„Elektroniczny scyzoryk”, czyli wielofunkcyjny przyrząd warsztatowy

Podczas testowania jakiegoś układu często muszę przeszukiwać szufladę w poszukiwaniu przełącznika, potencjometru lub podobnego elementu. Potrzebuję go, by przetestować układ w różnych zakresach napięć, z innymi wartościami elementów lub z jakimś podzespołem wstawionym do obwodu albo wyjętym z niego. Zazwyczaj mierzę również – w jednym lub dwóch punktach – wpływ różnych zmian na układ.

Zauważyłem, że najczęściej sięgam po te same elementy: przełącznik, potencjometr 100 kΩ, generator sygnału sinusoidalnego, źródło napięcia sterującego 0...10 V.

Zestaw tych najczęściej używanych elementów byłby na stanowisku testowym czymś takim jak scyzoryk. Większość scyzoryków nie próbuje wywołać wrażenia, że zawierają wszelkie narzędzia, jakie kiedykolwiek będą potrzebne, ani że są to narzędzia absolutnie najlepsze. Scyzoryki oferują po prostu solidny zestaw przyborów podstawowych. Dzięki scyzorykowi dajemy sobie radę, jeśli narzędzia idealnego nie ma pod ręką lub nie zachodzi potrzeba sięgania po niego.

Koszt i złożoność układu zostały zredukowane dzięki sterowaniu przez interfejs sieciowy Wi-Fi. Nie było potrzeby stosowania wyświetlacza. Sterowanie zdalne oznacza, że układ można sprząc z oprogramowaniem do automatyzacji testów, jak np. TestController, i zautomatyzować wiele zadań wykonywanych na stanowisku testowym.

Funkcje i wydajność

Są scyzoryki o pojedynczym ostrzu, są też monstra o ponad trzydziestu funkcjach. W projekcie zdecydowaliśmy się na dziewięć funkcji i skupiliśmy się na tym, aby były one z jednej strony proste w stosowaniu, a z drugiej – w granicach rozsądku – odporne na błędy użytkownika.

Połączenia wejściowe i wyjściowe wykonano za pomocą zacisków sprężynowych i zapewniono dostateczną liczbę połączeń masy.

Dwa wejścia analogowe z zabezpieczeniem nadnapięciowym, o 16-bitowej rozdzielczości, mogą mierzyć napięcia stałe w zakresie ±10 V z dokładnością do kilku miliwoltów z doskonałą liniowością. Można również mierzyć różnicę napięć obu wejść (do 20 V), o ile ich potencjały znajdują się w podanym zakresie. Zakres można rozszerzyć, dołączając do wejść rezystancje szeregowe.

Napięciowe wyjście analogowe 0...10 V jest ustawiane w 256 krokach po około 40 mV. Dokładność nie jest tak wysoka jak dla wejść analogowych, ale 256 poziomów do większości zastosowań powinno wystarczyć.

Generator fali sinusoidalnej pracuje w zakresie 133 Hz...55 kHz. Generator ma dwa zakresy napięcia wyjściowego o poziomach odpowiednio 6 Vpp (2,1 Vsk) i 775 mVpp (0,27 Vsk). Wytwarzane częstotliwości są wielokrotnościami 133,33 Hz.

Oprogramowanie zaokrągla ustawiane wartości w dół do najbliższej wielokrotności. Pomimo sterowania z przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC) o tylko 8 bitach, szumy i zniekształcenia po filtrowaniu dolnoprzepustowym wynoszą w całym zakresie mniej niż 1,5%. Głównymi czynnikami przyczyniającymi się do powstawania zniekształceń są kroki napięcia DAC-a, szczególnie skok o kilka kroków w punkcie przejścia przez zero. Artefakty te są znacznie mniej widoczne przy ustawieniu większego poziomu wyjściowego. Zaleca się zatem używanie tego właśnie ustawienia. Gdy wymagane jest dokładniejsze ustawianie amplitudy sygnału, generator można połączyć z cyfrowym potencjometrem, co dla każdego z obu podstawowych ustawień poziomu wyjściowego zapewni dalsze 256 kroków ustawiania.

Dodatkową elastyczność w postaci obsługi ujemnych napięć na wejściu lub wyjściu zapewnia inwerter oparty na wzmacniaczu operacyjnym.

W zestawie znajdują się dwa różne przekaźniki. RLY1 to przekaźnik kontaktronowy SPST 350 mA, przydatny do przełączania małych sygnałów, natomiast RLY2 to przekaźnik SPDT 10 A, który może przełączać napięcia zasilania. Oba przekaźniki mają wskaźniki LED. Maksymalne zalecane napięcie na stykach każdego z przekaźnika wynosi 50 V – co podyktowane jest względami bezpieczeństwa podczas pracy warsztatowej, a nie parametrami samych przekaźników. Oba przekaźniki mogą się przełączać w czasie krótszym niż 10 ms.

Wejścia i wyjścia cyfrowe prowadzą do pinów wejścia/wyjścia w standardzie 3,3 V modułu ESP32 poprzez rezystory szeregowe, mające ograniczać prąd w przypadku dołączenia tych pinów do nieprawidłowego potencjału. Wejścia są zabezpieczone diodami Zenera. Tolerują napięcia do 20 V i poprawnie odczytują logikę 5 V. Wszystkie wejścia i wyjścia mają wskaźniki LED.

Zestaw funkcji uzupełnia 256-stopniowy potencjometr cyfrowy 100 kΩ. Użyliśmy typu, który pozwala na dołączenie jego zacisków do dowolnych potencjałów nieprzekraczających napięć zasilających ±15 V. Jeśli wolicie inną rezystancję (lub po prostu nie możecie dostać wersji 100 kΩ), możecie ją zastąpić inną wartością w ramach typu MCP45HV (5 kΩ, 10 kΩ lub 50 kΩ).

Cały układ jest umieszczony w obudowie UB1 i zasilany z zasilacza wtyczkowego 5 V. Do zasilania wzmacniaczy operacyjnych i potencjometru cyfrowego napięciem ±15 V wykorzystywany jest łatwo dostępny moduł przetwornicy podwyższającej. Napięcia zasilające ±15 V i +5 V są wyprowadzone z układu i mogą służyć do zasilania obwodów zewnętrznych. Przetwornica może dostarczyć 500 mA z +15 V i 200 mA z –15 V.

W stanie oczekiwania urządzenie pobiera z 5 V poniżej 100 mA, natomiast gdy oba przekaźniki są załączone, a wszystkie LED-y zapalone, pobór wzrasta do około 200 mA. Do zasilania urządzenia wystarczy więc zasilacz 1 A, choć, jeśli mają być zasilane rozbudowane układy zewnętrzne, zalecamy typ na 1,5 A.

Niezależnie jak duża jest sprawność przetwornicy, pobór prądu z zasilania 5 V będzie ponad trzy razy większy niż pobór z linii +15 V albo –15 V i ponad sześć razy większy niż pobór prądu układu dołączonego między tymi liniami.

W fazie uruchamiania urządzenie może być zasilane z zasilacza USB. Spadek napięcia na kablu USB może jednak powodować w module ESP32 wykrywanie zaniku napięcia zasilającego i skutkować powtarzającymi się w nieskończoność cyklami startu.

Układ ma elastyczny zestaw funkcji sterowanych zdalnie – choć samo urządzenie nie zawiera żadnych elementów sterujących! Zostało zaprojektowane specjalnie do współpracy z programem TestController i sterowania poprzez jego interfejs internetowy. Można sterować nim również poprzez polecenia tekstowe SCPI z monitora szeregowego USB w Arduino lub przez Telnet z programu terminalowego jak np. PuTTY. Szczegółowe informacje o zestawie poleceń SCPI i parametrach komunikacji znajdują się w podręczniku dostępnym w plikach do pobrania dołączonych do projektu.

Ustaliliśmy, że – w myśl koncepcji „scyzoryka„ – jako rezystory o wartościach krytycznych będą użyte łatwo dostępne typy o tolerancji 1%. Dokładność przyrządu „na dzień dobry” jest na poziomie kilku procent. Prosty proces kalibracji, wymagający użycia jedynie multimetru, zapewni dokładność analogową lepszą niż 1%. „Scyzoryk” nie będzie nigdy przyrządem precyzyjnym. Ma jednak wystarczającą dokładność, elastyczność i możliwości komunikacyjne, aby znacznie poprawić efektywność pracy na stanowisku testowym.

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz