ボルテメーターIC：精密電圧測定をシンプルに

ボルテメーターICについて、電子回路上の二点間電圧を測定すると多くの利点があります。例えば、バッテリーのような電気デバイスが意図通りに動作しているか判断できます。また、ボルテメーターはそのバッテリーの電圧差について知らせてくれます。ボルテメーターは一般的に、ICL7107のような特別な集積回路チップを備え、正確な測定を提供します。基本的に、これらは七セグメントLEDディスプレイとともに回路上に統合されます。

この記事では、任意の電子デバイスで利用できるデジタルパネル型ボルテメーター回路を説明します。始めましょう！

1. ボルテメーターICとは？

(デジタルボルテメーターは正確な電圧測定のためにIC L7107を搭載。出典：Wikimedia Commons)

ボルテメーターICはACまたはDC電圧を測定し、数値で値を表示します。特に多くがインターシルのICL7107 3.5 ADCを利用。0～2000Vを0.1%精度で表示し、200mA未満で動作。また、ICL7107の回路はディスプレイドライバー、クロック、七セグメントデコーダー、基準電圧源をサポートします。

ただし、電源電圧変動、温度、入力インピーダンスなどの条件が性能に影響する可能性があります。

2. デジタルボルテメーターの動作

(バッテリー電圧を測定するデジタルボルテメーター。)

入力電圧範囲

デジタルボルテメーター (DVM) の入力範囲は±1V～1000Vです。一方、高精度DVMは1GΩ入力抵抗で0～20V範囲を提供。

設計と動作原理

デジタルボルテメーターのアッテネータは直列抵抗を備え、入力信号を減衰。その結果、点Aの電圧レベルが入力電圧V_inと一致。電圧分割則により、点B (R2) には点A (R1) より低い電圧が含まれます。一方、点C (R3) の電圧はAとBよりさらに低くなります。

(デジタルボルテメーターはアッテネータを搭載。出典：Wikimedia Commons)

全体として、アッテネータは過剰電圧を抑制し、他の集積コンポーネントへの損傷を防ぎます。これは予め定義された抵抗ネットワークとして動作し、減衰を通じて電子回路を保護。一般的にこれはディケイド減衰と呼ばれ、デジタルボルテメーターの十進カウントを提供。したがって、減衰実行は10の累乗になります。

さらに、ADCの入力はVin/Nとして入力電圧を提供：

: N = 1, 10, 100, 1000

また、回路のADCはアナログ・デジタル変換機能を提供し、デジタル出力を生成。この場合、デジタル信号は0と1の二レベルを特徴。このプロセスでデジタルパルスの系列が生成され、一パルスは1mVに相当。

その後、ディケイドカウンターユニットがデジタルパルスを受信。実際、三つのディケイドカウンターがカスケード構成でセットアップされています。各々は0から9までの10カウントを提供。特に、すべて三つが1000までカウント。

その後、DC 7447が変換プロセスを実行し、BD値を七セグメントディスプレイに表示。最後に、十進点セレクタが電圧の大きさに基づいて小数点の位置を参照。

3. ボルテメーターIC－デジタルボルテメーターの種類

(様々なデジタルボルテメータータイプが市場に存在。)

ランプタイプ DVM

ランプタイプDVMは、入力電圧が0Vまで降下するのにかかる時間を測定。また、ランプ電圧レベルが0Vから入力電圧まで上昇するのにかかる時間も測定。

デュアルスロープ積分型 DVM

デュアルスロープ積分型DVMは、スイッチSがアナログ入力を積分器に特定時間間隔適用すると動作。その後、コンパレーターの入力電圧レベルが適用可能な正の値まで上昇。この固定時間間隔が終了すると、電圧上昇率が入力電圧と一致。

カウントはゼロに設定され、スイッチが基準電圧に移行。この時点で、積分器の出力はコンパレーターの内部基準電圧未満の値まで減少。その後、信号がカウント終了をトリガー。

積分型 DVM

積分型DVMは電圧-周波数変換技術を特徴とします。基本的に、入力電圧の大きさに相当するパルスを生成。全体として、測定電圧に依存する周波数を持つ一連のパルスが生成されます。

逐次比較型 DVM

名前の通り、逐次比較型DVMは逐次比較コンバーターを搭載。1秒間に1000回の読み取りを実行。まず、スタート/ストップマルチバイブレーターにスタートパルスを分配。次に、8ビット制御レジスタが10000000を表示。したがって、DACの出力は基準電圧の半分に設定。

全体として、測定サイクルは最終カウントに達すると継続・停止。

4. ICL7107を使ったデジタルボルテメーターの作り方

ICL7107を使ったデジタルボルテメーターのDIYプロジェクトを含めました。詳細を読み進めてください！

回路図：

(デジタルボルテメーター回路図)

シンプルなデジタルボルテメーター回路は、0～200V範囲の直流電圧を測定します。

必要な部品：

• PCB – 1枚
• 七セグメントLEDディスプレイ – 4個
• 555 ICタイマー – 1個
• LM7805 – 1個
• ICL7107 – 1個
• 9V/12V電源 – 1個
• 47kΩ 抵抗 – 1個
• 1kΩ 抵抗 – 5個
• 22kΩ 抵抗 – 1個
• 10kΩ 抵抗 – 1個
• 120kΩ 抵抗 – 1個
• 5kΩ ポテンショメータ – 1個
• 100nF コンデンサ – 3個
• 10μF コンデンサ – 2個
• 100pF コンデンサ – 1個
• 220nF コンデンサ – 1個
• 47nF コンデンサ – 1個
• LED – 1個
• 1N4148 ダイオード – 2個
• プローブ – 1個

手順：

以下の手順で回路を再現します。

PCB発注と製造：

このステップは一般的にプリント基板をオンラインで発注することを含み、OurPCBがこの目的で基板製造サービスを提供しています。

回路キャリブレーション：

回路に電源を投入し、すべての入力端子をショート。その後、ディスプレイが0Vを表示するまでR6抵抗を微調整。

部品接続：

(回路上で部品をはんだ付けする必要があります。)

まず、回路図通りにICL7107、IC 555発振回路、すべての部品を接続。次に、四つの七セグメントLEDディスプレイを追加し、図示通りに接続。LM7805を回路に統合。GNDピンをグランドに接続。その後、INピンをVCC、OUTピンをR10 1kΩ抵抗に接続。その抵抗をLEDに接続し、グランドに落とす。さらに、C8 10μFコンデンサのプラス側をOUTピン、マイナスリードをグランドに接続。

まとめ

要約すると、デジタルボルテメーター回路はデバイスが正常に動作することを保証します。二点間電圧を測定し、デジタル数値を生成することで達成。もちろん、その数値は七セグメントLEDディスプレイに表示される前に変換プロセスを経ます。その後、数値が桁形式で現れ、入力電圧を表します。全体として、デジタルボルテメーターはプロフェッショナルと自作プロジェクトの両方で有用であることが証明されています。

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