MODULE MULTIMETRE USB FCALLBOX

Ce petit module compacte assure les fonctions de Voltmètre, Ampèremètre en DC et AC RMS et ce avec une haute précision.

On peut en utiliser 8 en même temps sur un PC (un seul sur mobile)

Il n'a pas d'afficheur et doit être relié à un PC ou un mobile (Android), l'alimentation est issue du port USB mais le module est complètement isolé et l'appareil connecté à celui ci ne craint aucun risque (isolation 1500V).

Les caractéristiques sont les suivantes :

- Voltmètre auto-range , auto polarité DC ou AC true RMS (calibres configurables par changement de valeur de résistance).

Précision du voltmètre en DC Range Précision 0.5V to 150V +0.06% / -0.10% 0.1V to 4V +0.37% / -0.11% 0.02V to 0.5V +0.4% / -0.44%         10mV         2%

Précision du voltmètre en AC jusqu'à 1KHz Range      10mV      100mV        1V         7V 10Hz-1KHz +2% / +57% -0.4% / +72% -0% / +72% 0.1% / +73% 100Hz-1KHz   +2%/+7% -0.4%/+5%   -0%/+5%   0.1%/+6% 300Hz-1KHz   +2%/+4% -0.4%/+0.2%  -0%/+0.7%  0.1%/+0.6%

Précision du voltmètre en AC de 1KHz à 300KHz Range      10mV      100mV        1V         7V 1Kz-50KHz -4% / +100% -0.2% / +18% 0.2% / +0.8% 0.1% / +0.4% 1Kz-300KHz +4%/+100% -0.2%/+100%   -32%/+0.8%   -20%/+0.4%

Précision du voltmètre en AC de 10mV à 7V pour 1KHz, 10KHz, 22KHz, 50KHz,100KHz Range   10mV à 7V   50mV à 7V 150mV à 7V 500mV à 7V 1Kz -1.68%/1% -0.4%/+0.3% -0.4%/+0.3% -0.4%/+0.3% 10KHz -0.2%/+36% -0.2%/+5% -0.2%/+0.9% -0.2%/+0.4% 22KHz -0.1%/+58% -0.1%/+15% -0.1%/+3% -0.2%/+0.7% 50KHz -0.1%/+92% -0.1%/+53% -0.1%/+9.6% -0.1%/1.4% 100KHz -0.1%/+99% -0.1%/+99% -0.1%/+22% -0.1%/+0.6%

Légende : Green < 1dB, blue < 3dB, Red > 3dB

- Ampèremètre 5A ou plus ou autre selon configuration hardware, DC ou AC true RMS (mais la fonction Voltmètre n'est plus disponible en AC)

Précision de l'ampèremètre version 5A (ACS712) Range Précision   0.1A à 3.7A     +0.5% / -0.5%       20mA          4%

Précision de l'ampèremètre version 1A (R = 2 Ohms) Range Précision   0.1A à 1A     +0.5% / -0.5%       20mA          2%

- Capteur de température pour tracabilité des mesures.

- Note : les bornes COM pour mesure U et I sont reliées ensemble.

- Calibration par le PC.

- Le soft PC dispose d'un socket server qui permet de contrôler à distance le module (pour par example faire des script de mesures, ou tout simplement pour utiliser le module par mobile

- dimensions PCB : 50x50mm

Sommaire

• BLOC DIAGRAMME

• Schéma de la carte

• nomenclature de la carte

• Circuit imprimé

• Assemblage de la carte

• Mécanique

• MISE SOUS TENSION

• MONTAGE CABLAGE

• SOFTWARE SOUS WINDOWS

• QUALIFICATION et mesures

• SOFTWARE SOUS WINDOWS : CONTROLE A DISTANCE

BLOC DIAGRAMME

Quelques explications sur le fonctionnement du module :

Le module est en faite un ensemble de USB_deviceices I2C :

    -Le coeur du module, un ADC 18bits MCP3422 à deux canaux, pas rapide (3.75 mesures par seconde) mais très précis.

    -Un capteur de température TCN75A, pour tracer la température proche de l'ambiante lors des mesures.

    -Une E2PROM 24C32 pour enregistrer les valeurs de calibration, paramètres divers ... cela permet de rendre le module autonome (les données ne sont pas enregistrées sur le PC, mobile...).

    -Un extendeur d'IO PCF8574 pour seter l’atténuateur, le mode AC/DC, les leds. aussi pour lire le numéro d'identification du module (0 à 7), obligatoire quand plusieurs sont utilisés.

L'étage d'entrée du voltmètre comporte un atténuateur (74HC4052) à 5 calibres physiques (3 autres calibres disponibles en utilisant les PGA du MCP3422)

L'entrée est protégée par des diodes BAS416 à très faible courant de fuite et surtout à très faible variation du courant en fonction de la température, sans quoi les mesures ne seraient pas fiables.

l'impédance d'entrée est de 4.7M pour les 4 plus haut calibres et 10M pour les autres, pour l'entrée AC, elle est de 47K (mais on pourrait utiliser l'entrée HZ (4.7 .. 10MR) mais cela réduirait la bande passante des mesures.

l'ampli différentiel d'entrée utilise des OPA2197 (Rail-to-Rail Input Output, Low Offset Voltage Op Amp).

un multiplexeur 74HC4053 commute divers fonctions, mode AC/DC, aussi le courant en AC mais pas implémenter au niveau du software

Pour l'AC, pour faire des mesures en BF (max 200KHz), j'ai utilisé un convertisseur true RMS AD736, pas super précis mais suffisant, les mesures peuvent être affichées en Vrms, dBm, dBu, dBV, mW (l'impédance de référence peut aussi être choisie (par soft).

Pour l'entrée mesure de courant, on a deux choix:

    -un ACS712, capteur de courant 5A (ou 20 ou 30A mais attention au câblage) avec un faible résistance 1,2mR et une précision moyenne (voir résultats en fin d'article).

    -A base de résistance, ici 2R pour 1A max, mais on peut mettre ce que l'on veut et renseigner sa valeur dans le soft.

Le module est isolé galvaniquement, ce qui signifie que les entrées de mesures ne sont reliées à aucun potentiel de la prise USB, donc aucune crainte pour le PC ou le mobile connecté au module.

L'isolation est faite par un ISO1541 pour l'I2C et un DC/DC isolé RECOM qui convertit le 5V de l'USB en 5V isolé pour le module.

A noter, que l'I2C est généré à partir d'un câble USB vers UART série TTL (3.3V ou 5V), j'utilise les signaux RTS, CTS et TXD pour faire un I2C soft.

Pour finir, il y a 3 leds, power = présence 5V, OVL = overload (dépassement tension ou courant), ACT = clignote quand soft actif.

Schéma de la carte

Télécharger le schéma ici

Note : R17 et R19 sont des 9K1 et pas des 47K.

La nomenclature ci dessous montre les composants la version 5A et 1A, se référer à la note plus bas qui définit ce qu'il faut monter en fonction de la version.

Vue de dessus Ref Description Fabricant / référence R5,R7 Résistance 4.7MR 1% 1206 Toutes marques R12,R13 Résistance 510KR 1% 0603 Toutes marques R14,R15 Résistance 180KR 1% 0603 Toutes marques R16,R18 Résistance 100KR 1% 06033 Toutes marques R17,R19 Résistance 9K1 1% 0603 Toutes marques R34 inductance 22uH 140mA 1210 EPCOS B82422A1223K10 ou équivalent R26 Résistance 10KR 5% 0603 Toutes marques R3,R4,R8,R9,R27,R29,R31,R32 Résistance 100KR 5% 0603 Toutes marques R1,R10,R20,R21,R22,R23 Résistance 4.7KR 5% 0603 Toutes marques R35 Résistance traversante axiale 1R 1% Toutes marques R2,R25 Résistance 100R 5% 0603 Toutes marques R28,R30,R33 Résistance 100KR 5% 0603 Toutes marques C28,C29 Condensateur 1nF 25V X7R 10% 0603 Toutes marques C3,C15,C16,C17,C26 Condensateur 10uF 10V X7R 0603 Toutes marques C5,C1,C22,C4,C6,C7,C9,C12,C13 Condensateur 100nF 25V X7R 10% 0603 Toutes marques C36,C14,C11,C20,C21,C23,C31,C32,C37 Condensateur 100nF 25V X7R 10% 0603 Toutes marques D7 Led 3mm jaune Toutes marques D8 Led 3mm verte Toutes marques D9 Led 3mm rouge Toutes marques U1 Capteur de courant ACS712ELCTR-05B-T (5A) SOIC8 Alegro Microsystem ACS712ELCTR-05B-T U2 Circuit intégré ADC 18bits MCP3422A0-E/SN ou MCP3422A1-E/SN SOIC-8 Maxim MCP3422A0-E/SN ou MCP3422A1-E/SN U3,U4 AOP OPA2197 SOIC8 BOURNS , TI U5 Circuit intégré ICL7660 SO8 Intersil CL7660CBAZ ou équivalent U6 Circuit intégré PCF8574A TSSOP20 PCF8574TS NXP ou PCF8574PWRE4 TEXAS INSTRUMENTS U7 DC DC isolé 5V to 5V RECOM RBE-0505S U8 isolateur I2C ISO1541D ISO1541D TEXAS INSTRUMENTS U9 Références de tension 2.5V SOT23 MCP1525T-I/TT Microchip U10 74HC4052 SO16 Toutes marques U11 EEPROM 24C32 SO8 Toutes marques U12 Convertisseur RMS AD736 DIL8 AD736 Analog Device U13 74HC4053 SO16 Toutes marques U14 Capteurs de température TCN75A SO8 TCN75AVOA Microchip J3 Connecteur mâle 1x6 pas 2.54mm Toutes marques

Vue de dessous Ref Description Fabricant / référence R24,R39,R40,R41 Résistance 4.7KR 5% 0603 Toutes marques R42,R43,R44 Résistance 1KR 5% 0603 Toutes marques R6,R11 Résistance 4.7MR 1% 0603 Toutes marques R45 inductance 22uH 140mA 1210 EPCOS B82422A1223K10 ou équivalent C24,C25,C33,C34,C35 Condensateur 10uF 10V X7R 0603 Toutes marques C10,C8,C22,C27,C30 Condensateur 100nF 25V X7R 10% 0603 Toutes marques D1,D2,D3,D4,D5,D6 Diode schottky SDO323 BAS416 NXP Q1 transistor NPN BC846A SOT23 Toutes marques

Attention R34 et R45 sont des inductances et pas des résistances, ceci afin de réduire le bruit généré par le DC/DC

Pour la version 5A ou plus, ne pas monter : R25,R28,R30,R33,R35,D6

Pour le choix de la version 5A ou plus il faut prendre la référence ACS712ELCTR-05B-T pour 5A, ACS712ELCTR-20A-T pour 20A ou ACS712ELCTR-30A-T pour 30A.

Pour la version 1A ou moins, ne pas monter : U1,C20,C28,C29,R26,R31,R32,C37

Comme dit plus haut, on peut avoir jusqu'à 8 modules sur un PC, ceux ci sont numérotés de 0 à 7

NE : non équipé, 0R : résistance 0R 0603 montée.

Module R36 R37 R38 0 NE NE NE 1 NE NE 0R 2 NE OR NE 3 NE 0R 0R 4 0R NE NE 5 0R NE 0R 6 0R 0R NE 7 0R 0R 0R

Mécanique

Perçage facade de dessus

Télécharger ici le plan de perçage      

Perçage facade de USB_deviceant

Télécharger ici le plan de perçage      

Pour la facade, ma méthode consiste à l'imprimer sur du papier photo, puis de découper au cutter les ouvertures, ensuite je place des petits bouts de double face de très faible épaisseur à plusieurs endroits sur le boitier, puis je pose la face papier photo dessus. Pour assurer la finition, j'utilise des limes fines

Attention : monter les 4 vis + écrous du boitier avant de poser la façade papier.

Plan de la facade de dessus

Télécharger ici le plan de facade      

MONTAGE CABLAGE

Pour le montage, il faut :

-Un boitier Hammond Manufacturing 1593LBK

-Une fiche banane femelle rouge type Pomona 1581-2

-Une fiche banane femelle noir type Pomona 1581-0

-Une fiche banane femelle jaune type Pomona 1581-4

-Un connecteur Coaxial BNC à monter sur panneau

-Un câble, USB vers TTL FTDI TTL-232R-5V-WE ou TTL-232R-3V3-WE

Montage :

- Fixer la carte sur les 4 vis qui traversent le boitier.

- Couper le câble FTDI à la longueur désirée et le câbler sur le connecteur J3

- Câbler les fils suivants :

- TP4 sur borne rouge (U+ High Z).

- TP2 sur borne noire (COM).

- TP3 sur borne noire (COM).

- TP1 sur borne jaune (I).

- Il a été rajouté une entrée basse impédance pour les mesures U AC, il faut rajouter un câble blindé avec un résistance de 39K en série avec une 100nF 100V comme ci dessous :

MISE SOUS TENSION

Plugger le module sur un port USB d'un PC, le voyant POWER doit s'allumer en vert.

SOFTWARE SOUS WINDOWS

Le logiciel de controle permet de piloter le module via USB.

Mais il est aussi indispensable pour les calibrations de celle ci.

Télécharger ici le fichier et décompresser le dans un dossier puis lancer FcallBoxMULTIMETERV200.exe      

Le logiciel scanne tous les ports COM du PC, si le port est disponible il essaye d'enregistrer une patern dans la flash et si la re-lecture est identique, il sait alors qu'il est en face d'un module.

Ensuite il lit le numéro du module (0 à 7) qu'il affiche dans la barre du haut.

Sur l'image ci dessous, en haut la partie voltmètre, au milieu la partie ampèremètre, en bas la partie controle à distance et bouton RECORD et CALIBRATION.

Pour le voltmètre DC, les détails ci dessous :

- Auto correspond à l'auto range, le logiciel se charge de changer de calibre, vers le haut si dépassement, vers le bas si la valeur correspond à moins de 90% du max du calibre inférieur.

- 500mV ... 1KV donne le calibre en cours, en mode non Auto, on peut changer le calibre en cliquant en cliquant sur un d'eux.

Pour l'ampèremètre, les détails ci dessous pour la version résistance :

- Auto correspond à l'auto range, le logiciel se charge de changer de calibre, vers le haut si dépassement, vers le bas si la valeur correspond à moins de 90% du max du calibre inférieur.

- 0.125A ... 5A donne le calibre en cours, en mode non Auto, on peut changer le calibre en cliquant en cliquant sur un d'eux.

- Zero sert à forcer l'affichage à zéro pour tous les calibres qu'il scannent, valable uniquement pour le mode AC/DC sélectionné.

Pour le voltmètre AC, il faut cliquer sur AC/DC les même fonctions que pour le DC sont applicables :

Ci dessus l'ampèremètre en mode 5A

Le changement se fait en utilisant les boutons de la fenêtre Current Setup, la valeur de la résistance ne peut être changée que dans le mode R.

Il faut cliquer sur le bouton RECORD pour enregistrer le changement de mode, attention, il enregistre aussi tous les autres changements (calibration)...

SOFTWARE SOUS WINDOWS : CALIBRATION

Cliquer sur le bouton CAL pour lancer la calibration, suivre les instructions, une fois la calibration faite, le bouton associé passe au vert.

Faire un Zero avant toute calibration (attention, le ZERO ne calibre le 0 que sur le mode selectionné (AC DC AMP)).

Faire un Record ensuite, attention, il enregistre toutes les calibrations.

QUALIFICATION et mesures

MESURE TENSION DC

Mesures de comparaison de tension avec un HAMEG 8012 entre 0.5V et 150V en mode auto range par pas de 0.5V :

Pourcentage : +0.06% / -0.10%

Résultats en mV d'écart :

Télécharger ici les détails avec le tableau de données

Mesures de comparaison de tension avec un HAMEG 8012 entre 0.1V et 4V en mode auto range par pas de 10mV :

Pourcentage : +0.37% -0.11%

Résultats en mV d'écart :

Télécharger ici les détails avec le tableau de données

Mesures de comparaison de tension avec un HAMEG 8012 entre 0.01V et 0.5V en mode auto range par pas de 10mV :

Pourcentage : 0.02V à 0.5V : +0.4% -0.44% et 2% à 10mV

Résultats en mV d'écart :

Télécharger ici les détails avec le tableau de données

MESURE TENSION AC

Précision du voltmètre en AC jusqu'à 1KHz Range      10mV      100mV        1V         7V 10Hz-1KHz +2% / +57% -0.4% / +72% -0% / +72% 0.1% / +73% 100Hz-1KHz   +2%/+7% -0.4%/+5%   -0%/+5%   0.1%/+6% 300Hz-1KHz   +2%/+4% -0.4%/+0.2%  -0%/+0.7%  0.1%/+0.6%

Légende : Green < 1dB, blue < 3dB, Red > 3dB

Mesures de comparaison de tension générée par un Agilent 33250A de 10Hz à 1KHz pour 10mV, 100mV, 1V et 7VRms :

Mesures de comparaison de tension générée par un Agilent 33250A de 100Hz à 1KHz pour 10mV, 100mV, 1V et 7VRms :

Mesures de comparaison de tension générée par un Agilent 33250A de 300Hz à 1KHz pour 10mV, 100mV, 1V et 7VRms :

Précision du voltmètre en AC de 1KHz à 300KHz Range      10mV      100mV        1V         7V 1Kz-50KHz -4% / +100% -0.2% / +18% 0.2% / +0.8% 0.1% / +0.4% 1Kz-300KHz +4%/+100% -0.2%/+100%   -32%/+0.8%   -20%/+0.4%

Légende : Green < 1dB, blue < 3dB, Red > 3dB

Mesures de comparaison de tension générée par un Agilent 33250A de 1KHz à 50KHz pour 100mV, 1V et 7VRms :

Mesures de comparaison de tension générée par un Agilent 33250A de 1KHz à 300KHz pour 100mV, 1V et 7VRms :

Précision du voltmètre en AC de 10mV à 7V pour 1KHz, 10KHz, 22KHz, 50KHz,100KHz Range   10mV à 7V   50mV à 7V 150mV à 7V 500mV à 7V 1Kz -1.68%/1% -0.4%/+0.3% -0.4%/+0.3% -0.4%/+0.3% 10KHz -0.2%/+36% -0.2%/+5% -0.2%/+0.9% -0.2%/+0.4% 22KHz -0.1%/+58% -0.1%/+15% -0.1%/+3% -0.2%/+0.7% 50KHz -0.1%/+92% -0.1%/+53% -0.1%/+9.6% -0.1%/1.4% 100KHz -0.1%/+99% -0.1%/+99% -0.1%/+22% -0.1%/+0.6%

Légende : Green < 1dB, blue < 3dB, Red > 3dB

Mesures de comparaison de tension générée par un Agilent 33250A de 1KHz pour 10mV à 7VRms :

Mesures de comparaison de tension générée par un Agilent 33250A de 10KHz pour 10mV à 7VRms :

Mesures de comparaison de tension générée par un Agilent 33250A de 22KHz pour 10mV à 7VRms :

Mesures de comparaison de tension générée par un Agilent 33250A de 50KHz pour 10mV à 7VRms :

Mesures de comparaison de tension générée par un Agilent 33250A de 100KHz pour 10mV à 7VRms :

MESURE COURANT DC POUR VERSION 5A

Mesures de comparaison de tension avec un HAMEG 8012 entre 0 et 3.7A en mode auto range par pas de 0.1A :

Pourcentage : 100mA à 3.7A : +0.5% / -0.5% et 4% à 20mA :

Résultats en mA d'écart :

Télécharger ici les détails avec le tableau de données

MESURE COURANT DC POUR VERSION 1A (R=2Ohms)

Mesures de comparaison de tension avec un HAMEG 8012 entre 0 et 1A en mode auto range par pas de 0.1A :

Pourcentage : 100mA à 1A : +0.5% / -0.5% et 2% à 10mA :

Résultats en mA d'écart :

Mesures de comparaison de tension avec un HAMEG 8012 entre 100mA et 1A en mode auto range par pas de 0.1A :

Pourcentage : 100mA à 1A : +0.5% / -0.5% :

Résultats en mA d'écart :

SOFTWARE SOUS WINDOWS : CONTROLE A DISTANCE

Le logciel peut être piloté à distance via une liaison Socket Server-Client

Il faut renseigner les champs IP et Port, utiliser 127.0.0.1 si le soft de pilotage est sur le même PC

Les commandes disponibles sont listées ci dessous :

VOLT Commandes :

SET_VOLT_AUTO_ON : set auto range ON for VOLT, return OK
SET_VOLT_AUTO_OFF : set auto range OFF for VOLT, return OK
SET_VOLT_AC_MODE : set VOLT AC, return OK
SET_VOLT_DC_MODE : set VOLT DC, return OK
SET_VOLT_AC_RMS : set VOLT AC Rms, return OK
SET_VOLT_AC_DBM : set VOLT AC dBm, return OK
SET_VOLT_AC_DBV : set VOLT AC dBV, return OK
SET_VOLT_AC_DBU : set VOLT AC dBu, return OK
SET_VOLT_AC_MW : set VOLT AC mW, return OK

SET_VOLT_RANGE_1 : set VOLT RANGE 1 (500mV in DC), return OK
SET_VOLT_RANGE_2 : set VOLT RANGE 2 (1V in DC), return OK
SET_VOLT_RANGE_3 : set VOLT RANGE 3 (2V in DC), return OK
SET_VOLT_RANGE_4 : set VOLT RANGE 4 (4V in DC), return OK
SET_VOLT_RANGE_5 : set VOLT RANGE 5 (20V in DC), return OK
SET_VOLT_RANGE_6 : set VOLT RANGE 6 (50V in DC), return OK
SET_VOLT_RANGE_7 : set VOLT RANGE 7 (100V in DC), return OK
SET_VOLT_RANGE_8 : set VOLT RANGE 8 (1KV in DC), return OK

SET_VOLT_AC_IMPEDANCE value : set VOLT AC impedance : eg SET_VOLT_AC_IMPEDANCE 600, return OK

SET_VOLT_DC_ZERO : compute DC ZERO calibration, return OK
SET_VOLT_AC_ZERO : compute AC ZERO calibration, return OK

GET_VOLT_VALUE : return VOLT value in mV dBm ... eg : -001.0627 or -15.860 ...
GET_VOLT_UNIT : return VOLT unit : mV dBm ... eg : mV or dBU ...

CURRENT Commandes :

SET_CURRENT_AUTO_ON : set auto range ON for CURRENT, return OK
SET_CURRENT_AUTO_OFF : set auto range OFF for SET_CURRENT_RANGE_1, return OK

SET_CURRENT_RANGE_1 : set CURRENT RANGE 1 , return OK
SET_CURRENT_RANGE_2 : set CURRENT RANGE 1 , return OK
SET_CURRENT_RANGE_3 : set CURRENT RANGE 1 , return OK
SET_CURRENT_RANGE_4 : set CURRENT RANGE 1 , return OK

SET_CURRENT_DC_ZERO : compute DC CURRENT ZERO calibration, return OK

GET_CURRENT_VALUE : return CURRENT value in mA : 2581.2131
GET_CURRENT_UNIT : return CURRENT unit : mA

Others Commandes :

RECORD : record actual calibration and setting in E2PROM of the module, return OK
GET_TEMPERATURE return temperature of the module eg 33.0°C

Copyright François Callanquin, Mars 2017

Contact : fcallbox@free.fr