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Voltmetro single-chip - prima parte

Voltmetro single-chip

Il voltmetro single-chip visualizza su un display a led a 3 cifre il valore di tensione rilevato all’ingresso: adatto per alimentatori e pannelli di controllo, ma anche in laboratorio per realizzare ampèrometri usando una resistenza di shunt. Il voltmetro single chip utilizza un solo integrato: un microcontrollore Zilog opportunamente programmato.

In laboratorio così come nelle apparecchiature da banco e da rack, gli strumenti di misura sono sempre presenti, tipicamente per indicare la tensione o la corrente all’uscita di una linea elettrica, di un alimentatore, o di un qualsiasi altro dispositivo; solitamente troviamo applicati i classici galvanometri e microampèrometri a lancetta, che in molti casi vengono rimpiazzati da strumenti digitali a display. Questi ultimi hanno la particolarità di essere più visibili, e comunque di indicare un valore preciso e definito anche se in pratica presentano una tolleranza non solo nella misura ma anche nell’indicazione.

Dalle riviste di elettronica, da schemi presi qua e là, siamo ormai abituati a vedere voltmetri ed ampèrometri digitali realizzati un tempo con la coppia della RCA CA3161 e CA3162 (driver per display e A/D converter) e recentemente con integrati specifici quali l’ICL7106 e l’ICL7107 della Intersil, il primo dedicato al controllo di cristalli liquidi ed il secondo indicato per la gestione di segmenti a led. L’ICL7106 ed i suoi equivalenti (es. MAX7106 Maxim) sono usatissimi nei tester digitali per la loro ottima precisione ed affidabilità, e per il costo decisamente contenuto, nonché in molti moduli da pannello.

In questo articolo vogliamo però proporvi uno strumento un po’ particolare (voltmetro single-chip), cioè un millivoltmetro sempre con una sezione di visualizzazione a led, ma gestito interamente da un microcontrollore: lo Z86E04 della Zilog. Entriamo nel vivo del nostro strumento ed analizziamo il principio secondo il quale il micro effettua la misura. Il funzionamento del voltmetro digitale si basa sulla carica di un condensatore a corrente costante, ovvero si controlla e si conta il tempo necessario affinché il valore della tensione accumulata da un condensatore caricato a corrente costante raggiunga una soglia: la corrente è proporzionale alla tensione applicata all’ingresso dello strumento, cosicché il tempo impiegato è funzione lineare della tensione di ingresso; pertanto visualizzando il risultato del conteggio si ottiene l’indicazione numerica della tensione.

Voltmetro single-chip - cosa avviene nel voltmetro

Cerchiamo ora di capire esattamente cosa avviene nel voltmetro single-chip. Considerando la formula che lega la capacità di un condensatore alla quantità di carica ed alla corrente, osserviamo che la carica immagazzinata tra le armature è data dal prodotto “Q=Ixt”; dove I è la corrente che circola nell’intervallo di tempo t. Se “I” è espressa in ampère e “t” in secondi la quantità Q è in Coulomb (1C=1A x sec). Ma la carica elettrica di un generico condensatore può essere definita anche con la formula “Q=C x V”, dove C è la sua capacità e V la differenza di potenziale tra le armature. Risolvendo quest’ultima formula rispetto alla capacità e sostituendo a Q la prima equazione otteniamo: C=Q/V => C=I x t/V dalla quale ricaviamo che la tensione V tra i capi del condensatore è pari a: V=I x t/C. Quest’ultima formula è quella che ci interessa per spiegare il funzionamento del voltmetro, infatti da essa possiamo dedurre che caricando a corrente costante “I” un condensatore di capacità “C” (quindi fissa e costante anch’essa) la tensione “V” è strettamente legata alla durata della carica “t”; in altre parole la differenza di potenziale rilevabile tra le armature è direttamente proporzionale al tempo per cui si fa circolare la corrente costante, secondo una legge lineare.

Pertanto se imponiamo un valore di riferimento “V” e contiamo il tempo impiegato per ottenerlo ai capi del condensatore “C”, del quale conosciamo la capacità, possiamo ricavare indirettamente il valore della corrente di carica e quindi della tensione che la fa scorrere. Ipotizziamo, ad esempio, di caricare un condensatore del valore di capacità di 10 µF con una corrente costante di 100 µA; sostituendo questi valori nella formula “V=I x t/C” scopriamo che la tensione tra le armature cresce di 1 millivolt ogni 100 µsec che trascorrono: perciò dopo 1 secondo avremo 10 millivolt, dopo 10 sec 100 mV, ecc.

Prendiamo adesso un comparatore di tensione (es. un amplificatore operazionale opportunamente connesso) e immaginiamo di collegare l’armatura positiva del condensatore (inizialmente scarico...) all’ingresso invertente, e quello non-invertente ad una sorgente di tensione continua della quale vogliamo misurare il valore; in tale condizione, supposto scarico il condensatore, l’ingresso invertente è a potenziale minore del non-invertente, quindi l’uscita del comparatore si pone a livello logico alto.

voltmetro single chip microcontrollore zilog

Adesso carichiamo il condensatore stesso a corrente costante, di 100 µA appunto e incrementiamo un contatore con un impulso ogni 100 microsecondi, fino a quando l’uscita del comparatore non commuterà da 1 a zero logico: quando ciò sarà avvenuto la tensione tra le armature della capacità avrà raggiunto e superato quella da misurare, applicata al piedino noninvertente. Dunque la tensione da misurare varrà esattamente tanti millivolt quanti sono gli impulsi contati dal contatore, ovvero tanti mV/100 µsec: se abbiamo contato, ad esempio, 10 impulsi e quindi altrettante frazioni di 100 µsec. (1000 µsec, ovvero 1 msec.) avremo rilevato 10 mV, cioè 0,01 volt all'ingresso di misura. Infatti con un tempo di carica di 1 millisecondo e 100 µA di corrente di carica, nota la capacità di 10 µF nella formula “V=IxT/C” ricaviamo: V = 0,1mAx1msec/10µF = = 0,0000001Axsec/0,00001F = = 0,01 volt = 10 mV E’ questo il principio su cui si basa il funzionamento del nostro voltmetro che, nota la pendenza della rampa di tensione ai capi del condensatore, conta il tempo impiegato ad eguagliare la differenza di potenziale all’ingresso e quindi consente di conoscerne, il valore con buona approssimazione: esattamente 0,99 mV di errore, dato che il conteggio di un impulso può non avvenire perché il comparatore commuta qualche microsecondo prima anche se la tensione continua a crescere dopo che è stato contato il precedente impulso.

voltmetro single chip display

Insomma, se si contano i soliti 10 impulsi ma il comparatore commuta poco prima dell’undicesimo è probabile che la tensione incognita all’ingresso sia più alta di un margine tra 0 e 990 microvolt, cioè il minimo ed il massimo compresi in un periodo di 100 microsecondi.

Come funziona il voltmetro single-chip

Trasferendo i concetti appena esposti allo schema elettrico di questo articolo vediamo subito come funziona il nostro voltmetro. Il funzionamento non si discosta più di tanto da quello descritto nell’esempio, con la sola differenza che al posto di usare un comparatore se ne adoperano due, entrambi contenuti nel microcontrollore Z86E04 che utilizziamo per eseguire i calcoli dei tempi e quindi delle corrispondenti tensioni e per la conversione dei dati ottenuti in impulsi di controllo per i tre display 7-segmenti.

voltmetro single chip schema elettrico

I comparatori sono 2 perché, per rendere lineare e precisa il più possibile la misura, il micro conta il tempo impiegato dal condensatore a raggiungere la tensione da rilevare, partendo non da zero volt, ma da un potenziale positivo di riferimento che nel nostro caso è ottenuto dalla caduta ai capi di un tipico diodo al silicio (0,6÷0,7 volt). La tensione di riferimento è applicata al piedino 9 (P32) dello Z86E04, quindi all’ingresso non-invertente di uno degli operazionali interni; questo coincide anche con il riferimento dell’ingresso di misura, il che significa che il negativo dei punti IN non può stare collegato a massa ma deve esservi sollevato: ciò potrebbe creare problemi in applicazioni nelle quali il modulo voltmetro deve condividere l’alimentazione con un circuito nel quale deve fare una misura, quindi tenetene conto.

Altrimenti unendo la massa di alimentazione con quella di ingresso (-IN) si mette in cortocircuito il diodo D2, eliminando il riferimento ed ottenendo misure parzialmente errate. L’ingresso positivo di misura è invece collegato con la resistenza R4 al piedino 8 (P31) del microcontrollore, ovvero al noninvertente del secondo comparatore interno; i due ingressi invertenti degli operazionali sono uniti e collegati al piedino 10 (P33) e da esso al circuito di carica della capacità a corrente costante. Il condensatore C5 fa solamente da filtro della tensione in misura.

 

 

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