Voltmètre à quatre calibres.
Avec ce chapitre nous faisons une dernière incursion dans le domaine du mesurage. Bien que mis au point dès les débuts du développement de ce logiciel, le calibre 50Vcc avait été éludé car il n’apportait pas grand chose au point de vue « nouveauté informatique ». Mais avant de s’engager dans la version « définitive », on ne peut en faire l’impasse, ne serait-ce que pour évoquer l’aspect électronique de complément. Le croquis démonstrateur P20_Voltmetre_aux_calibres_etendus_sur_USB.ino apporte trois calibres supplémentaires à notre mini laboratoire mais impose un petit complément matériel.
Voltmètre de calibre 50Vcc. >>> ATTENTION DANGER !
Bien que la plage comprise entre zéro et 5Vcc couvre une majorité de nos besoins, force est de constater que de temps à autre nous sommes amenés à désirer pouvoir mesurer des valeurs de tension plus élevées. Par exemple la tension continue qui est fournie au régulateur 5Vcc d’Arduino par un petit bloc secteur, la tension qui alimentera un petit moteur à courant continu, le chargeur de batterie de notre véhicule automobile etc. Comme le chiffre cinq s’impose par une anticipation à la version LCD de notre instrument à tout faire, on va ajouter à notre appareil de mesures une plage dix fois plus élevée. Le prototype version LCD visualisant sur un petit écran à deux lignes de caractère intégrera un affichage analogique des tensions sous forme d’une rampe lumineuse. Sa petite fenêtre est graduée de 0 à 5, donc les trois calibres du voltmètre seront dans des multiples de ce nombre particulier. La Fig.2 en bas 
de cette page présente l’aspect de cette fonctionnalité potentielle. Naturellement l’entrée doit toujours être protégée contre les surcharges accidentelles. L’idée de base consiste à placer en amont de l’entrée 5Vcc un diviseur de tension par dix. On va persister à utiliser l’entrée 5Vcc car elle est protégée des surtensions et des tensions inverses. Par ailleurs, comme nous l’avons déjà abordé, cette entrée est également reliée à l’entrée binaire D5 qui permet la mesure des fréquences et des périodes sur des signaux répétitifs. Le schéma retenu Fig.1 résulte de certains compromis et du respect de certaines contraintes.
Si on le compare au montage précédent (Multimètre de base sur ligne USB.) donné en Fig.6 on retrouve en couleurs pastel les composants du calibre 5Vcc et en couleurs vives ceux qui sont ajoutés. La fonction Fréquencemètre / Périodemètre utilisant D5 ne coute que la résistance R3, autant dire pas grand chose. La résistance R2 a été augmentée à 10kΩ pour augmenter un peu l’impédance d’entrée sur A1. Pour créer le nouveau calibre on a ajouté le diviseur de tension par dix constitué de R4 et de R5. La résistance R5 constitue avec l’ancienne résistance R un diviseur de tension et fausse très légèrement la mesure sur le calibre de 5Vcc en A1. Pour en minimiser l’influence on serait tenté de la sélectionner la plus grande possible. Mais il ne faut pas omettre le fait que R4 devra être dix fois plus élevée. Hors n’oublions pas que R4 voisine le microcontrôleur qui rayonne allègrement « des signaux carrés » à fréquences élevées. Si la résistance est de trop forte valeur elle sera le siège de signaux parasites qui vont entacher les mesures. Par ailleurs, il importe de choisir des valeurs de composants normalisés et très courants pour en faciliter l’approvisionnement, donc des valeurs ordinaires. De nombreux essais ont aboutit aux valeurs du schéma Fig.1 qui donne entièrement satisfaction. L’incidence de la présence de R5 est facile à compenser par du code pour retrouver la précision normale sur l’entrée A1. C’est toujours A1 qui sera analysée par le programme pour les deux calibres en voltmètre. On constate que pour les deux calibres E et 0 à +50Vcc les entrées A1 et D5 sont entièrement protégées par la LED jaunes pour les inversions de polarité et la LED rouge pour les surtensions. Toutes ces petites modifications ajoutées au cours de notre cheminement dans l’univers du mesurage finissent par rendre confuse la vision globale de ce que l’on devra cumuler
sur le circuit imprimé complet. Un schéma électrique de l’ensemble est maintenant le bienvenu, il est proposé sur la Fig.1 donnée dans le chapitre suivant.
Mesure des tensions alternatives avec l’ATmega328.
C’est volontairement que ce chapitre a été relégué à la fin de nos expérimentations relatives au mesurage et ce pour deux raisons : La première, c’est que la mesure des tensions alternative est loin d’être aussi évidente que celle des tensions continues. La deuxième résulte dans le choix de tensions mesurables relativement élevées générant des risques intrinsèques pour ce type de manipulation, et ce autant pour le matériel que pour l’opérateur. Comme avoir à mesurer des tensions alternatives reste « marginal », l’électronique nécessaire n’est pas intégrée dans le mini laboratoire mais fait l’objet d’un petit module à part. Un accessoire que tout le monde ne sera pas obligé de réaliser. Par contre, si l’on désire bénéficier de cette possibilité, il est forcément incontournable de compléter le logiciel en conséquence. C’est encore le petit programme d’expérimentation P20_Voltmetre_aux_calibres_etendus_sur_USB.ino qui permet de tester cette nouvelle fonction.
Électronique complémentaire pour mesurer les tensions alternatives.
Uniquement capable de numériser des tensions continues avec son CAN, Arduino nous impose de transformer la tension alternative en cours de mesure en une tension redressée et filtrée. Ces deux impératifs ne sont pas sans conséquence technique. Examinons le schéma retenu donné en Fig.1 qui propose l’électronique chargée de cette adaptation. En premier on remarque les deux résistances R1 et R2 de 100kΩ qui sont en série avec l’entrée. Habituellement sur les appareils de mesure classiques on trouve une seule résistance. Il serait tout à fait possible de n’en mettre qu’une seule de 220kΩ.
Mais répartir l’atténuation en deux éléments présente l’avantage sécuritaire de placer les deux lignes en haute impédance par rapport à la masse GND. Ainsi, en cas de fausse manipulation le mini laboratoire sera parfaitement protégé. Par exemple GND étant à la terre, votre pointe de touche vient malencontreusement toucher le secteur 220V~. Les diodes du pont P ne seraient alors traversées que par 2mA crête et 1mA moyen. La résistance pour son propre compte ne dissiperait que 0,25W donc une puissance assez dérisoire. Notre matériel est ainsi relativement bien protégé. (Quoi qu’il en soit restons prudent !)
La Fig.2 représente par la courbe verte la tension appliquée en entrée de notre adaptateur. Le courant est supposé sinusoïdal avec en rouge pastel les alternances positives et en vert leurs homologues négatives. Le pont de diodes P redresse la tension présente à l’entrée. Les alternances négatives sont « transformées » en variations positives qui sur la Fig.2 sont représentées par les courbes rouge avec « remplissage » en jaune clair.
Le signal ainsi modifié pourrait être soumis au convertisseur analogique vers numériques. Cette belle courbe redressée ne correspond pas à la réalité. En effet, pour que les diodes du pont redresseur puissent conduire, il faut dépasser environ 0,3 à 0,6 volts à leurs bornes. Du coup l’onde redressée ne descend plus à zéro, mais une tension permanente d’environ 1,2 volts (Car il y a deux diodes traversées à chaque alternance.) représentée en jaune sur la Fig.3 va générer une tension continue résiduelle. Comme nous allons le voir plus avant, ce détail perturbe considérablement la qualité des mesures pour des tensions faibles. La tension « pulsée » n’est pas directement soumise à l’entrée du CAN, un condensateur C vient filtrer cette onde. S’il était seul, il se chargerait, puis la tension aux bornes ayant approché infinitésimalement la tension crête, il ne se passerait plus rien. Le CAN serait soumis à une tension parfaitement continue et égale à la tension crête du signal
analysé. Mais dans ces conditions, l’appareil de mesure serait inutilisable, car une fois débranché, la tension indiquée resterait présente, et tenter de mesurer une tension plus faible deviendrait illusoire. Il faut donc décharger C avec R3, et dans un délai suffisamment court pour permettre à l’opérateur d’enchaîner rapidement ses manipulations. La présence de cette résistance R3 dégrade notre belle tension continue, la décharge étant sur la Fig.3 représentée en bleu. Le CAN va donc recevoir une tension « ondulée ». On calmera la frénésie des variations par 400 mesures dont on fait la moyenne, technique qui maintenant vous est devenue presque naturelle.
Précision sur ce que l’on affiche.
Sachant que chaque mesure résulte d’un lissage de 400 échantillonnages, la moyenne issue du CAN correspondra à la valeur efficace, ou si vous préférez à la « somme des surfaces » coloriées en bleu clair, en rouge pastel et en jaune sur la Fig.3 exprimée en volts et « divisé par le temps ». Il suffit d’appliquer un coefficient multiplicateur pour tenir compte de la valeur des résistances R1 et R2, de l’atténuation apportée par R3 et du lissage plus ou moins arbitraire qu’entraine C. Seule faille, la tension résiduelle jaune qui ne fait pas partie du signal alternatif mais résulte de l’imperfection matérielle des diodes de redressement. Si la tension présentée en entrée est de forte valeur, le petit résiduel de 2Vcc n’est pas tragique. Par contre, si comme montré sur la Fig.4 la tension alternative est de faible valeur, ce résiduel fausse complètement les mesures.
C’est la raison pour laquelle sur les anciens galvanomètres l’échelle du voltmètre alternatif pour les tensions faibles n’était pas linéaire. Dans notre cas, la gamme de portée 30V~ ne commence qu’à partir de 3V~ et celle de 60V~ ne sera pas utilisée en dessous de 30V. Un graphe de corrections est donné sur la fiche spécifique à ce module électronique nommée Adaptateur pour mesurer des tensions ~.
La Fig.5 montre le dessin du très petit circuit imprimé vu coté cuivre, alors que la Fig.6 le décrit coté composants. Les deux petites douilles pour fiche banane diamètre 2mm sont doublées par des picots toujours utiles pour multiplier le tests sur un prototype. Notez que la plage de mesures pour 60V~ ayant été ajoutée par la suite n’est disponible que sur picot. La photographie de la Fig.7 présente ce tout petit module. Les deux fourreaux jaunes sont de récupération et haussent légèrement les douilles pour diminuer leur dépassement sur le dessous.
