電子工作室

　USB接続のディジタルマルチメータ（ハードウェア編）

　マイクロチップ社の二重積分型のA/Dコンバータを使って
　4-1/2桁のディジタルマルチメータを作ってみました。
　PICのプログラムはPICROSでマルチタスク化しました。

【概要】

　マイクロチップ社がPIC以外に力を入れているアナログ系のICの中から、二重積分型
のA/Dコンバータで、4-1/2桁のBCD出力のものがありましたので試作してみました。
電圧を１００μVの分解能で安定に表示でき、ノイズにも強く使い易いICであることが
確かめられました。
　制御用にはPIC16F877を使い、USBN9603のUSBコントローラでパソコンとフルスピード
のUSB接続が出来ますので、データ収集やグラフ作成には便利に使えます。
　PICのプログラムには「PIC用リアルタイムOSのPICROS」を使ってマルチタスク化しました
ので、意外に簡単にマルチメータが出来ました。

【機能仕様】

今回のディジタルマルチメータの機能仕様は下表のようになっています。これをPICと
A/DコンバータとUSBコントローラで実現しています。
特に変わった機能として、ディジタルマルチメータでは校正用の基準に苦労するのですが、
今回はこの校正用に使える高精度基準電圧源として、「LH0070」というナショナル
セミコンダクタ社の高精度基準電圧ICを一緒に組込み、いつでも校正確認が出来るように
しました。。
このICは古いので入手困難な場合には、新しい同様のICとして、アナログデバイス社から
「AD５８７」というICが出ています。

項　　目機　能　仕　様備　　考

測定項目と分解能電圧　３レンジ構成のオートレンジ切替え
　　　２Vレンジ　１．９９９９V　100μV分解能
　　２０Vレンジ　１９．９９９V　１mV分解能
　２００Vレンジ　１９９．９９V　10mV分解能

電流　１レンジ構成
　２Aレンジ　　１９９９．９mA　100μA分解能

その他（直接入力)
　２Vレンジ　　１．９９９９V　100μV分解能入力インピーダンス
100MΩ以上
1MΩ
1MΩ

入力インピーダンス
１Ω

入力インピーダンス
100MΩ以上

校正用出力校正用の高精度基準電圧
　１０．０００V　　精度±０．１％以下
　　１．０００V　　精度±０．５％（約）
TYP±０．０３％
校正可能

表示１６桁２行の液晶表示器　

外部出力 USB　Ver1.1　フルスピード
セルフ電源
　コマンドにより電圧、電流の測定可能コントローラは
USBN9603

電源外部より安定化されたDC電源供給
　＋１２V～＋１５V　最大１００mA 　

【DMMの全体ハードウェア構成】

DMM全体のハードウェア構成は下図のようになっていて、A/Dコンバータを実装した
アナログ部の基板と、PICを実装したディジタル部の基板を別々にしています。
これらを小型のプラスティックケースに実装しましたが、電源部を外付けにしましたので
楽に納めることが出来ました。

下図はケース内部の様子で２枚の基板を収納したところです。

上側がディジタル部、下側がアナログ部です。
アナログ部の部品が大型のものが多いので
結構の面積を必要としています。

【アナログ部の詳細】

まず、上記の機能仕様を満足させるため使ったマイクロチップ社のＡ／Ｄコンバータ
は下記のようなものです。

　　TC-7135　4-1/2 Digit Analog-To-Digital Converter

　　★英文ドキュメントダウンロード（pdf形式です）

簡単な仕様は下表のようになっています。

項　目仕　様　概　要備　　考

A/D変換方式二重積分型
クロックは外部供給積分型なので基本的に動作は遅いが
高精度でノイズに強い　

変換速度クロックに依存する
　100kHzのとき　２．５回／秒
　120kHzのとき　３．０回／秒
　250kHzのとき　６．２回／秒
1200kHzのとき　３０．０回／秒商用電源ノイズ対策のため通常は50Hzと
60Hz両方の対策が可能な100kHzを使う。
50Hz対応だけで良ければ250kHzでも可能

A/D変換精度分解能　4-1/2桁
（１．９９９９　BCD出力）マルチプレックスBCD出力
セグメントデコーダドライバ付加により
ダイナミックスキャンの表示が単体で可能

ゼロ自動校正誤差　１０μV以下
温度ドリフト　０．５μV／℃以下　

ディジタルIF TTLコンパチ
マイコンとのインターフェース可能 RUN、STROBEによりマイコンから制御
可能

電源 ±５Vの２電源　

　この表から判るように、ディジタルマルチメータ用に開発されたもので、これに
セグメントデコーダドライバなどの幾つかの部品を追加すれば、これだけで測定器
が完成できるようになっています。
下図はデータシートに解説されている応用例で、4-1/2桁のLED表示の電圧計に
なっています。この回路例から、TC7135にはリファレンス電圧とクロックを外部に
設ける必要があります。

　これをベースに作成したアナログ部の回路は下図のようになっています。
まず、クロックは100kHzとし、タイマICであるLM555で生成しています。100kHzに調整
できるように可変抵抗で周波数調整を可能としています。
　マイナス５Vの電源には、マイクロチップ社のDC/DCコンバータICである、TC7660Sを
使いました。これは結構便利なICで、入力した電源と同じ電圧の極性を反転した電圧
を出力します。つまり１．５Vから１２Vまでの任意の入力電圧から－１．５Vから－１２Ｖの
極性の反転した同じ電圧を出力してくれます。最大許容電力が約７００ｍＷですので
－５Ｖの時は数１０mAは取り出せますが、電圧安定度が悪いので、電流は多くは望め
ません。
　リファレンス電圧用には、基準電圧用ICであるLM385の１．２Vのものを使い、ピッタリ
１．００００Vのリファレンス電圧にするため可変抵抗で調整できるようにしています。
積分用や入力フィルタ用のコンデンサであるC3,C4,C5,C6には、本来は漏れ電流の非常
に少ないポリプロピレンコンデンサが良いのですが、大型になってしまいますので、
もう少し小型のメタライズドフィルムコンデンサを使いました。
　左上にあるリレーを使った回路は電圧レンジのときのオートレンジ切替え用の回路で
２V、２０V、２００Vを、A/Dコンバータからのオーバーレンジとアンダーレンジの信号で
PICの制御の元に切替え動作をします。
正確な１／１０、１／１００の分圧回路とするため１％の抵抗と可変抵抗で微調整が
出来るようにしています。
　左下の１０Ωの抵抗群は、電流測定用の抵抗で、１０Ω１％１／２Ｗの抵抗を１０個並列
接続して、１Ω１％２Ｗの抵抗として使います。これで２Ｖの電圧を発生する２Ａまでの
電流を測定することが出来ます。また過電流の安全対策のため２Ａのフューズを直列に
挿入しています。さらに大電流が流れる配線は独立になるよう測定用の配線とは別に
しておきます。そうしないと配線での電圧降下分が測定誤差となります。
　中央下の回路は５Ｖ電源と校正用に使う高精度基準電圧回路です。LH0070というICは、
極めて高精度な基準電圧用ICで、１０Vの出力に対し、Typ０．０３％、Max０．１％の精度
が保証されていますので、私たちアマチュアが使うメータとしての精度はこれで十分だと
思います。基準用に１Vを作るため１／１０の分圧回路を追加しています。ここにも微調整
ができるように可変抵抗を追加しています。
　回路としてはアナログのグランドをディジタル回路のグランドとは独立にして、入力の
端子のところで一緒に接続します。こうしないとディジタル回路のノイズで測定値が安定
しなかったり、誤差を生じます。

下図はアナログ部の基板の外観です。

コンデンサやリレーなど大型部品が多いので
面積はありますが、配線は簡単です。
漏れ電流が問題になるので基板にはガラスエポキシを
使いました。

電流測定用の抵抗群です。熱対策と高精度抵抗
を使うため１０個を並列接続しています。

レンジ切替用のリレー回路です。制御はPIC側から
行います。
高精度基準電圧ICは校正用の電圧出力です。

積分用のコンデンサには漏れ電流の少ない
メタライズドフィルムコンデンサを使いました。

　下記から回路図とパターン図がダウロードできます。IVEX社のWinDraft、WinBoardで
お使いください。

　　★アナログ部の回路図とパターン図

【ディジタル部の詳細】

ディジタル部はPIC16F877を使っています。回路は特別なものも無いので簡単に
なっています。下図が回路図です。上側の２個のトランジスタはリレーのドライブ用
です。
ポートEにロータリースイッチの状態を入力し電圧、電流の切替えを検知します。
ポートDは液晶表示器専用になっています。
ポートCにはUSBコントローラを接続しています。
ポートAとBを使ってA/Dコンバータを接続し制御しています。RB4をSTROBE信号
の割込みに使っています。（ポートBの状態変化割込み）

PICとA/Dコンバータとのインターフェースは下記のようにしました。
まず、RUNの信号をPICからの開始指令として使います。
TC7135ではこのRUNパルスが一度検知されるとA/D変換を開始し、その完了までは
次のRUNパルスは無視します。またRUN信号がHighのままだと連続でA/D変換を
実行します。
TC7135がA/D変換を完了すると、外部にSTROBE信号を出力します。
このSTROBEが出た時には、BCDデータがB1-B8の４ビットに出力されていますので、
STROBEをPICへの割込み信号として使い、その割込み毎にBCDデータを入力します。
またA/D変換後の最初のSTROBEの時には、D5信号がHighとなっているので、これで
最初の割込みであることを判定し、そこから５回の割込みで終了とします。
BCDデータは上位桁から順次出力されます。

以上の回路を組み立てたものが下図のようなディジタル部となっています。

実装部品が少ないので小型の基板に
収まっています。

USBコントローラはフラットパッケージですので
はんだ面に直付けで実装しています。

下記から回路図とパターン図がダウロードできます。IVEX社のWinDraft、WinBoardで
お使い下さい。

　　★ディジタル部回路図、パターン図

【ケースへの実装】

ケースには小型のプラスチックケースを使いました。前面パネルがちょっと込み合って
いるので注意が必要ですが、残りは楽に実装できました。
下図は前面パネルの実装ですが、液晶表示器は、ねじで前面パネルに固定しています。
スペーサで挿入しないと基板が歪んでしまいますので適当な高さのスペーサ使います。

ロータリースイッチ周りの配線が混み合うので注意が必要です。

【調整・校正方法】　　(12/22)

　本機の校正は下記のように行います。

(1) レンジ切替えスイッチのコネクタをはずす。これによりレンジが電圧計測の２０Vレンジ
　　に固定されます。
(2) １０Vの校正用出力を測定し、その時の値をメモしておきます。
(3) １Vの校正用出力を測定し、１Vの調整用ボリュームを回して表示が前項のメモ値の
　　１／１０になるようにします。これで１V校正用出力が正確な１Vになったことになります。
(4) レンジ切替えスイッチのコネクタを挿入して元に戻してから、校正用１V出力を測定
　　します。そしてこの表示が１．００００Vになるようにリファレンス電圧調整用ボリューム
　　を調整します。　これでA/D変換器の校正が完了したことになります。
(5) 次に校正用１０V出力を測定します。そしてこの時の表示が１０．０００Vになるように
　　１／１０分圧回路の可変抵抗を調整します。これで正確に１／１０になったことに
　　なります。
(6) １／１００の分圧回路の調整は、強制的に１／１００の構成になるように一時的に
　　リレー回路をストラップ等で動作させ、１０V校正用出力を測定して正確に０１０．００V
　　の表示になるように１／１００分圧回路の可変抵抗を調整します。

以上で校正は完了です。

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項　　目	機　能　仕　様	備　　考
測定項目と分解能	電圧　３レンジ構成のオートレンジ切替え　　　２Vレンジ　１．９９９９V　100μV分解能　　２０Vレンジ　１９．９９９V　１mV分解能　２００Vレンジ　１９９．９９V　10mV分解能電流　１レンジ構成　２Aレンジ　　１９９９．９mA　100μA分解能その他（直接入力) 　２Vレンジ　　１．９９９９V　100μV分解能	入力インピーダンス 100MΩ以上 1MΩ 1MΩ 入力インピーダンス１Ω 入力インピーダンス 100MΩ以上
校正用出力	校正用の高精度基準電圧　１０．０００V　　精度±０．１％以下　　１．０００V　　精度±０．５％（約）	TYP±０．０３％校正可能
表示	１６桁２行の液晶表示器
外部出力	USB　Ver1.1　フルスピードセルフ電源　コマンドにより電圧、電流の測定可能	コントローラは USBN9603
電源	外部より安定化されたDC電源供給　＋１２V～＋１５V　最大１００mA

項　目	仕　様　概　要	備　　考
A/D変換方式	二重積分型クロックは外部供給	積分型なので基本的に動作は遅いが高精度でノイズに強い
変換速度	クロックに依存する　100kHzのとき　２．５回／秒　120kHzのとき　３．０回／秒　250kHzのとき　６．２回／秒 1200kHzのとき　３０．０回／秒	商用電源ノイズ対策のため通常は50Hzと 60Hz両方の対策が可能な100kHzを使う。 50Hz対応だけで良ければ250kHzでも可能
A/D変換精度	分解能　4-1/2桁（１．９９９９　BCD出力）	マルチプレックスBCD出力セグメントデコーダドライバ付加によりダイナミックスキャンの表示が単体で可能
ゼロ自動校正	誤差　１０μV以下温度ドリフト　０．５μV／℃以下
ディジタルIF	TTLコンパチマイコンとのインターフェース可能	RUN、STROBEによりマイコンから制御可能
電源	±５Vの２電源