Technische Dokumentation für das E-Meter vk1-50-7 (Fertiggerät)

Der Verfasser hat das nachfolgend beschriebene Gerät entwickelt, stellt es jedoch seit 2014 nicht mehr selbst her und zieht aus seinem Verkauf durch eine dritte Person auch keinen wirtschaftlichen Nutzen. Er haftet nicht für Schäden, die im Zusammenhang mit dem Besitz oder der Anwendung des E-Meters eintreten sollten.

Bitte legen Sie sich beim Lesen der Dokumentation wie nötig den Stromlaufplan bereit, um die Details dort sofort nachvollziehen zu können. Wenn Sie als Elektroniker schon etwas Erfahrung besitzen, werden Sie am Ende über ein gutes Verständnis der Schaltung verfügen. Diese lässt sich in vier Bereiche unterteilen:

1. Die Stromversorgung, bestehend aus der Batterie und VR1 sowie OP1 (incl. T1, T2), OP2, OP3.
2. Die Eingangsschaltung, bestehend aus dem Instrumentenverstärker IC2 sowie dem ihm vorgeschalteten
     Widerstandsnetzwerk.
3. Der analoge Messverstärker, bestehend aus OP4 bis OP7:
4. Der digitale Teil, bestehend aus IC5, IC6 und IC7 sowie der Flüssigkristallanzeige (LCD). Dieser ist nur in
     Verbindung mit einer eigens vom Verfasser für den Mikrocontroller entwickelten Software funktionsfähig.  

1. Stromversorgung

Sie erfolgt beim vk1 durch eine Trockenbatterie in Gestalt eines 9 Volt-Blocks.  Die Elektronik des E-Meters arbeitet mit 5 Volt. Der verwendete Spannungsregler LP2950CZ (VR1) ist ein low drop*-Typ. Seine Funktion ist bereits gewährleistet, wenn die Differenz zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung 0.5 Volt beträgt. Jede Zelle kann daher vollständig entladen werden. Die Ausgangsspannung des Reglers ist meist nicht präzise 5.000 Volt, sondern kann um 20 bis 30 Millivolt abweichen, was die Funktion der Schaltung jedoch nicht beeinträchtigt. Dagegen ist die Spannung auch bei Temperaturschwankungen sehr stabil. Die beiden AD-Wandler* des PIC* können so stets reproduzierbare Werte liefern. Allerdings nur, wenn die Eingangsspannung höher als 5.5 Volt ist. Sinkt sie auf diesen Wert ab, fängt die gelbe LED an zu blinken, und die Anzeigen des Tonarms und des Zählers werden “eingefroren”.

Bei dieser Art Spannungsregler ist der Ausgangsspannung Rauschen überlagert. Deshalb die hohen Werte der Elkos C14, C15 und C16. Mit seinen 5 Volt werden die OPs, der Mikrocontroller (IC6), das Schieberegister (IC7) und das LC-Display versorgt.    

Entladung der Kondensatoren: Wenn das E-Meter ausgeschaltet wird, werden die Elkos C14, C15, C16 wegen des geringen Stromverbrauchs der Schaltung normalerweise recht langsam entladen. Würde in dieser Phase bereits wieder eingeschaltet, könnte der Mikrocontroller in einen undefinierten Zustand geraten. Um das zu vermeiden, erfolgt beim Ausschalten über D4, R34 und dem Umschaltkontakt von S1 eine zügige Entladung nach Masse. Wegen der strombegrenzenden Wirkung von R34 beträgt der kurzzeitige Entladestrom nur etwa 500 mA. Dadurch wird der Schalter geschont und D4 vor Überlastung geschützt. Im Normalbetrieb ist R34 bei einem Betriebsstrom von nur ca. 5 mA völlig kalt und damit niederohmig. Sein Verlust als Serienwiderstand ist praktisch Null. 

Verpolungsschutz Damit die Schaltung bei einer versehentlichen Verpolung der Stromversorgung keinen Schaden nimmt, wurde zusätzlich D3 vorgesehen. Als PTC-Widerstand*  erhöht R34 bei einer Erwärmung sehr schnell seinen Widerstand und begrenzt den bei einer Verpolung über D3 fließenden Strom wirkungsvoll.

Zusätzliche stabilisierte Spannungen:
Die künstliche Masse wird im Stromlaufplan durch das blaue Massesymbol bezeichnet. Bezogen auf  0 Volt hat sie ein Potential von +2.50 Volt, was genau der Hälfte der Betriebsspannung entspricht. T1 und T2 sorgen für genügend Niederohmigkeit, sodass auftretende Ströme nicht zu Spannungsschwankungen führen können. OP1 regelt die künstliche Masse sehr präzise und orientiert sich dabei an der Referenzspannung von Z1. T1 und T2 werden dabei laufend abwechselnd extrem kurz angesteuert. C18 glättet und puffert die erzeugte Spannung.

Außerdem werden zum Betrieb der Schaltung die Referenzspannungen –Uref (–0.6 Volt) und +Uref (+0.6 Volt) benötigt, jeweils verfügbar an den Ausgängen von OP2 und OP3. Diese Spannungen sollten sich symmetrisch unterhalb bzw. oberhalb der künstlichen Masse befinden.  Bezogen auf 0 Volt sollte der Wert von –Uref also bei +1.9 Volt und der von +Uref bei +3.1 Volt liegen. Eine geringfügige Abweichung ist unkritisch. Wichtig ist nur, dass sie bei wechselnden Umgebungstemperaturen und unterschiedlichem Strom stabil bleiben. Dies wird durch temperaturkompensierte Zenerdioden und durch die OPs erreicht. Letztere helfen, die Batterie zu schonen, da über die Z-Dioden nur ein minimaler Strom fließen muss. Die Eingangsspannungen der OPs werden zusätzlich gesiebt, um das von VR1, Z1 und Z2 erzeugte Rauschen auf niedrigem Niveau zu halten.

2. Eingangsschaltung
Am linken Rand des Stromlaufplans sieht man die beiden mit “PC” bezeichneten Dosen*-Anschlüsse für die zu auditierende Person. Ist der Anschluss offen, beträgt die hier zu messende Spannung etwa 1.2 Volt und ist damit nahezu identisch mit dem Potential zwischen +Uref und –Uref. Nahezu deshalb, weil R46 einen minimalen Spannungsabfall an den Widerständen R1 bis R6 verursacht. Der hier fließende Strom beträgt 1.0 µA. R46 verbessert die Linearität im oberen Tonarmbereich und verhindert eine statische Aufladung von auf dem Tisch liegenden Dosen. Ist an “PC” niemand angeschlossen, fließt kein zusätzlicher Strom. Werden  die PC-Anschlüsse kurzgeschlossen, beträgt der Strom ca. 60 µA. Die Spannung an den Eingängen des IC2 hat in diesem Fall dann mit ca. 180 mV ihr Minimum. Beim Auditieren bewegt man sich hier also zwischen 0,18 und 1,2 Volt.

IC2 ist ein so genannter Instrumentenverstärker vom Typ INA118. Er wurde wegen seiner hochpräzisen Eigenschaften ausgewählt. Die Offsetspannung beträgt maximal 50 µV, die Wärmedrift nur 0.5 µV/°C.  Der Ruhestrom ist mit 350 µA gering. Der IC verfügt über eine Gleichtaktunterdrückung von minimal 110 dB. Das macht ihn resistent gegen Störspannungen, die von außen auf die Dosen und ihr Kabel einwirken können. Wenn (wie oben) die Pins 1 und 8 unbeschaltet bleiben, beträgt die Spannungsverstärkung 1.

Sowohl die Anzeige des Tonarms* als auch die Nadelreaktion* ist eine Folge der an den Pins 2 und 3 von IC2 aktuell anliegenden bzw. sich verändernden Spannung. Im Normalbetrieb mit zwei Dosen ist der Schalter S2 geschlossen. Wirksam ist dann die Spannung, die an R3 und R4 abfällt. Im Solo-Auditing* sind die Widerstände R5 und R6 mit einbezogen. Verringert sich der an “PC” anliegende Widerstand, verringert sich auch die Ausgangsspannung von IC2 und damit der Wert des Tonarms. Dagegen steigt die Spannung am Drehspulinstrument, denn das Signal wird vom Analogverstärker invertiert. Für die Erzeugung von Falls* ist das so vorgegeben. (Siehe Abschnitt 3.)

Die Dimensionierung des Widerstandsnetzwerks wird im Zusammenhang mit den nächsten drei Bildtafeln noch näher erläutert. Die Aufgabe von IC2 (als Instrumentenverstärker) ist die Unterdrückung von Störspannungen, die in Form elektromagnetischer Strahlung auf den PC*, die Dosen und die Zuleitungskabel zum E-Meter einwirken können. So zum Beispiel das 50 Hz-Feld des Stromnetzes, aber auch elektromagnetische Impulse, die häufig beim Ein- und Ausschalten von Haushaltsgeräten auftreten. Bei E-Metern, die solche Vorkehrungen nicht besitzen, können diese Impulse die Nadel schmutzig* machen oder sogar größere Ausschläge verursachen. Das “Nutzsignal” wird dem Instrumentenverstärker über seine Eingänge 2 und 3 symmetrisch zugeführt. Da dessen Phasenlage um 180° verschoben ist, Störstrahlung jedoch im Gleichtakt einwirkt, lassen sich beide relativ leicht voneinander trennen. Wegen der Laufzeitunterschiede besteht bei hochfrequenter Störstrahlung jedoch oft kein richtiger Gleichtakt. Deshalb erfolgt eine zusätzliche Siebung solcher Anteile durch die RC-Glieder R1/C1 und R2/C2. Durch die Verwendung eines Aluminiumgehäuses wird ansonsten das Innere des E-Meters sehr gut  vor Einstrahlungen geschützt, die direkt auf die Bauteile der Elektronik einwirken könnten. E-Meter in Holz- oder Plastikgehäusen reagieren darauf nicht selten mit unerwünschten Bewegungen der Nadel. Induktive Verbraucher, z.B. Motoren, Leuchtstoffröhren, Transformatoren, Energiesparlampen usw., aber auch Handys, CB-Funkgeräte und dergleichen  können bei unabgeschirmten E-Metern diese Effekte hervorrufen.

Von der Bemessung der Widerstände R1 bis R6 hängt die korrekte Tonarmanzeige* ab. Um deren gesamten Bereich von Kurzschluss bis Unendlich richtig darzustellen, sind die Verhältnisse am Eingang der Schaltung etwas komplex. Zum besseren Verständnis sollen die Zusammenhänge hier zunächst näher dargestellt werden.

Unter den Bedingungen einer Auditingsitzung fließen zwei “Arten” von Strömen durch den Körper der über die Dosen mit der Schaltung verbundenen Person. Der statische Strom wird bewirkt durch den ”Grundwiderstand” des Körpers. Zusätzlich zu den physikalischen Ursachen ist er per Definition abhängig von der Dichte der aktuell vorhandenen geistigen Masse*. Er ist maßgebend für den Tonarm der Person. Dieser Wert wird links am Display angezeigt. Nicht in einer bereits bekannten physikalischen Größe, sondern in eigenen Tonarmeinheiten. Bei kurzgeschlossenem PC-Anschluss ist dieser Wert nicht Null, sondern 0.95 (eigentlich 0.9416878). Das hängt mit den Bedingungen des Spannungsteilers am Eingang zusammen. Ist der PC-Widerstand unendlich hoch, (hat der PC die Dosen z.B. aus der Hand gelegt), entspricht das einer Tonarmanzeige von 6.50.

Sie sehen im folgenden Schaltbild, wie der Körperwiderstand Rx in den Eingangsspannungsteiler einbezogen ist. Und zwar für ein Konzept, bei dem die Ausgangsspannung Ua identisch mit dem Tonarm ist. Die Anzeige des Tonarms kann auf diese Weise durch ein Digitalvoltmeter erfolgen.  (Bei den früheren Versionen des “vk1” wurde das so gemacht.)  Die Bezeichnungen R1, R2 und R3 dienen hier nur zur Anschauung und stimmen nicht mit denen des Stromlaufplans überein. 

Die links für Rx angegebenen unterschiedlichen Widerstandswerte und die damit korrespondierenden Werte für den Tonarm gehen auf die Anfänge des E-Meters zurück. Vermutlich haben sie sich bei den ersten Schaltungen eher zufällig ergeben, wurden dann aber bei den Nachfolgegeräten beibehalten und sind seit dieser Zeit bis in die Gegenwart verbindlich geblieben. Damit Auditoren weltweit dieselben Bedingungen vorfinden, halten sich seriöse E-Meter-Hersteller an diese Vorgaben. 

Wenn die Eingangsspannung höher als 6.50 Volt ist und die Widerstände R1, R2 und R3 als Trimmer ausgeführt sind, kann man sie empirisch so abgleichen, dass die Ausgangsspannung identisch mit dem jeweiligen Tonarm ist. Dazu wird bei Rx=Unendlich mit R3 auf 6.50 Volt, bei Rx=12.5 kOhm mit R1 auf 3.00 Volt und bei Rx=0 Ohm mit R2 auf 0.95 Volt abgeglichen. Da die Trimmer sich gegenseitig beeinflussen, muss dieser Abgleich mehrmals wiederholt werden, bis alle Spannungswerte stimmen.

Im Gegensatz zum oben erwähnten statischen Strom wird der dynamische Strom, der die Folge schneller, aber geringfügiger Veränderungen des Körperwiderstandes ist, durch die Nadel des Drehspulinstruments angezeigt. Dabei handelt es sich um die so genannten Reads*. Diese “Ungleichbehandlung” eines sich ändernden Stroms wird durch die kapazitive Kopplung zwischen IC2 und OP4 bewirkt. Obwohl beide Ströme eine Funktion des Körperwiderstandes sind, findet bei den Anzeigen des vk1 durch die zusätzliche Einführung des Faktors “Zeit” erstmals eine Unterscheidung zwischen Tonarm und Read statt. Der Tonarm ändert sich vergleichsweise langsam, Reads treten dagegen schnell auf. (Siehe Instant Read*). Der Koppelkondensator C3 differenziert das, da er in Verbindung mit R10 nur Wechselspannung ab einer bestimmten Frequenz durchlässt.

3. Analoger Messverstärker

Der Strom verursacht also einen Spannungsabfall an den Widerständen, durch die er fließt. Dessen Höhe ist dem fließenden Strom direkt proportional. Änderungen des Stromflusses, die als Folge geistiger Ursachen beobachtet werden können, sind oft nicht größer als wenige Nanoampere. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Verstärkung, um dies am Drehspulinstrument deutlich sichtbar zu machen.

Der Instrumentenverstärker IC2 stellt an seinem Ausgang die “Dosenspannung” asymmetrisch und niederohmig zur Verfügung. Er ist mit C3 an OP4 gekoppelt. Da der Kondensator nur Wechselspannung durchlässt, spielt die Tonarmposition für die weitere Verstärkung und Messung keine Rolle mehr. OP4 verstärkt die Spannung nicht, sondern wirkt als Impedanzwandler, damit die Spannung am niederohmigen Potenziometer P4 nicht zusammenbricht. Dadurch bleibt die Belastung von C3 gering, sodass dessen Kapazität klein gehalten werden kann. Letztere ist in Verbindung mit R10 maßgebend für die untere Grenzfrequenz der passierenden Wechselspannung. C3 ist ein so genannter bipolarer Kondensator. Die Spannungsverstärkung erfolgt durch OP5, wobei das Signal invertiert wird. Eine Verringerung der Spannung am Ausgang von IC2 führt so zu einer Erhöhung der Spannung am Drehspulinstrument. Der Grad dieser Verstärkung kann mit P4 (Empfindlichkeitsknopf) in einem Bereich von 0.1 bis 128 eingestellt werden. Seine Skala* wurde ratiometrisch gestaltet. Eine Verdopplung der eingestellten Empfindlichkeit verursacht also stets einen doppelt weiten Nadelausschlag. Die Kalibrierung erfolgt einmalig durch P3.  

Der Ausschnitt des Stromlaufplans beschränkt sich hier auf das Wesentliche des Verstärkers. Die Einspeisung der Offsetspannungen*, die Regelzweige, T3 und T4 sowie R21 und R22 wurden zur besseren Übersicht weggelassen.

Offset:
Mit P1 wird die Offsetspannung von OP4 und mit P2 die von OP5 eingestellt.

Wenn man darauf verzichten und die “Plus-Eingänge” der OPs einfach auf das Potential der künstlichen Masse legen würde, käme es beim Drehen von P4 zeitweilig zu unerwünschten Bewegungen der Nadel. Ein korrekter Abgleich der Offsetspannungen stellt dagegen sicher, dass die Nadel stets auf SET bleibt. Für die Durchführung des Abgleichs muss an dem Messpunkt “MP” ein Mitteninstrument¹) angeschlossen werden. (Die Lage von MP ist weiter unten im Abschnitt Regelspannung zu sehen.) In der Abgleichanweisung sind die Details näher beschrieben.    

¹) Man versteht darunter ein Drehspulinstrument, dessen Zeiger bei Null nicht links, sondern in der Mitte steht. Dadurch lassen sich sowohl positive als auch negative Spannungen zur Anzeige bringen.  

Trotz dieses Mehraufwandes beim Abgleich und den später noch erläuterten Maßnahmen zur Verhinderung einer Nadeldrift wurde für die Verstärkung bisher auf eine digitale Lösung verzichtet. Da bei einer Empfindlichkeit von 128 bereits eine Dosenspannungsänderung von 4 µV genügt, um ein wahrnehmbares Rucken der Nadel zu bewirken, gibt das die Auflösung eines einzusetzenden AD-Wandlers* vor. Soll er gleichzeitig für die Messung des Tonarms zuständig sein, muss er bei einer Spannung von 1.2 Volt am symmetrischen Eingang des vk1 einen Messbereich von 1.026 Volt verarbeiten können. Seine Auflösung müsste also mindestens 19 Bit betragen. Je höher die Auflösung, desto mehr Konvertierungszeit benötigt ein AD-Wandler. Da echte Sofortanzeigen* vom E-Meter verlangt werden, steht das einer Digitalisierung des Verstärkers entgegen. Jedenfalls dann, wenn man auf eine feine Abstufung nicht verzichten und gleichzeitig den Stromverbrauch niedrig halten will.

Anmerkung:
Das digitale “Ability-Meter” umgeht diese physikalischen Zwänge dadurch, dass man sich bei niedrigem Stromverbrauch auf eine Auflösung von 10 Bit und auf eine maximale Empfindlichkeit von 40 beschränkt hat. Außerdem wurde auf eine 50Hz-Unterdrückung verzichtet. Die geringe Auflösung bewirkt, dass eine langsam steigende oder fallende Nadel bereits ab einer Empfindlichkeit von 12 beginnt, sich in kleinen Schritten ruckartig zu bewegen. Bei 40 sind die Schritte schon so grob, dass die Nadel bei einem Konvertierungsfehler von nur 1 Bit bereits nicht mehr präzise auf Set zurückgeht, sondern etwas daneben steht. Da eine saubere Nadel* per Definition wie Melasse fließt und nicht ständig ruckt, hätte dieses E-Meter vermutlich nicht den Segen von Hubbard erhalten. Auch ist 40 beim heutigen Stand der Technik eher etwas dürftig und reicht gelegentlich nicht aus. Die geringe Auflösung des AD-Wandlers lässt es darüber hinaus nicht zu, dass beim “Ability” der Tonarm in Hundertstel angezeigt wird. Bei diesem E-Meter zeigt das Display an der zweiten Stelle nach dem Komma (statt einer Null) gar nichts oder alternativ eine 5 an. 

Die Trennung zwischen dem Analogverstärker für die Nadel und dem digitalen Teil für die Messung des Tonarms hat darüber hinaus den Vorteil, dass Nadelreaktionen nicht durch Rechenvorgänge im Mikrocontroller ausgebremst oder vereitelt werden können. Beide Bereiche arbeiten absolut unabhägig voneinander. 
 

Kalibrierung: Mit P3 wird die Empfindlichkeit des E-Meters bei der Herstellung einmalig kalibriert. Grundlage dafür ist ein willkürliche Festlegung aus den Anfängen des E-Meters. Man kalibrierte es damals bei einem PC-Widerstand von 5000 Ohm, indem man einen  weiteren Widerstand von 100 kOhm an die 5000 Ohm anlegte. Die Nadel, die vorher auf Set stand, musste durch die Verringerung des Gesamtwiderstandes bis zum Skalenende ausschlagen. War dies der Fall, hatte das E-Meter eine Empfindlichkeit von 32. Für die Berechnung anderer Empfindlichkeiten legte man fest, dass diese sich im Verhältnis zu dem jeweiligen Körperwiderstand linear verhalten sollten. Wenn also für einen Endausschlag der Nadel 50 kOhm angelegt werden mussten, dann betrug die Empfindlichkeit 16, bei einem Widerstand von 200 kOhm waren es 64. Diese Festlegung, die sich als brauchbar erwiesen hatte, wurde in der Folgezeit  nicht mehr verändert. Bis in die Gegenwart orientieren sich alle seriösen E-Meter daran. 

Der Widerstand für andere Empfindlichkeitseinstellungen lässt sich mit einem Dreisatz einfach errechnen. Bei der Empfindlichkeit 1 beträgt der Wert des Parallelwiderstands 100 : 32 = 3.125 kOhm. Nehmen Sie eine beliebige andere Empfindlichkeit und multiplizieren Sie sie mit 3.125. Bei 128 ist zum Beispiel ein Parallelwiderstand von 128 x 3.125 = 400 kOhm erforderlich. Weitere Details können Sie bei Interesse aus dem Stromlaufplan der Prüfschaltung entnehmen.

Für das Potenziometer P4 wurde auf dieser Grundlage eine Empfindlichkeitsskala entwickelt. Sie ist ab der Version 50 als Gravur fester Bestandteil der Frontplatte. Zur Genauigkeit sollte  nur ein Potenziometer verwendet werden, dessen mechanischer und elektrischer Drehbereich identisch sind. Dort, wo das nicht der Fall ist, sollte der elektrische bei 285° liegen. Die Schaltung an OP5 wurde so optimiert, dass für eine akzeptable Skalierung kein umgekehrt logarithmisches Potenziometer verwendet werden musste, wie das bei Hubbards E-Metern der Fall war bzw. ist. Außerdem wird der gesamte Bereich abgedeckt, sodass Umschalter (Booster) wie bei anderen E-Metern überflüssig sind. 

Da sowohl das Potenziometer als auch OP5 nicht immer absolut linear sind, wird zunächst der Drehknopf so montiert, dass er die Skala symmetrisch überstreicht. Danach wird er exakt auf 32 eingestellt. Zum Kalibrieren wird nun bei einem Tonarm von 2.0 mittels eines kurzzeitig angelegten Parallelwiderstands von 100 kOhm P3 so abgeglichen, dass die Nadel jeweils einen Endausschlag (bis zum 25. Skalenstrich) ausführt. Auf diese Weise erhält man eine hinreichende Genauigkeit der Gesamtskala. Die Abgleichanweisung enthält weitere Details.

Spannungsbegrenzung: Bei einem Blowdown*, oder wenn der PC die Dosen in die Hand nimmt (bzw. sie ablegt), entsteht jedes Mal ein großer Spannungssprung an C3. Die Nadel “klebt” dann am (rechten oder linken) Skalenrand. Um in diesem Fall die Rückkehrzeit auf die Skala zu verkürzen, wurden ab Vers. 48 zusätzliche Transistoren eingefügt, (hier T3 und T4). Wenn die Ausgangsspannung von OP5 einen Wert erreicht, der die Nadel anschlagen lässt, wird der jeweilige Transistor leitend und beendet einen weiteren Spannungsanstieg an C3. Die Nadel kehrt so bereits nach einer minimalen Wartezeit wieder um. Die Spannungsteiler R13/R7 bzw. R12/R8 könnten theoretisch so verändert werden, dass die Nadel überhaupt nicht anschlägt, sondern nach dem Erreichen des Skalenendes sofort zurückkehrt. Dies ist jedoch in der Praxis nicht empfehlenswert, weil der Auditor in der Lage sein muss, einen Blowdown auch optisch als solchen zu erkennen. Zu ihm gehört seit eh und je, dass die Nadel an ihrer mechanischen Begrenzung anschlägt.   

Temperaturverhalten: Jede analoge Schaltung wird durch Änderungen der Temperatur in ihrem Verhalten beeinflusst. Das gilt besonders für das Drehspulinstrument selbst, denn seine Spule besteht aus Kupferdraht. Kupfer ändert seinen Widerstand um etwa 0.4% pro Grad Kelvin. Bei nur 25° Temperaturänderung bewirkt das bereits eine abweichende Anzeige von 10%. Auch viele elektronischen Bauteile verändern bei Temperaturschwankungen ihre Parameter. Damit die Nadel des Messwerks durch solche Einflüsse keine falschen Werte anzeigt und nicht von SET* wegdriftet, müssen bei einem automatischen E-Meter entsprechende Vorkehrungen getroffen werden. Bei einem herkömmlichen Gerät fällt dem Nutzer eine Drift nicht auf, weil die Nadelposition dort ohnehin ständig mit dem Tonarmknopf angepasst werden muss. Wie beim vk1 die Drift unterbunden wird, ist im folgenden Absatz “Regelspannung” beschrieben.

Der sich verändernde Innenwiderstand des Drehspulinstruments wird durch den NTC-Widerstand* R22 in einem Bereich von 0 bis 50°C sehr gut kompensiert, sofern die Temperatur sich langsam verändert. Bei schnellen Änderungen eilt die Kompensation etwas vor, weil die Kupferdrahtwicklung im Gehäuse des Messwerks besser geschützt ist und sich deshalb langsamer erwärmt oder abkühlt. Da das E-Meter aber stets nahe 25°C betrieben und üblicherweise keinen Wärme- oder Kälteschockbehandlungen ausgesetzt wird, sind Probleme nicht zu erwarten. Notfalls steht das von außen zugängliche Trimmpotenziometer P5 zur Verfügung.  

Regelspannung:
OP6 erzeugt eine Regelspannung, die den Ausgang von OP5 auf dem Potential der künstlichen Masse hält und die Nadel dadurch an der Set-Linie “einfängt”. Dieser Vorgang läuft jedoch so langsam ab, dass Nadelanzeigen auf diese Weise nicht verfälscht werden. Das gilt auch für F/Ns*. Die lange Regelzeit ergibt sich aus dem hohen Widerstand von R19 und den großen Kapazitäten von C7 und C8. Um eine Überkompensation beim Rückstellvorgang zu vermeiden, wird die Regelspannung durch D1 und D2 begrenzt. Da diese Spannung sowohl positiv als auch negativ sein kann, wurden die Elkos C7 und C8 mit umgekehrter Polarität in Reihe geschaltet. Damit werden Leckströme verhindert, die man hier nicht gebrauchen kann.

Zusätzlich wird die Offsetspannung von OP4 über R48 nachgeregelt. Dies bewirkt eine hohe Langzeitkonstanz, da allmähliche Veränderungen der Parameter so über einen weiten Bereich kompensiert werden.

Kleine Abweichungen der Nadelposition von der SET-Linie, wie sie durch eine plötzliche Temperaturänderung bewirkt werden können, lassen sich mit dem von außen zugänglichen Trimmpotenziometer P5 korrigieren. (Siehe den zweiten Absatz in diesem 3. Teil der Dokumentation.) P5 wird ansonsten nicht benötigt. 

4. Digitaler Teil

Für diesen Teil der Schaltung wurde vom Verfasser eine Software entwickelt, die ihrerseits festlegt, was der Mikrocontroller im Einzelfall tun soll.  Mit OP8, der hier als Komparator eingesetzt wird, bildet IC6 einen Delta-Sigma-AD-Wandler* mit hochauflösenden Eigenschaften. Die “Dosenspannung” wird ihm von IC2 kommend über P6 zugeführt. Sie bewegt sich hier zwischen 160 mV und 1.14 Volt. Aus ihr bestimmt der PIC den Tonarm der angeschlossenen Person, (0.95 bis 6.50), und errechnet bei Veränderungen die Tonarmaktion*.

Ein weiterer AD-Wandler gleicher Bauart wird mit OP9 realisiert. Er misst ständig die Spannung der Batterie oder des Akkus. Die Kalibrierung erfolgt mit P7.   

Die Anzeige der ermittelten Werte erfolgt auf einem gemeinsamen Display. Links der Tonarm, (hier aktuell mit 2.38).

In der Mitte wird die aktuelle Spannung der Batterie angezeigt, (hier 9.4 Volt). Rechts sieht man den momentanen Stand des Tonarmzählers*. Registriert wurden 12.47 Tonarmabschnitte. Der Dezimalpunkt war bei den früheren Versionen eine Stelle weiter rechts positioniert. Dadurch mussten die Hundertstel intern aufaddiert werden, um nicht verloren zu gehen. Ab der Softwareversion 4 wurde das geändert, sodass die Anzeige nun bis 99.99 reicht und dadurch die Hundertsel sofort mit anzeigt.

Wenn die Batteriespannung 6.0 Volt unterschreitet, wurde ursprünglich in der Mitte das Wort “LOW” sichtbar. Ab dem 1.12.2017 ist “LOW” entfallen. Stattdessen wird weiterhin die Spannung angezeigt, und es leuchtet nun eine gelbe LED auf. Dies signalisiert dem Auditor, dass beim vk1 innerhalb der nächsten 60 Minuten die Batterie erneuert werden sollte. Stehen nur noch 5.5 Volt zur Verfügung, fängt die LED an zu blinken. Die Batterie gilt dann als vollständig entladen. Als Folge wird der linke und rechte Wert des Displays “eingefroren”. Die Nadel reagiert zwar weiter wie gewohnt, aber auditiert werden sollte dann nicht mehr.   

Die Ansteuerung des LC-Displays* erfolgt durch den PIC. Da er für eine parallele Datenübertragung nicht mehr genügend freie Pins hat, werden die Daten seriell an das Schieberegister IC7 ausgegeben, das sie dann parallel an das Display weiterreicht. Dieses benötigt nur 7 Datenbits (D0 bis D6), D7 liegt auf Masse.

An dieser Stelle zum Vergleich die analoge Tonarmanzeige:

Diese Anzeige ist für den Betrieb eines E-Meters nicht erforderlich und wurde bei den Fertiggeräten nur bis zur Version vk1-37 realisiert. Die zuvor beschriebene Digitalanzeige reicht völlig aus. Ein analoges Instrument ist insbesondere kein Ersatz für eine Digitalanzeige, denn dafür ist es nicht genau genug. Aber es ist eine optische Bereicherung, das mit einem kurzen Blick das schnelle Erfassen des aktuellen Tonarmwertes ermöglicht. Außerdem wird ein schwebender Tonarm* damit eindrucksvoll dargestellt. Seine Nadel verhält sich in diesem Fall wie die des Hauptinstruments bei einer normalen F/N*.

PIC: Wie oben im Zusammenhang mit den AD-Wandlern bereits erwähnt, hat der Mikrocontroller die Aufgabe, ständig die Dosenspannung und die Spannung der Batterie bzw. des Akkus zu messen und die ermittelten Werte an das gemeinsame Display weiterzugeben. Zusätzlich überwacht er Verringerungen der Dosenspannung dahingehend, ob es sich um gültige Tonarmaktion handelt. Dazu unterzieht er die erfolgte Spannungsänderung einer Plausibilitätsprüfung. Kommt er dabei zu dem Ergebnis, dass sie gültig war, wird der errechnete Wert registriert und die Anzeige am Tonarmzähler auf der rechten Displayseite aktualisiert.

Bei seiner Prüfung achtet der µC darauf, dass die Verringerung des Tonarms nicht größer als 4.10 und nicht kleiner als 0.02 Tonarmabschnitte ist. Damit sollen Fehlzählungen möglichst vermieden werden. Der µC ignoriert Dosenkurzschlüsse, schwebende Nadeln und üblicherweise auch Körperbewegung*. Ein verringerter Tonarm wird vom µC nur dann als Tonarmaktion akzeptiert, wenn er innerhalb von drei Sekunden nicht wieder ansteigt. 

Bei einem gesunkenem Tonarm geht es also um die Unterscheidung zwischen geistigen und anderen Ursachen. Dort, wo bei herkömmlichen E-Metern ein Tonarmknopf gedreht werden muss, kann man die Zählung ganz einfach mit diesem Vorgang koppeln, indem man am Tandempotientometer* die veränderte Spannung auswertet. Bei einem vollautomatischen E-Meter ist die Sache ungemein schwieriger. Der Prozessor soll dort, (ganz auf sich selbst gestellt), möglichst jede echte Tonarmbewegung erkennen und jede unechte verwerfen. Etwas, das lediglich durch die Messung der Spannung vermutlich nie 100%ig wird bewerkstelligt werden können. Eine so genannte “Body-Motion-Taste” erlaubt es daher, bei Körperbewegung die Zählung auch von Hand zu unterbinden. Dazu genügt es, die Taste nach einer erfolgten Körperbewegung innerhalb von 3 Sekunden einmal kurz zu drücken. Dauert die Bewegung länger, hält man die Taste gedrückt und lässt sie dann los, wenn der PC* damit aufhört.

Der bereits früher verwendete Mikrocontroller 16F84A wurde für diese Aufgaben beibehalten, weil er sparsam im Stromverbrauch ist und trotzdem in Verbindung mit den beiden externen Komparatoren zwei AD-Wandler* mit einer hohen Auflösung ermöglicht. Andere gängige Typen bringen es mit ihren integrierten AD-Wandlern nur auf 10 Bit, was für den hiesigen Zweck unzureichend wäre. (Siehe dazu oben unter “Offset” die Anmerkung zum Ability 3a.). 

Display: Es wird an seinen Anschlüssen 1 bis 14 mit den Lötstützpunkten 1 bis 14 der Hauptplatine verbunden. Bei Displays, die 16 Anschlüsse aufweisen, bleiben 15 und 16 unbeschaltet.  

5. Allgemeines

Klinkenbuchse:
Die Klinkenbuchse für den Anschluss der Dosen hat einen Durchmesser von 6.35 mm und entspricht damit dem bei E-Metern üblichen Standard. Es handelt sich um eine Monobuchse ohne Umschalter. Wenn ein Metallgehäuse verwendet wird, muss diese Buchse isoliert sein, weil sonst eine der beiden Dosen mit dem Gehäuse verbunden wäre. Jede Berührung des Gehäuses durch den Auditor könnte so Nadelbewegungen verursachen. Bei einem statisch aufgeladenen Körper wäre dieser Effekt besonders störend.   

Verdrahtungsplan: Hier sehen Sie die Beschaltung der externen Bauteile:

Drehspulinstrument
Zum Abschluss noch ein Wort zur Nadelanzeige. Die Wahl des richtigen Drehspulinstruments ist entscheidend für die Qualität des E-Meters, denn die Nadel, (die technisch auch als “Zeiger” bezeichnet wird), ist das optische Bindeglied zwischen dem Auditor und dem geistigen Universum seines Gegenübers.  Die Elektronik kann noch so ausgefeilt sein, wenn das Drehspulinstrument nichts taugt, taugt auch das E-Meter nichts. Der Verfasser hat zahlreiche Instrumente getestet und dabei festgestellt, dass die meisten nicht für ein E-Meter geeignet waren.

Eine zufriedenstellende Anzeige ist dann gegeben, wenn die Nadel für den Weg von SET bis zum Skalenende nicht länger als 250 Millisekunden benötigt und wenn sie nicht nachschwingt. Das heißt, sie darf nicht über ihr Ziel hinausschießen und darf nach einer weiten Bewegung nicht anschließend noch eine Weile hin- und herpendeln.

Das für das “vk1” verwendete Drehspulinstrument der Firma www.ams-messtechnik.de mit der Bezeichnung AB 130 DS 105° erfüllt diese Anforderungen, wobei die angegebenen 600 µA Garant für die Flinkheit der Nadel sind. Geringere Ströme beeinflussen die Bewegungscharakteristik der Nadel negativ.

In der Schlussbemerkung des Beitrags Quantensprung erfahren Sie weitere Details zu diesem Thema.