Настольный цифровой вольтметр 4½ разряда c ЖК-индикатором

В цифровых вольтметрах на 4½-разрядном АЦП ICL7135, опубликованных, например, в [1, 2], измеренное напряжение отображают цифровые семисегментные светодиодные (англ. аббревиатура – LED) индикаторы. Для таких измерительных приборов заслуживает внимания применение цифровых индикаторов на жидких кристаллах – ИЖЦ (англ. аббревиатура – LSD). Это приводит к значительному снижению токов потребления и, как следствие, влияние собственных помех на показания приборов исключается без превентивных мер, свойственных динамической индикации управления LED-индикаторами. Уже эти факторы обусловили массовый промышленный выпуск приборов с ИЖЦ, в том числе портативных мультиметров.

Схема вольтметра на 4½-разрядном АЦП и ИЖЦ приведена на рис. 1.

Основные технические характеристики

Максимальное измеряемое входное напряжение, В⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅±19,999
Входное сопротивление, МОм⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅11,1
Разрешение, мВ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅1
Погрешность при максимальном значении измерения, % *⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅0,005
Частота обновления показаний, Гц⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅2,5
Напряжение питания в пределах, В⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅1–4,2
Номинальное напряжение питания, В⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅3,7
Ток потребления при номинальном напряжении, мА⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅2,1
Габаритные размеры, мм⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅72×102×19

* В диапазоне температур от 15 до 30ºС.

АЦП на микросхеме DD1 ICL7135CN включён по типовой схеме [3]. Прецизионный источник опорного напряжения выполнен на микросхеме DA1 LM285D-1,2RG с ТКН не более ±30 ppm/°C [4]. Требуемый для работы АЦП внешний тактовый генератор с частотой 100 кГц собран также по типовой схеме – схеме Пирса на логическом элементе НЕ в составе микросхемы DD2 HEF4060BE, содержащей 14- битный двоичный счётчик. С выхода Q9 счётчика импульсная последовательность формы меандр частотой 97,7 Гц (поделённая на 2¹⁰ тактовая частота) и амплитудой 5 В служит управляющим напряжением индикатора HG1 типа ИЖЦ-09-5/7. Управляющее напряжение поступает на его общий вывод COM и на входы P микросхем DD2–DD7, на выходах которых для отображения цифр и символов формируются напряжения, противофазные управляющему.

В приборах на АЦП серии 7135 ситуация перегрузки, когда напряжение между входами IN+ и IN− превысит значение ±1,9999 вольта, сопровождается изменениями выходных сигналов АЦП. Так, на выходах данных В1–В8 – уровни лог. 0. На выходе перегрузки OR вместо уровня лог. 0 – импульсная последовательность формы меандр с частотой обновления показаний. На D1–D5 импульсы динамической индикации следуют уже не непрерывно, а пачками с частотой обновления, что и вызывает на LED-индикаторах мигание нулей (0-0-0-0) в четырёх младших разрядах.

Для аналогичного отображения перегрузки на ИЖЦ разработчики АЦП рекомендуют применить специализированную БИС ICM7211A, плюс несколько дополнительных логических микросхем (Figure 9 [3]). Это усложняет схемное решение и увеличивает габариты прибора. Конечно, индикацию перегрузки можно упростить, задействовав в ИЖЦ символ «←» (Figure 10 [3]) или неиспользуемую десятичную точку DP, но визуально это малозаметно. В настоящее время нетрудно найти отечественные дешифраторы К176ИД2, которые, помимо сигналов управления семисегментными индикаторами, имеют как строб-входы ST, так и входы BI (Blanking Input) – входы гашения. Подача с выходов D1–D4 АЦП импульсов динамической индикации в качестве стробирующих на входы ST дешифраторов и импульсов гашения с выхода OR на входы BI обеспечит отображение перегрузки на ИЖЦ, идентичное «светодиодной». Четыре таких дешифратора DD3–DD6 в вольтметре без каких-либо дополнительных элементов заменили «набор» с ICM7211A и заняли на печатной плате меньшую площадь. Подобное схемное решение с применением К176ИД2 было успешно реализовано автором значительно ранее в электронных часах-таймере [5], содержащих микросхему К176ИЕ18, тоже вырабатывающую импульсы динамической индикации.

В старшем разряде D1 индикатора HG1 отображаются символы: «L» (Low Bat) из сегментов 1F, 1E, 1D; «1» – 1B, 1C; «─» (минус) – 1G, а в разряде D2 – десятичная точка DP2. Для их отображения применена микросхема DD7 HCF4054BE – драйвер управления ИЖЦ. Драйвер содержит четыре стробируемые защёлки на DL-триггерах и четыре выходных усилителя управляющего напряжения ИЖЦ. Выходные напряжения формируются из сигналов на соответствующем D-входе и общем входе P как результат логической операции «исключающее ИЛИ». При измерениях отрицательных напряжений для отображения символа «─» (минус) сегментом G1 ИЖЦ дополнительно установлен инвертор на элементах VT2, R15.

Стабильное напряжение питания +5 В выдаёт повышающий преобразователь, выполненный на микросхеме DA3 NCP1402SN50T1. КПД преобразователя при напряжении на входе 3,7 В не хуже 0,925. Для получения на малых токах максимального КПД следует правильно выбрать параметры дросселя L2 [6]. В данном случае его индуктивность должна быть в пределах 220…360 мкГн, а активное сопротивление – не более 2 Ом. Автор применил дроссель серии ЕС36. Напряжение питания –5 В получено от преобразователя серии 7660A (DA2) на коммутируемых конденсаторах. Образцы серии 7660S, взятые на тестирование из трёх разных источников, почему-то имели повышенное внутреннее сопротивление. Узел слежения за разрядом аккумулятора собран на транзисторе VT1 и описан автором в [7].

Для получения высокой точности измерений необходимо при выборе некоторых электронных компонентов соблюдать следующие рекомендации.

1. Источник опорного напряжения DA1 должен обладать ТКН не хуже ±50 ppm/°C.
2. Резисторы R2, R4, R8 и R9 – металлоплёночные (Metal Film) с допуском ±1% и ТКС ±100 ppm/°C, лучше ±50 ppm/°C. Например, серии MF25 или MBB0207.
3. Конденсаторы С1, С3–С5 – металлоплёночные, номинальное напряжение 63 В или 100 В.
4. Интегрирующий конденсатор С2 для ICL7135CN рекомендован в [8] с диэлектриком как из полипропилена, так и из полиэстера. Полипропиленовые конденсаторы предпочтительнее, но более габаритны. Были испытаны полипропиленовый серии CBB22 0,47 мкФ 630 В и с диэлектриком из полиэстера серии MKS2 0,47 мкФ 63 В (WIMA). При подаче на вход «Uвх» напряжений от 10 мВ до 10 В показания при смене конденсаторов совпадали, хотя при тесте на абсорбцию переносом входа IN+ (IN HI) АЦП на вход REF+ они были соответственно 9996 и 9990. АЦП с его разрешением не «почувствовал» разницу в абсорбции. Установлен конденсатор из полиэстера как менее габаритный.

Резисторы: R1, R5–R7, R10–R14 – С2-33 0,125 Вт; R15 – поверхностно монтируемый, типоразмера 0805 (SMD 0805); подстроечный резистор R3 – много­оборотный серии 3296 исполнения P.

Конденсаторы: С6, С7 – К10-17Б имп.; С8, С9, C12 – SMD 1206; C10 – SMD 0805; оксидный С11 – SMD, типоразмера С; С13 – типоразмера В.

Дроссель L1 – серии ЕC24.

В АЦП серии 7135 имеется функция HOLD, позволяющая зафиксировать отображаемое на индикаторе измеренное значение. Для её включения задействована кнопка с фиксацией SB1 типа 1208YD.

Шаблон печатной платы вольтметра в формате программы Sprint-Layout 6.0 приведён на сайте редакции, а в формате BMP на рис. 2. Её размеры 67×82 мм. Аналоговый и цифровой полигоны общего провода раздельные и соединены в одной точке резистором нулевого сопротивления R0 типа SMD 0805. До монтажа резистора следует убедиться в отсутствии замыканий между полигонами.

ИЖЦ-09-7/5 подключён к плате прибора через две токопроводящие резиновые полоски «зебра». Он накрыт каркасом, склеенным из тонкого листового полистирола, с окном под экран (рис. 3). 

Для крепления каркаса на его боках имеются по две лапки с зубцами, направленные к кромкам платы. «Зебры» укладывают на контактные площадки платы, сверху – индикатор, его накрывают каркасом и весь пакет прижимают к плате до фиксации зубцов на кромках. На контактных площадках имеются два ряда сквозных отверстий под пайку (рис. 2), что позволяет установить в них ИЖЦ с гибкими выводами, например, ИЖЦ2-5/7. Соединения отверстий с выходами микросхем DD2–DD7 выполнены отрезками провода МС 16-13 сечением 0,07 мм².

Чертёж печатной платы блока питания и расположение элементов приведены на рис. 4. Плата изготовлена из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита. Медная фольга на стороне платы, не содержащей элементы, служит полигоном общего провода. Для соединения выводов элементов с полигоном в сквозные отверстия контактных площадок вставлены и пропаяны с обеих сторон отрезки одножильного монтажного провода. На расположении элементов эти отверстия отмечены чёрным цветом.

Конструкция вольтметра предусматривает установку двух источников питания (ИП). Основной – G1 – литий-полимерный аккумулятор, размещён на нижней стороне платы (рис. 5, поз. 1) слева от блока питания (поз. 2). Ёмкости 1600 мА∙ч хватает на месяц непрерывной работы прибора. Второй ИП (поз. 3) – резервный, типоразмера ААА (мизинчиковый), можно установить как аккумулятор, так и гальванический элемент. Для переключений ИП установлен угловой движковый микропереключатель MK-22D10 (поз. 4). Заряжают аккумуляторы через гнездо DS-212 (поз. 5). Гнездо, микропереключатель и резервный ИП на рис. 1 не показаны.

В налаживании вольтметр достаточно прост. Сначала на плате монтируют микросхему DD2 с элементами генератора. Подборкой резистора R11 добиваются минимального тока, потребляемого микросхемой (около 50 мкА). После завершения монтажа вольтметра показания калибруют движком подстроечного резистора R3, а при напряжении аккумулятора 3…3,15 В подбором номинала резистора R13 выставляют появление в разряде D1 индикатора HG1 символа «L» (Low Bat).

Автор выражает признательность коллеге Вадиму Мусияке за создание 3D-модели корпуса прибора и его изготовление на 3D-принтере, а также Рашиду Соколову за изготовление печатных плат на промышленном оборудовании.

Литература

1. Коротков И. Вольтметр на ICL7135 // Радио. 2004. № 9. С. 33, 34.
2. Бирюков С. Настольный вольтметр на 4½ разряда // Радио. 2024. № 8. С. 29–32; Радио. 2025. № 1. С. 29–31.
3. ICL71356. URL: https://pl-1.org/getproductfile.axd?id=12730&filename=icl7135.pdf (дата обращения: 25.08.2025).
4. LM285. URL: https://static.chipdip.ru/lib/401/DOC040401901.pdf (дата обращения: 25.08.2025).
5. Глибин С. Часы-таймер с будильником // Радио. 1994. № 7. С. 22–25.
6. Глибин С. Микромощный преобразователь напряжения с высоким КПД // Радио. 2017. № 5. С. 23.
7. Глибин С. Узел контроля разрядки литиевого аккумулятора // Радио. 2019. № 4. С. 20.
8. ICL7135C, TLC7135C 4 ½-DIGIT PRECISION ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTERS. URL: https://pl-1.org/getproductfile.axd?id=12730&filename=tlc7135.pdf (дата обращения: 25.08.2025).

© СТА-ПРЕСС, 2025