Arduino-metr. Часть 1. Напряжение.

Казалось бы, что может быть проще чем что-то измерить с помощью Arduino, но и тут есть несколько подводных камней. Давайте с ними и попробуем разобраться.

Нет ничего проще, чем измерить напряжение. Присоединяем один проводник к аналоговому входу, второй к контакту GND и все, вольтметр готов. Осталось в скетче воспользоваться стандартной функцией analogRead().

Умножили считанное значение на 5 (максимально измеряемое входом напряжение в вольтах) и поделить на максимальное значение выдаваемое АЦП (1023).  В принципе все хорошо, с учетом, что формально точность измерения составит 0.005 вольта (5 милливольт).  Это не только минимально измеряемое напряжение, но и погрешность измеренного напряжения.

Но нам часто необходимо измерять и другие напряжения, более 5 вольт. Как быть тут? Можно воспользоваться уже накопленным до нас опытом и взять например схему любого простого стрелочного прибора, изготовленного в 20 веке 🙂 

Как видно из схемы, для постоянного напряжения используется обычный резистивный делитель, которым и мы можем воспользоваться в схеме с Arduino. Только вместо измерительной головки прибора, мы подключим аналоговый вход Arduino, а для каждого диапазона измерений будем просто использовать свой коэффициент умножения. Не забывая при этом, что на диапазоне измерения ниже 5 вольт у нас заметно вырастает погрешность измерения, а на диапазонах напряжения от 100 вольт и выше, необходимо соблюдать осторожность, поскольку это напряжение опасно для жизни.

С постоянным напряжением разобрались, а как быть с переменным? В схеме прибора Ц20 есть переключатель, который направляет переменное напряжение, перед измерением, на выпрямительный участок схемы. Где из переменного напряжения у нас получается вполне себе постоянное, которое в дальнейшем можно измерить обычным методом.

Но и тут у нас есть подводный камень. Давайте посмотрим на вольт-амперную характеристику выпрямительного диода.

Как видим, он имеет не линейную. характеристику, что скажется на полученном нами уровне постоянного напряжения после выпрямления. Конструкторы прибора знали об этом и учли эту особенность при градуировке шкалы прибора.

Как видите, шкала измерения переменного тока, в отличии от шкалы постоянного, не линейная и имеет в самом начале даже пустой фрагмент. Если нелинейность шкалы вызвана нелинейной характеристикой выпрямительного диода, то пустой участок вначале шкалы вызван особенностью диодов, не выпрямлять напряжения менее определенной величины (при малых напряжениях P-N-переход диода еще не «открывается»), обычно это напряжение составляет доли вольта.   Но с учетом нашей измерительной системы, мы получим в начале шкалы небольшой интервал напряжений (до 0.5-0.7 вольта), при которых нечего будет измерять. Этот момент необходимо так-же учитывать.

Про методику, как описать нелинейность нашей шкалы, с учетом установленных в выпрямитель диодов и прочих элементов, я уже писал ЗДЕСЬ .

И возможно, через некоторое время, на вашем столе будет красоваться примерно вот такой симбиоз технологий 20 и 21 века.

Один минус, изделию из прошлого века не требовалось питание для измерения напряжений, но там и точность измерений была похуже.