Modułowe mierniki – rozbudowa i przeróbki

W poprzednim artykule MR111 zapoznaliśmy się z przetwornikiem analogowo-cyfrowym MCP3421. Okazało się, że ma on znakomite parametry, w tym dobrą stabilność wskazań zera, tak ważną przy realizacji amperomierzy o szerokim zakresie pomiarowym. Można wykorzystać taki przetwornik ADC do samodzielnej budowy wysokiej jakości amperomierza. Oto wskazówki.

Można byłoby taki amperomierz zaprojektować od podstaw, co pozwoliłoby w pełni wykorzystać możliwości użytych podzespołów. Zdecydowanie łatwiejsza i tańsza jest jednak realizacja amperomierza na bazie 5-cyfrowego fabrycznego woltomierza według rysunku 7.

Gruntowna przebudowa gotowego woltomierza polegałaby na dodaniu bocznika R_S i wzmacniacza operacyjnego, a przede wszystkim na zmianie oprogramowania w procesorze zawartym w woltomierzu. Taka zmiana programu jest możliwa, bowiem większość modułów zawiera procesor STM i standardowe złącze do jego programowania. Tylko zmiana programu procesora pozwoliłaby w pełni wykorzystać możliwości przetwornika ADC MCP3421.

Niestety, taka przeróbka wymagałaby napisania własnego programu, czyli dużej wiedzy informatycznej, a więc byłaby niedostępna dla większości Czytelników.

Dlatego trzeba wziąć pod uwagę rozmaite prostsze możliwości, bez ingerencji w oprogramowanie fabrycznego woltomierza.

Bez przeróbek

Jeżeli w ogóle nie chcielibyśmy ingerować we wnętrze modułu  woltomierza, należałoby ustawić takie wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego, żeby 1 amper mierzonego prądu dawał 1 wolt napięcia podawanego na woltomierz. Nie wymagałoby to żadnej ingerencji w fabryczny moduł woltomierza!

Trzeba jednak mieć świadomość, że taki pomysł ma istotną wadę i ograniczenie: pięciocyfrowe woltomierze z reguły mają zakres pomiarowy 0…33V, co teoretycznie pozwalałoby mierzyć prądy do 33A, ale wtedy wzmacniacz operacyjny powinien dać na swym wejściu napięcia w zakresie 0…33V, a to komplikuje zadanie. Wymagałoby to zasilania wzmacniacza operacyjnego napięciem ponad 33V, co jest możliwe, ale kłopotliwe.

Po pierwsze dla wzmacniacza potrzebne byłoby napięcie (+U) ponad 30V, a po drugie trzeba znaleźć wzmacniacz, który ma dopuszczalne napięcie zasilania ponad 33V. Jeżeli miałby to być wzmacniacz precyzyjny, to kłopot jest bardzo duży: trudno znaleźć wzmacniacz precyzyjny typu Single Supply o maksymalnym napięciu zasilania powyżej 32V. Owszem, dobry i niedrogi OP177 ma najwyższe napięcie zasilania 44V (±22V), ale wymaga dodatkowego ujemnego napięcia zasilania, co najmniej 2…3V. Warto wziąć pod uwagę takie rozwiązanie, ale na pewno nie jest ono wygodne.

Najwygodniej byłoby zasilić wzmacniacz operacyjny tym samym napięciem, co moduł woltomierza, czyli pojedynczym napięciem 3,5…12V. Oczywiście ograniczy to zakres mierzonych prądów. Na przykład przy zasilaniu 12V zakres mierzonych prądów wynosiłby od 0 do około 10A, co w wielu sytuacjach byłoby akceptowalne.

Tak, ale problem też w tym, że precyzyjne wzmacniacze o znikomym dryfcie (zero drift) o napięciach zasilania ponad 10V są rzadkością. Przytłaczająca większość wzmacniaczy operacyjnych typu zero drift (auto-zero lub chopping amp) ma niskie maksymalne napięcie zasilania, rzędu 5,5V, do co najwyżej 7V. To jeszcze bardziej ograniczyłoby zakres mierzonych prądów.

Jeżeli już zdecydowalibyśmy się na wykorzystanie bardzo precyzyjnego wzmacniacza operacyjnego, nie warto tak bardzo ograniczać zakresu pomiarowego projektowanego amperomierza. Taki wzmacniacz mógłby być zasilany napięciem ze stabilizatora LDO zawartego w tym module (3,0V albo 3,3V). Większość współczesnych wzmacniaczy auto-zero ma prąd zasilania poniżej 1mA, więc nie stanowi to problemu dla stabilizatora LDO w module woltomierza.  I taki właśnie jest sensowny kierunek działań.

Drobna przeróbka

Wcześniej mówiliśmy, że przetwornik ADC w MCP3421 ma na wejściu programowalny wzmacniacz (PGA), którego wzmocnienie może wynosić 1, 2, 4 albo 8. W fabrycznych modułach amperomierzy wzmocnienie jest ustawione na 8, natomiast w modułach woltomierzy wzmocnienie jest ustawione na 1, co daje zakres pomiaru taki, jak wbudowane napięcie odniesienia, czyli 0…2,048V.

Sprawdziłem posiadane 5-cyfrowe moduły. Obwód wejściowy mają zbudowany według rysunku 8, gdzie żółtym kolorem wyróżniony jest wejściowy dzielnik napięcia.

Fotografia 9 pokazuje fragmenty dwóch płytek, gdzie czerwone strzałki wskazują rezystory R3, R4. Na obu 200-kiloomowe rezystory są oznaczone 2002 (20000Ω), co wskazuje na nominały z szeregu co najmniej E96. Podobnie R3 na dolnej jest oznaczony 3303 czyli też według szeregu E96, natomiast na górnej ma on oznaczenie 334, co wskazuje na nominał z szeregu E24 i może wskazywać na gorszą tolerancję i gorsze parametry. To drobny szczegół, który jednak pokazuje, że tanie moduły, nawet te najbardziej precyzyjne, nie są budowane z elementów najwyższej jakości.

Przy wartościach rezystorów 330kΩ i 20kΩ mamy tu dzielnik napięcia, który zmniejsza napięcie wejściowe 17,5× (pomijamy wpływ dużej rezystancji wejściowej przetwornika). Przy napięciu mierzonym 33V na wejście przetwornika podawane jest napięcie około 1,88V (33V / 17,5). A napięcie odniesienia to 2,048V, więc teoretycznie pozwalałoby to mierzyć napięcia do około 35,85V, ale w testowanych miernikach program jest tak napisany, że powyżej 33V wyświetlacz pokazuje same zera.

W każdym razie obecność na wejściu kostki MCP3421 napięcia około 1,88V daje na wyświetlaczu wskazanie około 33V. A to dla koncepcji z rysunku 7 oznacza, że trzeba tak dobrać wartości R_S, R_A, R_B, żeby przy prądzie 33A na wyjściu wzmacniacza operacyjnego wystąpiło napięcie 1,88V, które zostanie podane wprost na wejście przetwornika MCP3421, z pominięciem dzielnika (330kΩ, 20kΩ). Umożliwi to też zastosowanie wzmacniacza U1 typu zero drift, zasilanego napięciem około 3V ze stabilizatora LDO modułu woltomierza. Niekoniecznie musi to być wspomniany wcześniej wzmacniacz MCP6V01.

Ograniczenia – tylko dla najbardziej dociekliwych

Jeden problem mamy rozwiązany w bardzo prosty sposób. Drugi problem polega na tym, że niektóre pięciocyfrowe woltomierze są jednozakresowe: przecinek (punkt dziesiętny) na stałe zaświecony jest po drugiej cyfrze, co po opisanej przeróbce zapewnia rozdzielczość wskazań 1mA. W zasadzie bardzo dobrze, ale wcześniej badaliśmy amperomierze o rozdzielczości 0,1mA i teraz też chcielibyśmy zbudować amperomierz o rozdzielczości 0,1mA. Rozwiązaniem (jak się okaże częściowym) jest zakup 5-cyfrowych modułów 33-woltowych, z kostką MCP3421, ale z oprogramowaniem realizującym woltomierz dwuzakresowy, gdzie pierwszy, niższy zakres to 0…4,3000V, co pozwoli uzyskać rozdzielczość 0,1mA.

Rozdzielczość wskazań możemy wtedy zwiększyć do 0,1mA, ale trzeba mieć świadomość pewnego nieprzekraczalnego ograniczenia. Wykorzystujemy przecież gotowy moduł woltomierza i trzeba się liczyć, że konstrukcja nie będzie  w pełni optymalna. Otóż w przypadku wcześniej omawianych amperomierzy z MCP3421, rezystancja bocznika wynosi nieco ponad 24 miliomy, co przy 1 miliamperze mierzonego prądu daje spadek napięcia 24,4uV. Wiemy już, że przy ustawionym tam wzmocnieniu PGA = 8 wartość 1LSB  to około 1,95uV. A to finalnie oznacza około 12 LSB na 1mA. Jeżeli rozdzielczość wyświetlacza wynosi 0,1mA, to na 0,1mA wskazań przypada 1,2 LSB, czyli rozdzielczość wyświetlacza jest prawie taka sama jak rozdzielczość przetwornika ADC.

To dobrze. Gorzej, że rezystancja bocznika w takim fabrycznym amperomierzu jest stosunkowo duża (24mΩ), co daje znaczne straty mocy oraz ogranicza zakres pomiarowy.

Moduły 5-cyfrowych woltomierzy 0…33V z przetwornikiem MCP3421 mają ustawione wzmocnienie PGA równe 1, więc ich zakres pomiarowy to 0…Uref (0…2,048V). Przy pomiarze napięć o jednej biegunowości rozdzielczość przetwornika wynosi 17 bitów, a więc rozróżnia on 131072 poziomów napięcia. Wartość „schodka” – najmniejszego bitu (1 LSB) to 15,625 mikrowolta.

Sprawdziliśmy, że takie woltomierze dają na wyświetlaczu wskazanie 33V przy napięciu na wejściu przetwornika ADC około 1,88V, czyli program w procesorze powoduje wykorzystanie około 92% dostępnego zakresu, czyli nieco ponad 120000 „schodków”. Te 120 tysięcy schodków odpowiada zakresowi 0…33V. A więc na 1 wolt przypada 3646 schodków, a na 1 miliwolt 3,6 schodka (LSB).

Patrząc na to z innej strony, powiemy, że przy PGA = 1 wartość napięcia dla 1 bitu to 15,625uV, co po uwzględnieniu dzielnika rezystorowego 17,5× daje 273uV = 0,273mV na bit (0,273mV/LSB), czyli tak jak przed chwila obliczaliśmy innym sposobem, około 3,6 LSB na 1mV.

Tymczasem dwuzakresowy woltomierz na niższym zakresie (0…4,3000) ma rozdzielczość 0,1mV, co odpowiada 0,36LSB, czyli mniej więcej  jednej trzeciej LSB. Rozdzielczość wyświetlacza to wprawdzie pożądane 0,1mV, ale rozdzielczość przetwornika ADC jest gorsza i wynosi około 0,273mV. Oznacza to, że gdy procesor dokonuje przeliczenia dwójkowego wyniku z ADC, to dla najmniejszych napięć podaje wartość przybliżoną, wyliczoną z rozdzielczością 0,1mA, ale nie z dokładnością 0,1mA, tylko gorszą.

I my chcemy na bazie tego fabrycznego woltomierza zbudować amperomierz, którego współczynnik przetwarzania też wyniesie 3,6 LSB na 1mA prądu. A w badanych wcześniej fabrycznych amperomierzach z MCP3421 było mniej więcej trzykrotnie lepiej: 12 LSB na 1mA!

Czyżby zastosowanie fabrycznego woltomierza z MCP3421 okazało się rozwiązaniem gorszym niż fabrycznego amperomierza z tą samą kostką?

W sumie nie, choć rzeczywiście dokładność jest nieco gorsza! To prawda, że liczba bitów przypadająca na miliamper jest mniejsza przy wykorzystaniu woltomierza niż w fabrycznym amperomierzu. Nie jest to zaletą i nie możemy tego zmienić. Jednak trzeba zauważyć, że wcześniej badane fabryczne amperomierze z MC3421 zawierają bocznik R_S o rezystancji ponad 24 miliomów, co oznacza duży spadek napięcia i dużą moc strat. Właśnie przez to zakres pomiarowy jest ograniczony do 3A, maksymalnie do 5A. Natomiast w projektowanym przez nas teraz amperomierzu wykorzystującym fabryczny woltomierz będziemy mogli uzyskać zakres pomiarowy do 33A! Tak, od zera do 33 amperów, z rozdzielczością 0,1mA i z dokładnością może nie 0,1mA, ale lepszą niż 1mA! Czyli możemy uzyskać dziesięć razy szerszy zakres pomiarowy niż w fabrycznych amperomierzach, ale co najważniejsze, dzięki obecności dobrego wzmacniacza operacyjnego możemy zdecydowanie, ponad dziesięciokrotnie, zmniejszyć rezystancję bocznika R_S i związane z tym straty cieplne! Taki swojej roboty amperomierz z dobrym wzmacniaczem U1 na pewno będzie lepszy od wszystkich omawianych wcześniej gotowych mierników prądu!

Projektowanie układu

W zasadzie zadanie jest proste: w układzie według rysunku 7 trzeba tak dobrać wartości R_S, R_A, R_B, żeby przy prądzie 33A na wyjściu wzmacniacza operacyjnego wystąpiło napięcie 1,88V. Można to zrobić na mnóstwo sposobów.

Dla zmniejszenia mocy strat, wartość R_S powinna być jak najmniejsza. Jeżeli chcemy zachować zakres pomiarowy 33A i zastosować R_S o rozsądnej obciążalności, powiedzmy 2 watów, to łatwo policzyć, że wartość R_S nie powinna przekroczyć 1,84mΩ.

Spróbujmy wykorzystać rezystancję 1mΩ  i w roli bocznika pomiarowego R_S zastosować dwa połączone równolegle rezystory 2-miliomowe o obciążalności 1W – do kupienia bez problemu w wersji SMD (rysunek 10). Przy prądzie 33A na sumarycznej  rezystancji 1mΩ wystąpi napięcie 33mV, co da moc strat 1,089W (33A * 33mV), czyli po 544mW na każdy 1-watowy rezystor.

Bocznik o rezystancji tylko 1 milioma to naprawdę rozwiązanie ekstremalne. Jeżeli nie jest  potrzebny zakres aż do 33A, to można zwiększyć wartość R_S do 2, 5 czy nawet 10 miliomów, zachowując niedużą moc strat.

Ale na razie pozostańmy przy 1mΩ – jeżeli przy prądzie 33A na rezystorze R_S uzyskamy 33mV, a na wejście MCP3421 mamy podać 1,88V, to wzmocnienie musi wynieść około 57×.

Czyli stosunek R_B / R_A ma wynieść około 56. Około?

Kolejna kwestia do omówienia to kalibracja. Woltomierze z kostką MCP3421 nie mają potencjometrów kalibracyjnych. Ale kalibracja jest niezbędna, choćby tylko z uwagi na rozrzut rezystancji rezystorów dzielnika wejściowego. Wszystko wskazuje, że w fabrycznych miernikach kalibracja jest dokonywana programowo podczas produkcji modułu. A my teraz chcemy zrobić układ amperomierza, który będzie zawierał rezystory R_S, R_A, R_B, o jakiejś niezerowej tolerancji. W naszym amperomierzu niezbędny jest więc jakiś element kalibracyjny w torze wzmacniacza. W praktyce będzie to potencjometr włączony w szereg z jednym z rezystorów R_A, R_B. W precyzyjnych wzmacniaczach dla zmniejszenia zakłóceń, suwak potencjometru powinien być dołączony do punktu o małej impedancji wewnętrznej: albo do masy, albo do wyjścia wzmacniacza operacyjnego.

Co ważne, powinniśmy zastosować rezystory o jak najlepszej stabilności cieplnej, żeby nie popsuć znakomitej precyzji przetwornika ADC, którego napięcie odniesienia ma współczynnik cieplny tylko 15ppm/°C. A tak zwane precyzyjne rezystory 1-procentowe typowo mają współczynnik cieplny 100ppm/°C, czyli mogą być najsłabszym ogniwem budowanego amperomierza. Tu znów otwiera się szeroki temat, wykraczający znacznie poza ramy artykułu. Nie wchodząc w szczegóły – należy zastosować rezystory o możliwie najmniejszym współczynniku cieplnym TCR i potencjometr nie węglowy, tylko koniecznie cermetowy, o rezystancji 5…10 razy mniejszej od rezystancji współpracującego z nim rezystora. Błędem byłoby zastosowanie samego potencjometru, ponieważ potencjometry z reguły mają dużo gorszą stabilność cieplną i długoczasową niż rezystory stałe. I jeszcze: wartość rezystancji R_B powinna leżeć w zakresie 2kΩ do 100kΩ.

I kolejna ważna kwestia. Schemat na papierze to tylko część zadania. Wcześniejsze pomiary pięciu fabrycznych amperomierzy oraz testy kabli pomiarowych wykazały, że ich rezystancja jest dużo większa niż rezystancja bocznika R_S, która ma u nas wynosić tylko 1mΩ. Aby to poprawić, na pewno trzeba zrezygnować z kiepskich połączeń stykowych, najlepiej całkowicie. Jeśli już stosować połączenia rozłączne, to porządne, solidne zaciski śrubowe. Ale najpewniejsze są  połączenia lutowane. I w każdym przypadku jak najkrótsze. I jak najgrubsze.

Doprowadzając napięcie z bocznika pomiarowego R_S, obowiązkowo trzeba zastosować czteropunktowy układ Kelvina oraz wzmacniacz różnicowy, jak pokazuje pochodzący z materiałów firmowych rysunek 11.

W literaturze można znaleźć informację, że dla uzyskania najwyższej dokładności i stabilności należy zastosować dla takiego amperomierza oddzielny zasilacz (najlepiej 5…6V), by usunąć wpływ ewentualnych spadków napięcia w obwodzie masy. Zastosowanie układu Kelvina i wzmacniacza różnicowego likwiduje taką konieczność. Czyli wzmacniacz można zasilać napięciem ze stabilizatora modułu woltomierza, ale trzeba odpowiednio poprowadzić obwody masy.

Natomiast dla uzyskania naprawdę dobrej dokładności amperomierza konieczne jest zasilanie takiego miernika napięciem 3,5…12V ze źródła oddzielonego galwanicznie od obwodów, gdzie dokonywany jest pomiar prądu.

Kolejna sprawa to wybór wzmacniacza operacyjnego. Wymagane wzmocnienie około 57× nie jest problemem. Najważniejsza jest stabilność wskazań, zwłaszcza stabilność zera. Sam przetwornik MCP3421 ma obwody autozerowania. O finalnych parametrach amperomierza zadecyduje dryft napięcia niezrównoważenia zastosowanego wzmacniacza operacyjnego. Jeżeli parametry mają być wysokie, w ogóle nie wchodzi w grę LM358. Należy zastosować nowoczesny wzmacniacz operacyjny zero drift, którego dryfty też są na bieżąco zerowane podczas pracy. Niekoniecznie musi to być wspomniany wcześniej wzmacniacz MCP6V01 – można zastosować inny wzmacniacz typu auto-zero lub chopping amp.

Pozostaje jeszcze jedna kwestia. Budujemy amperomierz prądów stałych, a raczej jednokierunkowych. Tymczasem wartość mierzonego prądu może się zmieniać i to w dużym zakresie. Przetwornik MCP3421, pracując przy maksymalnej 18-bitowej rozdzielczości, dokonuje średnio 3,75 pomiaru na sekundę. Wprawdzie przetwornik ADC ma na wejściu obwody próbkowania, jednak duże i szybkie zmiany prądu mogą w niektórych przypadkach utrudnić odczyt. Aby to poprawić, należałoby jak najbardziej stłumić składowe zmienne i na wejście przetwornika ADC podać tylko czystą składowa stałą, co pozwoli zmierzyć średnią wartość prądu tętniącego. Filtrowanie mierzonego przebiegu to dość szeroki temat, ale warto pamiętać, że nie zaszkodziłby jakiś filtr dolnoprzepustowy (na rysunku 2 przewidziano filtrujący kondensator C4, ale zwykle nie jest on montowany).

Podczas realizacji opisanej tu przeróbki prawdopodobnie pojawią się jakieś niespodzianki i być może trzeba będzie rozwiązać dodatkowe problemy. Jest to nieuniknione przy realizacji wszelkich bardzo precyzyjnych układów, a do takich należy opisywany woltomierz. Mam jednak nadzieję, że przedstawione informacje pomogą zainteresowanym przekształcić moduł woltomierza w amperomierz.

Przykład wykorzystania tego rodzaju modułu znajdziesz w artykule YM001: Precyzyjny monitor prądu i napięcia DC.

Jeżeli jesteś zainteresowany dalszymi szczegółami, albo praktycznymi realizacjami takich przeróbek – możesz mnie o tym poinformować na stronie Zapytaj, Odpowiedz.

Piotr Górecki