Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

Среди различных приставок, которыми желательно оснастить виртуальный измерительный комплекс, устройство для измерения тока будет одним из самых полезных. Гораздо более удобное и гибкое в использовании, чем обычный резистивный шунт, предлагаемое устройство в наименьшей степени повлияет на работу схемы, в которую будет включено; при этом оно прекрасно подходит для работы с измерительными приборами, имеющими самые разные входные параметры и пределы.

Известно, что самые простые АЦП могут осуществлять преобразование только положительных входных напряжений в диапазоне от 0 до 5 В. Чтобы осуществить при помощи таких устройств измерение силы тока с полной шкалой, предположим, 5 А, надо подключить параллельно их входу резистор с номиналом 1 Ом. Эта величина намного больше сопротивления 0,064 Ом, которое вносится в проверяемую схему хорошим стрелочным прибором на том же пределе «5 А». Подключение подобного устройства может серьезно повлиять на проверяемую схему, не говоря уже о том, что при силе тока 5 А рассеиваемая на резисторе мощность достигнет 25 Ватт!

Лучшие результаты могут получиться, если использовать резистор с сопротивлением 0,1 Ом. Но при силе тока 5 А падение напряжения на нем составило бы 500 мВ, чего недостаточно для работы АЦП (особенно 8-разрядного) со шкалой 5 В, если требуется высокая точность измерений.

Оптимальное решение состоит в использовании резистивного шунта минимальной величины и в последующем усилении напученного на нем напряжения до величины, необходимой для нормальной работы АЦП.

Микросхема МАХ471 компании MAXIM, созданная для контроля изменений силы тока в автономных источниках питания мобильного оборудования, содержит в одном корпусе резистор с сопротивлением около 0,035 Ом и несколько операционных усилителей с малой потребляемой мощностью, включенных по оригинальной схеме. Эта микросхема имеет рабочий диапазон напряжений питания от 3 В до 36 В (при потребляемом токе, меньшем 100 мкА) и формирует на выходе измерительный ток, составляющий 1/2000 от тока, протекающего через внутренний шунт. На сопротивлении 2 кОм измерительный ток создает напряжение 1 В при силе тока в измеряемой цепи 1 А. Эти параметры как нельзя лучше подходят для измерения любым виртуальным прибором.

Конечно, данный коэффициент преобразования можно изменить, использовав другой резистор соответствующего номинала.

Микросхема МАХ471 имеет верхний предел измеряемой силы тока 3 А (10 А пикового значения в течение не более 10 мсек). Кроме того, можно отрегулировать схему для получения на выходе напряжения 5 В при силе тока 3 А. При этом в программу необходимо добавить корректирующий множитель.

В любом случае рекомендуется точно откалибровать устройство, так как точность внутреннего измерительного резистора заметно ниже, чем у хорошего шунта. Но благодаря очень высокой температурной стабильности полная погрешность коэффициента преобразования составляет менее 2 %, что соответствует возможностям 8-разрядного АЦП.

Принципиальная схема датчика тока, приведенная на рис. 6.20, содержит подстроечный резистор 10 кОм, позволяющий регулировать ее коэффициент передачи в широких пределах относительно величины 1 В/А.

Рис. 6.20.Принципиальная схема датчика тока

Заметим, что направление измеряемого электрического тока (его знак) может быть произвольным. Микросхема МАХ471 в некотором смысле «выпрямляет» напряжение, падающее на шунте, с тем чтобы выходное напряжение всегда оставалось положительным. Это очень важно при работе с любым виртуальным измерительным прибором, нечувствительным к отрицательному напряжению.

Светодиод D1 служит для индикации знака измеряемого тока, что может оказаться полезно в некоторых практических случаях (например, в режиме заряда или разряда аккумулятора).

Вообще говоря, устройство должно питаться от гальванической батареи 9 В (рис. 6.21), но в ряде ситуаций (например, при длительных измерениях) напряжение питания можно получать непосредственно от источника, формирующего измеряемый ток. Для этого достаточно использовать схему, приведенную на рис. 6.22, по крайней мере, при напряжениях от 3 В до 36 В.

Рис. 6.21.Схема питания устройства от гальванической батареи

6.22.Схема питания устройства от измеряемой цепи

Как и все устройства, описанные в этой главе, датчик тока собран на печатной плате, близкой по размерам к гальванической батарее 9 В, от которой осуществляется его питание. После изготовления платы в соответствии с рис. 6.23 на нее надо установить элементы в соответствии с монтажной схемой (рис. 6.24).

Рис. 6.23.Топологическая схема печатной платы датчика тока

Рис. 6.24.Монтажная схема датчика тока

Внешний вид устройства показан на рис. 6.25.

Рис. 6.25.Внешний вид датчика тока