|
Als u op zoek gaat naar paneelmeters met een resolutie van ±1,9999 stelt u vast dat er nauwelijks iets betaalbaars te koop is. Op dus naar zelfbouw, met een oud en vertrouwd duo van Texas Instruments dat nu voor een spotprijs wordt gedumpt. |
De TL500CN/TL502CN combinatie van Texas Instruments
Officieel verdwenen, maar nog duizenden in voorraad
Texas Instruments heeft reeds in 1979 een viertal IC's geïntroduceerd waarmee u digitale voltmeters met een resolutie van 4,5 decade kunt samenstellen. Deze reeks bestaat uit twee analoge processoren (TL500CN en TL501CN) en twee digitale processoren (TL502CN en TL503CN), die u de keuze laat uit vier mogelijke analoog naar digitaal omzetters volgens het dual slope principe.
De TL500CN heeft een resolutie van 14 bit en een lineariteitsfout van slechts 0,001 %. De TL502CN kan rechtstreeks vijf zeven-segment display's aansturen en levert de besturingssignalen voor de analoge processor. De TL500CN kan dus samen met de TL502CN het hart vormen van een zeer nauwkeurig 4,5 decade meetsysteem. Helaas zijn beide chip's uit het verkoopprogramma van Texas Instruments verdwenen, waarschijnlijk omdat zij vrij prijzig waren en ingehaald zijn door moderne microprocessor bestuurde meetsystemen.
Als u echter op de bekende internet verkoopkanalen gaat surfen stelt u vast dat er nog duizenden van deze IC's in magazijnen liggen te wachten op kopers. Deze combinatie wordt nu dus gedumpt tegen nogal uiteenlopende prijzen. Wij vonden een Spanjaard die de TL500CN nog steeds aanbiedt voor de oorspronkelijke prijs van US$ 41.00, maar ook een Chinese leverancier [https://www.utsource.net] die de TL500CN levert voor US$ 2.15 en de TL502CN voor US$ 2.77. Leuk prijsjes voor dergelijke prachtige chip's en de basis van een leuk zelfbouw projectje.
Het principe van de dual slope omzetting
Het principe van analoog naar digitaal omzetting volgens het dual slope principe is geschetst in onderstaande figuur. Rond een operationele versterker IC1 is een integrator opgebouwd met tijdconstante RC die, door middel van schakelaar S, de te meten ingangsspanning Uin of een zeer nauwkeurige en stabiele referentiespanning Uref integreert.
De uitgangsspanning van de integrator wordt in comparator IC2 vergeleken met de nul. Gedurende een bepaalde constante tijd t1 wordt de ingangsspanning Uin geïntegreerd. Als u er van uitgaat dat de integratiecapaciteit C volledig was ontladen, zal de uitgangsspanning van de integrator na tijdsverloop t1 alleen maar worden bepaald door de grootte van de ingangsspanning. Alle andere factoren die de integrator definiëren (R, C en t1) zijn immers constant. Na t1 wordt de elektronische schakelaar S omgeschakeld en zal de referentiespanning (die overigens de inverse polariteit van de ingangsspanning moet hebben) de condensator gaan ontladen.
 |
| Het principe van de dual slope omzetting. (© 2018 Jos Verstraten) |
Intern blokschema van de IC-combinatie
Onderstaande figuur geeft het intern blokschema van beide IC's weer, waaruit blijkt dat er toch wel wat meer nodig is dan het eenvoudige principeschema van de vorige figuur suggereert. In de TL500CN zitten een buffer, een integrator, een comparator, een niveau-aanpasser, een referentiespanningsbron en een schakeling die de tien elektronische schakelaars, die de diverse schakelingen met elkaar doorverbinden, stuurt.
De digitale processor TL502CN is samengesteld uit een oscillator, een tweedeler, een BCD-teller, een register, de stuurlogica voor het gehele systeem, een multiplexer en BCD-naar-zeven-segment sturing voor het aansturen van de uitlezing.
 |
| De interne blokschema's van beide IC's en de onderlinge verbindingen. (© Texas Instruments) |
Samenstelling van een meetcyclus
Een totale meetcyclus is samengesteld uit drie delen:
- De 'auto-zero'-fase:
Dat is een automatische nul cyclus, die ervoor zorgt dat alle offsetspanningen van de analoge schakelingen automatisch worden gecompenseerd en er bij 0 V aan de ingang ook werkelijk 00000 op de uitlezing verschijnt. - De 'integreer ingang'-fase:
Nadien volgt de integreer ingang cyclus, waarbij de ingangsspanning gedurende een bepaalde tijd met de integrator wordt verbonden. - De 'integreer referentie'-fase:
Tot slot de integreer referentie cyclus, waarbij de integrator door de referentie weer tot 0 V wordt ontladen.
De oscillator en de BCD-teller vormen het hart van de besturingslogica. De teller heeft een cyclus van 40.000 eenheden, hij telt dus tot en met 39.999 en springt dan terug op nul.
De stuurlogica decodeert bepaalde tellerstanden en stuurt twee stuursignalen, control A en control B, naar de analoge processor. Uit de informatie op deze lijnen worden tien stuursignalen opgewekt, waarmee de tien elektronische schakelaars open of dicht worden gestuurd.
Grafische beschrijving van een complete cyclus
De werking van de schakeling wordt toegelicht aan de hand van het timingdiagram van een volledige cyclus, overgenomen uit het datasheet van Texas Instruments.
 |
| Het timingdiagram van een volledige meetcyclus. (© Texas Instruments) |
Een nieuwe meetcyclus start dadelijk na het einde van de vorige, op het moment dat de stuurschakeling in de digitale processor zowel control A als control B 'L' maakt. Deze informatie wordt door de TL500CN verwerkt en omgezet in stuursignalen, waardoor de schakelaars S3, S4, S7, S9 en S10 worden gesloten.
Het schema van de analoge processor vereenvoudigt zich dan tot wat is getekend in onderstaande figuur. Cref wordt opgeladen tot de waarde van de referentiespanning. De ingang van de buffer wordt aan massa gelegd, rond de integrator en de comparator wordt een gesloten lus gevormd. De aanpasser heeft geen wezenlijke functie, hij past in feite alleen maar de uitgangsspanning van de schakeling aan de rest van de interne elektronica van het IC aan.
Wat gebeurt er nu in deze 'auto-zero'-fase? De buffer en de integrator hebben een bepaalde offset-fout. Hierdoor zal de uitgang van de integrator toch langzaam gaan stijgen of dalen, afhankelijk van de polariteit van de offset. Stel dat de uitgang gaat dalen. Het gevolg is dan dat de comparator omklapt en via de aanpasser een positieve spanning naar de RC-kring Cz-Rz stuurt. De spanning over de condensator stijgt, totdat deze gelijk wordt aan de offset-spanning. De uitgang van de integrator gaat dan niet verder stijgen, maar dalen. Na enige tijd wil de uitgang van deze schakeling negatief worden, de comparator klapt om. Cz gaat nu ontladen, het gevolg is dat de offset-spanning weer groter wordt dan de spanning over deze condensator en de integrator deze offset wederom gaat integreren.
De uitgangsspanning van de integrator stijgt, op een bepaald ogenblik klapt de comparator om en het proces gaat zich herhalen. Over de condensator Cz ontstaat dus een driehoekvormige spanning, waarvan de gemiddelde waarde gelijk is aan de offsetfout van de schakeling. De uitgangsspanning van de comparator zal bovendien op een vrij hoge frequentie gaan oscilleren. Deze 'auto-zero'-fase duurt tot de BCD-teller de inhoud 30.000 bereikt. Bij de volgende oscillatorpuls, dus bij tellerinhoud 30.001, worden zowel control A als control B gelijk aan 'H'.
 |
| Het blokschema van de 'auto-zero'-fase. (© 2018 Jos Verstraten) |
De volgende fase is 'integreer ingang'-fase. De TL500 sluit schakelaars S1 en S2 en het interne schema van het IC wordt zoals getekend in onderstaande figuur. De te meten ingangsspanning wordt via de buffer, die zorgt voor een zeer hoge ingangsimpedantie van 109 Ω, aangeboden aan de ingang van de integrator. Let er op dat de spanning over Cz nu in serie staat met de ingangsspanning. De fout, veroorzaakt door de offset van de schakelingen, wordt automatisch gecompenseerd. Het verschil tussen ingangsspanning en offset-fout wordt dus geïntegreerd, hetgeen tot gevolg heeft dat de uitgangsspanning van de integrator gaat stijgen voor negatieve ingangsspanningen en gaat dalen voor positieve ingangsspanningen. Deze fase duurt een bepaalde tijd, namelijk 10.000 klokpulsen van de BCD-teller.
 |
| Het blokschema van de 'integreer ingang'-fase. (© 2018 Jos Verstraten) |
Op het moment dat deze teller reset, dus bij de overgang van inhoud 39.999 naar 00.000, gaat de laatste fase van de meetcyclus in. Het is de bedoeling dat de uitgangsspanning van de integrator door middel van de referentiespanning, opgeslagen in Cref, tot nul gaat ontladen. Er doet zich echter een complicatie voor. Zoals reeds geschreven moet de referentie de tegengestelde polariteit hebben van de ingangsspanning. De schakeling moet onderzoeken of met een positieve dan wel met een negatieve ingangsspanning wordt gewerkt. De polariteit van de uitgangsspanning van de comparator geeft het antwoord: bij een negatieve ingangsspanning is deze 'L', bij een positieve ingangsspanning is deze 'H'. Uit deze informatie leidt de stuurlogica in de TL502CN de juiste combinatie van de twee stuursignalen voor de analoge schakelaars af. Voor een positieve ingangsspanning wordt uitgang A gelijk aan 'H' en uitgang B gelijk aan 'L'. Voor een negatieve ingangsspanning is dat net andersom.
De TL500CN zal dan of schakelaars S3, S6 en S7 sluiten of schakelaars S3, S5 en S8, waardoor de referentiespanning over Cref op de juiste manier aan de ingang van de buffer wordt verbonden, zie onderstaand schema.
 |
| Het blokschema van de 'integreer referentie'-fase. (© 2018 Jos Verstraten) |
De 'integreer referentie'-fase eindigt op het moment dat de integratorspanning gelijk wordt aan nul. De comparator klapt om en er gebeuren een aantal dingen. Op de eerste plaats wordt de inhoud van de BCD-teller overgenomen door het register. Via de multiplexer en de zeven-segment decodering verschijnt de tellerinhoud op de display's. Het komt er dan alleen maar op aan, door het afregelen van de referentie-spanning en de juiste keuze van de oscillatorfrequentie, de 'integreer referentie'-fase zo lang te maken, dat de inhoud van de teller overeen komt met de numerieke waarde van de ingangsspanning. Als u bijvoorbeeld een spanning van 1,3496 V aan de ingang legt, dan is het de bedoeling dat de teller tijdens deze fase precies 13.496 pulsen telt. Op de tweede plaats zorgt het omklappen van de comparator voor het resetten naar 'L' van de twee stuursignalen voor de analoge schakelaars, zodat de 'automatische nul'-fase van de volgende meetcyclus start.
De overige functies van de TL502CN
Natuurlijk heeft de stuurlogica van de TL502 nog andere functies. Zo zorgt zij voor het opwekken van de polariteitssignalen, waarmee u desgewenst de polariteit van de ingangsspanning op de uitlezing zichtbaar kunt maken. Daarnaast stuurt zij een onderdrukkingssignaal naar de uitlezing als de ingangsspanning groter of kleiner is dan ±1,9999 V. Verder zorgt zij ervoor dat de gemultiplexte zeven-segment informatie synchroon loopt met het aansturen van de vijf decaden van de totale uitlezing. Tot slot heeft de stuurlogica een extra ingang 'trigger', waarmee u het resultaat van de laatste meting op de uitlezing kunt bevriezen.
Aansluitgegevens van de twee IC's
In onderstaande figuur zijn de aansluitgegevens in bovenaanzicht gegeven van de TL500CN en TL502CN.
 |
| De aansluitgegevens van beide Texas Instruments IC's. (© Texas Instruments) |
De praktische schakeling
Het schema
Onderstaande figuur geeft het schema van een schakeling voor een digitale paneelmeter met een meetgebied van +1,9999 V tot -1,9999 V. De te meten ingangsspanning wordt via de aansluitingen O en P via een RC-netwerkje R1-C1 aan de ingangen van de TL50OCN aangeboden. De interne referentiespanning gaat via de nauwkeurige instelpotmeter R3 naar de analoge massa. De loper van deze instelpotentiometer stuurt de referentie-ingang van het IC. De voedingsspanningen (L en M) worden door middel van twee condensatoren C5 en C6 ontkoppeld.
De interne oscillator van de TL502CN wordt door middel van een condensator van 470 pF (C7) ingesteld op een frequentie van 250 kHz. De triggeringang ligt via weerstand R4 aan de voedingsspanning, zodat het geheel meting na meting uitvoert.
Wilt u de uitlezing bevriezen op de laatste meetwaarde, dan volstaat het deze ingang via aansluiting H met de digitale massa te verbinden. De vijf decade-uitgangen D1 tot en met D5 sturen via de transistoren T1 tot en met T5 de anoden van de vijf zeven-segment uitlezingen met gemeenschappelijke anode. De kathode-aansluitingen worden uiteraard met elkaar doorverbonden en gaan via stroombegrenzingsweerstanden R5 tot en met R11 naar de segmentstuur-uitgangen van IC2.
De + en - indicatie, die bij de toegepaste uitlezingen afzonderlijk zijn uitgevoerd, worden gestuurd uit de d- en e-segment lijnen. Voor sommige toepassingen, zoals het meten van wisselspanning of -stroom, weerstanden en temperaturen, is het verwarrend als de polariteit-indicaties oplichten. Vandaar dat beide aansluitingen van Dy5 door middel van de transistoren T6 en T7 extern stuurbaar zijn. Legt u aansluiting F aan de digitale massa, dan sperren de transistoren en zullen deze segmenten niet oplichten. Verbindt u F met de +5 V, dan gaan beide transistoren geleiden en branden de polariteit-indicaties. De decimale punten van de vijf uitlezingen zijn door middel van de aansluitingen A tot en met E extern bereikbaar.
 |
| Het praktische schema van de digitale paneelmeter. (© 2018 Jos Verstraten) |
De schakeling is ondergebracht op twee kleine printjes waarvan het de bedoeling is dat u ze rug-tegen-rug monteert en onderling doorverbindt met 18 draadjes. De printjes en de componentenopstellingen van beide deelprinten zijn getekend in onderstaande figuren.
 |
| De twee printjes voor de digitale paneelmeter. (© 2018 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de twee printjes. (© 2018 Jos Verstraten) |
 |
| De niet-standaard onderdelen die u voor dit project nodig hebt. (© 2018 Jos Verstraten) |
Hoe de module er dan komt uit te zien is voorgesteld in onderstaande figuur. Soldeer tot slot 18 draadjes tussen beide printen. Het resultaat vormt een zeer compact geheel, klaar om opgenomen te worden in een groter geheel.
 |
| Een schetsje van de kant-en-klare module. (© 2018 Jos Verstraten) |
Werken met de module
Blokschematische voorstelling
Onderstaande figuur geeft de externe bedrading van de voltmeter module. De negatieve ingang zult u in de meeste gevallen met de massa verbinden. Hier geldt het advies: zo dicht mogelijk bij de module met de analoge massa (aansluiting N) verbinden. Onder geen enkele voorwaarde mag er door deze verbinding een stroom lopen!
De functie van de drie schakelaars:
- S1: Inschakelen van de decimale punt.
- S2: Onderdrukken van de polariteitsindicatie.
- S3: Uitlezing bevriezen.
 |
| De blokschematische voorstelling van de module. (© 2018 Jos Verstraten) |
De voeding is een verhaal apart. De schakeling meet tot 1,9999 V, dit betekent dus dat het meest rechtse cijfer tienden van millivolt aanduidt. U moet dan ook uiterste zorg besteden aan het aanbrengen van massa-leidingen. Door de massa-aansluiting van de TL502CN vloeit namelijk een vrij grote stroom: de stroom die de uitlezing verbruikt. Deze stroom wekt over de inwendige weerstand van draadjes en printsporen een spanning op, die door de module kan worden gemeten.
Een en ander heeft tot gevolg dat de uitlezing niet naar nul gaat bij kortgesloten ingangen en dat het laatste cijfer 'jittert', dus voortdurend verspringt als gevolg van deze niet constante restspanning over de massa-bedrading.
Vandaar dat u het beste de analoge en digitale voeding helemaal kunt scheiden: twee trafootjes, één voor de ±15 V voor de TL500CN en één voor de +5 V voor de TL502CN. De digitale en analoge massa's zijn dan volledig gescheiden. Als u dat te gek vindt kunt u experimenteren met één voeding, maar dan moet u beide massa-aansluitingen (de punten G of J én N) met afzonderlijke draadjes op de voeding aansluiten en zo dicht mogelijk bij het centrale massapunt van de voeding met elkaar verbinden.
Afregelen van de module
U kunt de module kan afregelen met de twintig slagen instelpotentiometer R3. De eigen nauwkeurigheid van de module kan natuurlijk alleen maar tot zijn recht komen als u het schakelingetje kunt ijken aan de hand van een andere vier en half decade universeelmeter. Kunt u een dergelijk apparaat lenen, sluit dan een gelijkspanning van ongeveer 1,9 V aan tussen de ingangsklemmen en verdraait de genoemde potentiometer tot de uitlezing op de module precies dezelfde spanning aanduidt als de geleende meter.
Hebt u alleen een standaard drie en half decade meter ter beschikking, dan regelt u de module hiermee af. Natuurlijk is de nauwkeurigheid van het meest rechtse cijfer dan niet gegarandeerd. In vele gevallen is dat geen ramp, omdat het er vaak meer op neer komt de stabiliteit van een spanning te beoordelen dan de absolute waarde te meten tot vier cijfers na de komma.
Elektronica echt niet moeilijk 1, 2 en 3
