Un voltmètre de haute précision à afficheur LCD

Ce voltmètre numérique, doté d’un afficheur LCD à 3 chiffres 1/2, permet le réglage de la valeur de fond d’échelle simplement en changeant les valeurs de deux résistances. Avec quelques astuces simples, il peut devenir un ampèremètre ou bien, relié à un capteur de température de type KTY10, un thermomètre.



On trouve certes de nombreux voltmètres dans le commerce, mais ces “boîtes noires” ne sauraient s’adapter à vos exigences particulières, alors que le voltmètre à afficheur LCD que nous vous proposons de construire pourra aisément s’adapter à vos besoins spécifi ques. De plus, son coût est assez bas et vous pourrez l’alimenter avec une pile de 9 V.

Le schéma électrique
appliquée sur ses entrées et d’affi cher la mesure sur un affi cheur LCD à 3 chiffres 1/2. On dit “milli…” pour indiquer l’ordre de grandeur du fond d’échelle, pouvant être sélectionné entre +200 mV et +2000 mV par modifi cation des valeurs de quelques résistances.
Le schéma électrique de la fi gure 1 montre que le coeur de l’appareil de mesure est le circuit intégré IC1 ICL7106, un convertisseur A/N incorporant une unité de contrôle et un oscillateur interne (broche OSC1, OSC2 et OSC3 respectivement numéros 40, 39 et 38) utilisé pour l’horloge interne et pour le rafraîchissement de l’affi cheur. La particularité de ce circuit intégré est que les données en sortie sont déjà disponibles au format LCD de 3 chiffres 1/2 : à l’intérieur de la puce se trouve en effet un décodeur répartissant les données de format numérique en groupes de bits, pour chaque chiffre de l’affi cheur.
Le signal analogique en entrée est lu par les broches “IN HI” et “IN LO” (respectivement numéros 31 et 30) : le signal est lu avec une logique différentielle, c’est-à-dire sans référence à la masse du circuit. À l’intérieur de la puce se trouve aussi un générateur de tension de référence fournissant 2,8 V de moins que la tension d’alimentation (Vcc appliquée à la broche 1, pouvant être une tension directe avec des valeurs comprises entre 8 et 15 Vcc, ou bien une pile de 9 V). Cette référence est disponible sur la broche C (numéro 32) et pour le fonctionnement correct du ICL7106 elle doit être reliée à la broche 35.
Le trimmer RV2 ser t à régler l’appareil de mesure et corriger l’éventuel “offset” interne : il modifi e en effet la tension appliquée à la broche 36 (REF HI) de façon à ajuster la tension différentielle appliquée aux entrées.
Voyons maintenant comment le ICL7106 communique avec l’affi cheur LCD : il utilise les broches 2 à 25 (broche 21 exclue, elle est utilisée pour acheminer la masse vers le circuit intégré). En particulier, la broche 20 sert pour le signe “–” (le millivoltmètre peut en effet mesurer aussi des tensions négatives), la 19 pour le chiffre le plus à gauche (c’est en fait le 1/2 chiffre et il ne peut affi cher qu’un 1 ou rester éteint), les broches restantes sont divisées entre les trois chiffres à visualiser. À l’intérieur du circuit se trouvent aussi quatre portes XOR (IC2 4077) : ces portes servent pour commander la visualisation du point décimal en position correcte.
L’affi cheur LCD offre en effet la possibilité de visualiser ce point en trois positions différentes au sein des trois chiffres : en connectant l’une des trois broches DP1, DP2 ou DP3 à la broche DP, on sélectionne une position possible.
En particulier, si on sélectionne DP1, on visualise le point le plus à gauche, avec DP2, le point central et avec DP3, le point le plus à droite. Si en revanche on n’exécute aucune connexion, aucun point n’est visualisé.
L’appareil peut aussi être confi guré en ampèremètre. L’astuce consiste à monter une résistance Rp (de petites dimensions) en série avec la charge et à mesurer la chute de tension à ses bornes. L’appareil ayant en effet une impédance d’entrée élevée, tout le courant entrant par la borne IN+ passe aussi par Rp et sor t par IN– : on a donc des consommations négligeables ne provoquant aucune erreur de mesure.
En plus des fonctions millivoltmètre et ampèremètre, l’appareil peut encore être utilisé pour visualiser au format numérique n’importe quel niveau de tension présent sur ses entrées : rien n’empêche en effet de relier un capteur de pression, de température, de vitesse, etc. et de visualiser la valeur sur l’affi cheur LCD. Pour plus de détails sur ces derniers points, voir le dernier paragraphe de l’article.
Quant à RV2, il sert à régler l’instrument de mesure et à corriger un éventuel “offset” interne du ICL7106. Pour un fonctionnement en volt ou ampèremètre, un seul réglage suffi t (et donc un seul trimmer). En effet, quand le signal de tension d’entrée est nul, la valeur à visualiser doit également être nulle : il faut donc seulement tarer la sensibilité de l’appareil.
Pour un fonctionnement en thermomètre, il est nécessaire en revanche de spécifi er deux conditions : une pour le point de congélation de l’eau (température 0 °C ou 32 °F) et une pour le point d’ébullition (température 100 °C ou 212 °F). Le premier réglage se fait avec RV1 et le second avec RV2, là encore, voir le dernier paragraphe.

Figure 1 : Schéma électrique du voltmètre et variantes d’applications.

Les valeurs de certaines résistances dépendent de l’application envisagée pour le montage : R4, R5, R10 et R12. Il est possible en particulier de choisir entre un voltmètre avec fond d’échelle de 200 mV ou 2 V et un thermomètre en °C ou Fahrenheit. Le tableau ci-dessous donne les valeurs des résistances en fonction de l’application.

R200 mV2 V°C°F
4680 k47 k180 k8,2 k
5--1,8 k2,2 k
1047 k470 k47 k47 k
12--6,8 k6,8 k


Figure 2a-1 : Schéma d’implantation des composants du voltmètre, platine principale.

Figure 2a-2 : Schéma d’implantation des composants du voltmètre, platine afficheur.

Figure 2b-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du voltmètre, platine principale.

Figure 2b-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du voltmètre, platine afficheur.

Liste des composants
R1 ..... 560 Ω
R2 ..... 100 kΩ
R3 ..... 22 kΩ
R4 ..... voir texte
R5 ..... voir texte
R6 ..... 390 Ω
R7 ..... 100 kΩ
R8 ..... 100 kΩ
R9 ..... 100 kΩ
R10 .... voir texte
R11 .... 1 MΩ
R12 .... voir texte
R13 .... 22 kΩ
RV1 .... 100 Ω
RV2 .... 10 kΩ
C1 ..... 100 μF 16 V électrolytique
C2 ..... 100 pF céramique
C3 ..... 100 nF 250 V polyester
C4 ..... 10 nF 250 V polyester
C5 ..... 470 nF 63 V polyester
C6 ..... 220 nF 100 V polyester
DZ1 .... zener 8,2 V
IC1 .... ICL7106
IC2 .... 4077
LCD1 ... affi cheur LCD 3 chiffres 1/2

Divers :
1 ...... support 2 x 20
1 ...... support 2 x 7
2 ...... entretoises 15 mm
2 ...... boulons 3 MA 25 mm
Sauf spécifi cation contraire, les résistances sont des 1/4 W à 5 %.


Figure 3-1 : Photo d’un des prototypes du voltmètre, platine principale.

Figure 3-2 : Photo d’un des prototypes du voltmètre, platine afficheur.

La réalisation pratique
Une fois qu’on a réalisé les deux circuits imprimés simple face (les fi gures 2b-1 et 2 donnent les dessins à l’échelle 1, respectivement de la platine de base et de la platine affi cheur LCD), on monte tous les composants dans un certain ordre en regardant fréquemment les fi gures 2a-1 et 3-1 (pour la platine de base) et 2a-2 et 3-2 (pour la platine affi cheur LCD), ainsi que la liste des composants.
Les résistances (sauf R10) se montent verticalement. Prenez bien garde à la polarité (au sens de montage) des composants polarisés (affi cheur LCD compris).
N’oubliez pas les quatre “straps” fi laires (traits noirs).
Mais, avec même de commencer, vous devez décider de ce que vous voulez monter au juste : en effet, R4, R5, R10 et R12 ont des valeurs dépendant de la fonction envisagée (un voltmètre avec un fond d’échelle de 200 mV, de 2 V, un ampèremètre ou un thermomètre en °C, etc.).
Quand les deux platines sont réalisées, reliez-les mécaniquement à l’aide des deux entretoises et électriquement avec des morceaux de fi l fi n rigide monobrin dénudé (voir photo de début d’article).
Protégez le tout avec un boîtier plastique approprié (si vous montez un thermomètre), à moins que vous ne comptiez insérer votre volt ou ampèremètre dans un appareil dont cet instrument de mesure serait un élément.

Les réglages
Quand les platines sont câblées et solidarisées, il convient de régler l’appareil.
Pour le voltmètre, procédez ainsi : alimentez le circuit avec une pile de 9 V ou un bloc secteur 230 V fournissant une tension entre 8 et 15 Vcc, puis court-circuitez les deux bornes d’entrée (l’affi cheur LCD doit indiquer 0). Réglez ensuite RV2 : reliez aux bornes d’entrée une tension de valeur connue (et légèrement inférieure au fond d’échelle), puis agissez sur RV2 jusqu’à obtenir la visualisation de cette valeur sur l’affi cheur.
Le V-mètre est prêt à l’emploi.

Fonctionnement en ampèremètre ou en thermomètre
Le circuit a été conçu avec pour fonction principale d’être un voltmètre, mais nul ni rien ne vous empêche d’ajouter en entrée un quelconque capteur externe fournissant une tension et utiliser ainsi l’appareil comme visualisateur (affi cheur) de la grandeur mesurée par ledit capteur.
Il nous a semblé intéressant en particulier de l’utiliser comme ampèremètre ou comme thermomètre (dans ce cas avec une sonde thermique KTY10).
Selon ce que l’on désire fi nalement obtenir comme appareil, il faut changer les valeurs de R4, R5, R10 et R12 (voir le tableau de la fi gure 1).
Pour l’A-mètre c’est simple : mettez en série avec la charge une résistance Rp et lisez la chute de tension à ses extrémités.
En changeant la valeur de Rp, il est possible de modifi er la valeur du fond d’échelle : pour Rp = 100 ohms, elle est de 2 mA, pour 10 ohms de 20 mA et ainsi de suite. Le réglage de RV2 se fait en injectant dans les bornes d’entrée un courant de valeur connue (inférieure à celle du fond d’échelle) et en réglant le trimmer jusqu’à visualiser sur l’affi cheur LCD cette valeur.
Pour le thermomètre, il faut effectuer deux calibrations : celle du point de congélation (0 °C) et celle du point d’ébullition (100 °C). Pour la première, portez le capteur à 0 °C (par exemple en l’immergeant dans un verre rempli de glaçons commençant à fondre) et réglez RV2 pour une visualisation du chiffre 0, pour la seconde, immergez-le dans de l’eau bouillante en le maintenant centré par rapport aux parois de la casserole et réglez RV2 pour une visualisation du nombre 100. Le thermomètre est alors calibré et prêt à l’usage.

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