Modułowe mierniki – MCP3421

Tanie modułowe woltomierze napięcia stałego z reguły mają bardzo dobre parametry. Gorzej z amperomierzami. W artykułach począwszy od MR105 przedstawione były wyniki testów pięciu modułowych mierników prądu stałego. Okazało się, że wszystkie amperomierze zawierające tanie wzmacniacze operacyjne z zasady są niedokładne przy małych prądach. Zdecydowanie lepsze parametry mają mierniki bez wzmacniaczy operacyjnych, z zewnętrznym przetwornikiem ADC, zwłaszcza MCP3421.

Parametry modułów amperomierzy z zewnętrznym przetwornikiem ADC, który mierzy spadek napięcia na małej rezystancji bocznika, mogą być zaskakująco dobre, ale też okazują się wynikiem pewnych kompromisów.

Najprościej biorąc, aby jak najbardziej wykorzystać możliwości przetwornika ADC, na jego wejście należy podać napięcie o możliwie dużej wartości, zbliżonej do maksymalnego podanego w katalogu. W przypadku amperomierza oznacza to, że trzeba zastosować bocznik o znacznej rezystancji, żeby uzyskać potrzebne napięcie. Wystąpi na nim znaczny spadek napięcia i będzie się on grzał, a przecież amperomierz powinien mieć jak najmniejszą rezystancję. Zastosowanie w roli bocznika rezystora o mniejszej wartości jest możliwe, ale przetwornik ADC będzie wtedy pracował tylko na części dostępnego zakresu pomiarowego, co na pewno pogorszy dokładność. Trzeba znaleźć jakiś sensowny kompromis.

MCP3421

Wcześniej opisane testy wskazują, że spośród tanich modułów najlepszą dokładność i stabilność mają wersje wykorzystujące zewnętrzny przetwornik analogowo-cyfrowy MCP3421. Dlatego należy przyjrzeć się temu układowi bliżej.

Jest to 18-bitowy przetwornik ΣΔ zawierający wbudowane dobre źródło napięcia odniesienia (2,048V ±0,05%) o stabilności cieplnej 15ppm/°C. Na wejściu ma też wbudowany programowalny wzmacniacz (PGA).

Rysunek 1 pokazuje blokowy schemat wewnętrzny i rysunek maleńkiej obudowy SOT23-6.

Wejście jest różnicowe, a podstawowy schemat aplikacyjny pokazany jest na rysunku 2.

Kostka może być zasilana pojedynczym napięciem w zakresie 2,7V…5,5V.

Konfiguracja i przesyłanie danych odbywa się za pomocą łącza I2C. W ramach konfiguracji współpracujący mikroprocesor ustawia rozdzielczość i szybkość przetwarzania – przy maksymalnej rozdzielczości 18 bitów dokonuje ponad trzech pomiarów na sekundę. Można też ustawić wzmocnienie PGA równe 1, 2, 4 lub 8.

Przy wzmocnieniu PGA równym 1 maksymalne różnicowe napięcie mierzone jest równe wewnętrznemu napięciu odniesienia (nominalnie 2,048V), co przy rozdzielczości 18-bitowej daje wartość jednego bitu (LSB) równą nie 7,8uV, tylko 15,625 mikrowoltów, ponieważ te 18 bitów to całkowita rozdzielczość dla dodatnich i ujemnych napięć różnicowych, a dla jednej biegunowości rozdzielczość jest 17-bitowa. Oznacza to, że ten przetwornik rozróżnia 131072 poziomów napięcia każdej biegunowości, co daje ponad 5 znaczących cyfr dziesiętnych (pomijając inne błędy, szumy i zakłócenia).

Przy wzmocnieniu PGA równym 8 wartość LSB to około 2 mikrowoltów, porównywalna z szumami własnymi, a maksymalne mierzone napięcie dodanie lub ujemne to około 256mV.

Najogólniej biorąc, przetwornik ma trochę lepsze parametry przy wzmocnieniu PGA=1, a nieco gorsze przy PGA=8. Zagadnienie jest szerokie i niełatwe, ale przykładem może być pochodząca z katalogu zależność szumów własnych od napięcia, pokazana na rysunku 3.

W przypadku dokładnych amperomierzy i woltomierzy najbardziej interesują nas właściwości przetwornika przy napięciu wejściowym bliskim zeru. Rysunek 3 pokazuje, że szumy własne przy wzmocnieniu PGA równym 8 niewiele zmieniają się przy zmianach napięcia wejściowego. Natomiast przy wzmocnieniu PGA = 1, szumy są zdecydowanie mniejsze przy pomiarze napięć wejściowych bliskich zera. Jak pokazują dwie żółte kropki, przy napięciach mierzonych bliskich zeru szacunkowe szumy przy PGA = 1 wynoszą około 1,7uV. Przy PGA = 8 są wprawdzie mniejsze, ale nie ośmiokrotnie mniejsze, tylko około 2,5 razy mniejsze. A to oznacza pogorszenie stosunku sygnał/szum przy większym wzmocnieniu PGA.

Nie trzeba się natomiast bać o dryft zera, tak groźny we wzmacniaczach operacyjnych, ponieważ w tym przetworniku ΣΔ w każdym cyklu pomiarowym następuje i zerowanie, i kalibracja skali.

Należy mocno podkreślić, że przetwornik ten ma wejście różnicowe (końcówki 1,6). Zakres użytecznych wejściowych napięć wspólnych (dozwolonych napięć na każdej z końcówek wejściowych) obejmuje cały zakres napięcia zasilania przetwornika (0…V_DD) i jeszcze po 0,3V poniżej i powyżej. Oznacza to, że na pewno jedna z końcówek wejściowych może być dołączona do masy albo do linii dodatniego zasilania przetwornika.

Na rysunku 4 pokazane są proste przykłady wykorzystania przetwornika do precyzyjnego pomiaru napięcia oraz prądu.

Przetwornik może mierzyć różnicowe napięcia dodatnie i ujemne. Przy pomiarze napięcia baterii według rysunku 4 końcówka wejściowa V_IN– jest dołączona do masy, więc przetwornik mierzy tylko różnicowe napięcia dodatnie i wykorzystujemy tylko rozdzielczość 17-bitową. Właśnie tak jest w omawianych wcześniej modułowych miernikach napięcia i prądu.

Z prawej strony rysunku 4 mamy schemat układu do pomiaru prądu, płynącego przez niewielki rezystor pomiarowy R_S. Tu w pełni wykorzystamy rozdzielczość 18-bitową, bowiem możemy mierzyć przepływ prądu w obu kierunkach. Oczywiście pod warunkiem, że potencjały na obu końcówkach bocznika R_S zmieszczą się w zakresie zasilania przetwornika (0…VDD), co może wymagać zastosowania oddzielnego zasilacza dla przetwornika ADC. W omawianych modułowych miernikach prądu nie jest wykorzystywana możliwość pomiaru prądów płynących w obu kierunkach.

Aby minimalizować straty mocy w boczniku, rezystancja R_S powinna być jak najmniejsza. Ale to w praktyce oznacza wykorzystanie tylko części zakresu pomiarowego. I tak jest w modułach amperomierzy z kostką MCP3421: wzmocnienie PGA wynosi 8, co daje zakres napięć wejściowych 0…265mV. Przy rezystancji bocznika R_S równej 10 miliomów takie napięcie wystąpi dopiero przy prądzie 25,6A, co dałoby straty mocy w R_S równe 6,55W. Przy rezystancji 24,4mΩ, jaką mają boczniki w badanych wcześniej 3-amperowych miernikach numer 3 i 4, napięcie 256mV wystąpi dopiero przy prądzie około 10,5A, a wtedy straty mocy w boczniku wyniosą 2,7W.

Wszystko to pokazuje, że możliwości MCP3421 nie są używane w pełni, bo w zakresie prądów 0…3A wykorzystywana jest mniej niż  jedna trzecia dostępnego zakresu pomiarowego.

Karta katalogowa MCP3421 wskazuje na możliwość poprawy sytuacji, ponieważ zawiera schematy pokazane na rysunku 5, zawierające wzmacniacze operacyjne MCP6V01/MCP6V02.

Wcześniej stwierdziliśmy, że to właśnie wzmacniacze operacyjne psują dokładność przy małych prądach. I tak jest, ponieważ w tanich chińskich modułach stosowane są najtańsze wzmacniacze operacyjne o kiepskich parametrach, mające nie tylko duże napięcie niezrównoważenia, ale i duży dryft tego napięcia. Natomiast na rysunku 5 proponowane są wzmacniacze typu auto-zero. Wzmacniacze MCP6V01 i pokrewne mają wejściowe napięcie niezrównoważenia maksymalnie  ±2uV (tak, dwa mikrowolty, nie miliwolty) i dryft tego napięcia, maksymalnie ±50nV/°C, w rzeczywistości znacznie mniejszy. Zastosowanie tego rodzaju wzmacniaczy otwiera drogę do budowy amperomierzy o bardzo dobrej dokładności, w których rezystancja bocznika R_S może być bardzo mała, co oznacza małe straty mocy i malutki spadek napięcia na amperomierzu. W praktyce można i warto wykorzystać do tego kolejny gotowy chiński moduł.

Miałem w zapasach  moduły woltomierza pięciocyfrowego z kostką MCP3421. Takie moduły o zakresie pomiarowym 0…33V (dwie wersje) pokazane są na fotografii 6.

Krótko mówiąc, chodzi o realizację amperomierza według idei z rysunku 7, gdzie najlepiej byłoby wykorzystać bocznik pomiarowy R_S o jak najmniejszej oporności, rzędu 1 milioma, wzmacniacz operacyjny typu auto-zero oraz gotowy precyzyjny moduł woltomierza z przetwornikiem MCP3421.

Idea z rysunku 7 jest prosta i dobra, prawidłowa, ale trzeba rozwiązać kilka problemów oraz zadbać o szereg ważnych detali. Dalsze szczegóły dotyczące projektowania oraz realizacji tego rodzaju amperomierza przestawione są w artykule MR112.

Piotr Górecki