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제 목 39. USB 접속의 디지탈 멀티 미터(하드웨어편)
첨부파일

 

                  마이크로칩사의4-1/2자리수의 A/D변환기를 사용한 멀티 미터로
                  전압 100μV, 전류 100μA의 분해가능이 있습니다.
                  PC와 USB로 접속해 데이터 수집을 할 수 있습니다.
                  PIC의 프로그램을 PICROS를 사용해 멀티태스킹화하고 있습니다.

 


 USB 접속의 디지탈 멀티 미터(하드웨어편)

 마이크로칩사의 이중 적분형의 A/D컨버터를 사용해
 4-1/2자리수의 디지탈 멀티 미터를 만들어 보았습니다.
 PIC의 프로그램은 PICROS로 멀티태스킹화했습니다.


【개요】

 마이크로칩사가 PIC 이외에 힘을 쓰고 있는 아날로그계의 IC중에서, 이중 적분형
의 A/D컨버터로,4-1/2자리수의 BCD 출력의 것이 있었으므로 시작해 보았습니다.
전압을 100μV의 분해가능으로 안정에 표시할 수 있어 노이즈에도 강하고 쓰기 쉬운 IC인 것이
확인되었습니다.
 제어용으로는 PIC16F877를 사용해, USBN9603의 USB 콘트롤러로 PC와 풀 스피드
의 USB 접속을 할 수 있기 때문에, 데이터 수집이나 그래프 작성에는 편리하게 사용할 수 있습니다.
 PIC의 프로그램에는 「PIC용 리얼타임 OS의 PICROS」(을)를 사용해 멀티태스킹화했습니다
의로, 의외로 간단하게 멀티 미터를 할 수 있었습니다.







【기능 사양】

이번 디지탈 멀티 미터의 기능 사양은 아래 표와 같이 되어 있습니다. 이것을 PIC와
A/D컨버터와 USB 콘트롤러로 실현되고 있습니다.
특별히 바뀐 기능으로서 디지탈 멀티 미터에서는 교정용의 기준에 고생합니다만,
이번은 이 교정용으로 사용할 수 있는 고정밀도 기준 전압원으로서 「LH0070」라고 하는 내셔널
반도체사의 고정밀도 기준 전압 IC를 함께 편성, 언제라도 교정 확인을 할 수 있도록(듯이)
했습니다..
이 IC는 낡기 때문에 입수 곤란한 경우에는, 새로운 같은 IC로서 아날로그 디바이스사로부터
AD587」라고 하는 IC가 나와 있습니다.
항목 기능 사양 비고
측정 항목과 분해가능 전압 3 레인지 구성의 오토 레인지 변환
   2 V레인지 1. 9999V 100μV분해가능
  20 V레인지 19. 999V 1 mV분해가능
 200 V레인지 199. 99V 10 mV분해가능

전류 1 레인지 구성
 2 A레인지  1999. 9mA 100μA분해가능

그 외(직접 입력)
 2 V레인지  1. 9999V 100μV분해가능
입력 impedance
100MΩ이상
1MΩ
1MΩ

입력 impedance


입력 impedance
100MΩ이상
교정용 출력 교정용의 고정밀도 기준 전압
 10. 000V  정밀도±0. 1%이하
  1. 000V  정밀도±0. 5%( 약)

TYP±0. 03%
교정 가능
표시 16 자리수 2행의 액정 표시기  
외부 출력 USB Ver1. 1 풀 스피드
셀프 전원
 커멘드에 의해 전압, 전류의 측정 가능
콘트롤러는
USBN9603
전원 외부에서(보다) 안정화 된 DC전원 공급
 +12 V~+15V 최대 100 mA
 


【DMM의 전체 하드웨어 구성】

DMM 전체의 하드웨어 구성은 밑그림과 같이 되어 있어, A/D컨버터를 실장했다
아날로그부의 기판과 PIC를 실장한 디지탈부의 기판을 따로 따로 하고 있습니다.
이것들을 소형의 플라스틱 케이스에 실장했습니다만, 전원부를 외부부착으로 했으므로
편하게 납입할 수가 있었습니다.








밑그림은 케이스 내부의 모습으로 2매의 기판을 수납했습니다.

위쪽이 디지탈부, 아래 쪽이 아날로그부입니다.
아날로그부의 부품이 대형의 것이 많기 때문에
상당히의 면적을 필요로 하고 있습니다.




【아날로그부의 상세】

우선, 상기의 기능 사양을 만족시키기 (위해)때문에사용한 마이크로칩사의 A/D컨버터
(은)는 아래와 같은 것입니다.

  
TC-7135 4-1/2 Digit Analog-To-Digital Converter

  ★영문 문서 다운로드(pdf 형식입니다)

간단한 사양은 아래 표와 같이 되어 있습니다.
항목 사양 개요 비고
A/D변환 방식 이중 적분형
클락은 외부 공급
적분형이므로 기본적으로 동작은 늦지만
고정밀도로 노이즈에 강하다 
변환 속도 클락에 의존한다
 100 kHz 때 2. 5회/초
 120 kHz 때 3. 0회/초
 250 kHz 때 6. 2회/초
1200 kHz 때 30. 0회/초
상용 전원 노이즈 대책이기 때문에 통상은 50 Hz와
60 Hz양쪽 모두의 대책이 가능한 100 kHz를 사용한다.
50 Hz대응만으로 좋다면 250 kHz에서도 가능
A/D변환 정밀도 분해가능 4-1/2형
(1. 9999 BCD 출력)
멀티플렉스 BCD 출력
세그먼트(segment) 디코더 드라이버 부가에 의해
다이내믹스 왈가닥의 표시가 단체로 가능
제로 자동 교정 오차 10μV이하
온도 드리프트 0. 5μV/이하
 
디지탈 IF TTL 콘파치
마이크로컴퓨터와의 인터페이스 가능
RUN, STROBE에 의해 마이크로컴퓨터로부터 제어
가능
전원 ±5 V의 2 전원  

 이 표로부터 알도록(듯이), 디지탈 멀티 미터용으로 개발된 것으로, 이것에
세그먼트(segment) 디코더 드라이버등의 몇개의 부품을 추가하면, 이만큼으로 측정기
(이)가 완성될 수 있게 되어 있습니다.
밑그림은 데이터 쉬트에 해설되고 있는 응용예로,4-1/2자리수의 LED 표시의 전압계에
되어 있습니다. 이 회로예로부터, TC7135에는 레퍼런스 전압과 클락을 외부에
마련할 필요가 있습니다.







 이것을 베이스로 작성한 아날로그부의 회로는 밑그림과 같이 되어 있습니다.
우선, 클락은 100 kHz로 해, 타이머 IC인 LM555로 생성하고 있습니다. 100 kHz에 조정
할 수 있도록(듯이) 가변 저항으로 주파수 조정을 가능으로 하고 있습니다.
 마이너스 5 V의 전원에는, 마이크로칩사의 DC/DC컨버터 IC인, TC7660S를
사용했습니다. 이것은 상당히 편리한 IC로, 입력한 전원과 같은 전압의 극성을 반전한 전압
(을)를 출력합니다. 즉 1. 5 V에서 12 V까지의 임의의 입력 전압으로부터-1. 5 V로부터-12 V의
극성의 반전한 같은 전압을 출력해 줍니다. 최대 허용 전력이 약 700 mW이므로
-5 V때는 수 10 mA는 꺼낼 수 있습니다만, 전압 안정도가 나쁘기 때문에, 전류는 많게는 바래라
선.
 레퍼런스 전압용으로는, 기준 전압용 IC인 LM385의 1. 2 V의 것을 사용해, 적합
1. 0000 V의 레퍼런스 전압으로 하기 (위해)때문에 가변 저항으로 조정할 수 있도록(듯이) 하고 있습니다.
적분용이나 입력 필터용의 콘덴서인 C3, C4, C5, C6에는, 본래는 새는 전류의 비상
에 적은 폴리프로필렌 콘덴서가 좋습니다만, 대형이 되어 버리기 때문에,
좀 더 소형의 메타라이즈드피룸콘덴사를 사용했습니다.
 좌상에 있는 릴레이를 사용한 회로는 전압 레인지 때의 오토 레인지 변환용의 회로로
2 V, 20 V, 200 V를, A/D컨버터로부터의 오버 레인지와 언더 레인지의 신호로
PIC의 제어의 바탕으로 변환 동작을 합니다.
정확한 1/10, 1/100의 분압 회로와 하기 위한(해) 1%의 저항과 가변 저항으로 미조정이
할 수 있도록(듯이) 하고 있습니다.
 좌하의 10Ω의 저항군은, 전류 측정용의 저항으로, 10Ω1%1/2 W의 저항을 10개 병렬
접속해, 1Ω1%2 W의 저항으로서 사용합니다. 이것으로 2 V의 전압을 발생하는 2 A까지의
전류를 측정할 수가 있습니다. 또 과전류의 안전 대책이기 때문에 2 A의 퓨즈를 직렬에
삽입하고 있습니다. 한층 더 대전류가 흐르는 배선은 독립이 되도록(듯이) 측정용의 배선과는 별도로
해 둡니다. 그렇게 하지 않으면 배선에서의 전압강하분이 측정 오차가 됩니다.
 중앙하의 회로는 5 V전원과 교정용으로 사용하는 고정밀도 기준 전압 회로입니다. LH0070라고 하는 IC는,
지극히 고정밀의 기준 전압용 IC로, 10 V의 출력에 대해, Typ0. 03%, Max0. 1%의 정밀도
하지만 보증되고 있기 때문에, 우리 아마츄어가 사용하는 미터로서의 정밀도는 이것으로 충분하다면
생각합니다. 기준용으로 1 V를 만들기 (위해)때문에 1/10의 분압 회로를 추가하고 있습니다. 여기에도 미조정
하지만 할 수 있도록(듯이) 가변 저항을 추가하고 있습니다.
 회로로서는 아날로그의 그랜드를 디지탈 회로의 그랜드와는 독립으로 해, 입력의
단자의 곳에서 함께 접속합니다. 이렇게 하지 않으면 디지탈 회로의 노이즈로 측정치가 안정
하지 않기도 하고, 오차를 일으킵니다.








밑그림은 아날로그부의 기판의 외관입니다.

콘덴서나 릴레이 등 대형 부품이 많기 때문에
면적은 있습니다만, 배선은 간단합니다.
새는 전류가 문제가 되므로 기판에는 유리 엑폭시를
사용했습니다.


전류 측정용의 저항군입니다. 열대책과 고정밀도 저항
(을)를 사용하기 (위해)때문에 10개를 병렬 접속하고 있습니다.



레인지 전환용의 릴레이 회로입니다. 제어는 PIC측으로부터
실시합니다.
고정밀도 기준 전압 IC는 교정용의 전압 출력입니다.



적분용의 콘덴서에는 새는 전류의 적다
메타라이즈드피룸콘덴사를 사용했습니다.



 아래와 같이로부터 회로도와 패턴 도화 다우 로드할 수 있습니다. IVEX사의 WinDraft, WinBoard로
사용해 주세요.

  ★아날로그부의 회로도와 패턴도



【디지탈부의 상세】

디지탈부는 PIC16F877를 사용하고 있습니다. 회로는 특별한 것도 없기 때문에 간단하게
되어 있습니다. 밑그림이 회로도입니다. 위쪽의 2개의 트랜지스터는 릴레이의 드라이브용
입니다.
포토 E에 로터리 스윗치 상태를 입력해 전압, 전류의 변환을 검지합니다.
포토 D는 액정 표시기 전용이 되어 있습니다.
포토 C에는 USB 콘트롤러를 접속하고 있습니다.
포토 A와 B를 사용해 A/D컨버터를 접속해 제어하고 있습니다. RB4를 STROBE 신호
의 새치기에 사용하고 있습니다. (포토 B 상태 변화 새치기)







PIC와 A/D컨버터와의 인터페이스는 아래와 같이 했습니다.
우선, RUN의 신호를 PIC로부터의 개시 지령으로서 사용합니다.
TC7135에서는 이 RUN 펄스가 한 번 검지되면(자) A/D변환을 개시해, 그 완료까지는
다음의 RUN 펄스는 무시합니다. 또 RUN 신호가 High인 채라고 연속으로 A/D변환을
실행합니다.
TC7135가 A/D변환을 완료하면(자), 외부에 STROBE 신호를 출력합니다.
이 STROBE가 나왔을 때에는, BCD 데이터가 B1-B8의 4비트에 출력되고 있기 때문에,
STROBE를 PIC에의 새치기 신호로서 사용해, 그 새치기마다 BCD 데이터를 입력합니다.
또 A/D변환 후의 최초의 STROBE때로는, D5신호가 High가 되고 있으므로, 이것으로
최초의 새치기인 것을 판정해, 거기로부터 5회의 새치기로 종료로 합니다.
BCD 데이터는 상위자리수로부터 차례차례 출력됩니다.





이상의 회로를 조립한 것이 밑그림과 같은 디지탈부가 되고 있습니다.

실장 부품이 적기 때문에 소형의 기판에
들어가고 있습니다.




USB 콘트롤러는 플랫 패키지이므로
땜납면에 직부로 실장하고 있습니다.



아래와 같이로부터 회로도와 패턴 도화 다우 로드할 수 있습니다. IVEX사의 WinDraft, WinBoard로
사용해 주세요.

  ★디지탈부 회로도, 패턴도


【케이스에의 실장】

케이스에는 소형의 플라스틱 케이스를 사용했습니다. 전면 패널이 조금 혼잡해
있으므로 주의가 필요합니다만, 나머지는 편하게 실장할 수 있었습니다.
밑그림은 전면 패널의 실장입니다만, 액정 표시기는, 나사로 전면 패널에 고정하고 있습니다.
스페이서로 삽입하지 않으면 기판이 비뚤어져 버리기 때문에 적당한 높이의 스페이서 사용합니다.






로터리 스윗치 주위의 배선이 붐비므로 주의가 필요합니다.

【조정·교정 방법】  (12/22)

 본기의 교정은 아래와 같이 실시합니다.

(1) 레인지 변환 스윗치의 연결기를 뗀다. 이것에 의해 레인지가 전압계측의 20 V레인지
  에 고정됩니다.
(2) 10 V의 교정용 출력을 측정해, 그 때의 값을 메모 해 둡니다.
(3) 1 V의 교정용 출력을 측정해, 1 V의 조정용 볼륨을 돌려 표시가 전항의 메모치의
  1/10이 되도록(듯이) 합니다. 이것으로 1 V교정용 출력이 정확한 1 V가 된 것이 됩니다.
(4) 레인지 변환 스윗치의 연결기를 삽입해 바탕으로 되돌리고 나서, 교정용 1 V출력을 측정
  합니다. 그리고 이 표시가 1. 0000 V가 되도록(듯이) 레퍼런스 전압 조정용 볼륨
  (을)를 조정합니다. 이것으로 A/D변환기의 교정이 완료한 것이 됩니다.
(5) 다음에 교정용 10 V출력을 측정합니다. 그리고 이 때의 표시가 10. 000 V가 되도록(듯이)
  1/10 분압 회로의 가변 저항을 조정합니다. 이것으로 정확하게 1/10이 되었던 것에
  됩니다.
(6) 1/100의 분압 회로의 조정은, 강제적으로 1/100의 구성이 되도록(듯이) 일시적으로
  릴레이 회로를 스트랩등으로 동작시켜, 10 V교정용 출력을 측정해 정확하게 010. 00V
  의 표시가 되도록(듯이) 1/100 분압 회로의 가변 저항을 조정합니다.

이상으로 교정은 완료입니다.

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