meten
ingangsspanning Uin of een zeer nauwkeurige en stabiele referentiespanning Uref integreert.
Figuur 1: Het principe van de 'dual slope' omzetting.
De uitgangsspanning van de integrator wordt in comparator IC2 vergeleken met de nul. Gedurende een bepaalde constante tijd t1 (zie figuur 2) wordt de ingangsspanning Uin geïntegreerd. Als men er van uitgaat dat de integratiecapaciteit C volledig was ontladen, dan zal de uitgangsspanning van de integrator na tijdsverloop t1 alleen maar worden bepaald door de grootte van de ingangsspanning. Alle andere factoren die de integrator definiëren (R, C en t1) zijn immers constant. Na t1 wordt de elektronische schakelaar omgeschakeld en zal de referentiespanning (die overigens de inverse polariteit van de ingangsspanning moet hebben) de condensator gaan ontladen.
Figuur 2: De timing van de IC-combinatie.
Het ligt voor de hand dat de tijdsduur t2 evenredig is met de grootte van de ingangsspanning. De ontlaadstroom, geleverd door de referentie, is immers constant en de ontlaadtijd tot nul wordt verder alleen maar bepaald door de grootte van de spanning na t1. Het volstaat dus gedurende t2 een teller te sturen met pulsen van een bepaalde frequentie en de tellerinhoud na t2 op een uitlezing zichtbaar te maken. Op de uitlezing verschijnt dan de numerieke waarde van de ingangsspanning.
|
Interessante elektronica links Klik hier ... Kattenschrikdraad installatie houdt katten in of uit uw tuin Klik hier ... Boeken voor de elektronicus Klik hier ... Software voor schema tekenen, print ontwerpen en simulatie Klik hier ... Goedkope digitale oscilloscopen, via USB aan te sluiten op uw PC Klik hier ... Goedkope meetapparatuur voor het testen van uw onderdelen Klik hier ... Draadloze elektronica in uw huis Klik hier ... Inbraakalarm van Marmitek en KlikAanKlikUit Klik hier ... Bespaar energie met PowerSafer |
INTERN BLOKSCHEMA VAN DE IC-COMBINATIE
Figuur 3 geeft het intern blokschema van beide IC's weer, waaruit blijkt dat er toch wel wat meer nodig is dan het
eenvoudige principeschema van figuur 1 suggereert. In de TL50OC zitten een buffer, een integrator, een comparator, een
niveau-aanpasser, een referentiespanningsbron en een schakeling, die de tien elektronische schakelaars, die de diverse schakelingen
met elkaar doorverbinden, stuurt.
De digitale processor TL502 is samengesteld uit een oscillator, een tweedeler, een BCD-teller, een register, de stuurlogica voor
het gehele systeem, een multiplexer en BCD-naar-zeven-segment sturing voor het aansturen van de uitlezing.
Figuur 3: Intern schema.
Een totale meetcyclus is samengesteld uit drie delen:
BESCHRIJVING VAN EEN CYCLUS
De volledige cyclus wordt toegelicht aan de hand van de figuren 4 en 5.
Een nieuwe meetcyclus start dadelijk na het einde van de vorige, indien de stuurschakeling in de digitale processor zowel control A
als control B 'L' maakt. Deze informatie wordt door de TL500 verwerkt en omgezet in stuursignalen, waardoor de schakelaars S3,
S4, S7, S9 en S10 worden gesloten.
Figuur 4: De drie fasen van een cyclus.
Het schema van de analoge processor vereenvoudigt zich dan tot wat is getekend in schema A van figuur 4. Cref wordt opgeladen tot de
waarde van de referentiespanning. De ingang van de buffer wordt aan massa gelegd, rond de integrator en de comparator wordt een
gesloten lus gevormd. De aanpasser heeft geen wezenlijke functie, hij past in feite alleen maar de uitgangsspanning van de
schakeling aan de rest van de interne elektronica van het IC aan.
Wat gebeurt er nu in deze 'auto-zero'-mode?
De buffer en de integrator hebben een bepaalde offset-fout. Hierdoor zal de uitgang van de integrator toch langzaam gaan
stijgen of dalen, afhankelijk van de polariteit van de offset. Stel dat de uitgang gaat dalen. Het gevolg is dan dat de
comparator omklapt en via de aanpasser een positieve spanning naar de RC-kring Cz-Rz stuurt. De spanning over de condensator stijgt,
totdat deze gelijk wordt aan de offset-spanning. De uitgang van de integrator gaat dan niet verder stijgen, maar dalen. Na enige tijd
wil de uitgang van deze schakeling negatief worden, de comparator klapt om. Cz gaat nu ontladen, het gevolg is dat de
offset-spanning weer groter wordt dan de spanning over deze condensator en de integrator deze offset wederom gaat integreren.
Figuur 5: Het timing-diagram.
De uitgangsspanning van de integrator stijgt, op een bepaald ogenblik klapt de comparator om en het proces gaat zich herhalen.
Over de condensator Cz ontstaat dus een driehoekvormige spanning, waarvan de gemiddelde waarde gelijk is aan de offsetfout van de
schakeling.
De uitgangsspanning van de comparator zal bovendien op een vrij hoge frequentie gaan oscilleren. Deze 'automatische nul'-fase
duurt tot de BCD-teller de inhoud 30.000 bereikt. Bij de volgende oscillatorpuls, dus bij tellerinhoud 30.001, worden zowel control
A als control B gelijk aan 'H'.
De volgende fase is 'integreer ingang'-fase. De TL500 sluit schakelaars S1 en S2 en het interne schema van het IC wordt zoals
getekend in schema B van figuur 4. De te meten ingangsspanning wordt via de buffer, die zorgt voor een zeer hoge
ingangsimpedantie van 109 ohm, aangeboden aan de ingang van de integrator. Let er op, dat de spanning over Cz nu in serie
staat met de ingangsspanning! De fout, veroorzaakt door de offset van de schakelingen, wordt automatisch gecompenseerd! Het verschil
tussen ingangsspanning en offset-fout wordt dus geïntegreerd, hetgeen tot gevolg heeft dat de uitgangsspanning van de integrator
gaat stijgen voor negatieve ingangsspanningen en gaat dalen voor positieve ingangsspanningen. Deze fase duurt een bepaalde tijd,
namelijk 10.000 klokpulsen van de BCD-teller.
Op het moment dat deze teller reset, dus bij de overgang van inhoud 39.999 naar 00.000, gaat de laatste fase van de meetcyclus
in. Het is de bedoeling dat de uitgangsspanning van de integrator door middel van de referentiespanning, opgeslagen in Cref, tot nul
gaat ontladen. Er doet zich echter een complicatie voor. Zoals reeds geschreven moet de referentie de tegengestelde polariteit
hebben van de ingangsspanning. De schakeling moet onderzoeken of met een positieve dan wel met een negatieve ingangsspanning wordt
gewerkt. De polariteit van de uitgangsspanning van de comparator geeft het antwoord: bij een negatieve ingangsspanning is deze 'L',
bij een positieve ingangsspanning is deze 'H'. Uit deze informatie leidt de stuurlogica in de TL502 de juiste combinatie van de twee
stuursignalen voor de analoge schakelaars af. Voor een positieve ingangsspanning wordt uitgang A gelijk aan 'H' en uitgang B gelijk
aan 'L'. Voor een negatieve ingangsspanning is dat net andersom.
De TL500 zal dan of schakelaars S3, S6 en S7 sluiten of schakelaars S3, S5 en S8, waardoor de referentiespanning over Cref
op de juiste manier aan de ingang van de buffer wordt verbonden, zie schema C.
De 'integreer referentie'-fase eindigt op het moment dat de integratorspanning gelijk wordt aan nul. De comparator klapt om en
er gebeuren een aantal dingen.
Op de eerste plaats wordt de inhoud van de BCD-teller overgenomen door het register. Via de multiplexer en de zeven-segment
decodering verschijnt de tellerinhoud op de uitlezing. Het komt er dan alleen maar op aan, door het afregelen van de
referentie-spanning en de juiste keuze van de oscillatorfrequentie, de 'integreer referentie'-fase zo lang te
maken, dat de inhoud van de teller overeen komt met de numerieke waarde van de ingangsspanning. Als men bijvoorbeeld een spanning
van 1,3496 V aan de ingang legt, dan is het de bedoeling dat de teller tijdens deze fase precies 13.496 pulsen telt.
Op de tweede plaats zorgt het omklappen van de comparator voor het resetten naar 'L' van de twee stuursignalen voor de analoge
schakelaars, zodat de 'automatische nul'-fase van de volgende meetcyclus start.
Natuurlijk heeft de stuurlogica van de TL502 nog andere functies.
Zo zorgt zij voor het opwekken van de polariteitssignalen, waarmee men desgewenst de polariteit van de ingangsspanning op de
uitlezing zichtbaar kan maken. Daarnaast stuurt zij een onderdrukkingssignaal naar de uitlezing als de ingangsspanning
groter of kleiner is dan respectievelijk + en -1,9999 V. Verder zorgt zij ervoor, dat de gemultiplexte zevensegment informatie
synchroon loopt met het aansturen van de vijf decaden van de totale uitlezing.
Tot slot heeft de stuurlogica een extra ingang 'trigger', waarmee men het resultaat van de laatste meting op de uitlezing kan
'vasthouden' of 'bevriezen'.
EEN PRAKTISCHE SCHAKELING
Figuur 6 geeft het schema van een schakeling voor een digitale paneelmeter met een meetgebied van +1,9999 V tot -1,9999 V. De te
meten ingangsspanning wordt via de aansluitingen O en P via een RC-netwerkje R1-C1 aan de ingangen van de TL50OCN aangeboden. De
interne referentiespanning gaat via instelpotmeter R3 naar de analoge massa. De loper van deze instelpotentiometer stuurt de
referentie-ingang van het IC. De voedingsspanningen (L en M) worden door middel van twee condensatoren C5 en C6 ontkoppeld.
Figuur 6: Een praktisch schema rond de texas IC's.
De interne oscillator van de TL502CN wordt door middel van een condensator van 470 pF (C7) ingesteld op een frequentie van 250
kHz. De triggeringang ligt via weerstand R4 aan de voedingsspanning, zodat het geheel meting na meting uitvoert.
Wil men de uitlezing 'vasthouden' op de laatste meetwaarde, dan volstaat het deze ingang via aansluiting H met de digitale massa
te verbinden. De vijf decade-uitgangen D1 tot en met D5 sturen via de transistoren T1 tot en met T5 de anoden van de vijf
zeven-segment uitlezingen met gemeenschappelijke anode. De kathode-aansluitingen worden uiteraard met elkaar doorverbonden en
gaan via stroombegrenzingsweerstanden R5 tot en met R11 naar de segmentstuur uitgangen van IC2.
De + en - indicatie, die bij de toegepaste uitlezingen TIL703 of HD1132R afzonderlijk zijn uitgevoerd, worden gestuurd uit de d- en
e-segment lijnen.
Voor sommige toepassingen, zoals het meten van wisselspanning of -stroom, weerstanden en temperaturen, is het verwarrend als de
polariteit-indicaties oplichten. Vandaar dat beide aansluitingen van Dy5 door middel van de transistoren T6 en T7 extern stuurbaar
zijn. Legt men aansluiting F aan de digitale massa, dan sperren de transistoren en zullen deze segmenten niet oplichten. Verbindt men
F met de +5 V, dan gaan beide transistoren geleiden en branden de polariteit-indicaties. De decimale punten van de vijf uitlezingen
zijn door middel van de aansluitingen A tot en met E extern bereikbaar.
| WEERSTANDEN | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| R1 | 10 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % | R2 | 68 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % |
| R3 | 20 kOhm | twintig slagen Cermet trimmer | R4 | 10 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % |
| R5 | 68 Ohm | 1/4 W koolweerstand, 5 % | R6 | 68 Ohm | 1/4 W koolweerstand, 5 % |
| R7 | 68 Ohm | 1/4 W koolweerstand, 5 % | R8 | 68 Ohm | 1/4 W koolweerstand, 5 % |
| R9 | 68 Ohm | 1/4 W koolweerstand, 5 % | R10 | 68 Ohm | 1/4 W koolweerstand, 5 % |
| R11 | 68 Ohm | 1/4 W koolweerstand, 5 % | R12 | 10 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % |
| R13 | 10 Ohm | 1/4 W koolweerstand, 5 % | - | - | - |
| CONDENSATOREN | |||||
| C1 | 100 nF | MKH | C2 | 680 nF | MKH |
| C3 | 680 nF | MKH | C4 | 330 nF | MKH |
| C5 | 100 nF | MKH | C6 | 100 nF | MKH |
| C7 | 470 pF | ceramisch | C8 | 1000 nF | MKH |
| HALFGELEIDERS | |||||
| D1 | 1N4148 | universele Si-diode | D2 | 1N4148 | universele Si-diode |
| T1 | BC177 | universele PNP-transistor | T2 | BC177 | universele PNP-transistor |
| T3 | BC177 | universele PNP-transistor | T4 | BC177 | universele PNP-transistor |
| T5 | BC177 | universele PNP-transistor | T6 | BC107 | universele NPN-transistor |
| T7 | BC107 | universele NPN-transistor | Dy1 | TIL701 | 7-segment display, c.a. |
| Dy2 | TIL701 | 7-segment display, c.a. | Dy3 | TIL701 | 7-segment display, c.a. |
| Dy4 | TIL701 | 7-segment display, c.a. | Dy5 | TIL703 | +/-1 display, c.a. |
| IC1 | TL500CN | analoge processor | IC2 | TL502CN | digitale processor |
| DIVERSEN | |||||
| 1 | 2.5MBPH | mini-module steker, haaks | 4 | 5 mm | afstandsbusjes |
| 4 | M3x15 | boutje | 4 | M3 | moertje |
DE BOUW VAN DE SCHAKELING
De schakeling is ondergebracht op twee kleine printjes waarvan het de bedoeling is dat ze rug-tegen-rug worden gemonteerd en
onderling doorverbonden met 18 draadjes. De componentenopstellingen van beide deelprinten zijn getekend in figuur 7.
Figuur 7: De componentenopstelling.
Soldeer alle onderdelen op beide printen. Monteer vervolgens een zestienpolige mini-module printstekerdeel met haakse aansluitingen
(type 2,5 MBPH, leverbaar door Amroh) op de koperzijde van de print waarop de IC's zitten. Wel moet men eerst de 16
aansluitpennetjes iets naar buiten buigen, zodat ze in de gaatjes van de print passen en bereikbaar worden voor de punt van de
soldeerbout. Controleer nadien alles zeer grondig en schroef vervolgens de twee printen door middel van 5 mm lange kunststof
afstandsbusjes op elkaar, koperzijde tegen koperzijde.
Hoe de module er dan komt uit te zien is voorgesteld in figuur 8.
Figuur 8: De montage.
Soldeer tot slot 18 draadjes tussen beide printen. Het resultaat vormt een zeer compact geheel, klaar om opgenomen te worden in een groter geheel.
WERKEN MET DE MODULE
Figuur 9 geeft de externe bedrading van de meetmodule. De voeding is een verhaal apart. De schakeling meet tot 1,9999 V,
dit betekent dus dat het meest rechtse cijfer tienden van milli-volt aanduidt! Men moet dan ook uiterste zorg besteden aan
het aanbrengen van massaleidingen. Door de massa-aansluiting van de TL502 vloeit namelijk een vrij grote stroom: de stroom
die de uitlezing verbruikt. Deze stroom wekt over de inwendige weerstand van draadjes en printsporen een spanning op,
die door de module kan worden gemeten.
Figuur 9: Het aansluiten van de module.
Een en ander heeft tot gevolg dat de uitlezing niet naar nul gaat bij kortgesloten ingangen en dat het laatste cijfer 'jittert',
dus voortdurend verspringt als gevolg van deze niet constante restspanning over de massabedrading. Vandaar dat men het beste
de analoge en digitale voeding helemaal kan scheiden: twee trafootjes, één voor de +/-15 V voor de TL500 en één
voor de +5 V voor de TL502. De digitale en analoge massa's zijn dan volledig gescheiden. Wie dat te gek vindt kan experimenteren
met één voeding, maar dan moeten beide massa-aansluitingen (de punten G of I én N) met afzonderlijke draadjes
naar de voeding worden geleid en zo dicht mogelijk bij het centrale massapunt van de voeding met elkaar worden verbonden.
De negatieve ingang zal in de meeste gevallen met de massa moeten worden verbonden. Hier geldt het advies: zo dicht mogelijk
bij de module met de analoge massa (aansluiting N) verbinden. Onder geen enkele voorwaarde mag er door deze verbinding een stroom lopen!
AFREGELEN VAN DE MODULE
De module kan afgeregeld worden met de twintig slagen instelpotentiometer R3. De eigen nauwkeurigheid van de module kan
natuurlijk alleen maar tot zijn recht komen als men het schakelingetje kan ijken aan de hand van een andere vier-en-half
decade universeelmeter. Kan men een dergelijk apparaat lenen, dan sluit men een gelijkspanning van ongeveer 1,9 V aan tussen
de ingangsklemmen en verdraait de genoemde potentiometer tot de uitlezing op de module precies dezelfde spanning aanduidt
als de geleende meter.
Heeft men alleen een standaard drie-en-half decade meter ter beschikking, dan regelt men de module hiermee af. Natuurlijk
is de nauwkeurigheid van het meest rechtse cijfer dan niet gegarandeerd. In vele gevallen is dat geen ramp, omdat het er vaak
meer op neer komt de stabiliteit van een spanning te beoordelen dan de absolute waarde te meten tot vier cijfers na de komma.
EXTRA SERVICE: DOWN-LOADEN VAN HET PRINTONTWERP
U kunt het ontwerpje van de print van deze nabouwschakeling uit onze Internet-site down-loaden. Het ontwerp werd gescand met een
resolutie van 300 dpi en staat ter beschikking als TIF-file, LZW-compressie.
Deze file kan in ieder grafisch programma geopend worden en geprint op transparante folie. Gebruik hiervoor bij voorkeur
een inkjet-printer!
Druk het ontwerpje af met de afmetingen die hieronder staan vermeld!
Nadien kunt U met dit transparant een stukje foto-gevoelige printplaat belichten.
Klik hier ... en ga terug naar het begin van deze pagina
Klik hier ... en ga terug naar de bouwbeschrijvingen van Vego
Klik hier ... en ga terug naar het hoofd-menu van de Vego-site