전압계 IC: 정밀 전압 측정을 간편하게

전압계 IC에 대하여: 전자 회로의 두 지점 간 전압을 측정하면 많은 이점이 있습니다. 예를 들어 배터리 같은 전기 장치가 의도한 대로 작동하는지 알 수 있습니다. 또한 전압계는 배터리의 전압 차이를 알려줍니다. 전압계는 일반적으로 ICL7107 같은 특수 집적 회로 칩을 탑재하여 정확한 측정을 제공합니다. 기본적으로 이들은 회로에 7세그먼트 LED 디스플레이와 함께 집적됩니다.

이 글에서는 모든 전자 기기에 활용할 수 있는 디지털 패널 타입 전압계 회로를 설명합니다. 시작해 볼까요!

1. 전압계 IC란?

(디지털 전압계는 정밀 전압 측정을 위해 IC L7107을 탑재합니다. 출처: 위키미디어 커먼즈)

전압계 IC는 AC 또는 DC 전압을 측정하여 숫자 형태로 값을 표시합니다. 특히 많은 제품이 인터실의 ICL7107 3.5자리 ADC를 사용합니다. 0.1% 정확도로 0~2000V 범위 표시하며 200mA 미만으로 동작합니다. 또한 ICL7107 회로는 디스플레이 드라이버, 클록, 7세그먼트 디코더, 기준 전압 소스를 지원합니다.

하지만 전원 전압 변동, 온도, 입력 임피던스 등 다양한 조건이 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

2. 디지털 전압계 동작 원리

(배터리 전압을 측정하는 디지털 전압계.)

입력 전압 범위

디지털 전압계(DVM)는 ±1V ~ 1000V 입력 범위를 가집니다. 정밀 DVM은 0~20V 범위에서 1GΩ 입력 저항을 제공합니다.

설계 및 동작 원리

디지털 전압계의 감쇠기(attenuator)는 직렬 저항을 가지며 입력 신호를 감소시킵니다. 결과적으로 A점 전압 레벨이 입력 전압 V_in과 일치합니다. 전압 분배 규칙에 따라 B점(R2) 전압은 A점(R1)보다 낮습니다. 한편 C점(R3) 전압은 A, B보다 더 낮습니다.

(디지털 전압계는 감쇠기를 탑재합니다. 출처: 위키미디어 커먼즈)

전반적으로 감쇠기는 과전압을 억제하여 다른 집적 부품 손상을 방지합니다. 사전 정의된 저항 네트워크로 감쇠를 통해 전자 회로를 보호합니다. 일반적으로 10진 감쇠로 정의되며 디지털 전압계의 10진수 카운트를 제공합니다. 따라서 감쇠 실행 시 10의 거듭제곱이 결과로 나옵니다.

또한 ADC 입력은 V_in/N을 입력 전압으로 제공합니다:

: N = 1, 10, 100, 1000

회로의 ADC는 아날로그-디지털 변환 기능을 제공하여 디지털 출력을 생성합니다. 디지털 신호는 0과 1 두 레벨을 가집니다. 이 과정으로 일련의 디지털 펄스가 생성되며, 펄스 하나는 1mV에 해당합니다.

이후 10진 카운터 유닛이 디지털 펄스를 수신합니다. 사실 3개의 10진 카운터가 캐스케이드 구성으로 설정되어 있습니다. 각 카운터는 0~9까지 10카운트를 제공합니다. 특히 세 개 모두 1000까지 셉니다.

그런 다음 DC 7447이 변환 과정을 수행해 7세그먼트 디스플레이에 BCD 값을 표시합니다. 마지막으로 소수점 선택기가 전압 크기에 따라 소수점 위치를 참조합니다.

3. 전압계 IC - 디지털 전압계 종류

(오늘날 시장에 다양한 디지털 전압계 종류가 존재합니다.)

램프 타입 DVM

램프 타입 DVM은 입력 전압이 0V로 떨어지는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 램프 전압 레벨이 0V에서 입력 전압으로 상승하는 데 걸리는 시간도 측정합니다.

이중 적분 타입 DVM

스위치 S가 아날로그 입력을 적분기에 특정 시간 동안 적용할 때 이중 적분 타입 DVM이 동작합니다. 그러면 비교기 입력 전압 레벨이 적용 가능한 양의 값으로 증가합니다. 고정 시간 간격이 끝나면 전압 증가율이 입력 전압과 일치합니다.

스위치가 기준 전압으로 전환되면서 카운트가 0으로 구성됩니다. 이때 적분기 출력이 비교기 내부 기준 전압보다 작은 값으로 감소할 때까지 떨어집니다. 이후 신호가 카운트 완료를 트리거합니다.

적분 타입 DVM

적분 타입 DVM은 전압-주파수 변환 기술을 가집니다. 기본적으로 입력 전압 크기에 해당하는 펄스를 생성합니다. 전반적으로 측정된 전압에 의존하는 주파수를 가진 일련의 펄스를 생성합니다.

점근 근사 타입 DVM

이름에서 알 수 있듯 점근 근사 타입 DVM은 점근 근사 컨버터를 가집니다. 초당 1000회 판독을 수행합니다. 먼저 시작/정지 멀티바이브레이터에 스타트 펄스를 분배합니다. 8비트 제어 레지스터가 10000000을 표시합니다. 따라서 DAC 출력이 기준 전압의 절반으로 구성됩니다.

전반적으로 측정 주기는 최종 카운트에 도달할 때까지 계속되고 정지합니다.

4. ICL7107로 디지털 전압계 만들기

ICL7107을 사용한 디지털 전압계 DIY 프로젝트를 포함했습니다. 계속 읽어보세요!

회로도:

(디지털 전압계 회로도)

간단한 디지털 전압계 회로는 0~200V 범위의 직류 전압을 측정합니다.

필요 부품:

• PCB – 1개
• 7세그먼트 LED 디스플레이 – 4개
• 555 IC 타이머 – 1개
• LM7805 – 1개
• ICL7107 – 1개
• 9V/12V 전원 공급 – 1개
• 47kΩ 저항 – 1개
• 1kΩ 저항 – 5개
• 22kΩ 저항 – 1개
• 10kΩ 저항 – 1개
• 120kΩ 저항 – 1개
• 5kΩ 포텐쇼미터 – 1개
• 100nF 커패시터 – 3개
• 10μF 커패시터 – 2개
• 100pF 커패시터 – 1개
• 220nF 커패시터 – 1개
• 47nF 커패시터 – 1개
• LED – 1개
• 1N4148 다이오드 – 2개
• 프로브 – 1개

제작 단계:

PCB 주문 및 제작:

이 단계는 일반적으로 온라인으로 PCB를 주문하는 과정입니다. OurPCB가 이를 위한 회로 기판 제작 서비스를 제공합니다.

회로 보정:

회로에 전원을 넣고 모든 입력 단자를 쇼트시킵니다. 이후 디스플레이에 0V가 표시될 때까지 R6 저항을 미세 조정합니다.

부품 연결:

(회로에 부품을 납땜해야 합니다.)

먼저 회로도에 따라 ICL7107, IC 555 발진 회로, 모든 부품을 연결합니다. 네 개의 7세그먼트 LED 디스플레이를 추가하고 표시된 대로 연결합니다. LM7805를 회로에 통합합니다. GND 핀을 그라운드에 연결합니다. IN 핀을 VCC에, OUT 핀을 R10 1kΩ 저항에 연결합니다. 해당 저항을 LED에 연결하고 그라운드로 갑니다. 또한 C8 10μF 커패시터 양극을 OUT 핀에, 음극을 그라운드에 연결합니다.

요약

요약하자면, 디지털 전압계 회로는 장치가 제대로 작동하는지 확인하는 데 도움이 됩니다. 두 전압 지점을 측정해 디지털 숫자를 생성함으로써 이를 달성합니다. 물론 그 숫자는 7세그먼트 LED 디스플레이에 나타나기 전 변환 과정을 거칩니다. 이후 숫자가 자리 숫자 형식으로 나타나 입력 전압을 나타냅니다. 전반적으로 디지털 전압계는 전문가와 직접 프로젝트를 만드는 모든 사람에게 유용함이 입증되었습니다.

전압계 IC에 대해 궁금한 점이 있으신가요? 언제든 연락 주세요!