可変電源などの出力電圧測定用に、PICマイコンを使用した電圧計を自作した。
以前に一度ブレッドボード上で試作したが、何点か見直しを行った。主な改良点は以下の通り。

A/Dコンバーターのビット数を12ビット→10ビットに変更。
12ビットのA/Dコンバーターを内蔵するPICマイコンは少なく、比較的高価である。
10ビットのA/Dコンバーターを内蔵するものは安価だが、要求に対して分解能が不足する。
そう思っていろいろ探したところ、複数回サンプリングしたデータを平均すると、理論的には分解能を上げることができることが分かった。
ブレッドボード上で実験してみたところ、電圧をスムーズに変化させると分解能以上の細かさでデータが変化するので、確かに分解能が向上しているようだ。これにより、PICマイコンの選択肢が広がった。
PICのLEDドライブ能力向上

PICマイコンは通常、１ポートあたり25mAまで流すことができる（絶対最大定格）。しかし、7セグメントLEDを点灯させる場合、最大で同時にLED8個分の電流を流す必要がある。1個あたり3mA流すと24mAとなりマージンが無くなる。こういう場合、通常は外付けのトランジスタを使用するが、今回はコモン信号の出力ポートを2本パラに接続し、1ポートあたりの電流容量を半分にすることで対応した。

回路図は以下のとおり。(クリックで拡大。)

＜各部の説明＞

マイコン部	PIC16F1933を使用。10bit ADC内蔵の28ピンのもので最も安かったので選択した。 PICマイコンはリセット回路を省略可能だが、確実性を高めるためCRによるリセット回路を外付けする。ダイオードは電源が0Vになったときにコンデンサをすばやく放電するために必要。空きピンはすべてオープンにし、プログラムでLow出力に設定する。
表示部	4桁赤色LEDを使用。コモン信号を2つのI/Oポートの並列接続でドライブすることによりドライブ用トランジスタを省略している。 I/Oポートの出力電流の絶対最大定格は1ポートあたり25mA。赤色LEDのVfは約2Vなので、電源電圧が5Vで1kΩの抵抗を直列に接続したときに約3mA流れる。すべてのLEDが同時に点灯すると3×8=24mAとなる。PICマイコンの2つのポートを並列接続して使用することにより1ポートあたりの負担は12mAとなる。
リファレンス	TL431を使用し、外部抵抗を付加することによりにより約4.096Vを生成。全体の精度は入力回路のボリュームにて調整するため、リファレンスの絶対精度は必要なく、温度特性の方が重要になる。そのため、抵抗は金属皮膜抵抗を使用する。
電圧入力	20Vフルスケールになるように、1/5に分圧。PIC16F1933の仕様から入力信号のインピーダンスを10kΩ未満にする必要がある。汎用性を持たせるならオペアンプでバッファした方がいいが、この回路は可変電源の出力電圧測定を想定しているため、若干インピーダンスが低いが回路を簡略化するためこの定数とした。 PICの入力保護にクランプダイオードを付加する。
電源	汎用の三端子レギュレータを使用。電源電圧が高い場合はツェナーダイオードを直列に入れ、電力損失を分担する。

部品表

番号	品名	値	メーカー	備考
IC1	レギュレータ	78L05		相当品でも可。ピン配置に注意。
IC2	リファレンス	TL431	TIまたは相当
IC3	PICマイコン	PIC16F1933	Microchip

配線・組み立て

	表示基板	CPU基板
表面
裏面

＜説明＞

基板

秋月のCタイプ基板を分割し、CPU部と表示部の基板を作り、コネクタとポストでビルドアップする構造とした。表示基板の配線の関係から両面基板が必要だが、CPU基板は片面基板でも作成可能である。ビルドアップ構造が必要なければ、片面基板を一枚そのまま使えばコスト節約になる。なお、ポストを挿すための穴を開ける必要があるため、穴位置の都合上、秋月のCタイプ基板を想定している。

基板間コネクタおよびポスト

CPU基板と表示基板の接続には7×2列の基板間コネクタを使用した。取り外しが不要なら直接配線してしまった方が安上がりだと思う。
基板間コネクタは雄雌の高さの合計が約11mmになるが、その長さのポストは入手困難なので、10mmのポストにワッシャを3枚かまして調節した。

ソフトウェア

起動時にLED表示テストをした後、電圧表示となるようにした。
以下のソフトをダウンロードし、PicKit3などで書き込めば動作する。
pic_voltmeter2.hex

改訂履歴

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PICを使用した電圧計の製作(その2)

概要

仕様

回路図

部品表

配線・組み立て

ソフトウェア

改訂履歴