В данной статье будет рассмотрена схема цифрового вольтметра с пределами измерения напряжения от 0,000В до 40,09В. Вольтметр предназначен для установки в блок питания. Основой вольтметра является микроконтроллер PIC16F628A. На его возложена функция взаимодействия между модулем АЦП с микросхемой ADS1115 и модулем четырехразрядного светодиодного индикатора реализованного на драйвере TM1637. Схема устройства представлена на рисунке 1.

Вольтметр имеет два предела измерения напряжения, первый от 0,000В до 9,999В и второй от 10,00 до 40,09В. Выбор предела измерения происходит автоматически. На входе модуля АЦП в схеме стоит делитель напряжения, состоящий из резистора R2 и подстроечного резистора R3. Резистор R1 и конденсатор С3 представляют из себя Г-образный фильтр, предназначенный для уменьшения импульсных помех и шумов на входе АЦП. Конденсаторы С1 и С2 — блокировочные керамические конденсаторы в цепи питания схемы.

Микросхема ADS1115 является шестнадцатиразрядным аналого-цифровым преобразователем. Согласно документации она имеется четыре входа (AIN0-AIN3), они могут использоваться, как два дифференциальных для измерения разности сигнала между входами, либо как четыре отдельных несимметричных входа, в этом случае напряжение измеряется между общим проводом и одним из входов. В нашем случае микросхема сконфигурирована таким образом, что активным является не симметричный вход AIN0, на схеме обозначен, как А0. Взаимодействие микроконтроллера PIC16F628A с модулем АЦП осуществляется при помощи протокола I2C. Частота дискретизации выбрана величиной 860 ГЦ. Опорное напряжение задано на уровне 4,096В. Но при использовании не симметричного входа разрядность преобразования уменьшается в два раза, е.т. преобразование будет уже 15-ти разрядным В’1111111 11111111’ = .32767. В этом случае каждый разряд будет равен 4,096В / 32767 ≈0,000 12500381В ≈ 125 мкВ. Из этого следует, что показания индикатора будут занижены. А чтобы показания индикатора были корректными, нам надо, чтобы один разряд данных был равен 100 мкВ или 0, 0001В. Поэтому в программу микроконтроллера введена подпрограмма корректировки, умножаем данные считанные с АЦП на коэффициент 1,25 (в программе на 125) с последующим умножением на 100 – просто отбрасываем два младших разряда двоично-десятичного числа. При этом показаниям индикатора, например 9,999 вольта, на входе микросхемы АЦП будет присутствовать сигнал с уровнем в 0,9999 вольта. Так как индикатор имеет всего четыре разряда, при измерении напряжения более 9,999 В пришлось пожертвовать точностью и оставить два разряда после запятой. Десять вольт будут выводиться на индикатор как 10,00 при напряжении на входе ADS1115 равного 1,0000 В. В принципе для радиолюбителей точности измерения напряжения в диапазоне десятков вольт с выводом сотен и десятков милливольт вполне достаточно. Вообще микросхема ТМ1637 может работать с шестиразрядными индикаторами, зря китайцы это не претворили в жизнь.

Как уже отмечалось выше, в качестве индикатора вывода информации применен модуль с четырех разрядным индикатором и драйвер TM1637.

В связи с этим намного упростилась программа контроллера, и нет необходимости соблюдать определенные временные интервалы для динамической индикации, яркость свечения сегментов также обеспечивается микросхемой ТМ1637. Для взаимодействия между микроконтроллером и модулем задействовано всего два порта ввода\вывода контроллера. Это очень ценно при применении контроллеров с ограниченным количеством портов. В моем случае применение PIC16F628A обусловлено только его наличием. Других на данный момент нет.

Метод связи модуля с микроконтроллером не является полным I2C. Всю необходимую информацию о данном протоколе вы можете почерпнуть из документации на эту микросхему. Кстати на сайте есть статья «Модуль TM1637 с PIC контроллером» посвященная этой теме. Этот модуль, так же как и модуль АЦП приобретен на Али.

Все компоненты схемы устанавливаются на печатной плате. Внешний вид со стороны модулей и микроконтроллера показан ниже.

Для соединения модулей с платой использованы отечественные разъемы ОНп-КГ-26

Микросхема АЦП ADS1115 имеет большую чувствительность по входу. Самый младший разряд оцифрованного сигнала соответствует десяткам микровольт. Поэтому разводке проводников печатной платы уделялось очень большое внимание. На Виде 1 выделены проводники, по которым течет ток входного сигнала. На виде 2 показан плоский экран в виде проводника общего провода.

Из рисунка проводников видно, что токи питания модуля АЦП и модуля индикации практически разведены от «чистой земли» полезного сигнала. Про особенности разводки проводников печатных плат импульсных устройств можно прочитать на сайте. Вся информация занимает три статьи, первая – «Импульсные помехи», вторая – «Импульсные помехи, продолжение» и третья статья – «Разводка плат, помехи». Помимо правильной топологии печатных проводников платы необходимо уделить внимание качеству питающего напряжения данной схемы. Если стабилизатор напряжения +5 вольт будет в устройстве находиться на некотором расстоянии, то провод питания лучше применить экранированный. Какой из концов экрана, и с какой стороны подключать к общему проводу зависит от конструкции устройства. Все провода, по которым течет ток нагрузки, особенно большой, если этот вольтметр будет применен в блоке питания, должны проходить, как можно дальше. Иначе на младших разрядах постоянно будут высвечиваться хаотичные значения. Можно заэкранировать плату вольтметра полностью. На фото выше показана экспериментальная плата, ее обратная сторона — смотрим ниже.

По краям платы оставлена фольга на всякий случай, для припайки экрана. Особое внимание нужно уделить и монтажу SMD конденсаторов. Под ними не должно быть флюса после пайки, под них не должна попадать пыль. Иначе пыль со влагой воздуха превращается в грязь. Возникают не контролируемые токи утечки, влияющие на стабильность показаний вольтметра, не сразу так потом. Лучше место пайки и сами конденсаторы загерметизировать каплей лака или клея. Если чистоту платы под конденсаторами обеспечить не в состоянии, то лучше применить конденсаторы в обычных корпусах. Модуль АЦП приходит с не припаянной контактной гребенкой. Китайцы предлагают припаять ее самим, так вот, после пайки плату модуля обязательно промойте спиртом. Мне пришлось ее полностью вымачивать в нем минут десять с постоянным встряхиванием. Иначе не мог добиться нулевых показаний индикатора.

На этом все. Удачи! К.В.Ю.