Ампервольтметр із VFD-екраном і вимірюванням потужності

На продовження теми пристроїв із VFD-екранами хочу розповісти про доволі цікавий товар — досить точний ампервольтметр, який може стати в пригоді радіоаматору.


Взагалі спочатку я натрапив на цей ампервольтметр на ТаоБао, там він коштує приблизно 13.5 долара. Ціна, загалом, цілком прийнятна, але до неї додається вартість послуг посередника. Єдине, що тішило в цьому випадку, — доставка Китаєм була безкоштовною, хоча таке трапляється рідко.
Але, почавши шукати цей товар на AliExpress, я знайшов його за не набагато вищою ціною — близько 19-20 доларів. Уже хотів купити одну штуку на пробу, аж тут з’ясувалося, що продавець дає гуртову знижку, яка починається від двох штук. У підсумку виходило близько 17 доларів за одну або, відповідно, 34 за дві. Зрозуміло, що різниця з купівлею на Тао була мінімальною, тож я вирішив купувати на AliExpress.
Найцікавіше було те, що за кілька днів залишок товару в цьому лоті на Тао зменшився на ті самі дві одиниці :)

На жаль, зараз продавець підняв ціну, і дві плати коштують уже не 34, а 50 доларів. Можливо, це через те, що тепер продається інша версія плати, а можливо, через щось інше — не знаю. У будь-якому разі подивімося, що це взагалі таке.


Доставка крихких товарів через купу поштових служб — це завжди стрес і для покупця, і для самого товару, тож я теж хвилювався. Як з’ясувалося, дарма: до пакування претензій немає.


Комплект постачання
1. Ампервольтметр
2. Пара клемників
3. Кілька кнопок
4. Кабель USB-miniUSB.


З кабелями все зрозуміло: звичайнісінький кабель USB-miniUSB. А от з рештою трохи складніше: чомусь до кожної плати поклали по парі клемників. Якщо один явно призначений для підключення амперметра, то для чого другий — загадка, адже він підходить лише до місця роз’єму живлення.
Кнопок дали 9 штук на дві плати, хоча для кожної плати достатньо лише 3, тобто 3 залишилися про запас.


Плата має чималий розмір, частково зумовлений розміром екрана. Розміри плати — 100х60х17мм.

Характеристики:
Вимірювана напруга — 30 Вольт
Вимірюваний струм — 5 Ампер
Напруга живлення — 5 Вольт
Струм споживання — до 300мА



Розміри зі сторінки товару:


А тут є навіть розміри кріпильних отворів і кнопок — дуже корисне креслення.


Плата трохи ближче. Як видно, індикатор займає досить велику площу.


Над індикатором є два SMD-світлодіоди. Тут вони потрібні, щоб було зручніше розуміти, де яка інформація відображається. Покажу трохи згодом.


Дисплей дев’ятирозрядний, семисегментний — точно такий самий використовувався в регуляторі гучності, який я колись оглядав. Видно, у Китаї їх багато, от і надсилають ставлять куди доведеться.


Спочатку здалося, що дисплей уживаний, але при уважнішому огляді з’ясувалося, що він просто брудний, найімовірніше, від флюсу. Втім, це не скасовує ймовірності, що він справді був у вжитку.


Під дисплеєм — три кнопки керування, у «китайському» стилі, тобто кнопка «плюс» ліворуч, а «мінус» праворуч.
Кнопки «плюс»/«мінус» регулюють яскравість дисплея від нуля (дисплей вимкнений) до максимуму, а кнопка Function перемикає режими відображення. Усі налаштування зберігаються, тобто під час наступного ввімкнення буде встановлено ту саму яскравість і режим, що й перед вимкненням. На мій погляд, це правильно.


Усі компоненти розташовані зі зворотного боку плати. Загальна якість складання — на трієчку, та й то з натяжкою.


Перетворювачі живлення індикатора: внизу — для ниток розжарення, праворуч — підвищувальний для анода.
Також видно драйвер, який керує відображенням на дисплеї.


З іншого боку розташовані мікроконтролер і конвертер USB-UART. Так, ще пищалка, яка видає короткий, але гучний "піп" під час подавання живлення. Наскільки я розумію, вона ж використовується і для сигналізації.


А це те, про що я писав на самому початку і чому продавець, можливо, підняв ціну. Річ у тім, що в мене версія плати 1.3, а на сторінці товару — 1.2. Ключова відмінність у тому, що тут одразу встановлено той самий конвертер USB-UART і роз’єм miniUSB, через який плата під’єднується до комп’ютера для передавання даних і живлення.


Вузол АЦП. Перевага цієї моделі ампервольтметра в тому, що тут використовуються окремі АЦП, а не вбудовані в мікроконтролер. Продавець заявляє 18-розрядний ΔΣ АЦП: 3.75 SPS (18 біт), 15 SPS (16 біт), 60 SPS (14 біт), а також роздільну здатність у 5 знаків.
Але, друзі, яке ж красиве паяння... Слів немає, принаймні пристойних. І так на обох платах. Проблема навіть не в тому, що брудно, а в тому, що флюс гігроскопічний і може впливати на параметри схеми, особливо зі зміною вологості повітря.
Як слід було б відмити й покрити лаком, але після цього майже напевно доведеться виконувати повторне калібрування.


На платі є незрозумілі контактні майданчики JP1-JP4: пара біля АЦП і пара біля шунта. Одна з перемичок закорочена, ще одна призначена для з’єднання плюса шунта з мінусом входу вольтметра. Думаю, без схеми не так просто розібратися, навіщо вони тут узагалі.
Опір шунтів — 17.5мОм.


Біля роз’єму USB є вихід ОК із маркуванням ОС, імовірно, Over Current. Оскільки плата дає змогу налаштовувати пороги захисту, цілком можливо, що це вихід захисту. З причин, описаних нижче, поки що не перевірив.


Плати хоч і однакові, але все-таки мають невеликі відмінності: наприклад, різні типи конденсаторів і зовні різні шунти, хоча опір у них однаковий.


Загальна якість складання місцями засмучує: якісь гори припою, причому, судячи з вигляду, паяли холодним паяльником. До речі, біля роз’єму живлення є додаткова транзисторна збірка, імовірно, для захисту від переполюсування на вході живлення.
Роз’єми на одній із плат брудні, ніби їх використовували повторно.


Підключення. Тут усе так само, як у звичайних ампервольтметрів, і в цьому криється проблема. Якщо невеликі й дешеві прилади з низькою роздільною здатністю такого підключення не помітять, то тут роздільна здатність вольтметра вже помітно вища, і виникає така проблема, як падіння напруги на шунті. Тобто вольтметр вимірює напругу до шунта, а не після нього, і, відповідно, зі зростанням навантаження виміряна напруга знижуватиметься. А оскільки роздільна здатність вольтметра тут вища, похибка зростатиме помітніше.
Як я писав вище, опір шунта — 17.5мОм, заявлений струм — 5 Ампер, тобто за такого струму на шунті падатиме вже 87мВ. З урахуванням падіння на всьому іншому вийде майже 0.1 Вольта, а це багато. Звісно, як слід було б компенсувати це падіння корекцією "на льоту", адже його можна розрахувати математично, але цього ніхто не зробив.
Крім того, складнощів, як завжди, може додати точка підключення мінуса вольтметра. У деяких тестах я її взагалі не підключав.


Трохи підняла настрій картинка з описом підключення зі сторінки товару :)


Регулювання яскравості дає змогу повністю вимкнути індикацію, причому вимикається і підсвічування — це видно за зменшенням споживаного струму (ліворуч). Загалом споживання невелике: до 1 Ватта за максимальної яскравості.


Вище я писав, що над дисплеєм є два світлодіоди. Вони вмикаються залежно від режиму відображення: червоний розташований над індикатором струму, синій — над індикатором напруги. Усього є 6 режимів відображення:
1. Амперметр + вольтметр із відображенням 4 знаків
2. Амперметр + вольтметр, але роздільну здатність вольтметра збільшено до 5 знаків, а амперметра зменшено до 3 знаків
3. Як у п. 2, але "дзеркально"
4. Вольтметр із роздільною здатністю 7 знаків
5. Амперметр із роздільною здатністю 7 знаків.
6. Ватметр.


На сторінці товару є схожий опис, але він дещо помилковий. Відрізняється порядок перемикання режимів, колір підсвічування і те, що в режимі ватметра насправді світяться обидва світлодіоди.
Загалом сам принцип такої індикації простий і зручний, мені сподобався, але світлодіоди світять слабувато, а з урахуванням світлофільтра буде зовсім сумно — треба щось придумати.


Першу перевірку проводив за допомогою джерела зразкової напруги, яке я вже колись оглядав.
Реальні значення, виміряні для огляду, наведено у стовпці Fluke 8508A.


Перевіряв у режимі з максимальною роздільною здатністю й з'ясувалося, що в наймолодшому розряді завжди 0, а два перед ним змінюються з великим кроком.
На фото показано перемикання показів, проміжних варіантів немає.


Власне, це й спонукало мене зробити не 4, а 8 фото, щоб було зрозуміло, який вигляд має вимірювання. Оскільки діапазон вимірювання плаваючий, то після того, як напруга досягла 10 Вольт, зник останній нуль, який нічого не означав, і змінювалися два останні розряди, але знову ж таки з кроком приблизно 280мкВ або 0.28мВ, ну або 0.00028В — кому як зручніше.

Загалом усе правильно: якщо вважати, що весь діапазон АЦП охоплює напругу від нуля до максимальних 30 Вольт, то за роздільної здатності 18 біт це буде 1/262144 або 114мкВ. Тобто розробник просто вивів на екран усе, що отримує з АЦП, особливо не переймаючись, що там має значення, а що ні. Реально можна вважати максимум 5 знаків, що, власне, і було заявлено в характеристиках.


А тепер — різні картинки для наочного показу того, що являють собою ці плати. На сторінці товару заявляли, що їх калібрують за допомогою точних вимірювальних приладів. У мене, звісно, прилад не такого класу, тож результат буде не таким наочним.
Почнемо з напруги приблизно 1мВ — навряд чи хтось вимірюватиме щось менше.
Я б сказав, що все доволі непогано. До речі, на фото з напругою 5 Вольт видно, що роздільна здатність становить 280мкВ, тобто перемикання відбувається приблизно з таким кроком.


Вимірювання струму перевіряв, починаючи приблизно з 0.5мА. Відлік при цьому починається з 0.22мА, а далі переважно йде кратно 0.11мА, тобто 0.22-0.33-0.44мА тощо.
Для наочності більшість фото наведено парами: струм незмінний, але видно коливання в межах мінімального кроку вимірювання.


На цьому етапі я подумав: а чому, власне, перевіряю одну плату? Адже перевірити дві буде набагато наочніше, а крім того, я зможу перевірити точність взаємного калібрування — яка-не-яка, а статистика.
Взяв дві плати, з'єднав входи вимірювання напруги паралельно й подав живлення від павербанка, щоб не залежати від мережі.
І тут виявився цікавий нюанс, показаний на першому й другому фото. На платі, живлення якої подавалося останньою, замість нулів відображалася якась нісенітниця.
Довелося взяти два павербанки й повністю розв'язати живлення плат. Після цього покази на екрані теж не завжди були нульовими, але вони збігалися: наприклад, на обох нулі, потім на одній платі 280 у молодших трьох розрядах, потім те саме на іншій або на обох. Фактично це коливання однієї цифри в останньому розряді, але тут одна цифра відповідає 280мкВ.


І тут можу сказати, що і точність за 5 розрядами, і взаємне калібрування дуже хороші — принаймні не набагато гірші, ніж у мого мультиметра.


А от із вимірюванням струму все, на жаль, не так гладко: одна плата помітно завищує покази.


Але далі на мене чекав справжній сюрприз. Коли я робив замовлення, то думав: ну чому виробник так сильно обмежив параметри — 30 Вольт, 5 Ампер, коли хотілося б хоча б трохи більше.
І ось під час тестування з'ясувалося, що:
1. Максимальна вимірювана напруга становить 37.5 Вольта. На другому фото вольтметр уперся в ліміт, і далі покази просто залишаються на цьому значенні, причому для кожної плати воно своє.
2. Струм я піднімав до 8.5 Ампера, і він продовжував вимірюватися. Далі я просто пожалів шунт, бо він почав відчутно нагріватися: на ньому розсіювалося близько 1.2 Ватта, а я якраз узяв плату з тонким шунтом. Але загалом ніщо не заважає взяти потужніший шунт. До речі, відхилення через нагрівання було дуже невеликим, що не може не тішити.



На самому початку я писав, що плата підтримує підключення, і продавець без проблем надав програму, але виявилося, що все не так просто.
За задумом програма виводить на екран напругу, струм і потужність — загалом зручно.


Крім того, тут є окрема кнопка виклику режиму калібрування, де вводиться реальне значення напруги або струму і, наскільки я розумію, плата має використовувати його як правильне. Крім того, є кнопка — повернути до заводських налаштувань.


Також я вище писав, що плата вміє сигналізувати про перевищення порогів. Так от, поріг струму й напруги задається в ПЗ, причому можна встановити як верхній, так і нижній поріг.


І все було б майже чудово, якби не те, що ПЗ китайською, та ще й не працює.
Для початку, мій антивірус лається на цю програму, але до такого з китайським ПЗ я вже звик. Крім того, вона працює лише під час запуску від імені адміністратора. Але максимуму, чого я зміг досягти, — це відліку отриманих пакетів даних і зміни розрядності індикації: під час звичайного запуску показує 0.0000 і дані не приймаються, а під час запуску від імені адміністратора відображення змінюється на 00.000, дані приймаються, але більше нічого не відбувається...
Написав продавцеві, але відповіді поки немає.

Додаткові тести показали, що ПЗ без проблем дає змогу встановити поріг спрацювання сигналізації, і це працює, але поточні значення напруги й струму на екрані ПЗ все одно не відображаються.



Вище написано багато слів і додано чимало різних картинок, але, мабуть, простіше прочитати висновки, щоб зрозуміти, що являє собою цей ампервольтметр, так би мовити, у стислому вигляді.

Сподобалося — VFD, частково саме через це й купував; окремі АЦП, непогана точність (у вольтметра порівнянна з моїм "юнитом"), кілька варіантів відображення та додаткова індикація, регулювання яскравості, відсутність мерехтіння під час фотографування (іноді це важливо), можливість підключення до комп’ютера, встановлення порогів спрацювання сигналізації. Реальний діапазон вимірювання значно перевищує заявлений. Період оновлення показань — близько 4 разів на секунду.

Не сподобалося — під час вимірювання струму точність усе-таки «кульгає», ПЗ китайською, і відчуваю, що доведеться помучитися, щоб воно нормально запрацювало; не надто висока якість складання, вплив падіння напруги на шунті на результат вимірювання вольтметра.

Підсумок — тепер сиджу й думаю, куди його прилаштувати застосувати. Для блока живлення чи електронного навантаження точність вимірювання та розрядність якось завеликі, а як окремий вимірювальний прилад він не надто зручний та й не дуже функціональний. Купив просто тому, що захотілося; була думка зробити двоканальний лінійний БЖ. Під час вимірювання струму є помітна похибка, принаймні в одного екземпляра. Також платі важко вимірювати малі струми, але, друзі, за струму 1 мА падіння напруги на шунті становить лише 17 мкВ! І вона вимірює!
Незрозуміло, навіщо вивели на екран 7 знаків, з яких один узагалі не працює, а два мають великий крок перемикання. Заявлені 5 розрядів прилад відображає лише за напруги 10 Вольт і вище, а до цього — тільки 4 розряди.

Загалом усе неоднозначно, але особисто мені плати радше сподобалися, ніж ні, і думаю, що знайду їм якесь застосування — хоча б через характеристики та зовнішній вигляд :)