|
Voor minder dan vijf euro koopt u dit bouwpakketje van een digitale voltmeter met een bereik tot 1,999 V. Helaas kleven er nogal wat bezwaren aan dit setje, waardoor wij het niet kunnen aanbevelen.
|
Kennismaking met dit bouwpakket
Het eindresultaat
In de onderstaande foto ziet u het eindresultaat van dit pakket. Op een printje van 8,0 cm bij 5,2 cm zitten drie oude Motorola IC's en vier rode zeven-segment display's. Het nadeel van dit pakketje is wel dat u het symmetrisch moet voeden met spanningen van +5 Vdc en -5 Vdc. Een schuifschakelaartje is aanwezig met een afregel- en meetstand, maar daar komen wij nog op terug. Via een normaal instelpotentiometertje kunt u de meter afregelen, ook daar komen wij nog op terug.
 |
| Het eindresultaat van dit bouwpakketje. (© AliExpress) |
Fabrikant, leveranciers, prijzen
Het pakketje heeft geen duidelijke fabrikant, er komen diverse fantasie-namen voorbij, zoals 'YourSee', 'Bestep' of '56electronics'. Het wordt via AliExpress door een heleboel Chinese leveranciers aangeboden. De goedkoopste prijs die wij kunnen vinden is € 3,86 (zonder verzending).
De levering van het pakket
Zoals gebruikelijk zitten alle onderdelen slordig verpakt in een in feite te klein plastic zakje. Gelukkig zijn de display's, de IC-voetjes en de IC's op stukjes piepschuim geprikt zodat de pootjes, in keurige slagorde opgesteld, de slordige verpakking overleven.
 |
| De verpakking van de onderdelen. (© 2024 Jos Verstraten) |
De geleverde onderdelen
Voor de onderstaande foto hebben wij alle geleverde onderdelen netjes uitgestald. De drie geleverde IC-voetjes zijn van goede kwaliteit, iets waaraan het bij sommige andere Chinese bouwpakketten wel wil ontbreken.
 |
De geleverde componenten. (© 2024 Jos Verstraten) |
De print voor de schakeling
In de onderstaande figuur hebben wij de twee zijden van de print verenigd. Uiteraard is deze dubbelzijdig, met doorgecontacteerde pad's en soldeermasker. Niets op aan te merken!
 |
| De twee zijden van de print. (© 2024 Jos Verstraten) |
Een nogal vreemde 'handleiding'
Als 'handleiding' wordt een vodje papier meegeleverd met uitsluitend Chinese teksten. Gelukkig dat 'Google Translate' inmiddels zo slim is geworden dat ook een scan van zo'n velletje feilloos wordt vertaald. Op de eerste pagina staan alleen maar 'Instructies voor de after-sales service'. Op de tweede pagina staan nogal vreemde teksten. Wat denkt u van 'Sommige kits zijn uitgerust met componenten met fouten of slechte prestaties'. Of, nog een mooie: 'Hun technische indicatoren en parameters voldoen mogelijk niet aan de normen van de eindproducten'. Met andere woorden: werkt de kit niet, dan moet u bij ons niet komen reclameren, want wij hebben u gewaarschuwd!
 |
| De nogal vreemde 'handleiding' van deze kit. (© 2024 Jos Verstraten) |
De MC14433 dual slope ADC
Hart van de schakeling is een MC14433 analoog naar digitaal omzetter van Motorola. Dit IC is 'obsolete', maar wordt nog wel aangeboden op diverse Chinese sites. In het aan ons geleverde kitje zit echter geen IC van Motorola, maar eentje met als opschrift 'CC14433'. Het meetbereik gaat tot 1,999 V of tot 0,1999 V. Dit is afhankelijk van de referentiespanning die u aan het IC aanbiedt. In dit bouwpakket wordt gekozen voor een meetbereik tot 1,999 V. De schakeling werkt met een dubbele integrerende ADC. Dit wordt ook wel het 'dual-slope' principe genoemd.
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 Uref moet de tegengestelde polariteit hebben van de ingangsspanning. De fundamentele eigenschap van een integrator is dat de uitgangsspanning lineair stijgt of daalt, afhankelijk van de polariteit van de ingangsspanning.
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 de condensator gaan ontladen.
Het ligt voor de hand dat de tijdsduur t2 evenredig is met de grootte van de ingangsspanning. De ontlaadstroom, geleverd door de referentie, is immers constant en de ontlaadtijd tot nul wordt verder alleen maar bepaald door de grootte van de spanning na t1. Het volstaat dus gedurende t2 een teller te sturen met pulsen van een bepaalde frequentie en de tellerinhoud na t2 op een uitlezing zichtbaar te maken. Op het display verschijnt dan de numerieke waarde van de ingangsspanning.
Het beschreven principe wordt in de praktijk uitgebreid met een zogenaamde 'auto-zero'-fase. In deze fase wordt de eventuele offset van de toegepaste op-amp's automatisch gecompenseerd. Het gevolg is dat het display écht op nul komt te staan als u de analoge ingang op 0,00 V zet.
 |
| Het werkingsprincipe van de ADC. (© 2024 Jos Verstraten) |
Het schema van de digitale voltmeter
Het schema, voorgesteld in de onderstaande figuur, is op diverse internet-pagina's in identieke vorm terug te vinden en wij gaan er dan ook van uit dat dit, hoewel er iets vreemd mee aan de hand is, wel klopt met de realiteit.
Dat vreemde heeft te maken met de keuze van de referentiespanning en de schakelaar S. U1, een MC1403 van Motorola, is een ook alweer obsolete maar zeer goede referentiespanning generator. Volgens de originele data van de fabrikant is dit IC, qua specificaties, te vergelijken met de AD580 van Analog Devices. De chip levert een zeer stabiele referentiespanning van 2,5 V af. Deze wordt via de afregelpotmeter RP1 aan de referentie-ingang van de MC14433 aangeboden. Voor een bereik van 1,999 V moet de referentiespanning 2,000 V bedragen, een waarde die in theorie met de potmeter is in te stellen.
Vreemd is echter de schakeling rond de schuifschakelaar S. In de getekende stand wordt de ingangsspanning via de schakelaar aangeboden aan de Ux ingang (pen 3) van de ADC. Schuift u echter de schakelaar naar rechts, dan wordt de 2,5 V uitgangsspanning van de AD1403 aan de Ux ingang aangeboden. Het gevolg is dat ADC wordt overstuurd en alleen de decimale punt van het linker display gaat branden. De bedoeling van deze schakeling is ons volledig onduidelijk!
De MC14433 levert de stuursignalen voor de segmenten van de display's als BCD-code op de uitgangen Q0 tot en met Q3. Deze worden door een MC14511 BCD to 7-Segment Display Driver omgezet in de besturingssignalen voor de segmenten. De MC14433 levert bovendien de vier signalen DS1 tot en met DS4 voor het selecteren van een van de vier display's. Deze vier signalen activeren via de transistoren V1 tot en met V4 een van de vier display's.
De decimale punt in het rechter display wordt altijd aangestuurd. Daarvoor zorgt de transistor V5, die basissturing krijgt op het moment dat V1 wordt open gestuurd door de MC14433.
 |
| Het complete schema van de kit. (© AliExpress) |
De bouw van de schakeling
Solderen van de componenten
In het onderstaand lijstje geven wij de beste volgorde, van laag naar hoog, waarin u de componenten op de print kunt solderen:
- 8 x weerstand 200 Ω
- 5 x weerstand 10 kΩ
- 2 x weerstand 470 kΩ
- 3 x IC-voetje, let op de stand
- 4 x condensator 100 nF [104]
- 1 x transistor S9012
- 4 x transistor S9013
- 1 x instelpotmeter 1 kΩ
- 1 x schuifschakelaar
- 3 x display, let op de plaats van de decimale punt
- 2 x printkroonsteentje, gaatjes naar buiten gericht
Monteer vervolgens de drie IC's in de voetjes, let uiteraard op de stand.
Het resultaat van deze werkzaamheden is samengevat in de onderstaande foto.
 |
| De compleet gesoldeerde print. (© 2024 Jos Verstraten) |
X-ray vieuw van de print
Als u dit kitje koopt en besluit er wat mee te gaan experimenteren is de onderstaande x-ray vieuw wel nuttig. Hier ziet u de koperpatronen van beide zijden van de print, zodat u gemakkelijk kunt nagaan hoe de onderlinge bedrading tussen de componenten is aangebracht.
 |
| X-ray vieuw van de print. (© 2024 Jos Verstraten) |
Het in bedrijf stellen van de voltmeter
Aansluiten
Sluit twee voedingen, ingesteld op +5 Vdc en -5 Vdc aan op het onderste printkroonsteentje J2 en sluit de ingang (tweede printkroonsteentje J1) kort.
Bij ons gebeurde er vervolgens helemaal niets
Als het goed is zou er nu '0.000' op het display moeten verschijnen. Maar bij ons was het niet goed, alleen de rechter decimale punt ging branden. Wat wij ook deden, die situatie veranderde niet. Na enig onderzoek bleek dat de referentiespanning gelijk was aan nul in plaats van de te verwachten 2,5 V. De MC1403 werd uit de print gehaald en op een experimenteer printje verbonden met de massa en een +5 Vdc voeding. Ook nu bleef de tweede pen (de uitgang) op nul volt staan. Kortom, dit IC was defect!
Na enig zoeken bleek dat dit IC bij de reguliere onderdelenhandel niet meer te verkrijgen is. Omdat wij dit printje tóch wilde testen bestelden wij een tweede bouwpakket. Na de bouw bleek deze print aan het identieke euvel te leiden, de MC1403 was defect en leverde 0 V.
Wij zijn niet de enigen waar er niets gebeurde
Op vrijwel alle leverancierspagina's kunnen kopers hun ervaringen kenbaar maken. Na een korte zoektocht bleek dat wij niet de enigen waren die een pakket hadden ontvangen met een defecte MC1403, die klacht kwam vaker voor. Kortom, een aantal van deze bouwpakketjes is uitgeleverd met een fake MC1403.
Een alternatieve voorlopige referentiespanning
Omdat de MC1403 alleen via AliExpress is te bestellen en wij geen zin hadden alweer drie weken te wachten op het vervolg van dit verhaal bedachten wij een alternatieve, echter alles behalve ideale spanningsreferentie. De defecte MC1403 werd uit het IC-voetje verwijderd en wij sloten een 1 kΩ weerstandje en een zenerdiode van 2,7 V aan volgens het onderstaand schema.
Let wel dat de temperatuurscoëfficiënt van een zenerdiode veel en veel groter is dan deze van de MC1403. Een zenerdiode van 2,7 V heeft, volgens de specificaties, een tempco van -1,8 mV/°C. De MC1403 heeft een tempco van 10 ppm/°C. Als u dat omrekent naar mV/°C komt u uit op 0,00001 mV/°C.
Deze tijdelijke referentie is echter goed genoeg om de lineariteit van de digitale voltmeter te testen.
 |
| Tijdelijke vervanging voor de MC1403. (© 2024 Jos Verstraten) |
Het afregelen van de meter
Zoals te verwachten is heeft het geen zin de schuifschakelaar in de stand 'afregelen' te zetten. Het display dooft omdat de volle referentiespanning dan aan de ingang wordt gelegd en deze groter is dat 1,999 V, het maximale bereik van de meter.
Dus zetten wij de schuifschakelaar in de stand 'meten' en sluiten een spanning van ongeveer 1,00 V aan op de ingang van de print en op de ingang van onze 8842A van Fluke. Deze wijst een spanning van 0,9990 V aan. Met heel veel moeite en meer geluk dan wijsheid lukt het ons om de instelpotentiometer op het printje zó te verdraaien dat het display 1,000 V weergeeft. Een ideale afregeling dus!
Deze procedure toont een volgend probleem met dit bouwpakketje. De een-toeren instelpotentiometer kan niet nauwkeurig genoeg worden ingesteld om de meter af te regelen Daar had zonder meer een tien-toeren instelpotentiometer moeten staan.
De meetopstelling voor het meten van de nauwkeurigheid van de voltmeter
Wij hebben nu één ingangsspanning waarbij de meter nauwkeurig meet. Maar hoe zit dat over het volledige meetbereik? Dat kan worden gecontroleerd door diverse gelijkspanningen aan de ingang te leggen, van klein tot groot, deze te meten met de Fluke en zijn uitlezing te vergelijken met de waarde die het printje aanduidt.
Dat is niet zo eenvoudig als het lijkt. Het is niet gemakkelijk een gelijkspanning van 10 mV stabiel en volledig ruisvrij uit een standaard voeding te halen. Zeker de moderne voedingen met hun geschakeld netdeel leveren veel te veel HF-stoorpulsen op die overal doorheen dringen. Vandaar dat wij besluiten volledig met 1,5 V batterijen te gaan werken. De meetopstelling is geschetst in de onderstaande figuur. De print van de voltmeter wordt gevoed uit twee sets van ieder vier 1,5 V type-AA batterijen, dus uit ongeveer ±5,5 V. De spanning die wij op de ingang van de print aanbieden komt uit een set van twee identieke batterijen. De spanning van 2,8 V gaat naar een 'potentiometer', samengesteld uit twee weerstand decaden boxen. Door op een slimme manier aan de tien knoppen van deze boxen te draaien is het mogelijk een spanning van vrijwel exact 10 mV aan de meter aan te bieden. Deze spanning op de 'loper' van deze opstelling is de te meten ingangsspanning.
Onze Fluke 8842A multimeter gaat rechtstreeks maar de twee meetingangen van de print.
 |
| Meetopstelling voor het testen van de nauwkeurigheid van de meter. (© 2024 Jos Verstraten) |
De meetresultaten
In de onderstaande tabel ziet u de meetresultaten. Er blijken dus aanzienlijke afwijkingen tussen de uitlezing op de Fluke en deze op het printje op te treden! Daar hebben wij geen verklaring voor, tenzij dat de CC14433 een slechte namaak is van de originele MC1433 van Motorola. Een andere verklaring zou zijn dat onze Fluke 8842A grote afwijkingen heeft bij het meten van zeer kleine spanningen. Dat is echter niet het geval: bij het parallel schakelen van onze tweede lab-meter (een ET3255) bleek dat er nauwelijks afwijkingen waren: 10,009 mV versus 10,003 mV.
 |
| De nauwkeurigheid van de schakeling getest. (© 2024 Jos Verstraten) |
Onze conclusie over dit bouwpakket
Het lijkt een mooie aanbieding, een 1,999 V spanningsmeter met mooi, grote cijfers voor nog geen vijf euro. Helaas laten zowel de kwaliteit van de geleverde onderdelen als de afregel procedure het nogal afweten. Geen aanrader dus, dit bouwpakketje!
(AliExpress sponsor advertentie)
MC14433 digital voltmeter kit
MC14433 digital voltmeter kit