LCD-meter
In een blokschema is de verdeling in blokken vaak tamelijk willekeurig. Bij ingewikkelde schakelingen heeft men meer aan een konsekwente funktionele verdeling. Daarbij komt dan heel gauw de gedachte op om een of meer van de blokken bij de praktische uitvoering te kombineren tot een "universele eenheid", die dan in verschillende apparaten kan worden toegepast.
In het volgende wordt een dergelijke eenheid beschreven. Oorspronkelijk was de schakeling bedoeld als uitlees-unit voor de termobarometer uit het septembernummer. Er blijken echter veel meer toepassingsmogelijkheden te zijn, zoals bijvoorbeeld als basisschakeling voor multimeters, als display voor meetapparaten, voltmeter voor voedingsapparaten, enz.
Een probleem bij de toepassing van elektronische aanwijsinstrumenten ("meters") is dikwijls hun "zwevende" ingang. Bij asymmetrische voeding uit hetzelfde apparaat waarvan de uitgangsspanning ten opzichte van massa moet worden gemeten, wordt namelijk een verkeerde waarde aangegeven. In dat geval moeten dus andere maatregelen worden getroffen.
De schakeling die met een enkel IC en slechts een klein aantal diskrete komponenten kan worden opgebouwd, vraagt maar weinig ruimte. Het gebruikte IC, een 3½ digit analoog/digitaalomzetter (wat een woord!) van het type ICL7106 van Intersil, heeft automatische nulkorrektie, automatische polariteitsindikatie, een ingebouwde clock-generator en een referentiespanningsbron. Bovendien biedt het de mogelijkheid een display te sturen, een externe referentiespanning aan een verschil-ingang aan te sluiten en een overloop aan te geven.
De schakeling
Figuur 1 toont de komplete schakeling van de "meter", die in wezen een gewone digitale spanningsmeter is. Zoals uit het schema blijkt, zijn er slechts weinig komponenten nodig. VMOS-FET T1 verzorgt de sturing van de decimale punt en kan desgewenst weggelaten worden. Weerstand R5 en kondensator C2 zijn de frekwentiebepalende komponenten van de ingebouwde clock-generator. De frekwentie bedraagt ongeveer 45 kHz. Hiervan wordt de meetcyclus afgeleid. Het dual-slopeproces voor de meting wordt elke sekonde driemaal doorlopen en bestaat uit drie fasen, namelijk: automatische nulkorrektie, signaalintegratie en tenslotte referentie-integratie. R6 en C5 maken deel uit van de voor dit proces nodige integratie-schakeling.
Figuur 1. Principeschema van de elektronische spanningsmeter. Deze bestaat uit een DVM-IC en een uitlezing met vloeibare kristallen. Door de voeding te wijzigen kan de ingang vrij van massa worden gemaakt.
Kondensator C4 is de kondensator voor de automatische nulkorrektie; bij juiste dimensionering verschijnt "000" op het display als de ingang wordt kortgesloten. Kondensator C3 wordt tijdens de nulkorrektiefase opgeladen en ontlaadt tijdens de laatste fase van de meetcyclus. Het IC bevat een referentiespanningsbron die slechts een geringe gevoeligheid voor temperatuur-variaties heeft. Deze referentiespanning bedraagt ca. 2,8 V en is aanwezig tussen de punten 1 (+UB) en 32 (COMMON). Van deze spanning wordt de referentie voor de integrator afgeleid. De gewenste "volle-schaalspanning" van de uitlezing is precies gelijk aan tweemaal de referentiespanning. Als de "volle-schaalspanning" bijvoorbeeld 200 mV (eigenlijk 199,9 mV) moet bedragen, dient de referentiespanning op 100 mV te worden afgeregeld. De spanning kan worden ingesteld met trimpotmeter P1 en wordt toegevoerd aan pen 36 (REF HI). De ingangsspanning, dus de te meten spanning, wordt aangesloten op de punten "IN HI" en "IN LO". Voor spanningen groter dan 200 mV is een spanningsdeler bestaande uit de weerstanden R7 en R8 nodig (bijv. R8 = 120 k voor 2 V-bereik, R8 = 12 k voor 20 V-bereik of R8 = 1k2 voor 200 V-bereik). Omdat in deze gevallen de spanning niet precies in de verhouding 1:10 wordt gedeeld, moet de uitslag met P1 worden gekorrigeerd. Toepassing van een "echte" omschakel-bare ingangsspanningsdeler heeft natuurlijk voordelen. In dat geval is R8 overbodig.
Voeden en meten
Bij een elektronische spanningsmeter bestaat een verband tussen de wijze waarop de schakeling wordt gevoed en de wijze waarop kan worden gemeten.
Symmetrische voeding en meetingang eenzijdig aan massa
De voeding kan worden verzorgd door een gestabiliseerd voedingsapparaat voor ±5 V. In dat geval kunnen de kombinaties R1/D1 en R2/D2 worden weggelaten (de plaats van de weerstanden uiteraard doorverbinden!). Bij hogere spanningen zijn deze komponenten wel nodig en kunnen als volgt berekend worden:
In beide gevallen wordt op de print draadbrug "B" gemonteerd.
Asymmetrische voeding en zwevende meetingang
Hierbij doet zich het probleem voor dat IC1 alleen spanningen kan verwerken die liggen tussen 0,5 V lager dan +UB en 1 V hoger dan -UB. Wordt "IN LO" verbonden met -UB, dan kunnen alleen spanningen van 1 V of meer worden gemeten en deze worden bovendien door de schakeling foutief geinterpreteerd. Zo gaat het dus niet. Daarom wordt de asymmetrische voeding aangesloten op de punten +U en -U, D1 en D2 vervallen, R1 en R2 worden vervangen door een draadbrug en tevens wordt de draadbrug "A" op de print aangebracht. Op deze wijze ontstaat een meetingang die vrij van massa ligt.
Als asymmetrische voeding wordt hier een 9 V-batterij gebruikt. Die houdt het bij een maximale stroomopname van 1,2 mA ongeveer 200 uur uit.
Opbouw
De print-layout en de komponentenopstelling zijn in figuur 2 weergegeven. Het valt direkt op dat de print zeer klein van afmetingen is. Voor het IC wordt een 40-pens IC-houder op de print gesoldeerd. Om het display te kunnen aanbrengen, moeten de nodige kontakten (van het "verkrijgbaar-per-meter"soort) op de koperzijde van de print worden gesoldeerd. Dat is een werkje dat de nodige precisie vereist. Denk er wel aan dat het display van glas is gemaakt en dat is nogal breekbaar! Ook is het mogelijk het display direkt op de kopereilandjes te solderen.
Figuur 2. Koper-layout en komponentenopstelling van de print. Voor het IC wordt een IC-houder gebruikt, het display wordt in opgesoldeerde IC-kontakten gezet.
| R1,R2 | 2k2 (zie tekst) |
| R3 | 22 k |
| R4,R7 | 1 M |
| R5 | 100 k |
| R6 | 47 k |
| R8 | 120 k (zie tekst) |
| P1 | 2k5, 10-gangstrimpot |
| C1 | 10n |
| C2 | 100 p |
| C3 | 100 n |
| C4 | 470 n |
| C5 | 220 n |
| D1,D2 | zener 4V7, 400 mW (zie tekst) |
| T1 | BS170 |
| IC1 | ICL 7106 |
| LCD | 3½-digit, standaard uitv. 13 mm cijferh. bijv. Data Modul 43D5R03; Hamlin 3901 of 3902; SE 6902 en printvoet |
Als display kunnen diverse fabrikaten worden toegepast, in de onderdelenlijst zijn enkele types genoemd. Wanneer men op het display geen markering voor pen 1 kan zien, kan men het scheef in het licht houden om de plaats van de decimale punten te ontdekken. Het display wordt dan zodanig gemonteerd dat de decimale punten aan de "onderzijde" liggen, waarbij deze "onderzijde" zich aan de kant van de markering "1, 2, 3, M" bevindt.
Afregeling
De afregeling verloopt zeer eenvoudig. Aan de ingang wordt een bekende spanning aangesloten. Met P1 stelt men vervolgens de uitlezing op deze waarde in. Daarbij is het natuurlijk wel belangrijk dat, met een spanningsdeler aan de ingang of met R8, de meter voor het juiste meetbereik geschikt is gemaakt. Tenslotte kan men de meter gedurende een aantal uren met een nauwkeurige DVM vergelijken en een eventuele afwijking korrigeren.
Toepassing
In het begin van dit artikel is al iets over de veelzijdigheid van deze elektronische voltmeter geschreven. Om ten opzichte van massa te kunnen meten zonder gebruik te maken van batterijvoeding, moet een symmetrische voeding beschikbaar zijn. Dat betekent dat als men bijvoorbeeld de meter wil gebruiken voor het meten van een netvoedingsapparaat, men een negatieve spanning uit de bestaande voeding moet kreëren.
De aansluiting op de termobarometer uit het septembernummer levert geen problemen op. De voeding vindt plaats uit het voedingsapparaat van de termobarometer. +U van de meter wordt direkt met de pluspool van C8 en -U met de minpool van C9 verbonden. De nul wordt met de pluspool van C9 verbonden. Verder is draadbrug "B" nodig. Ingang "IN LO" wordt niet aangesloten. "IN HI" wordt via een omschakelaar verbonden met de temperatuur- en met de drukuitgang. Een tweede schakelaardek is nodig om de decimale punt DP1 te kunnen inschakelen bij de temperatuurmeting.
Wil men ook de vochtsensor kunnen aansluiten, om op deze wijze een klein weerstation te bouwen, dan heeft men een dubbelpolige omschakelaar met 3 standen nodig.
De afregeling van de termobarometer wordt uitgevoerd zoals beschreven in het septembernummer. Vervolgens wordt met P1 de digitale meter zo ingesteld dat de waarde van de referentiedruk op het display wordt weergegeven.