PC-Spannungsmessung

1. Aufgabenstellung

Realisierung einer geeigneten Schaltung zur Spannungsmessung am PC, die folgende Kriterien erfüllt:

 

·        genaue Spannungsmessung mit vierstelliger Anzeige

·        Messung von ungefährlichen Spannungen, die aber im Amateurbereich vorkommen:
in den Messbereichen 0 bis 4V und 0 bis 40V

·        Messung von Gleichspannung, unabhängig der Polarität

·        Schutz des Messadapters und der PC-Schnittstelle vor Überspannung

 

Die PC-Spannungsmessung wird erst durch die Software des PC interessant, denn ein preiswertes Multimeter bietet mehr als der Messadapter kann. Deshalb sind an die Software folgende Anforderungen gestellt:

 

·        Umwandlung der vom AD-Wandler kommenden Daten in Spannungsmesswerte

·        Großflächig Anzeige der Messdaten

·        Grafische Darstellung der Spannungswerte in einem Diagramm mit hoher Auflösung, in Abhängigkeit vom zeitlichem Verlauf

·        Einstellung verschiedener Zeitkonstanten

·        Abspeichern der Messdaten für eine spätere Auswertung (evtl. mit Excel)

 

Die Programmierung wurde von Uwe Seidel übernommen, bei dem ich hiermit bedanke !

2. Technische Daten

 

Zweckbestimmung:                          Messung von Gleichspannungen beliebiger Polarität bis 40V (Schutzkleinspannung) und Auswertung am PC

Auflösung:                                         12 Bit

Abtastrate:                                        8,8 µs

Messbereiche:                                 a)        0 – 4,095V

b)                 0 – 40,95V

Messbereichsumschaltung:            manuell vom PC, über parallel Schnittstelle

Eingangswiderstand:                      300 kΩ

PC-Schnittstelle:                              Centronics (parallele Schnittstelle)

Absoluter Fehler:                             +/- 0,9 %

Stromversorgung:                            230V/50Hz Wechselspannung

Überspannungsschutz:                    durch Schutzdioden im aktiven Gleichrichter

 

 

3. Blockschaltbild des Messadapter

 

 

Textfeld: Eingang

 

4. Realisierung

             

Zunächst wurde eine einfache Schaltung zur Spannungsmessung am PC bis 4V entwickelt. Dieser hier nicht genauer beschriebene Aufbau sollte der Veranschaulichung der Funktion des AD-Wandlers und als Versuchsschaltung für die spätere Erweiterung dienen.

Er wurde in ähnlicher Form in [1] veröffentlicht. Zwei MAX 187 in „Wide SO“ Gehäuse (SMD) wurden von der Firma MAXIM zum Nulltarif bezogen. Diese Versuchsexemplare kann man sich auf der Homepage von MAXIM http://www.maxim.de bestellen.

Die maximale zu messende Spannung beträgt 4,095V bei einer Auflösung von 12 bit.
Die einfache Schaltung, aber auch die erweiterte Schaltung, werden direkt an den Parallelport des PC angeschlossen. Mit dem in [1] beschriebenen Turbo-Pascal-Programm sind erste Versuchsmessungen möglich.
Inzwischen wurde von Uwe Seidel ein Windowsprogramm zur Anzeige, sowie zur grafische Darstellung und Speicherung der Messwerte geschrieben.


4.1.      AD-Wandler

 

Kernstück der rechnergestützten Spannungsmessung ist der AD-Wandler  MAX 187 (Abbildung 1). Er besitzt eine interne Referenzspannungsquelle, deren Ausgangsspannung so gewählt ist, dass bei 12 Bit- Auflösung jede Stufe exakt 1mV beträgt.
Der Wandler ist relativ schnell und benötigt nur 8,8µs für eine komplette Konversion. Für die Kommunikation mit seiner Umwelt verfügt der MAX 187 über ein Dreidrahtinterface, das mit einem externen Taktsignal von maximal 5 MHz gesteuert werden kann. 
Die Versorgungsspannung muss genau 5 V betragen.
Da nicht jeder PC, insbesondere Laptops, über diese Spannung am Parallelport verfügen, ist es sinnvoll, die Schaltung extern zu versorgen und mit einem 78L05 zu stabilisieren.
Die Stromaufnahme des IC ist abhängig von der Anzahl der Wandlungen pro Sekunde und liegt bei maximal 2 mA.

 

Abb.1

Pin 1 wird die Versorgungsspannung (VDD) = 5 V zugeführt. An Pin 3 (AIN) gelangt das zu wandelnde Signal direkt zu einer Track & Hold-Stufe.
Ist PIN 6 (SHDN) low, geht das IC in den Stromsparmodus über und verbraucht lediglich 10µA. Legt man den Anschluss auf High wird der Wandler wieder aktiviert. Bei offenen Pin 6 ist er ebenfalls aktiv, allerdings ist dann die interne Referenzspannungsquelle abgeschaltet. Jetzt muss eine externe Referenzspannung von 2,5 bis 5 V an Pin 8 angelegt werden. Abbildung 2 zeigt die Pinbelegung.
Bei aktivierter interner Referenzspannungsquelle  (SHDN High), kann am Pin 8 die Referenzspannung von
4,096 V abgegriffen werden.
Als analoger Massepunkt dient Pin 10 (AGND), der mit dem digitalen Massepunkt 11 (DGND) verbunden
wird. Mein Versuch AGND von DGND zu trennen brachte eine Messabweichung von 85 mV. Kalibriert
wurde mit den Digitalmultimetern „Fluke 85“ und einem Voltkraft   „M3850“.

 

 

Abb.2


                                                                                                                                                                                   Abb.3

Das digitale Ausgangssignal wird im Rhythmus des Taktsignals (SCLK), welches von der parallelen Schnittstelle kommt und an Pin 16 anliegt, ausgegeben und erscheint an Pin 12 (DOUT). Am noch nicht genannten Anschluss CS (Pin 15) startet eine negative Flanke den Wandlungszyklus. Während CS High ist, bleibt der Datenausgang gesperrt und nimmt eine hohe Impedanz ein.
Abbildung. 3 verdeutlicht das Zusammenspiel der Signale im Impuls- Zeitdiagramm.

 

5.                Der Messadapter

 

 

In diesem Beitrag sind keine Berechnungen enthalten, da die im Formeleditor erzeugten Berechnungen  in der Webansicht nicht dargestellt werden.
Ausführliche wird das Projekt im Dokument mes.pdf beschrieben. Dieses steht  im Downloadbereich zur Verfügung.

 

Die bisher vorgestellte Schaltung mit dem MAX 187 ermöglichte das Messen einer positiven Gleichspannung im Bereich von 0 bis 4,095 V. In der Elektronik kommen aber meist Spannungen bis  40 V vor. Außerdem ist nicht immer die gewünschte Polarität vorhanden.

Deshalb wird hier ein Messadapter vorgestellt, der mit einem Spannungsteiler von 10:1 den Messbereich erweitert.

Er besteht aus den MOSFET- Operationsverstärkern  IC 1 und IC 2 mit Zusatzbeschaltung. Der Messadapter enthält auch Dioden mit denen er zum aktiven Gleichrichter wird. Er wandelt Gleichspannungen beliebiger Polarität in betragsgleiche positive Spannungen für den MAX 187 um.

 

5.1. Eingangsspannungsteiler

 

Abbildung 5 zeigt den Eingangsspannungsteiler.

Das zu messende Signal wird über die PAD1 und PAD2 dem umschaltbaren Spannungsteiler zugeführt. Dieser besteht aus den Widerständen R1 und R2.

                                  

Der Eingangswiderstand beträgt 300kΩ und ist in beiden Messbereichen gleich.

Im Messbereich 4 V wird die Eingansspannung nicht geteilt. Im Messbereich 40 V wird sie im Verhältnis 10:1 geteilt.
Die Widerstände haben eine Toleranz von 0,1% (Conrad) und wurden zusätzlich ausgemessen.
Für R2 konnte ich ein geeignetes Exemplar finden. Hier kann auch 330kΩ||33kΩ  0,1% verwendet werden.

Bei einer Ue von 40 V fließt ein Querstrom von 133µA. Die Leistung, die dabei über R1 und R2 abfällt, beträgt 5,3 mW.
Deshalb sind keine besonderen Anforderungen an die Belastbarkeit der Widerstände gestellt.
4V ist die maximal zulässige Eingangsspannung für den A/D-Wandler MAX 187. Damit diese nicht überschritten wird, sind
Schutzschaltungen vorhanden, deren Funktion später noch beschrieben wird.

Das Relais REL1 wird von der Software über die parallele Schnittstelle aktiviert. Eine automatische Messbereichsumschaltung
kam hier bewusst nicht zum Einsatz. Für Langzeitmessungen sollte man vorher wissen, welcher Messbereich dafür in Frage

       kommt.

5.2. Aktiver Gleichrichter

 

 

 

Abb. 6 zeigt den aktiven Gleichrichter. Die verwendete Schaltung beruht auf einen geringfügig modifizierten Vorschlag aus [2]. Für die Operationsverstärker (OV) IC1 und IC2 sind Typen notwendig, deren Offsetspannung mit einem einstellbaren Widerstand kompensiert werden kann. Der Gleichtakteingangswiderstand von IC1 ist verantwortlich für den Eingangswiderstand des aktiven Gleichrichters. Hier wird ein MOSFET-OV vom Typ TL071P verwendet. Für IC2 kann ein preiswerter µA741 eingesetzt werden. Die Typen TL071, TL81 funktionieren hier genauso gut. Die Pinbelegung ist gleich.

Die Dioden D7 und D8 am Eingang des IC1 leiten Spannungen größer 9V oder kleiner -9V ab und schützen diesen vor Überspannung. Vorwiderstand für D7 und D8

ist der Widerstand R22, über den die Eingansspannung an Pin 3 des IC1 gelangt.

 

Abb.6

 

 

IC1 arbeitet als nicht invertierender OV. Seine Ausgangsspannung wird in Abhängigkeit ihrer Polarität an IC2 weitergeleitet. Wird zum Beispiel eine positive Spannung gemessen, gelangt diese hinter IC1 an die Dioden D9 und D10. D10 sperrt die positive Spannung und D9 leitet sie an den  nicht invertierenden Eingang von IC2.

 

Da der Eingangswiderstand des IC2 sehr hoch ist, wird R8 als Arbeitswiderstand für D9 erforderlich. Außerdem legt R8 bei der Verstärkung negativer Spannungen den nicht invertierenden Eingang von IC2 auf Masse.


Für die Berechnung des Verstärkungsfaktors müssen bei positiver Eingangsspannung  beide OV’s betrachtet werden, da die rückzukoppelnde Spannung für den IC1 über IC2 verläuft.

 

Negative Eingangsspannungen schalten D10 in den Leitzustand und sperren D9. Der nicht invertierende Eingang des IC2 ist über R8 mit Massepotential verbunden.

IC1 wirkt jetzt als Impedanzwandler. Sein Verstärkungsfaktor lässt sich wie folgt berechnen:

 

Der Querwiderstand RQ besteht aus den zwei parallel geschalteten Widerständen R4 und R5.

Der Rückkopplungswiderstand RK ist gleich Null.

Der Spannungsabfall über den Dioden D9 und D10 kann vernachlässigt werden, da erst nach den Dioden die Spannung für den IC 2 und die Rückkopplung abgegriffen wird.

 
 
                       

 

 

 

 

 

 

 

 

IC1 steuert nun den als invertierenden OV betriebenen IC2 an. Die Ausgangsspannung von IC2 wird positiv. Also werden negative Spannungen in positive umgewandelt, während positive Spannungen positiv bleiben.

Der Verstärkungsfaktor des aktiven Gleichrichters ist im Fall negativer Eingangsspannungen bestimmt durch das Verhältnis R7 zu R6.

 

R7 ist der Rückkopplungswiderstand RK.

R6 ist der Eingangswiderstand Re.

Das negative Vorzeichen sagt aus, dass die Spannung invertiert wird.
 
 

 

 

 

 



Damit die Funktion als aktiver Gleichrichter gewährleistet ist, beträgt der Verstärkungsfaktor  bei positiver und negativer Eingangsspannung  1,5. Soll aber am Ausgang die selbe Spannung wie am Eingang herauskommen, ist eine Dämpfung um den Faktor 0,66- nötig.

Dazu wird am Ausgang von IC2 ein Spannungsteiler, bestehend aus R11 zu R12||R13 eingesetzt. Die Eingangsimpedanz von IC4 hat aufgrund seines hohen Einganswiderstandes Einfluss auf die Ausgangsspannung Ua des Teilers. 

 

Für die Widerstände R4, R5, R6, R7, R11, R12 und R13 gilt dasselbe wie für R1 und R2. Sie haben eine Toleranz von 0,1% und wurden zusätzlich vorher ausgemessen.

 

Die Ausgangsspannung des aktiven Gleichrichters gelangt über R24 (siehe Gesamtschaltbild) an Pin 3 des IC4. Der Kondensator C10 hält die Spannung etwas, sodass die Anzeige nicht sofort auf jede Änderung reagiert. Schließlich soll auch die 3. Nachkommastelle lesbar sein.

Zum Schutz des MAX187 vor Überspannung dient hier die Z-Diode D11 am Ausgang des IC2, die Spannungen über 4,2V gegen Masse ableitet.

 

5.3. Polaritätsanzeige

 

Mit dem Messadapter können positive und negative Gleichspannungen bis 40 V verarbeitet werden.

Zur Auswertung der Polarität dient die Schaltung gemäß Abb.9.

Der OV IC3 arbeitet als Komparator. Er wird mit dem Ausgang von IC1 verbunden. Die Referenzspannung beträgt 0V. Dazu liegt Pin 2 auf Masse.

 

        Abb. 7

 

Ist die Spannung am nicht invertierenden Eingang größer 0V, kippt der Ausgang auf  +7,2V. Dabei leuchtet die grüne LED +. Über ihr fällt eine Spannung von ca. 2V ab. Annährend 5V liegen dann am PAD11 an und können von der parallelen Schnittstelle zur Polaritätsanzeige am PC ausgewertet werden. 

 

Eine negative Messspannung hat zur Folge, dass die Ue des IC3 negativer als die Referenz- spannung wird. Damit kippt der Ausgang auf -8V. LED + sperrt sodass am PAD11 Low-Pegel anliegt. Anstelle von LED + leuchtet jetzt die rote LED - .

 

 5.4. Relaissteuerung

 

Die Messbereichsumschaltung erfolgt per Software über die parallele Schnittstelle. Zur Aktivierung des
40V-Messbereichs liegen 5V am
PAD 14 an. Der Transistor T1 schaltet Relais REL2 durch, welches den Spannungsteiler und die LED’s zur Messbereichsanzeige umschaltet.

Als Relais wird ein V23042 von Siemens verwendet. Es hat bereits eine integrierte Freilaufdiode und der Gleichstromwiderstand beträgt 120Ω.

Es können aber auch andere 5V-Relais mit zwei Schaltebenen eingesetzt werden, wie z.B. das G5V-2.                                                                                                                   

Für ein sicheres Schalten nehme man 27 kΩ.

Die Diode D12 dient als Freilaufdiode

                                   Abb.8

5.5. Stromversorgung

 

Der Transformator liefert an seinen zwei Sekundärwicklungen jeweils 9V Wechselspannung. Dioden richten die Spannungen gleich. D1 und D2 arbeiten in Zweiweggleichrichterschaltung für die positive Versorgungsspannung.
D3 und D4 erzeugen die negative Versorgungsspannung. Die Glättungskondensatoren C1 und C4 werden auf den Spitzenwert der jeweiligen Sekundärspannung aufgeladen. Dabei ist der Spannungsabfall von 0,7V über den Dioden zu berücksichtigen.

 

Für den Betrieb der Operationsverstärker sind beide Versorgungsspannungen notwendig. Die Höhe dieser Spannungen richtet sich nach den in den Datenblättern angegebenen maximalen Spannungswerten und der maximal zu verstärkenden Spannung.

 

Die in Abschnitt 5.2. berechnete die Ausgangsspannung von IC2 beträgt maximal +/- 6V. Dies ist die höchst vorkommende Spannung des Messadapters.

 

Die Versorgungsspannung der OV wird auf + 8V  bzw. – 8V stabilisiert.

Über der Z-Diode D5 und D6 fällt jeweils eine Spannung von  8,2V ab.

Die Kondensatoren C2 und C5 dienen bei Laständerung als Puffer der stabilisierten Spannung. Aus Mach der Gewohnheit lötete ich bei C4 und C5 den Minusanschluss an Masse. Das gab nach dem Einschalten eine böse Überraschung. Also Polung der Elkos beachten!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 9

 

5.6.      AD-Wandler

 

Über R24 gelangt die zu messende Spannung an den Analogeingang PIN 3.

Die Beschaltung des MAX187 weist gegenüber der in 1.2. beschriebenen einfachen Messschaltung keine Unterschiede auf. Deshalb wird nicht näher darauf eingegangen.

 

 

Literaturhinweise:        
[1]       Genaue Spannungsmessung am PC von Wilhelm Schüring, Dk4TJ (FA 9/97)

[2]       Schaltungspraxis für Messgeräte von Harro Kühne

 

6. Anlagen:

6.1.Gesamtschaltplan:

 

 

6.2. Platine:

 

 

 

6.3. Bestückungsplan:

 

 

 

6.4. Preis- und Stückliste:

 

Bauteil                 Größe                Stückzahl          Preis(€)   

 

C1                      1000µ/50V               1                 -,38 

C2,C4                   470µ/50V                2                 -,28

C3,C6,C8,C11            100n                    4                 -,84

C5,C7                   470µ/20V                2                 -,18

C9,C10                  10µ/22V                 2                 -,13

D1 bis D4,D7,D8         1N4004                  6                 -,48

D5,D6                   Z-Diode 8,2V 0,5A       2                -,30

D9,D10,D12              1N4148                  3                 -,21

D11                     Z-Diode 4,2V  1A        1                -,20

IC1                     TL071P                  1                 -,61

IC2,IC3                 uA741P                  2                 1,20

IC4                     MAX187WSO               1                 -,00

IC5                     78L05                   1                 -,66 

R1                      270k 0,1%               1                 -,46

R2                      33k || 330k  0,1%       2                 1,02 

R3                      22k                     1                 -,10

R4,R5,                  10k  0,1%               2                 1,02

R16,R17,R20,R24         10k                     4                 -,40          

R9,R10                  Einstellregler PT10LV   2                 -,76 

R6                      1k   0,1%               1                 -,46

R7                      1,5k 0,1%              1                 -,46

R8                      560                     1                 -,10

R11                     15k  0,1%               1                 -,46

R12                     330k 0,1%               1                 -,46

R13                     33k  0,1%               1                 -,46

R14,R15                 150                     2                 -,20

R18,R21 bis R23         820                     4                 -,40

R19                     27k                     1                 -,10

REL2                    G5V-2 (5V)              1                 2,17

ST1                     Netzklemme              1                 -,49

T1                      BC547 (Transistor NPN)  1                 -,18

TR2                     Trafo 2*9V/0,25A        1                3,80

S1                      Netzschalter            1                 -,56

Si                      Fassung                 1                 2,79

LED1 bis LED5           Low Current LED 5mm     5                 1,65

LED                     Fassungen vercr.Aussen  5                 3,85

Bu1, Bu2                6A Polklemmen           2                 2,14

Bu3                     CENTRONICS-Buchse      1                 2,25

Netz                    Kabel                  1                 -,00

Gehäuse                                        1                 5,60

 

Geamt:                                                          37,81

 

6.5. Bedienungsanleitung

 

·        Verbinden Sie den Centronicsanschluss des Messadapters mit dem Parallelport des PC.
Verwenden Sie dazu ein Druckerkabel.

·        Stecken Sie den Netzstecker des Messadapters in die Steckdose und schalten Sie den Netzschalter ein.

·        Überprüfen Sie, ob die LED „Ein“, LED Messbereich „4V“ und LED Polarität „+“ nun leuchten.
Ist das nicht der Fall, wechseln Sie die Sicherung an der Rückseite des Messadapters.

·        Fahren Sie den PC hoch und starten Sie das Programm „Spannungsmessung“.

·        Schließen Sie die zu messende Spannung an die Messbuchsen des Adapters an.
Achten Sie darauf, dass diese Spannung 40V nicht überschreiten darf und schließen Sie nur Gleichspannungen an!

·        Wählen Sie den richtigen Messbereich! Im Programm Spannungsmessung ist der Messbereich 4V voreingestellt. Sollen Spannungen bis 40V gemessen werden, gehen Sie folgendermaßen vor:
aktivieren Sie im Menü Datei „Eingangsteiler x10“ den Umschalter des Eingangsspannungsteiler. Die Messbereichsanzeige des Messadapters schaltet von 4V auf 40V um.

·        Für Langzeitmessungen wählen Sie im Menü Datei unter „Auflösung“ die gewünschte Messdauer. Diese entspricht der Messauflösung.

·        Stellen Sie im Menü Datei unter Portwahl der  gewünschte Port ein.

·        Ein Umschalten der Signalform von Gleich- auf Wechselspannung hat bei diesem Messadapter kein Einfluss auf die Messung.

·        Wählen Sie die Zieldatei, indem Sie im Menü unter Datei „Daten speichern => unter“ den Pfad und den Namen der Zieldatei festlegen.

·        Starten Sie die Messung mit dem Button „Messung starten und Werte speichern“.

·        Mit „Abbruch“ können Sie die Messung unterbrechen und mit „Weiter“ ist die Fortsetzung der Messung möglich.

·        Im Menü Datei „Daten speichern“ können die Messdaten abgelegt- und später unter „Datensatz öffnen“ wieder aufgerufen werden.

·        Wird die Kalibrierung aktiviert, so wird der momentan gemessene Spannungswert zukünftig als Kalibrierwert eingerechnet.

 



25.09.2002