Вольтметр на ICL7135 (+-20000 отсчетов)

(Melted_Metal написал вопрос в письме, но думаю, интересно будет и кому-нибудь еще.)



ICL7135 — АЦП двойного интегрирования.

Вкратце, принцип работы такой: подается clock примерно постоянной частоты (достаточно простейшего RC-генератора). Далее, т.н. секвенсор подключает измерительный вход через резистор к входу интегратора на некоторое точно отмеренное время (например, 20000 импульсов clock). Далее через тот же резистор подключается источник опорного напряжения, но в полярности, разряжающей конденсатор интегратора, при этом считаются импульсы до прохода напряжением конденсатора нуля. Количество импульсов и будет значением напряжения на входе.



В реальных схемах есть еще схема определения знака напряжения, схема компенсации offset'ов и т.п.
По такой схеме построены практически все цифровые тестеры-клоны D830 и многие другие измерительные приборы. Правда, классикой считаются ICL7106 (для ЖК) и ICL7107 (для LED), имеющие диапазон +-2000, чего для многих целей достаточно.
Преимущество данного АЦП(http://edu.dvgups.ru/METDOC/GDTRAN/YAT/TELECOMM/ELEKTRONIKA/METOD/STAFEEV1/frame/5_1.htm) — простота компенсации помех 50 Гц (для этого надо, чтобы время интегрирования сигнала было кратно 1/50 с) и неплохая линейность.

ICL7135 используется как АЦП в RLC-2, например. Микросхема удобная; до повсеместного применения MCU это был самый простой и удобный способ сделать неплохой измеритель.
На плате видны транзисторы КТ315 (олдскул) для управления (катодами?). (Анодами?) управляет КР514ИД2 (тоже олдскул :-) — ICL7135 выдает двоично-десятичный код. Далее, на плате имеются LM7805 (+7-12В -> +5В), ICL7660(+5 -> -5В), 74HC04, индикаторы.
С другой стороны платы ИОН REF3125 (подстроечник подключен к нему) и интегрирующий конденсатор C_int типа К71-7 ёмкостью 0.374 мкФ 250В 0.5%. Емкость и ее допуск не важны, напряжение — с громадным запасом, но вот тип конденсатора очень важен. К71-7 — конденсаторы с полистирольным диэлектриком. Их очень любят всякие аудиофилы, но конденсаторы на самом деле замечательные (правда, их уже не выпускают)
(http://musatoffcv.narod.ru/Libs/Capacitors/Film/K71-7.pdf www.elmer.ru/skz/k71-7.html www.electroclub.info/other/conders2.htm). В ПЭ надо идти за ними на Готвальда, соответственно, минимум — 12 штук (по 3.60).
главное в данном случае свойство полистирола — коэффициент диэлектрической абсорбции. Он должен быть как можно меньше.
Из импортных подходят с буквами KMPA (у меня он, видимо, из ЭЛТ-монитора, из кадровой развертки, которая тоже должна быть сильно линейной). Подходят фторопластовые конденсаторы (но с такой емкостью я их не видел).

Конденсаторы C_az и C_ref менее критичны. Просто пленочных достаточно. C_ref можно даже керамику.

В окончательном варианте макет мумифицирован малярным скотчем :-)


Что не понравилось:
(1) знак пришлось выводить отдельным светодиодом,
(2) десятичные точки — это вообще тихий ужас (надо ставить отдельную микросхему 4*ИЛИ-НЕ вроде)
(3) вычесть 10000 отсчетов для режима омметра невозможно.

Однако у ICL7135 есть выводы коммуникации с микроконтроллером. Там, правда, не регистры, а выход знака и счетный выход. Тактировать можно также от MCU, соответственно, пропадает необходимость в отдельном RC-генераторе. В паре с ATMEGA48 работают замечательно. Встроенный секвенсор работает хорошо.

Для переделки В7-16 я перешел на TC500А. Она работает на том же принципе, но не имеет секвенсора. Линейность у нее хорошая, пишут даже, что обеспечит 16-17 бит. Однако в ней отсутствует секвенсор, и всем приходится управлять микроконтроллеру. Все бы ничего, но от точности таймингов очень сильно зависит точность преобразования. Для TC500 есть микросхема-компаньон TC520, которая содержит секвенсор, но в ПЭ ее нет. Можно было сделать секвенсор на ПЛИС, но до них как-то еще руки не дошли. В итоге оно (как-то) работает с контроллером, но я подозреваю, что прерывания могут сбивать тайминги, из-за этого появляется ощутимый «шум» в младших знаках (ICL7135 шумит меньше)

В процессе работы одну микросхему ICL7135 попортил; когда ее выпаивал — попортил плату (надо было выкусывать). Но результатом доволен. Надо будет вставить ее в корпус от горелого тестера и заэкранировать :-)
  • +4
  • 16 января 2012, 19:49
  • DrAG0n

Комментарии (37)

RSS свернуть / развернуть
жесткая упаковка)
0
Если честно, я не очень понимаю смысл использования этих древних АЦП в новых разработках. Можете обосновать, почему выбрали именно их?)
0
Диапазон отсчета 20 000
Гарантированная погрешность 1 единица
Сигналы перегрузки и недогрузки для реализации функции автоматического выбора предела измерения
Легкое сопряжение с UART и микропроцессорами
TTL — совместимые, мультиплексные, двоично — десятичные выходы
Полно- дифференциальный вход. Для нулевого входного сигнала гарантированы нулевые показания
Реальное определение полярности в около- нулевой зоне для прецизионного определения нулевого сигнала
Монолитная CMOS архитектура

Мультиплексируемые двоично — десятичные выходы и драйверы разрядов обеспечивают легкое согласование с внешними драйверами индикаторов, такими как, Maxim ICM7211A. Кроме того, единственными, внешними компонентами, необходимыми для реализации прецизионного цифрового вольтметра/ мультиметра являются источник опорного напряжения (ИОН) и тактовый генератор. Для систем большего уровня сложности двоично- десятичные выходы дополнены сигналами STROBE (активный низкий), OVERRANGE, UNDERRANGE, RUN/ HOLD (активный низкий) и BUSY, обеспечивающими легкое согласование с микропроцессорами и UART.
ИС ICL7135 имеет погрешность автоматической установки нуля <10 мкВ, дрейф нулевого уровня 0.5 мкВ/С, максимальный входной ток смещения 10 пА и полную погрешность, составляющую менее единицы младшего разряда.
Это из описания www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Maxim/adc/integrating/icl7135.htm
Любопытно увидеть настолько же простое современное решение с такими параметрами.
0
Любопытно увидеть настолько же простое современное решение с такими параметрами.
если так хочется всё в одном корпусе, то наверное, MSP430F2003
бывают в дип корпусе.
можно еще MSP430AFExxx серию посмотреть — там ацп получше.
если ног на индикацию не хватит, решается одним сдвиговым регистром.
да и для обспечения абсолютной точности и линейности лучше 1e-4 в двухтактных АЦП нужен очень хороший интегрирующий конденсатор с правильным диэлектриком.
0
В MSP430 сигма-дельта АЦП, а не интегрирующий. И у него нет автоматической коррекции нуля и других аппаратных плюшек. Боюсь, устройство получится намного сложнее, хоть и современнее.
0
ну грубо говоря сигма-дельта это тот же интегрирующий АЦП, только разряжается интегратор не в конце один раз, а периодически во время интегрирования.
соответственно есть и подавление помех на определённой частоте, кратной тактовой, да и линейность лучше из-за того что на интегрирующем конденсаторе всегда небольшое напряжение.
и каких это таких аппаратных плюшек у него нет, но есть у icl7135?
автокоррекция нуля: 7 канал мультиплексора — просто закоротка, если переключиться на неё можно померить смещение и вычитать его потом.
0
В мультиметрах, даже в тех что на МК — все равно стоит внешний специализированный инструментальный АЦП. Так что, видимо, они серьезно отличаются.
А этот еще и позволяет сделать девайс без программирования. Любителя это избавляет от написания программы (что довольно долгий и весьма подверженный ошибкам процесс), а крупную компанию — от лишней операции при сборке (а количество операций сильно влияет на стоимость при массовом производстве).
0
я специально привел в пример этот контроллер, так как судя по efind.ru он в разы дешевле и доступнее чем icl7135. так что про стоимость аргумент не принимается.
если продукт действительно массовый то ради экономии нескольких центов можно и производителя попросить сделать партию уже прощитую.
ну а на счёт программирования, так времена нынче такие, что даже любую самую простую логику которая требует 2-3 корпуса проще и дешевле засунуть в мелкую cpld которые уже в розницу по 1$
а вместо 555 таймера — поставить 8ми битный МК в таком же корпусе :)
0
Вот только мультиметры, сколько видел, все равно делаются на специализированных микросхемах. Из содержащих МК припоминаю только настольный мастек, да и тот использует микросхему Digital Multimeter Frontend'а, т.е. внешний инструментальный АЦП.
0
Единственное достоинство этих микросхем- это возможность работать без микроконтроллера. Связка МК+небольшой внешний сигма-дельта АЦП(16 разрядов достаточно) выигрывает по всем критериям, в том числе по цене, габаритам и энергопотреблению. Плюс еще конечно гибкость полученной системы, возможность использовать вычислительные ресурсы МК, возможность добавления различных интерфейсов и т.д. Есть еще конечно и интегрированные решения МК+АЦП, например от SiLabs или те же самые MSP. АЦП двойного интегрирования- это действительно прошлый век в этом контексте применения. У них осталась своя небольшая ниша, например в бюджетных мультиметрах. Возможно из-за налаженного производства бескорпусных вариантов этих микросхем и соответственно их дешевизны. В современном мире им на замену пришли сигма-дельта АЦП.
0
в 1 очередь, оно понимает биполярный сигнал. Большинство остальных потребуют сдвига уровня.
во-вторых, прибор исходно на интегрирующем.
в-третьих, просто интересно.

сейчас мучаю AD7718. 24-бит, сигма-дельта. Но сдвига уровня пока не придумал.
0
кстати, да, в серьезном приборе АЦП я бы все-таки ставил отдельный.
0
1) Сдвиг уровня- это совсем не сложно и схема действительно очень простая.
2) По-моему это не аргумент.
3) Принимается)
0
вот вам про сдвиг уровня, если интересно.

www.eltech.spb.ru/pdf/A_D/229/andev_229.pdf
0
не, там сдвиг для переменки. Мне надо, чтобы и для постоянки, и с точностью до единиц микровольт => нужен еще один хороший опорник и потеря точности.

Вроде, можно как-то извернуться, скомбинировав с ИОНом для омметра…
0
опорное напряжение для сдвига берется из того же источника, что и опорное для АЦП.
0
и не нужны тут никакие точности в единицы микровольт! во-первых, младший разряд 16р. АЦП при 5 вольтах- это 76 микровольт, а во-вторых, при наличии МК возможна простейшейшая калибровка, которая сведет на нет влияние неточности этого сдвига.
0
В мультиметрах опора обычно меньше. В широко известных DT83x например — 0.1В. При его разрядности единица младшего разряда получается 100мкВ. У этого разрядность в 10 раз выше, он в тех же условиях почует 10мкВ.
0
От величины опоры напрямую зависит диапазон входных напряжений и, то есть, чем больше опора- тем больше соотношение сигнал/шум. Поэтому важно сделать опору по величине как можно ближе к шине питания. И, если честно, я не очень верю про 0.1 вольта. Как вообще физически получить такое стабильное напряжение???
0
Если говорить конкретно о DT83x — там опора именно 0.1В, получается с обычного резистивного делителя (один из подстроечников внутри — это именно она, в моем DT832 — единственный) — благо в ICL7107 есть встроенный прецизионный стабилизатор около 3В (прецизионный — т.е. имеет высокую временную и температурную стабильность, а вот на конкретное значение напряжения допуск довольно велик — бывает где-то от 2.8 до 3.2В), а входное сопротивление Vref весьма велико.
Кроме того, в DT838 в режиме измерения температуры опорное вообще около 40мВ (соответствует напряжению с K-type термопары при температуре 1000С).
И лишь в режиме измерения сопротивления опорное напряжение составляет 1-3В, в зависимости от значения измеряемого сопротивления.

Смысл в этом весьма прост. Минимальный диапазон прибора — 200мВ (этот АЦП меряет напряжения от -2Vref до +2Vref), а остальные получаются делителем. В режиме измерения тока на шунте опять же падает до 200мВ. Если поднимать опорное — соответсвенно вырастет сопротивление амперметра (а кому нужен амперметр, на котором 5В падает?) и минимальное измеряемое напряжение.
0
Понятно, спасибо за объяснение. Схема конечно радует своей универсальностью и дешевизной исполнения, но похоже, что для 3.5 разрядов хватает и этого.
0
инструментальный усилитель, выход которого тоже на опору АЦП опирается?
правда уже там на common mode rejection смотреть надо, потому что выход не симметричный будет.
ну или чтобы симметрично, но без дифф.усилителей (входное сопротивление там небольшое получается) два инструментальных усилителя впараллель, только входы чтобы разноимённые запараллелены были, а выходы на ту же опору АЦП опереть.
0
Это может быть и инструментальный, и обычный усилитель. Всё зависит от задач измерения. Будет выход симметричный(дифференциальный) или нет- тоже на выбор разработчика. Современные сигма-дельта АЦП часто делаются с дифференциальным входом, что конечно хорошо, но немножко усложняет схему по сравнению с обычным, single-ended сигналом. В любом случае можно брать в качестве опоры для сдвига сигнал с АЦПэшного референса. Про два запараллеленных инструментальника не очень понял… можете нарисовать?
0
>Про два запараллеленных инструментальника не очень понял… можете нарисовать?
два инструментальных усилителя в параллель, один с К=1, другой с К=-1 (можно сделать просто поменяв местами входы). их выходы опёрты на одно и тоже напряжение. соответственно дифф выход становится симметричным относительно опоры.
хотя если взять только один инструментальный усилитель и сдвинуть его выход в +, то хоть синфазное напряжение на дифф. входе АЦП и будет, оно будет пропорционально сигналу, то есть просто немного изменится gain системы.
при подавлении синфазного сигнала ~100дБ коэффициент уползёт всего на 1е-5, то даже сравнимо с нелинейностью данного АЦП, так что наплевать и забыть.
0
Спасибо, теперь я вас понял.
0
Спасибо, еще бы на схему поглядеть, для полной ясности))

Я тут пыталя запустить 7107 при однополярном, но неудачно — прибор фигню показывал. Придется лепить конвертор на 7660.
0
схема почти из даташита. На стабилизаторы и конверторы в последнее время не скромничаю… замучался со схемами, требующими кучу напряжений. Пусть генерируются внутри.
Иногда беру +-10В от MAX232, небольшой ток она спокойно дает.
0
По цене не так уж дорого. В Терре — 94 рубля.
А отдельные АЦП ставят потому, что они оптимизированы на выполнение конкретной задачи. По части точности, стабильности и прочих особенностей применения в измерительной технике. Иначе давно бы уж перестали выпускать 10-12 разрядные АЦП, заменив их на контроллеры (все равно управление нужно).
Помнится, в одном фильме герой говорил — не будет ни кино, ни театра — только одно сплошное телевидение.
Увы, жизнь сложнее и многограннее.
0
  • avatar
  • mzw
  • 17 января 2012, 18:38
Гм.
Светодиод слева от семисегментников — это «минус»?
Микра, насколько я понял, использует только 5 разрядов из установленных 6. Что мешает задействовать как минус сегмент G шестого разряда?
0
  • avatar
  • Vga
  • 17 января 2012, 20:01
проблема в том, что индикаторы динамические, т.е., сегменты всех индикаторов соединены. и чтобы отобразить "-", нужно в свободное от других разрядов время подать на сегмент и на общий соответствующие сигналы. Поэтому и светодиод (для него — только 1 резистор)
0
в даташите от Maxim есть схема на 2х триггерах. Но все равно это еще один корпус был бы.
0
Зато минус на месте. А корпус триггеров — не страшно.
0
2 раза перечитал, а схемы устройства так и не увидел =(
+1
в даташите
0


Вообще да, в даташитах (от Maxim и от TI) толком окончательной схемы нет, но схема несложная, трюков никаких не применено.
0
Помню делал когда-то давно для похожего АЦП генератор частоты со следящим ФАПЧ. На самом деле 50 герц вместе с этой приблудой стало давиться намного лучше)
0
А выход Strobe зачем?

Polarity это не выход знака минус?
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.