Мини-вольтметры DC 0÷30V, двухпроводные, три знака

Цена: ~$1.3/шт. Приобретены 4 штуки разных цветов (в мае 2017 – по ~$0.6/шт, доставка 4 недели). Выбор был довольно случайным, по наитию, но оказался удачным.
На mysku.club много описаний таких или подобных вольтметров, но ответов на свои вопросы я не нашел. Пришлось разбираться самому.

#) На рынке присутствуют несколько похожих типов вольтметров одинаковых формы и размеров, но собранных на разных платах. Здесь приведены материалы, непосредственно относящиеся к одному варианту, не отличающемуся от других по описанию. Опознать его можно только по расположению компонентов на приводимых продавцом фотографиях:
Вольтметры однополярные, рассчитаны на измерение положительных напряжений относительно общего с питанием отрицательного провода (черного). Исходно вход вольтметра подключен к линии положительного питания (красный провод) и реально вольтметр имеет диапазон измерения 4÷30V (измерять мог бы и от нуля, но недостаточно питания для его функционирования). Похоже, что эти вольтметры «заточены» под задачу контроля напряжения бортовой сети автомобиля.

Предполагалось использовать вольтметры в составе ручных тестеров разного рода с диапазонами измерения 0÷6V (устройства с 5-вольтовым питанием) и 0÷28V (автомобильное оборудование). Данные двухпроводные вольтметры этого не позволяют, но легко позволяют переделку в трехпроводный, решающую данную задачу.

Особенности

• Имеется защита от переполюсовки питания (до 40V).
• Процессор начинает работать при напряжении питания Usupp>3V, но индикаторы добираются до номинального режима яркости только при 4÷4.5V.
• При напряжении >29.9V индицирует перегрузку. И при этом практически не греется.
• Печатная плата универсальная, легко позволяет переделку под трех-проводной вариант (даже есть пятачок для пайки входного провода U-in), обеспечивающий при отдельном питании диапазоны 0 ÷ +10V и 0 ÷ +30V – «от нуля» (примеры на фото).
• Индикаторы недостаточно контрастные, внешняя подсветка так засвечивает неактивные сегменты, что опознавать показания затруднительно, особенно на зеленом и синем (требуется тонирующая пленка).
• Зеленый индикатор, видимо как ему и по спектру положено, светит очень неявно. Синий – тоже сомнительной яркости/контрастности. С желтым и красным жить можно. (Белый, за неимением, не испытывал, но внушает надежды).
• Исходно вольтметр подвирает, похоже после монтажа к нему не прикасалась рука человека (триммер коррекции стоит в крайнем положении). Но отклонение в пределах диапазона коррекции.
• Вольтметр довольно медленный (~2 изм/сек), но зато без суеты – как правило, при медленном изменении входного напряжения встречается «дрожание» показаний младшего разряда на одну единицу. (Правда встречаются и уроды, дрожащие в некоторых зонах на ±1 единицу с потерей промежуточного кода).
• Firmware прибора хорошо оптимизировано – два диапазона индикации с автопереключением (10V и 30V) без «дрожания» и заметного гистерезиса. В диапазоне 0÷10V разрешение 10mV (1000 градаций), в диапазоне 10÷30V разрешение 100mV (300 градаций). Перегрузка обозначается весьма убедительно.

Устройство и переделка

Основой вольтметра является неопознанная микросхема в корпусе NSOP16, не имеющая маркировки. Судя по объему «обвески» это микропроцессор, имеющий АЦП и способность управления 7-сегментным LED-дисплеем. Очень напоминает HT66V317 от HOLTEK, но не совпадает с ним по цоколевке.
Остается открытым вопрос относится ли эта микросхема к типу ICP (In Circuit Programmable) – неподключенные выводы имеются, или, что тоже водится, всего-навсего OTP (One Time Programmable) и мечтать о перепрошивке не приходится.
Схема входной части платы представлена на рисунке:
Исходно напряжение питания Usupp подается через диод D1 (защита от переполюсовки) на стабилизатор U1 и через «перемычку» R0 на входной делитель АЦП. При U-in=30V (верхний предел измерителя) на вход АЦП «ADC-in» поступает 2.0V (а при U-in=10V – 684mV), что обеспечивается делителем R2/R3. Триммер R1 позволяет корректировать чувствительность в пределах 5%.
Похоже АЦП имеет один диапазон и разрешение 12bit. Использует внутреннюю опору в 2.0V (в данной реализации Firmware). Есть подозрение, что многие параметры режимов АЦП задаются программно (прошивкой), аналогично HT66V317.

Для обеспечения диапазона «от нуля» необходимо перемычку R0 (0604) удалить, припаять входной провод к пятачку U-in (рисунок выше) и конечно же обеспечить питание на контакте Usupp (красный провод). Для этой цели пригоден любой 5-вольтовый источник питания, например, ЗУ мобильного телефона. Или какое-нибудь доступное напряжение из обслуживаемого прибора (5÷30V). Ток потребления мизерный (<15mA), даже не всяким USB-доктором обнаруживается.

Специальные случаи применения. Нестандартная шкала.

Иногда возникает потребность измерения какого-нибудь параметра не в стандартных единицах, да еще и с максимально возможным разрешением. И, желательно, без вмешательства в «мозги» вольтметра (замены прошивки). Например, при замене R2 на 3kΩ можно отъюстировать вольтметр на шкалу 0÷+1.0V÷+3.0V (при R2+~1/3*R1=6.2kΩ) с разрешением 1mV и 10mV. Десятичная точка не на месте, но если привыкнуть к мысли, что индицируется значение в десятинах вольта – «дециВольтах» (дВ, dV), то приемлемо.
Более неприятная ситуация при работе с модулями обнаружения газов (MQ-x) с 5-вольтовым питанием и максимальным значением сигнала 4.5÷5V. При оцифровке сигналов таких устройств с помощью вольтметра в стандартном исполнении во-первых, используется только половина шкалы индикатора (потеря разрешения), а во-вторых усложняется связь между значимой величиной измеряемого параметра и довольно абстрактным значением напряжения.
В этом случае можно принять базовое (или максимальное) значение напряжение сигнала (например, 4.5V) за 99.9% контролируемого параметра и откалибровать вольтметр так, чтобы он при этом показывал «круглую цифру» 9.99 (в этом случае более полно реализуется разрешение вольтметра – 4.5mV). Десятичная точка конечно же опять не на месте – индикация получается не в процентах, а в «десятинах». (А переставить управление точками на этой плате хлопотно-труднодоступно.)
Такое представление несколько сбивает с толку, но можно привыкнуть. Подспудное ощущение, что полная шкала измерителя соответствует круглой цифре 10.0 заметно упрощает восприятие текущего значения.
В этом варианте при входном сигнале, превышающем назначенный диапазон (4.5V), индикатор переключится в режим «10.0÷29.9V» (переместится десятичная точка), а штатное обозначение перегрузки появится при 13.5V. При гарантированном ограничении напряжения входного сигнала уровнем 4.5V получается однодиапазонный, не порождающий недоумение переключением вольтметр со шкалой в 1000 градаций.
Для реализации такого приема (перекалибровки) необходимо в вольтметре изменить делитель R2/R3 (точнее уменьшить R2) так, чтобы при 4.5V на входе делитель имел 684mV на выходе. Для этого в указанных условиях требуется R1-2-полное=R2+(R1)/2=69.2kΩ, например, R2=64kΩ (62÷68kΩ) и триммер R1=10kΩ. Можно просто зашунтировать имеющийся R2=169kΩ резистором R2ш=104kΩ (100÷110kΩ). Входное сопротивление вольтметра станет равным ~82kΩ вместо исходного ~185kΩ. (При высокоомном источнике сигнала, возможно, придется ставить буферный усилитель или калибровать вольтметр по месту). Для соответствия показания "9.99" точно 5.0V («круглое» значение разрешения – 5mV) требуется R2ш=128kΩ (130kΩ), Rвх=~87kΩ.
Эквивалентная модификация делителя увеличением R3 (до 30kΩ) более проблематична. Во-первых, неизвестно как повлияет увеличение выходного сопротивления делителя R2/R3 на шумы/дрейфы АЦП. Во-вторых, для замены R3 старый резистор необходимо удалить, а это (в стесненных условиях данной платы) очень деликатная процедура, попытаться можно, но можно и надсадиться.

Для оцифровки и визуализации показаний датчиков газа MQ-x иногда еще более удобной является калибровка с увеличенным динамическим диапазоном, когда максимальному значению сигнала датчика (5.0V) соответствуют показания вольтметра «29.9» (показанию «9.99» соответствуют 1.67V). При этом на малых концентрациях газа получается разрешение в 1.67mV, что актуально в бытовых условиях, где диапазон значимых концентраций типично соответствует диапазону напряжения аналогового сигнала в 100÷700mV (общая загазованность, поиск мест утечки газа).
При больших концентрациях (диапазон индикации «10.0÷29.9») получается разрешение в 16.7mV, но большее разрешение уже не требуется («если голову ломит выше болевого предела, то на сколько точно промилле выше – уже не важно»).
Единственная неприятность – автоматическое переключение диапазона происходит ненавязчиво, десятичная точка перескакивает незаметно и при наблюдении требуется бóльшая внимательность, надо все время помнить, какие показания были 2÷7 секунд назад.
Для такой калибровки требуется чтобы делитель R2/R3 при 5.0V на входе имел 2.00V на выходе. Необходимо R1-2-полное=R2+(R10)/2=18.6kΩ (Rвх=31kΩ), например, зашунтировать R2 (169kΩ) резистором R2ш=15÷20kΩ с добавкой от триммера R1=4.8÷0.7kΩ (достаточно номинала триммера 5kΩ).
#) Для определения абсолютной концентрации газов (в ppm) все равно придется производить индивидуальную калибровку каждого экземпляра датчика на контрольных смесях газов, процедуру труднодоступную и тематически выходящую за рамки данного описания. А для простенького тестера («показометра») предложенных решений может оказаться вполне достаточно.

PS. Материал в pdf формате здесь. (За неделю «горячего интереса» 117 скачиваний, 135 просмотров).