Modułowe mierniki – szczegóły budowy wewnętrznej

W poprzednim artykule MR105 podane były podstawowe informacje o popularnych miernikach modułowych oraz zwrócona była uwaga na precyzję ich wskazań. Precyzja ta bywa różna, zależnie od budowy wewnętrznej. W najtańszych miernikach do pomiaru napięcia i prądu wykorzystywany jest przetwornik analogowo-cyfrowy wbudowany w mikrokontroler. W lepszych realizuje to oddzielny przetwornik ADC. Zbadajmy szczegóły!

Problem w tym, że chińscy producenci nie udostępniają dokumentacji, a prezentowane dalej schematy zostały stworzone przez użytkowników jako reverse engineering. Zaczynamy od woltomierzy.

Woltomierze

Na rysunku 16a pokazany jest przykładowy schemat taniego woltomierza znaleziony gdzieś w Internecie. Prościej chyba nie można: napięcie mierzone podawane jest przez dzielnik R1, R1 na wejście przetwornika ADC (AIN4) w procesorze STM8S003F3P6.

Na rysunku 16b pokazany jest schemat modułu czterocyfrowego, gdzie dodatkowo występuje źródło napięcia odniesienia w postaci kostki TL431.

Na rysunku 16c przedstawiony jest schemat precyzyjnego modułu pięciocyfrowego z zewnętrznym przetwornikiem MCP3421 – warto zauważyć, że nie ma tu potencjometru korekcyjnego.

W niektórych modułach elementy umieszczone są pod wyświetlaczem i tylna strona modułu jest pusta – przykład tego rodzaju modułu pokazuje fotografia 17.

Na rysunku 18 pokazany jest znaleziony w sieci schemat innego prostego woltomierza.

Podobną realizację widać na fotografii 19.

Zdziwienie budzą rezystory o dużych wartościach dołączane przez zworki. To prawdopodobnie może służyć do prymitywnej kalibracji. A na rysunku 16 i na fotografii 17 żadnego obwodu kalibracji nie widać, co zresztą niczego nie dowodzi, bo w zasadzie kalibracja może być przeprowadzana programowo, przez zmianę współczynników przeliczeniowych w programie procesora. Dostępne są też liczne moduły z potencjometrem kalibracyjnym – przykład na fotografii 20.

Obwody wejściowe większości woltomierzy zawierają tylko dwa rezystory według rysunku 21a.

Spotyka się dzielniki z potencjometrem korekcyjnym według rysunku 21b. Co ciekawe, w wielu modułach można spotkać dzielnik z trzecim rezystorem o dużej wartości (np. 10MΩ) dołączonym do plusa zasilania według rysunku 21c. Przykłady takich schematów na rysunkach 22a, 22b.

Właśnie taki rezystor ma zmniejszać błąd przy pomiarze najmniejszych napięć, ponieważ przy zerowym napięciu mierzonym, na wejściu przetwornika ADC wymusza jakieś niewielkie napięcie wstępne, które program traktuje jako zero.

Osoby, które miały do czynienia z mikrokontrolerami ATmega i ATtiny (Arduino), mogły się przekonać, że parametry wbudowanego przetwornika analogowo-cyfrowego są bardzo słabe, a w zakresie małych wartości (bliskich zeru) – wręcz fatalne. Lepszą opinią cieszą się przetworniki ADC w innych mikrokontrolerach, jak choćby rodzin Microchip PIC czy ST STM.

W omawianych właśnie modułach najczęściej stosowane są mikrokontrolery rodziny STM8 zawierające przetwornik ADC typu SAR o stosunkowo dobrych parametrach. Większość procesorów STM8 ma przetwornik 10-bitowy (w szczególności najpopularniejsza seria standard STM8S…, także STM8AS…), a tylko niektóre mają przetwornik 12-bitowy (STM8L…, STM8AL…). Trochę lepiej jest z rodziną STM32, gdzie standardowo wbudowany jest przetwornik 12-bitowy. A tylko w nielicznych mikrokontrolerach z rodziny STM32 zawarty jest precyzyjny przetwornik ADC typu sigma-delta o rozdzielczości 16 bitów. Jednak w omawianych miernikach najczęściej stosowane są procesory jak najtańsze, czyli z przetwornikiem 10-bitowym. W niektórych są to procesory inne niż STM, na przykład nieznanej marki nuvoton (fotografia 23).

Będąca wynikiem pomiaru 10-bitowa liczba dwójkowa, czyli liczba w zakresie 0…1023, tylko na pozór wydaje się wystarczająca dla wyświetlacza 3-cyfrowego (0…999) o rozdzielczości 0,1%.

Problem w tym, że każdy 10-bitowy przetwornik ADC jest niedoskonały (według karty katalogowej STM8 błędy pomiaru mogą sięgnąć 4LSB). W pierwszym przybliżeniu można przyjąć, że z powodu nieliniowości, różnych przesunięć i szumów dokładność przetwornika jest o dwa bity gorsza od jego rozdzielczości, czyli że dwa ostatnie, najmłodsze bity uzyskanej liczby dwójkowej są niewiarygodne. Można więc uznać, że dokładność 10-bitowego przetwornika to tylko 8 bitów, czyli liczba 0…255, a to daje dokładność pomiaru co najwyżej 0,25%. Ponadto ogólnie biorąc, proste „mikroprocesorowe” przetworniki mają dodatkowo pogorszoną dokładność na krańcach zakresu pomiarowego. Szczególnie dotkliwe bywa to właśnie w zakresie najmniejszych napięć, niewiele większych od zera. Ogólnie biorąc, po przetwornikach ADC wbudowanych w tanie mikrokontrolery nie należy spodziewać się dużej precyzji.

Co jednak bardzo ważne, niektóre moduły woltomierzy (i montowanych na takiej samej płytce amperomierzy) wykorzystują dodatkowy, zewnętrzny przetwornik ADC. Przykład na pochodzącym z jakiejś rosyjskiej strony rysunku 24 oraz na fotografii 25.

Pracuje tu przetwornik ADC o oznaczeniu BX5815. Nie można nigdzie znaleźć oficjalnej dokumentacji tej kostki. Podobno jest to układ robiony na zamówienie, niedostępny na wolnym rynku. Według strony https://www.amobbs.com/thread-5643021-1-1.html

jest to przetwornik 22-bitowy, być może podobny do 24-bitowego Titan Micro TM7707 lub 16-bitowego TM7705/7707. Pewne szczegóły wskazują, że jego realna rozdzielczość jest mniejsza niż 22 bity. Takie przetworniki pracują w wielu modułach 5-cyfrowych, ale dostępne informacje wskazują na zauważalne niedoskonałości. Przetwornikowi CX5815 dość daleko do ideału. Dlatego takie moduły mają dwa punkty do zerowania. W ofertach handlowych można przeczytać, że  jeżeli w spoczynku wskazanie nie jest równe zeru, to należy na ponad 2 sekundy zewrzeć te punkty, co procesor zapamięta jako wskazanie równe zeru.

Jednak najlepsze są 5-cyfrowe moduły, zawierające oprócz procesora maleńkie kostki ADC, w których dwie pierwsze litery oznaczenia CAxx wskazują, że jest to 18-bitowy przetwornik sigma-delta MCP3421. Ma on wbudowane źródło napięcia odniesienia o precyzji 0,05% i typowym współczynniku cieplnym 15ppm/°C. Pełna rozdzielczość 18 bitów dotyczy pomiaru napięć dodatnich i ujemnych za pomocą różnicowego wejścia. W omawianym zastosowaniu przetwornik może mierzyć tylko napięcia dodatnie, więc rozdzielczość wynosi 17 bitów. Zakładając błędy i szumy o wielkości 2…4LSB pozostaje 15…16 bitów „czystego” wyniku. 16 bitów to liczba 0…65535, czyli bardzo zbliżona do rozdzielczości pięciocyfrowego wyświetlacza (99999), co w połączeniu z dobrym wbudowanym źródłem napięcia odniesienia dobrze rokuje. Tylko tego rodzaju moduły z precyzyjnym, zewnętrznym przetwornikiem zapewniają naprawdę dużą precyzję, także w zakresie najmniejszych napięć wejściowych. Nie wymagają okresowego zerowania. Warto zwrócić uwagę, że nie zawierają one potencjometru do kalibracji, co jest zaletą, a nie wadą. Wygląda na to, że kalibracja jest przeprowadzana programowo podczas produkcji

Co ważne, ich ceny są niewiele wyższe, najwyżej dwukrotnie od tańszych wersji z przetwornikiem CX5815, ale właściwości są zdecydowanie lepsze.

W praktyce wystarczająco dokładne są nie tylko najlepsze woltomierze 5-cyfrowe z kostką MCP3421. Wcześniej dużo mówiliśmy o słabej precyzji, co dotyczy parametrów gwarantowanych w całym zakresie pomiarowym, we wszystkich, także w najgorszych egzemplarzach. W praktyce okazuje się, że większość woltomierzy, nawet najtańszych, 3-cyfrowych jest zaskakująco dokładna, pomijając pomiar napięć bliskich zeru. Znacznie gorzej jest z amperomierzami.

Omówimy je w artykule MR107.

Piotr Górecki