voltimetro digital true rms.pdf
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58 elektor - 02/2010
Medição & TesTe
Com contador de frequência Kai Riedel (Alemanha)
Muitos dos geradores de funções não permitem medir a frequência nem a amplitude do sinal de saída. O módulo que aqui descrevemos preenche essa lacuna, apresentando a frequência do sinal de saída e a sua amplitude RMS num painel LCD de duas linhas. O circuito pode ainda ser usado como um voltímetro True RMS e frequencímetro autônomo.
A Elektor tem publicado uma grande variedade de projetos para frequencí-metros [1]. No entanto, nenhum deles permite medir a amplitude do sinal de entrada. Medir o valor RMS (Root Mean Square) da amplitude do sinal de entrada consiste em mais do que apenas um sim-ples circuito de retificação de onda com-pleta, calcular o valor médio e multiplicar por uma constante adequada, o método usado nos multímetros de baixo custo. O fator de multiplicação “mágico” usado
nesses multímetros é correto se a onda de entrada for uma onda senoidal pura, mas o erro do valor medido aumenta à medida que a forma do sinal de entrada se afasta da onda senoidal pura. A Tabela 1 mos-tra a quantidade de erro para alguns exemplos de formas de onda simples. O circuito descrito neste artigo conse-gue determinar o valor True RMS [2] (ou valor efetivo) de sinais com quase prati-camente qualquer tipo de forma de onda.O fator de pico máximo admissível (rela-
ção entre a amplitude de pico e a amplitude RMS) é uma maneira de especificar que tipo de forma de onda pode ter o seu valor RMS medido com precisão suficiente: para o conversor True RMS usado no circuito o fator de pico máximo (para uma precisão global de 1%) é de 4.
CircuitoO princípio de funcionamento do circuito pode ser explicado com o diagrama de
blocos apresentado na Figura 1. O sistema está dividido em dois módulos: o amplificador de entrada e a placa de display.
A entrada do circuito é constituída por um divisor de tensão comu-tável com o respectivo amplificador e conver-sor True RMS. Além disso, existe também um bloco modulador de pulsos para medir a freqüência do sinal. O amplificador é necessá-rio devido ao aumento do erro na saída do conversor True RMS de forma visível para níveis de entrada iguais ou inferiores a 5 mV.Figura 1. Diagrama de blocos.
Ajuste de forma de pulso
AmplificadorDivisor de tensão
Placa do amplificador de medida
Placa de display
SMA
S1
Vref
BNC
Externo
Interno Conversor A/D
080331 - 13
A
D
Interface de programação
RS232
LCDµC
Tensão de referência
Display
Conversor True RMS
Voltímetro digital True RMS
5902/2010 - elektor
Para permitir um bom funcionamento até altas-freqüências a amplificação principal é realizada em três estágios. O amplifica-dor usado, o ADA4862-3 [4], possui um circuito interno para compensação da freqüência e consiste em três ampops, que, ligados em série, podem forne-cer um ganho total de 8. Uma caracte-rística importante deste dispositivo é a sua excelente linearidade: a variação do ganho é inferior a 0,1 dB até freqüências na ordem dos 65 MHz.
A saída do amplificador é aplicada a IC3, um conversor RMS-DC [5] [6], e IC4 (um comparador de alta velocidade [7]). O potenciômetro P1 permite ajustar ligeira-mente o limiar de comutação do compa-rador. Se pretender processar sinais com uma componente DC elevada, recomen-damos que adicione um capacitor de alta tensão em série, por exemplo de 330 nF, antes da entrada do circuito amplificador.De acordo com as especificações técni-cas, o conversor RMS-DC LTC1968, da Linear Technology, possui uma largura de banda a 3 dB de 15 MHz. A disposição
do nosso circuito segue na generalidade as recomendações do fabricante. O capa-citor C15 permite definir o tempo de res-posta do conversor. Para reduzir o tempo de resposta pode ser usado um valor mais baixo, mas isso vai aumentar o erro para sinais com freqüências abaixo dos 100 Hz. O capacitor C14 assegura que apenas a componente AC do sinal é processada.
Módulo display com R8CO módulo do mostrador baseia-se no popular microcontrolador R8C/13 da Rene-sas (Figura 4). As ligações ao microcon-trolador (incluindo a programação através da interface RS232, cristal e painel LCD) são semelhantes ao apresentado na série de artigos sobre o R8C publicados na Elektor, em Outubro de 2006 [8] e Feve-reiro de 2007 [9]. O circuito integrado IC2 consiste num conversor analógico/digi-tal de 20 bits [10]. Este utiliza a técnica de conversão sigma/delta e pode supri-mir eficazmente a ondulação que surge sobreposta à saída do conversor RMS-DC. Para simplificar os cálculos necessários o conversor A/D dispõe de uma tensão
Características principais• Quatro gamas de medida: 0,1 V, 1 V, 10 V, 100 V.
• Largura de banda do voltímetro: 20 Hz a 1 MHz (precisão ± 1,0% no final de escala).
• Largura de banda do frequencímetro: 1 Hz a 10 MHz (típico), 25 MHz (máximo) (± erro base de tempo).
• Tensão de entrada mínima para frequencímetro: aproximadamente 50 mVRMS.
• Impedância de entrada: ≥ 1 M Ω || 50 pF.
• Base de tempo do contador: 100 ms, 1 s.
• Nível de disparo ajustável: cerca de ± 0,15 V.
• Auto-escala (pode ser desativado).
• Correção de desvio e facilidade de calibração.
• Ajuste automático de escala ou informação de frequência no display.
• Tensão apresentada em valor RMS ou pico-a-pico (para sinais de entrada senoidais).
• Fator de pico: ≤ 4.
• Duas entradas para medição.
Tabela 1. Valor médio absoluto versus RMS.
Assumimos uma amplitude média de sinal de 1 V. SCR (Silicon Controlled Rectifier) é usado como sinônimo das formas de onda existentes em circuitos de controle do ângulo de condução de sistemas AC.
Forma de onda Fator de pico Valor True RMS
[V]Erro ao usar o método do valor
médio absoluto [%]
Senoidal 1,414 0,707 0
Quadrada, 50% 1,0 1,0 +11,0
Triangular 1,73 0,577 –3,8
SCR, 50% 2 0,495 –28
SCR, 25% 4,7 0,212 –30
Voltímetro digital True RMS
O módulo do display inclui também o circuito de processamento, constituído por um microcontrolador, painel LCD, conversor analógico/digital e interface RS232.
A Figura 2 mostra o esquema do ampli-ficador de entrada, onde as várias partes do diagrama de blocos podem ser clara-mente identificadas. Como a tensão de entrada é AC, é usado um circuito divisor de tensão compensado em freqüência. Sem isto, o divisor de tensão formaria um filtro passa-baixa devido à capacidade de entrada do circuito seguinte, o que limi-taria severamente a freqüência máxima de funcionamento do sistema. Para evitar vários potenciais problemas associados à adaptação e a altas tensões de entrada, são usados relés para comutar o circuito divisor de tensão. A saída do divisor está adaptada ao amplificador através de um circuito clássico de conversão de impe-dância, usando um transistor FET duplo. Isto garante boa estabilidade até níveis DC [3].
60 elektor - 02/2010
Medição & TesTe
Figura 2. Diagrama do circuito do módulo amplificador, incluindo o divisor de tensão, amplificador e Conversor RMS-DC.
T1.B
T1.A
R1
47Ω
R2
47Ω
R3
27Ω
R4
27Ω
C9
1n
C7
27p
C6
10n
C5
10n
R5
47Ω
+5V
D1
BAS45
D2
BAS45
R6
100k
C8
10n
6
5
7IC1.A
9
10
8IC1.B
13
12
14IC1.C
RE1.B71
RE2.B71
RE3.B71
RE4.B71
R9
900k
R12
90k
R13
9k
R14
1k
C20
2p5...
C21
2p5...
C24
220p
C22
2n2
C25
220p
C23
22n
K335p
35p
R7
10k
LT1016
IC42
7
3
1
4
5
8
6
+5V
K2
R8
470k
R18
4k7
K4
RE1.A
3
5
1
2
3
4
RE2.A
3
5
RE3.A
3
5
RE4.A
3
5
+5V
10k
P1.A
10k
P1.B
R11
4k7
R10
4k7
+5V
R17
4k7
K5 C1
100n
C2
100n
C3
4μ7
C4
4μ7
C12
4μ7
C10
4μ7
C13
100n
C11
100n
R16
430Ω
R15
430Ω
C17
10μ
C18
10μ
C16
100n
C19
100n
D3
2V7
D4
2V7
+5V +2V5
IC111
4
+5V
LTC1968
VOUTIC3
CMS8
IN2
IN1
RTNEN
1
2 5
7
8
3
6
+2V5
C14
1μ
C15
10μ
K1
DC-RMS
Frequência de saída
-5V -2V5
-2V5
-5V
-5V
-5V
-5V
080331 - 11
Comparador de desvio
1MΩ/22p
T1 = PMBFJ620
Gamas de medidaMB1 ... MB4
Fonte de alimentação± 5V
RE1 ... RE4 = SIL7172-L-5V
IC1 = ADA4862-3
Conversor de impedâncias(alta para baixa)
Amplificador: Vu = 8 (18,06 dB)
Figura 3. Placa de circuito impresso para o amplificador.
080331-1©Elektor
V1.0
K1
K2
K3
1
1
11
1
1
1
IC1
C1
C2
C3
C4
T1R1
R2
R3
R4
C5 C
6
C7
R5
R6
D1
D2
C9
R7
R8
C10C11
C12
C13
R10R
11
IC3
C14
C15
D3
D4
C16
C17
C18
C19
K5
RE1
RE2
RE3
RE4
K4
R9
R12
R13
R14
C20
C21
C24
C25
IC4
P1
C8
C22
C23
R15
R16
R17
R18
Lista de componentes
Amplificador de medida Resistências: R1;R2;R5= 47 Ω (SMD 0805)R3;R4= 27 Ω (SMD 0805)R6= 100 kΩR7= 10 kΩ (SMD 0805)R8= 470 kΩ (SMD 0805)R9= 900 kΩ, 0,1%R10;R11= 4,7 kΩR12= 90 kΩ, 0,1%R13= 9 kΩ, 0,1%R14= 1 kΩ, 0,1%R15= 430 Ω (SMD 0805)R16= 430 Ω (SMD 1206)R17= 4,7 kΩ (SMD 0805)
6102/2010 - elektor
de referência de 2,048 V (IC3). Um fator importante é o coeficiente de temperatura deste dispositivo: com 10 ppm/°C, temos uma variação na tensão de referência de 0,02048 mV/°C.O conversor A/D envia o resultado da con-versão para o R8C através de uma porta SPI. A medição da freqüência é realizada
através do envio de pulsos para a entrada do contador CNTR0 do microcontrolador. Para que isto funcione, a largura do pulso deve ser de pelo menos 40 ns e o período de pelo menos 100 ns. Isto significa que podemos medir freqüências até 10 MHz, sem qualquer circuito pré-divisor.Existem quatro botões de pressão para a
interface com o utilizador. Ao pressionar S1 comutamos o sistema para o modo de seleção de escala manual (a seleção de escala automática permanece então desa-tivada até ao próximo reset). O botão S2 comuta a base de tempo (e, conseqüen-temente, a taxa de amostragem) entre 1 s e 100 ms.
O estado atual é indicado por um LED. Pressionar S3 durante algum tempo efetua uma correção do desvio; e S4 comuta para leitura do valor de amplitude pico-a-pico para sinais senoidais.O pino P01 do microcontrolador está ligado ao ponto de teste TP1, que é usado durante a calibração do módulo.
ConstruçãoA construção global da unidade é apre-sentada no diagrama de ligações (Figura 6) e na foto do protótipo (foto principal). Tenha atenção a correta polaridade dos relés (o símbolo + no encapsulamento corresponde ao ponto na placa de cir-cuito impresso). O FET duplo está bem montado quando o ponto no seu encap-sulamento (indicando o pino 1) está perto do ponto na placa de circuito impresso.
O circuito deve ser construído e acondi-cionado numa caixa metálica de modo a minimizar possíveis interferências (Figura 7). Os sinais DC estão ligados à entrada do amplificador através dos capacitores de passagem, e os sinais a serem medidos são ligados usando conectores SMA ou BNC. A saída do comparador (em onda quadrada) é feita também através de um conector SMA. Se o módulo for para incorporar no inte-rior de um gerador de funções, a saída do gerador deve ser ligada à entrada do módulo com o conector SMA, utilizando um cabo blindado.
O LCD, os quatro botões de pressão e o LED indicador da base de tempo são montados na parte da frente da placa do mostrador, com todos os outros compo-nentes na parte traseira da placa. Isto permite que a placa seja montada numa caixa compacta, como se tratasse de um módulo autônomo.
SoftwareVamos descrever a estrutura do software apenas em linhas gerais. Os detalhes podem ser encontrados no código fonte e no arquivo Dokumentation_Software.chm (criado usando a ferramenta gra-
Dois modos de calibração Método 1: 1. Ligue um osciloscópio à saída do IC1 do módulo amplificador, usando uma ponta de prova de 10:1.
2. Ligue K4.1 à massa: isto configura a máxima relação de divisão para a tensão.
3. Aplique uma onda quadrada simétrica com uma amplitude de cerca de 1 V à junção das resistências R12 e R13. Esta pode ser obtida, por exemplo, a partir da saída de calibração do osciloscópio.
4. Agora, deve selecionar o valor de C25 de forma a obter uma onda quadrada cuja qual deverá ser a mais perfeita possível na tela do osciloscópio. O valor apresentado no dia-grama do circuito é um bom ponto de partida. Uma abordagem é montar um capacitor de 100 pF na posição C25 e em seguida tentar adicionar capacitores de 100 pF e 220 pF em paralelo. Se tiver uma boa acuidade visual e uma mão firme pode soldar estes capacitores em formato SMD na face inferior da placa: isto facilita a sua substituição mais tarde.
5. Ative a próxima gama de medição colocando K4.2 à massa.
6. Aplique o sinal de onda quadrada à junção de R9 e R12.
7. Ajuste o capacitor variável C21 de forma adequada. Repita o procedimento para C20.
Método 2:Siga os passos 1 e 2 acima e, em seguida, aplique um sinal de onda quadrada simétrico à entrada do módulo amplificador. Agora, ajuste C25, C20 e C21 até obter um sinal de onda quadrada preciso na saída de IC1. Uma vez que os valores de C25, C20 e C21 afetam conjuntamente a resposta em cada gama de medida, é necessário efetuar consideravelmente mais tentativas do que na abordagem descrita acima. No entanto, o autor verificou que pode mais rapidamente levar a bons resultados.
Claro que é possível começar por utilizar o método um e depois passar ao método dois para fazer ajustes finos.
R18= 4,7 kΩ (SMD 0805)P1= 10 kΩ (Alps 290061)
Capacitores: C1;C2;C11;C13;C16;C19= 100 nF (SMD
0805)C3;C4;C10;C12= 4,7 μF/10 V (293D/A)C5;C6= 10 nF (SMD 0805)C7= 27 pF (SMD 0805)C8= 10 nFC9= 1 nF (SMD 0805)C14= 1 μF/10 V (SMD 0805)C15= 10 μF/10 V (SMD 0805)C17;C18= 10 μF/10 V (293D/A)C20;C21= ajustável 2,5-35 pF (C-TRIMM808-7.5)C22= 2,2 nFC23= 22 nFC24;C25= 220 pF
Semicondutores:
IC1= ADA4862-3 (SMD)IC3= LTC1968CMS8 (MSOP8)IC4= LT1016CS8 (SO8)D1;D2= BAS45 (1N4148)D3;D4= BZW55-2.7 (SMD)T1= FET PMBFJ620 duplo (NXP)
Diversos: Re1a Re4= SIL7271-L 5V ou MEDER
SIL05-IA72-71DK1;K2;K3= Barra de terminais de 2 viasK4;K5= Barra de terminais de 4 vias
2 conectores SMACaixa metálica Teko #372Conector BNC7 capacitores de 1 nFPCI (Ref.ª 080331-1).
62 elektor - 02/2010
Medição & TesTeTesTe & Medida
Figura 4. Diagrama do circuito da placa do display, com o microcontrolador, display, conversor A/D e circuito de tensão de referência.
C6
100n
C7
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6302/2010 - elektor
tuita de software Doxygen). Os arquivos hexadecimais e com o código fonte estão disponíveis no site da Elektor.
O software utiliza vários temporizadores e interrupções (temporizadores X, Y e Z). Se já foi efetuada alguma seqüência de cali-bração, a primeira coisa que o software faz quando é iniciado é carregar os valores de offset que estão armazenados na memó-ria flash do microcontrolador; caso contrá-rio, são carregados os valores por defeitos (e o display mostra LOAD DEFAULTS). O microcontrolador entra então num modo de espera. O temporizador TimerX está confi-gurado para o modo de contagem de even-tos, contando assim os pulsos na entrada CNTR0. É gerada uma interrupção quando o contador entra em overflow. A rotina de interrupção que é chamada incrementa então uma variável de contagem. Quando a interrupção do TimerZ é desencadeada (isto depende da base de tempo configu-rada, que pode ser cada 100 ms e cada 1 s) os valores da freqüência e da tensão são calculados e apresentados no display.O cálculo da freqüência entra em conta com o valor da variável de contagem, no TimerX, e no pré-divisor do TimerX. O valor da tensão é determinado através da leitura do conversor A/D via porta SPI. Apenas 12 dos possíveis 20 bits de reso-lução do conversor A/D são suficientes para efetuar este cálculo, o que automati-camente entra em conta com o ganho do amplificador e escala de medição.Devido ao atraso no conversor RMS-DC, encontrar automaticamente o melhor intervalo de medida demora apenas alguns segundos, durante o qual o mos-trador apresenta a mensagem BUSY. Se acontecer uma situação de sobrecarga o módulo comuta automaticamente para o próximo intervalo de medida mais elevado por razões de segurança e o display mos-tra a mensagem Overflow. Esta comutação automática acontece também no modo manual, embora o sistema permaneça no
modo manual após a mudança de intervalo de medida.
FinalizaçãoVamos abordar a configuração do amplifi-cador e da placa de display em separado. A programação do microcontrolador da placa do display está descrita resumidamente na secção Programação.A calibração do amplificador é uma tarefa um pouco mais complexa. Para essa tarefa é necessário um osciloscópio, um voltíme-tro digital (idealmente, um que consiga efetuar leituras True RMS) e um gerador de onda senoidal.
Primeiro, faça uma simples verificação ao conversor RMS-DC e ao comparador, para ver se estão funcionando corretamente. Depois, ligue os dois módulos um ao outro como se mostra na figura 6. Com a entrada curto-circuitada, se pressionar a tecla S3 vai armazenar o valor mostrado como sendo o valor de calibração do desvio da tensão (e o display apresenta então OFFSET SAVED, seguido por 0,0 mV).
Agora aplique uma onda senoidal com um valor RMS de 100 mV na entrada. Ligue o ponto de teste TP1 à massa e as leituras de tensão para a gama de medição mais baixa são calibradas (com o display a apresentar a informação CALIBRATION OK). A freqüên-cia do sinal senoidal deve ser escolhida de modo a obter a melhor precisão do voltíme-tro usado para comparação.
A calibração está assim concluída, e a uni-dade pode então começar a ser usada.
Outras possibilidadesO módulo pode ser construído para funcio-nar como um voltímetro autônomo ou como um sistema para ser integrado num gerador de funções. Neste último caso, em vez de ir através da entrada do circuito amplificador, a saída de sincronização do gerador pode ser ligada diretamente ao microcontrolador. A medição da freqüência pode ser usada para indexar uma tabela armazenada de modo a permitir a correção da resposta em freqüência do equipamento.
Figura 5. Placa de circuito impresso da placa de display.
080331-2©Elektor
V1.0
080331-2080331-2©Elektor
080331-2V1.0
A
4S3S2S1S
LCD1
LED5
Lista de componentesPlaca de display Resistências: R3;R5= 10 kΩ (SMD 0603)R4= 10 kΩR6= 33 kΩ (SMD 0603)R7= 4,7 kΩ (SMD 0603)R8= 100 kΩ (SMD 0603)R11;R12;R13;R14= 1 kΩ (SMD 0805)R15= 1 kΩ (SMD 0603)
Capacitores: C2;C4= 1 μF/10 V (SMD 0603)
C3;C6;C7= 100 nF (SMD 0603)C5= 4,7 μF/10 V (SMD 0603)C8= 18 pF (SMD 0603)C9= 27 pF (SMD 0603)C10= ajustável de 20 pF (C-TRIMMCTZ3)
Semicondutores: IC1= R8C13 (R5F21134FP, LQFP32)IC2= LTC2420CS8 (SO8)IC3= LT1790ACS6-2.048 (SOT23-6)D1a D4= 1N4148 (SOD323)T1= BC558C (SOT23)T2a T6= 2N7002 (SOT23)
LE1a LE4= LED verde (SMD 1206)LE5= LED de 3 mm
Diversos:LC1= LCD de 2x16 caracteresJP1= Barra de terminais de 2 vias, com ponte de
ligaçãoK1;K2;K3= Barra de terminais de 2 viasK4;K5= Barra de terminais de 4 viasX1= Cristal de quartzo 20 MHz (HC-49US12SMD)S1a S4= Botão de pressão (Schurter #1241.1614)S5= Botão de pressão (6 mm)PCI (Ref.ª 080331-2).
64 elektor - 02/2010
Medição & TesTeTesTe & Medida
Outra possibilidade seria a de arranjar maneira do software enviar as leituras através de uma interface RS232 para posterior processamento.
O microcontrolador tem uma memória de programa com 16 kB, dos quais são usados cerca de 5 kB. Isto dá margem de manobra mais do que suficiente para implementar novas funcionalidades. Os leitores são bem-vindos para entrar em contato com o autor [12], para falarem das suas idéias.
(080331-1)
Artigo original: True RMS Digital Voltmeter – June 2009
Internet[1] “Mini contador”, Elektor Nº 286, Elektor Nº 83, Fevereiro de 2009.
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Root_mean_square
[3] http://tietze-schenk.com/tsbook.htm
[4] http://www.analog.com/en/audiovideopro-ducts/video-ampsbuffersfilters/ada4862-3/pro-ducts/product.html
[5] http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId=H0,C1,C1154,C1086,P7526
[6] http://www.linear.com/pc/downloadDo-cument.do?navId=H0,C1,C1154,C1086,P1701,D24931
[7] http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId=H0,C1,C1154,C1004,C1012,P1225
[8] “Placa controladora de 16 bits – R8C”, Elektor Nº 55, Outubro de 2006.
[9] “Placa de aplicação para R8C”, Elektor Nº 59, Fevereiro de 2007.
[10] http://www.linear.com/pc/product-Detail.jsp?navId=H0,C1,C1155,C1001,C1152,P1823
[11] [email protected]
Figura 6. Diagrama de ligações das duas placas.
080331-1©Elektor
V1.0
K1
K2
K3
1
1
11
1
1
1
IC1
C1
C2
C3
C4
T1R1
R2
R3
R4
C5 C
6
C7
R5
R6
D1
D2
C9
R7
R8
C10C11
C12
C13
R10R
11
IC3
C14
C15
D3
D4
C16
C17
C18
C19
K5
RE1
RE2
RE3
RE4
K4
R9
R12
R13
R14
C20
C21
C24
C25
IC4
P1
C8
C22
C23
R15
R16
R17
R18
080331-2©Elektor
V1.0
080331-2080331-2©Elektor
080331-2V1.0
A
4S3S2S1S
LCD1
LED5
3
TXD
GND
RXD
2
RS232
Placa de display
Placa do amplificador de medida
Interno
Externo
+5V1
SUB-D9
K4
K5
K1
K2
K5
K1
K2 K3
K44x C = 1n
3x C = 1n
5 4
7 69 8
S1
080331 - 14
+5V -5V
Figura 7. O amplificador de medida deve ser montado numa caixa metálica.
Programação 1. Ligue o interface RS232 a um PC.
2. Instale a ponte de ligação JP1.
3. Pressione o botão de reset uma vez: isto ativa o modo de partida (boot loader) do microcontrolador.
4. Carregar o programa FreqCounter.mot no microcontrolador usando a ferramenta Flash Development Toolkit da Renesas no modo Basic.
5. Retire a ponte de ligação.
6. Pressione uma vez mais o botão de re-set. O programa vai então iniciar usando os valores dos parâmetros por defeito.