M5Stack-Unit VMeter

Die VMeter-Unit ist ein isoliertes Voltmeter. Der Messteil ist also galvanisch von der übrigen Schaltung, also dem M5Gerät getrennt. Deshalb kann damit an beliebiger Stelle in einer Schaltung gemessen werden, auch wenn diese mit dem M5-Gerät elektrisch verbunden ist. Weiterhin hilft es Störungen zu verringern und die Unit vor Zerstörung zu schützen.

M5Stack gibt an, dass jede Unit individuell mit einer Genauigkeit von 0,1% Skalenendwert ±1 kalibriert wird. Die maximal messbare Spannung beträgt ±36V.

Die Auflösung beträgt mit automatischer Messbereichswahl bei Spannungen ≤ 16V 1mV und bei Spannungen > 16V 7,9mV.

Die Isolierung verträgt Spannungen bis 1000 Veff.

Der ADS1115

Das Herz dieser Unit ist der 16-bit-ADC ADS1115. Hier möchte ich dieses IC näher betrachten.

Der ADS1115 besteht aus einem Multiplexer mit 4 Eingängen, einem programmierbaren Verstärker PGA) dem 16Bit-ADC, einer Referenzspannungsquelle und dem I2C-Interface. Mich interessieren hier nur die analogen Blöcke.

Der Multiplexer

Der Multiplexer interessiert bei der Betrachtung der VMeter-Unit wenig, weil dieser nicht genutzt wird. Es werden nur die Eingänge AIN0 und AIN1 als differenzeingang genutzt, wobei AIN0 auf 2,5 Volt liegt, um positive und negative Spannungen messen zu können. das IC kann entweder vier Single-Ended- oder zwei Differenzsignale messen. Entladungsdioden (ESD), die mit VDD und GND verbunden sind, schützen die analogen Eingänge des ADS111x. Um das Einschalten der ESD-Dioden zu verhindern, darf die Eingangsspannung eines jeden Eingangs nur im angegebenen Bereich von GND- 0,3 V < V(AINX)< VDD+ 0,3 V. Wenn die Spannungen an den Eingangspins potenziell die Bedingungen verletzen können, verwenden Sie externe Schottkydioden und Serienwiderstände, um den Eingangsstrom auf sichere Werte zu begrenzen.

Soweit die wichtigsten Informationen aus dem Datenblatt.

Die Analogeingänge

Die Informationen im Datenblatt zu den Analog Eingängen sind für die Anwendung der VMeter-Unit uninteressant.

Der Wandler

Das IC ist mit einem prigrammierbaren Vorverstärker vor dem ΔΣADC ausgestattet. Damit lassen sich die folgenden Messbereiche einstellen: ±6,144V, ±4,096V, ±2,048V, ±1,024V, ±0,512V, ±0,256V.

Die analogen Eingangsspannungen dürfen die in den absoluten Maximalwerten angegebenen Grenzwerte nicht überschreiten. So können z. B. bei VDD = 3,3 V und FSR = ±4,096 V nur Signale bis VIN = ±3,3 V gemessen werden. Spannungen|VIN| > 3,3 V können nicht gemessen werden.

ADS111x verfügt über eine integrierte Spannungsreferenz. Eine externe Referenz kann nicht verwendet werden. Fehler, die mit der Genauigkeit der Anfangsspannungsreferenz und der Referenzdrift mit der Temperatur verbunden sind, sind in den Angaben zum Verstärkungsfehler und zur Verstärkungsdrift in der Elektrischen Kennlinien Tabelle enthalten.

Der ADS111x hat einen integrierten Oszillator, der mit 1MHz läuft. Für den Betrieb des Gerätes kann kein externer Takt angewendet werden.

Der ADS111x bietet programmierbare Ausgangsdatenraten von 8SPS, 16SPS, 32SPS, 64SPS, 128SPS, 250SPS, 475SPS oder 860SPS.

Rauschen

Das Rauschen beeinflusst die maximal nutzbare Auflösung. Im Datenblatt befinden sich dazu diese beiden Tabellen:

Tabelle 1 zeigt die Rauschspannung in µVeff und µVss.

Tabelle 2 gibt an wie viele der 16 bit Auflösung durch das Rauschen noch aussagekräftig sind. Ebenfalls bezogen auf das Rauschen in µVeff bzw. µVss.

Bis zu 64 Messungen/Sekunde sind demnach bei allen Messbereichen die vollen 16-Bit gültig. Bei 860 Messungen/Sekunde sind es nur noch ca. 14-Bit.

Die Betriebsarten

Der ADS111x arbeitet in einer von zwei Betriebsarten: kontinuierliche Wandlung oder Single-Shot.

Die analogen Eigenschaften aus dem Datenblatt

Interessant ist für mich noch der maximale Strom an den Eingängen, um die maximale Spannungsbelastung zu berechnen. Der beträgt ±10 mA.

Meine Beurteilung

Was mir zuerst auffiel ist der Eingangsspannungsteiler aus 680k / 11k. Dieser reduziert das Eingangssignel auf 0,01592 also ca. 1/60. Damit geht doch sehr viel Auflösung verloren.

Bei einem Widerstand von 680kOhm und 10mA maximalen Eingangsstrom darf die Eingangsspannung maximal 6800V betragen, bevor das IC zerstört wird. Das entspricht einer Leistung von 68Watt die der SMD-Widerstand mit Sicherheit nicht verträgt.

Die maximale Eingangs- und messbare Spannung wird mit +- 36Volt angegeben. Das ergäbe hinter dem Spannungsteiler am IC eine Spannung von 0,57312 Volt. Da die Betriebsspannung 5 Volt beträgt ist am IC eine Spannung von 5 Volt zulässig. Da AIN0 auf 2,5Volt liegt bleiben noch ±2,5Volt übrig die messbar sind, also etwa die 4fache Spannung. Hier werden ca. 2 Bit an Auflösung verschenkt.

Unter Berücksichtigung des Vorteilers und einer Eingangsspannung von 5 Volt am IC wäre eine maximale Spannung von 314 Volt noch messbar.

Es viel auszuprobieren in der nächsten Zeit.

Fazit für die VMeter-Unit

Die VMeter-Unit ist sehr auf Sicherheit ausgelegt und so wie es scheint dürfte sie im praktischen Einsatz ziemlich unverwüstlich sein. Praktische Erfahrungen habe ich bisher nur sehr wenige, aber das wird sich bald ändern. Diese werde ich dann hier niederschreicben.

Jedenfalls scheint diese Unit ein großes Potential für Modifikationen zu bieten.

Meine Erfahrungen

Ich habe eine Genauigkeit von 0,2% vom Messwert bei ca. 3,6 V festgestellt. Gemessen mit einem Rigol DM3068 (0,0035% Grundgenauigkeit). Das Gerät ist allerdings nicht erneut kalibriert worden und mittlerweile ca. 3-4 Jahre alt.

Das Innenleben

Ich habe die VMeter-Unit geöffnet, weil sehen wollte, ob der Eingangsspannunsteiler einfach umzubauen ist. Das sind die beiden Widerstände parallel zur orangen Buchse. Unten der 680KOhm und darüber der 11kOhm Widerstand.

Diese beiden Widerstände sind sicher bald ein Ziel für Modifikationen.

Anwendung und Programmierung

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