Зробив собі цей вкрай корисний і не замінний прилад, через гостру необхідність у вимірі ємності та індуктивності. Має напрочуд дуже хорошу точність вимірювання при цьому схема досить проста базовим компонентом якої є мікроконтролер PIC16F628A.
Схема:
Як видно, основні компоненти схеми це PIC16F628A, знакосинтезуючий дисплей (можна використовувати 3 типу дисплея 16х01 16х02 08х02), лінійний стабілізатор LM7805, кварцовий резонатор на 4 Мгц, реле на 5В в DIP корпус ).
Прошивки для мікроконтролера:
Друкована плата:
Файл друкованої плати у форматі sprint layout:
Вихідна плата розведена під реле в корпусі DIP.
У мене такого не знайшлося і я використав що було, старе компактне якраз відповідне за розмірами реле. Як танталові конденсатори використовував тантанові совкові. Перемикач режиму вимірювання, вимикач живлення та кнопку калібрування використовував, зняті колись зі старих совкових осцилографів.
Провід вимірювальний:
Повинні бути якнайкоротше.
Під час складання та налаштування керувався ось цією інструкцією:
Зберіть плату, встановіть 7 перемичок. Встановіть передусім перемички під PIC і під реле і дві перемички поруч із контактами для дисплея.
Використовуйте танталові конденсатори (у генераторі) – 2 шт.
10мкф.
Два конденсатори 1000пФ повинні бути поліестеровими або кращими (прим. допуск не більше 1%).
Рекомендується використовувати дисплей з підсвічуванням (прим. обмежувальний резистор 50-100Ом на схемі не вказано контакти 15, 16).
Встановіть плату в корпус. З'єднання між плату і дисплей за вашим бажанням можна припаяти, або зробити за допомогою роз'єму. Проводи навколо перемикача L/C зробіть якомога короткими та жорсткими (прим. для зменшення «наведень» та для правильної компенсації вимірювань особливо для заземленого кінця L).
Кварц слід використовувати 4.000MHz, не можна використовувати 4.1, 4.3 тощо.
Перевірка та калібрування:
Тестовіперемички
Як проводити вимірювання:
Режим вимірювання ємності:
Режим вимірювання індуктивності:
Ну начебто все, питання та зауваження залишайте у коментарях під статтею.
Основні технічні характеристики приладу:
Чутливість в діапазоні 1 (10Гц - 50МГц) зі входу А, мВ не гірше 50 Вхідний спротив в діапазоні 1, МОм 1,0+0,1 Похибка методу вимірювань в діапазоні 1, Гц +1 Чутливість в діапазоні 2 (50МГМ - 1 зі входу В, мВ не гірше 50 Вхідний опір в діапазоні 2, Ом 50+1 Похибка методу вимірювань в діапазоні 2, Гц +64 Мінімальна вимірювана ємність, пФ 0,1 Максимальна вимірювана ємність, мкФ не менше 2 Мінімальна вимірювана1 ,0 Максимальна індуктивність, що вимірюється, Гн не менше 3
Структурна схема приладу
До складу структурної схеми приладу входять такі блоки:
Підсилювач-формувач 1-го діапазону частотоміра розглянемо докладніше, так як зазвичай радіоаматори не приділяють належної уваги цьому відповідальному вузлу, і як правило обмежують якскадом посилення на одному транзисторі, а в результаті не отримують можливості навіть наблизитися до промислових вимірювальних приладів (Ч3-75, наприклад). В основу схеми форировщика лягла конструкція (2) в якій були замінені транзистори диференціального каскаду, а також вихідний ключ, що не насичується - на каскад підсилювача з ОЕ, т.к. попередній виявив схильність до збудження на частотах вище 40МГц. Формувач складається з вхідного атенюатора R3, R4, C3, обмежувача VD3, VD4, підсилювача з високим вхідним опором VT1, диференціального каскаду VT3, VT4, підсилювача VT6 і формувача рівня ТТЛ на елементах DD2.2 і DD2. У стік транзистора VT1 включений підстроювальний резистор R9, за допомогою якого балансуючи диференціальний підсилювач.
Дана схема має невелику складність, мале споживання та високі показники чутливості.
Більшість мікроконтролерів PIC дозволяє вимірювати частоту зі входу T0CKI вище за гарантовані виробником 50МГц, приблизно до 60 - 65 МГц.
2-й діапазон частотоміра представлений попереднім дільником (прескалером) Philips SA701D в типовій схемі включення дільника на 64. Наявність вбудованого підсилювача високої чутливості (5мВ на частоті 1ГГц) дозволило відмовитися від зовнішньої схеми і сильно спростити конструкцію, до інших переваг (6мА на частоті 1ГГц) та малі габарити. Елементи VT5, DD2.1, DD2.6, R10, R16 і R17 служать перетворення сигналу в рівні ТТЛ.
Вхідний опір у цьому діапазоні - 50 Ом, стандарт для подібних пристроїв (див. наприклад, технічні характеристики лічильників частоти CUB або SCOUT M40 від Optoelectronics). Професійні частотоміри (Ч3-75) мають вхідний опір 1МОм до 1ГГц, але в радіоаматорських умовах зазвичай цього не потрібно, а отже, нераціонально в даній конструкції.
Для вимірювання ємності та індуктивності застосований частотний метод, при якому вимірюваний елемент включається до контуру LC-генератора, отримана частота вимірюється і знаючи еталонний елемент L або З можна обчислити шуканий за формулою визначальною частоту коливань контуру: f=1/(2*PI*SQR (L * C)).
LC-генератор зібраний на компараторі DA1, ідея подібної конструкції належить і практично не зазнала змін, за винятком заміни компаратора LM311 на К554СА3 в корпусі DIP8 - IL311AN (виробництва ПО ІНТЕГРАЛ), і включення на виході генератора буферного елемента DD. Це дало можливість розширити верхню межу вимірювань L і C з 150мГн до 3Гн та з 1.5мкФ до 4мкФ відповідно. На оригінальному LM311 виробництва SGS-Thomson результати були подібні до отриманих в . Тож рекомендуємо застосування вітчизняного компаратора. (Він веселіше працює в режимі автогенератора:)
Елементи L1 і C4 утворюють основний коливальний контур, до якого підключається елемент, що вимірюється: індуктивність послідовно з L1, ємність паралельно C4. Перемикачі S1 та S2 вибирають режим вимірювань L або C, якщо обидва перемикачі віджаті, то включається режим калібрування. У цьому режимі вхідні клеми замикаються між собою, і за допомогою реле в контур елементів L1, C4 підключається еталонний конденсатор C5. За результатами вимірювань двох частот (С5 і без нього) обчислюються справжні значення зразкових елементів з урахуванням конструктивних ємностей та індуктивностей всього генератора, а також температурного дрейфу параметрів елементів. Обчислені значення використовуються надалі для обчислення значення параметра, що вимірюється.
Вимірюванням частоти та математичними обчисленнями займається мікроконтролер (PIC16C622 або PIC16F628) MICROCHIP (DD4). Виміряна частота перераховується за формулами ємність або індуктивність. Математичні бібліотеки для обчислень з плаваючою точкою взяті з . Для вимірювання частоти використовується метод дорахунку, що дозволяє вимірювати частоту до 50МГц із точністю +1Гц. Швидкість рахунку у всіх режимах - один вимір за секунду. Тактування мікроконтролера проводиться генератором із зовнішнім кварцовим резонатором частотою 4МГц. Для підвищення точності вимірювань рекомендується використовувати як тактовий опорний генератор від мобільного телефону, ми використовували з частотою 14,85 МГц - як найпоширеніші. При цьому необхідно використовувати мікроконтролер з відповідним прошивкою для роботи з новою тактовою частотою.
Режими роботи перемикаються за допомогою перемикачів S1, S2 та кнопок S3 - S5.
Мікросхема DD3 використовується для комутації вхідних сигналів різних джерел на вхід мікроконтролера T0CKI/RA4 (вив. 3/DD4).
Для відображення режимів роботи та результатів вимірювань використовується дворядковий алфавітно-цифровий РКІ SC1602BULT (16 символів, 2 рядки) SUNLIKE або сумісний з ним інших фірм (DataVision, Wintek, Bolumin).
Ця модель індикатора, за кількістю символів, що відображаються, надмірна для цього застосування, але через масові поставки для інших споживачів має найменшу ціну і вільно доступна для придбання навіть на радіоринку. Ця модель має вбудовані світлодіоди підсвічування, які можна задіяти при живленні пристрою від виносного адаптера. Резистори R23-R24 визначають контрасність індикатора, замість них можна встановити підстроювальний резистор для регулювання, але як показала практика цього не потрібно. Для економії портів мікроконтролера, задіяних для керування індикатором, використовується режим в якому дані передаються напівбайт через входи DB4-DB7, входи DB0-DB3, що не використовуються, залишити вільними. Ще треба помітити, що розпинування SUNLIKE відрізняється від решти (Wintek, Bolumin, DataVision) двома висновками: 1-й +5В, 2-й 0В, у всіх інших навпаки! Чому так – неясно, треба просто запам'ятати.
Налаштування.
За наявності зразкових чи еталонних приладів налаштування вимірювача досить просте.
Робота із приладом.
При подачі напруги живлення прилад встановлюється в режим вимірювання частоти зі входу А. Індикація частоти - в герцах. Натисканням на S3 за потреби вибирається режим індикації частоти.
9999999999 Гц 9999999.99 кГц 9999999.9 кГц 9999999 кГц 9999.99 МГц 9999.9 МГц 9999 МГц
Вибір режиму роботи здійснюється натисканням S4. При виборі режиму вимірювання "L/C" необхідно відкалібрувати прилад, про що повідомляє індикатор написом "NO CALIBRATED". Для цього віджимають обидва перемикачі S1 та S2, на дисплеї з'являється напис "CALIBRATION", починається процес калібрування. Після завершення з'являється напис "CALIBRATION ОК". Тепер можна вибрати режим вимірювань L або C натисканням відповідного перемикача S1 або S2. LC-метр має 3 піддіапазони для кожного вимірюваного параметра з автоматичним перемиканням між ними.
Ємність Індуктивність 0.0 - 999.9 пФ 0 - 999 нГн 1.00 - 999.99 нФ 1.00 - 999.99 мкГн 1.00 - 999.99 мкФ 1.00 - 9999.99 мГн
Якщо пристрій довго працює в режимі "L/C", то може знадобитися примусове калібрування у зв'язку з відходом параметрів LC-генератора. Для проведення примусового калібрування необхідно віджати відповідний режим роботи перемикач S1 або S2 і натиснути на кнопку S5. Після появи напису "CALIBRATION OK" натискається перемикач S1 або S2 та продовжуються вимірювання.
Конструкція та деталі.
Прилад змонтований на односторонній платі розмірами 145x80 мм.
Увага! На платі 6 дротяних перемичок та 3! "провідних":
Між отворами 13 та 14 на лицьовій стороні плати;
- між виведенням 11 DD4 та виведенням 14 DD3 (сигнал A0);
- між виведенням 12 DD4 та виведенням 2 DD3 (сигнал A1);
Дві останні на кресленні розташування деталей не показані, вони припаюють безпосередньо до відповідних висновків мікросхем з боку друку. Як показала практика – без них конструкція не працює:) У пристрої використані резистори МЛТ-0,125, електролітичні конденсатори типу К50-35, імпортні. Резистори R1-R2 типу Р1-12-0,125 (безвивідні). Конденсатори C6-C7 типу К10-17В (безвивідні). Конденсатори C4 і С5 - типу К73-9 або аналогічні плівкові зі стабільними параметрами! Конденсатор C17 - підстроювальний типу КТ4-23 або аналогічний. Інші конденсатори типу К10-17б, К10-19. Котушка індуктивності L1 – стандартний дросель типу ДМ, ДПМ на 60мкГн. Транзистор VT1 - КП305Д, заміна на таку ж з іншою літерою погіршує чутливість. VT2 - або НЧ з коефіцієнтом посилення не менше 100, VT3 і VT4 - будь-які високочастотні pnp, транзистори VT5 і VT6 - будь-які високочастотні npn з високим коефіцієнтом посилення. Діоди VD1, VD2 – КД409А9, або аналогічні з меншою ємністю. Діоди VD3, VD4 – КД409А1, можна застосувати інші ВЧ з мінімальною ємністю, для порівняння – у КД522 ємність у два рази більша, відповідно чутливість приладу буде гіршою. Діод VD5 – будь-який імпульсний. Мікросхема DD2 - КР1533ТЛ2 заміна серії 1554, 1594 погіршує чутливість. Мікросхема DD3 - КР1533КП2, КР1533КП12 заміна на серії 1554, 1594 погіршує завадостійкість. Компаратор DA1 – К554СА3 у корпусі DIP8 (IL311AN), заміна на імпортний погіршує верхній діапазон вимірювань. Прескалер SA701D можна замінити на SA702D або застосувати будь-який інший з коригуванням схеми та друкованої плати. Перемикачі S1 - S2 типу PB-22E08 або PS580L за каталогом "Чіп та Діп". Кнопки S3 - S5 типу ПКн із довжиною штовхача 12 - 16мм. XS1-XS2 - гнізда СР-50-73ФВ або подібні, XS3- затискач для підключення акустичних систем. Реле P1 D1A050000 ф.Cosmo (за каталогом "Чіп та Діп") або аналогічне малогабаритне. Можна і саморобне:)
Я впевнений, що цей проект не є новим, але це власна розробка і хочу, щоб цей проект так само був відомий і корисний.
Схема LC метр на ATmega8досить проста. Осцилятор є класичним та виконаний на операційному підсилювачі LM311. Основна мета, яку я переслідував при створенні даного LC метра - зробити його не дорогим і доступним для збирання кожним радіоаматором.
Для цього приладу я розробив програмне забезпечення, що дозволяє використовувати той індикатор, який є у розпорядженні у радіоаматора або 1х16 символьний РК-дисплей, або 2х 16 символів.
Тести з обох дисплеїв дали відмінні результати. При використанні дисплея 2х16 символів у верхньому рядку відображається режим вимірювання (Cap – ємність, Ind – ) та частота генератора, у нижньому рядку результат вимірювання. На дисплеї 1х16 символів зліва відображається результат вимірювання, а справа частота роботи генератора.
Однак, щоб помістити на один рядок символів виміряне значення та частоту, я скоротив роздільну здатність дисплея. Це не позначається на точність виміру, тільки суто візуально.
Як і в інших відомих варіантах, які ґрунтуються на тій же універсальній схемі, я додав у LC-метр кнопку калібрування. Калібрування проводиться за допомогою еталонного конденсатора місткістю 1000пФ з відхиленням 1%.
При натисканні кнопки калібрування відображається таке:
Вимірювання, проведені за допомогою даного приладу напрочуд точні, і точність багато в чому залежить від точності стандартного конденсатора, який вставляється в ланцюг, коли ви натискаєте кнопку калібрування. Метод калібрування пристрою полягає лише у вимірі ємності еталонного конденсатора і автоматичного запису його значення в пам'ять мікроконтролера.
Якщо ви не знаєте точного значення, можете відкалібрувати прилад, змінюючи значення вимірювань крок за кроком до отримання точного значення конденсатора. Для такого калібрування є дві кнопки, зверніть увагу, на схемі вони позначені як «UP» і «DOWN». Натискаючи їх, можна домогтися коригування ємності калібрувального конденсатора. Потім це значення автоматично записується в пам'ять.
Перед кожним вимірюванням ємності необхідно скинути попередні показання. Скидання на нуль відбувається при натисканні CAL.
Для скидання в режимі індуктивності необхідно спочатку замкнути висновки входу, а потім натиснути «CAL».
Весь монтаж розроблений з урахуванням вільної доступності радіодеталей та з метою досягнення компактності пристрою. Розмір плати не перевищує розмірів РК-дисплея. Я використовував як дискретні компоненти, і компоненти поверхневого монтажу. Реле з робочою напругою 5В. Кварцовий резонатор – 8MHz.
Пристрій призначений для вимірювання малих опорів, індуктивності, ємності та ЕПС конденсаторів. Функціонально, схему можна розбити на 8 основних модулів:
- L/C генератор
- Блок джерел стабільного струму (50mA/5mA/0.5mA)
- Блок, відповідальний за розряд випробуваного конденсатора
- Блок підсилювачів напруги
- Блок відображення інформації (Nokia LCD 3310)
- Кнопки керування
- Мікроконтролер PIC18F2520
- Комутатор (для комутації випробуваних компонентів)
Принцип роботи LC генератора і, відповідно, принцип вимірювання індуктивності та ємності (1p - 1 uF) докладно описувати не бачу сенсу. Це детально викладено в описах до подібних пристроїв яких в інтернеті безліч. Відзначу лише деякі особливості, які були застосовані у даній схемі та алгоритмі розрахунку. Для вимірювання індуктивності та ємності використовуються різні пари щупів... такий підхід дозволив підвищити точність вимірювання, організувавши постійне, автоматичне, часткове калібрування. Тобто. дрейф частоти LC генератора не має такого значного впливу на точність вимірювання як це було раніше. Також новий підхід до розрахунків дозволив позбутися впливу міжвиткової ємності індуктивності, що вимірюється на результат вимірювання (вона враховується при калібруванні).
Вимір ємності електролітичних конденсаторів організовано за класичним методом - заряд конденсатора стабільним джерелом струму до певного рівня напруги (0,2v) з паралельним підрахунком часу заряду. У схемі це реалізовано сл. чином. Під'єднаний випробуваний конденсатор попередньо розряджається (Q1) після чого на нього подається стабільна напруга та включається таймер відліку часу. На момент досягнення напругою рівня 0,2v. спрацьовує внутрішній компаратор та фіксується час таймера. Далі відбувається розрахунок ємності конденсатора. Для скорочення часу вимірювання в меню можна вибрати максимальну межу вимірювання ємності конденсатора (100/300/600 тисяч мікрофарад).
Вимірювання ЕПС (ESR) конденсатора та вимірювання малих опорів виконується за сл. принципом. На випробуваний конденсатор подається короткий імпульс напруги формованого джерелом стабільного струму. Це сплеск напруги, величина якого пропорційна ESR конденсатора. Два послідовно включені ОУ збільшують цей сигнал до необхідного рівня. Далі підключений до виходу ОУ мікроконтролер реєструє пік імпульсу і виконує аналого-цифрове перетворення для подальшого розрахунку величини напруги. Знаючи значення сили струму імпульсу та напруга, проводиться розрахунок ESR.
При вимірюванні ESR малих ємностей (<10uF) происходит незначительное завышение показаний измерителя. Не смотря на то, что длительность импульса всего 1-2uS этого достаточно для того, чтобы конденсатор успел немного зарядиться, тем самым слегка завысив значение измеряемого напряжения.
Деякі особливості конструкції, які слід врахувати при повторенні. Підстроювальні резистори в блоці джерела стабільного струму (2. I_source) краще замінити на постійні після підбору їх приблизного значення в процесі налаштування (описано нижче).
Підстроювальні резистори R3 і R8 у блоці підсилювача (4. Amp) рекомендується використовувати багатооборотні. Це дозволить виконати точне підстроювання коеф. посилення від значення якого залежить точність роботи приладу (особливо критично для
ESR).
Замість двох ОУ MCP601 можна використовувати одну MCP602.
Реле в блоці комутації (8. Switch) необхідно використовувати бістабільне з двома обмотками, розрахованими на напругу 5v.
Конденсатори С2 та С5 танталові або неполярна "кераміка". Дросель L1 - типу "гантелька". Ще краще, якщо ця "гантелька" буде у феритовому "склянці".
Блок S1 optional це блок управління подачею напруги живлення на LC генератор. Опціонально існує можливість відключати генератор в режимі вимірювання "електорлітів" для зниження енергоспоживання схеми. Блок S1 можна не використовувати, просто підключивши генератор LC до живлення.
Щоб уникнути виходу з ладу мікроконтролера, перемичку Jmp слід встановлювати лише після налаштування напруги в точці "B" резистором "R_Vbat" (описано нижче).
У схемі відсутній модуль частотоміра (предделитель і буфер) хоча програмно сам частотомір реалізований. Вимірювану частоту (з "правильною" амплітудою) слід подавати на 6 висновок MK (F). Необхідно розуміти, що для режимів вимірювача ємності та індуктивності на вхід 6 MK повинен подаватися сигнал з виходу LC генератора. З цією метою на схемі зображено комутатор. Один із можливих варіантів схематичного рішення модуля частотоміра (предделитель/буфер, комутація) поки що перебуває у стадії розробки. При необхідності комутацію можна організувати на звичайних перемикачах, а як схеми вхідних ланцюгів (ділитель\буфер) використовувати одну з численних схем наявних в інтернеті.
Налаштування та робота з пристроєм.
При першому увімкненні пристрою слід скинути всі налаштування за замовчуванням. Для цього потрібно натиснути кнопку 3 та увімкнути живлення пристрою. Надалі цю операцію можна виконати з меню "Function" розділ "Reset". Після скидання бажано зробити вимк-вкл пристрою. За замовчуванням, після скидання налаштувань значення контрасту «Contrast» встановлюється як 200. Це значення можна змінити в меню налаштувань або виконати вимкнути пристрій утримуючи кнопку 4 в натиснутому стані. У цьому випадку після увімкнення пристрій відразу перейде в меню регулювання контрасту. Далі кнопкою 4 збільшується контраст, а кнопкою 3 - зменшується.
Настроювання джерел стабільного струму.
На точність вимірювання значно впливає акуратність налаштування джерел стабільного струму. Для налаштування потрібно перейти в меню "Function" і далі вибрати розділ "I_50" кнопкою "OK". Потім підключити до клем вимірювання С/ESR міліамперметр. Мілліамперметр показуватиме значення струму майбутнього імпульсу для вимірювання ESR. За допомогою підстроювального резистора (R3) необхідно встановити цей струм якомога ближче до значення 50mA. Після цього запам'ятати показання та відключити міліамперметр. Далі за допомогою кнопок +/- встановити в меню пристрою значення, що відображається раніше на міліамперметрі з точністю до десятих і зберегти його натиснувши кнопку OK. Ту ж процедуру необхідно виконати для джерел струму 5 і 0,5mA... розділи "I_5" та "I_05", відрегулювавши струм відповідними підрядковими резисторами, при цьому виміряне значення має бути вписано в меню пристрою з
точністю до сотих/тисячних.
Важливо пам'ятати, що перемикання між розділами повинно здійснюватися за відключеного міліамперметра.Надалі рекомендується замінити підстроювальні резистори на постійні та повторити процедуру налаштування.
Налаштування ОУ.
Процес налаштування ОУ зводиться до підстроювання K посилення кожного ОУ значення зазначеному в розділах Ampl і Amp2. Для цього потрібно вибрати режим вимірювання ESR/C/R і далі:
1. Підключити до клем електроліт із заздалегідь відомою ємністю (краще взяти конденсатор з невеликою ємністю 10-50uF) і за допомогою резистора R3 і змінної Amp1 (~6.0) в меню налаштування, домогтися відповідних показань на екрані приладу.
2. Потім підключити до клем відомий опір (бажано 1 - 10 Ом) і за допомогою резистора R8 і змінної Amp2 (~6.0) в меню налаштування, домогтися відповідних показань на екрані приладу.
На точність показань під час вимірювання опорів впливатиме точність встановлення значення сили струму для джерел струму
0.00 -1.00 Om - розділ "I_50"
1.00 -10.0 Om - розділ "I_5"
10.0 -100 Om - розділ "I_05"
Настроювання LC генератора.
Налаштування LC генератора зводиться до підбору індуктивності L1 і С1 конденсатора таким чином, щоб частота генератора, яку можна контролювати за допомогою режиму "Oscillator" була в діапазоні 900кГц. С2 та С5 повинні бути танталовими або неполярними "кераміками". Калібрувальний конденсатор може бути будь-яким у діапазоні 500-1200 pF. Головне щоб це був конденсатор із мінімальним ТКЕ та з відомим вам значенням ємності. Дуже добре, якщо є можливість заздалегідь виміряти його реальну ємність на якомусь калібруваному вимірнику. Значення сумарної ємності C_cal і С3 необхідно занести розділ "6.Ccal". С3 можна не встановлювати (....Підглянув в одному аналогічному рішенні, як можливий варіант зниження загального ТКЕ).
Індикатор заряду акумулятора.
Налаштування індикатора заряду зводиться до встановлення в точці "B" напруги, що дорівнює приблизно 1/3 напруги батареї живлення. Для цього необхідно виміряти напругу батареї живлення у точці "A" (при включеному приладі) U1. Потім підключити вольтметр в точку "B" домогтися за допомогою регулювання резистора R_Vbat показань вольтметра U2 рівним приблизно 1/3 від U1. Далі розрахувати коефіцієнт розподілу K_div = U1/U2 та записати значення в меню у відповідні розділи налаштувань. Також вказати в налаштуваннях значення напруги повністю зарядженої батареї живлення "V_bat" та мінімальний рівень напруги батареї при якому прилад сигналізуватиме про необхідність замінити/зарядити батарею.
Також для підвищення точності роботи АЦП бажано вказати в меню точну напругу живлення мікроконтролера V_ref (за замовчуванням дорівнює 5v) вимірявши його при включеному приладі в точці V_ref.
Вимір ESR/C/R (З 0,1 - 600 000 uF)
Для виміру необхідно:
2. Перемкніть пристрій за допомогою кнопки "Mode" (далі M) у режим ESR/C/R
(C)
Слід зазначити, що швидкість проведення вимірювання впливає ємність вимірюваного конденсатора. Максимальну межу виміру можна вибрати в меню «Function» (C_max) (вказано в тис. мікрофарад)
Калібрування в режимі ESR/C/R.
Калібрування служить для компенсації впливу довжини проводів клем та ін на результат вимірювання внутрішнього опору. Для калібрування необхідно перебуваючи в режимі ESR/C/R натиснути кнопку «Calibration» (далі С). При появі меню «Close probes» (замкнути щупи) необхідно замкнути щупи пристрою до закінчення зворотного відліку на екрані. Після виконання процесу калібрування, інформація про налаштування буде автоматично збережена в незалежній пам'яті пристрою, що дозволить надалі не виконувати калібрування при кожному наступному включенні пристрою.
Вимірювання С (C< 1uF)
Для виміру необхідно:
1. Увімкнути пристрій (клеми для підключення вимірювального компонента вільні)
2. Перемкніть пристрій за допомогою кнопки "M" у режим C-meter
3. За потреби виконати калібрування (описано нижче)
4. Підключити вимірюваний компонент до клем
5. Екран пристрою відображає результат вимірювання.
Калібрування в режимі C
Калібрування служить для компенсації впливу довжини проводів клем та ін на результат вимірювання ємності конденсатора. Для калібрування необхідно перебуваючи в режимі C (клеми підключення вимірювального компонента розімкнені, вимірюваний конденсатор вимкнений) натиснути кнопку "С".
Вимірювання L
Для виміру необхідно:
1. Увімкнути пристрій (клеми для підключення вимірювального компонента вільні)
2. Перемкніть пристрій за допомогою кнопки "M" у режим L-meter
3. За потреби виконати калібрування (описано нижче)
4. Підключити вимірюваний компонент до клем
5. Екран пристрою відображає результат вимірювання.
6. При вимірюванні індуктивності (особливо малих номіналів) для отримання більш високої точності вимірювання можна в процесі вимірювання (не відключаючи індуктивність, що вимірюється) виконати калібрування натисканням кнопки «С». При цьому прилад виконає калібрування і на екрані відображатиметься значення підключеної індуктивності максимально близьке до реального.
| class="eliadunit"> |
Калібрування в режимі L
Калібрування служить для компенсації впливу довжини проводів клем та ін на результат вимірювання індуктивності. Існує два види калібрування – «глибоке» для розрахунку індуктивності щупів і «звичайне» для корекції дрейфу генератора. Звичайне калібрування виконується натисканням кнопки "С" в режимі L-meter. Калібрування може виконуватися з підключеною вимірюваною індуктивністю до щуп пристрою.
Для виконання "глибокого" калібрування слід натиснути кнопку "С" і утримувати її в натиснутому стані до появи напису "Close probes and take away hand" (замкнути щупи та прибрати руки) далі замкнути вимірювальні щупи до закінчення зворотного відліку на екрані пристрою, прибрати руки та дочекатися закінчення процесу калібрування. Після калібрування розімкнути щупи. Глибоке калібрування може проводитися постійно т.к. після виконання «глибокого» калібрування, значення індуктивності щупів підключення зберігаються в енергонезалежній пам'яті мікропроцесора.
Вимір F
Для вимірювання частоти необхідно:
1. Увімкнути пристрій
2. Перемкніть пристрій за допомогою кнопки "M" у режим F-meter
3. Вибрати режим роботи (з ділком або без) за допомогою кнопки «/»
4. Подати частоту, що вимірюється, на вхід «F» (6й висновок МК).
Змінити коефіцієнт поділу застосовуваного ділителя можна за допомогою кнопки «К». Після встановлення коефіцієнта та збереження «кнопка ОК» значення буде збережено в незалежній пам'яті пристрою. Схема пристрою не містить модулі частотоміра (голова та буфер).
Звуковий сигнал «Нагадування»
Якщо виміри не проводяться більше 1 хвилини, прилад починає видавати переривчастий звуковий сигнал. Надалі сигнал повторюється кожні 20 сек. Звуковий сигнал нагадування не буде вмикатися, якщо в приладі встановлено режим Без звуку.
Частотометр, вимірювач ємності та індуктивності – FCL-meter
Якісний та спеціалізований інструмент в умілих руках – запорука успішної роботи та задоволення від її результату.
У лабораторії радіоаматора-конструктора (і особливо короткохвильовика) крім вже "простих" цифрового мультиметра і осцилографа знаходять місце і найбільш специфічні вимірювальні прилади - генератори сигналів, вимірювачі АЧХ, аналізатори діапазону, ВЧ мости і т.д. Подібні прилади зазвичай купуються з числа списаних за відносно невеликі (порівняно з новими) гроші і займають гідне місце на столі конструктора. Самостійне їх виготовлення в домашніх умовах практично не можливе принаймні для рядового любителя.
У той же час є ряд приладів, самостійне повторення яких не тільки можливе, а й необхідне через їхню рідкість, специфічність або вимоги до габаритно-масових показників. Це всілякі приставки до мультиметрів та ГИРи, випробувачі та частотометри, LC -метри та інше. Завдяки все більшій доступності програмованих компонентів і PIC -мікроконтролерів зокрема, а також величезного обсягу інформації щодо їх використання в Internet , Самостійне проектування та виготовлення домашньої радіолабораторії стало цілком реальною справою доступною багатьом.
Прилад, що описується нижче, дозволяє в широких межах вимірювати частоти електричних коливань, а також ємність і індуктивність електронних компонентів з високою точністю. Конструкція має мінімальні розміри, масу та енергоспоживання, що дозволяє користуватися нею при роботах на дахах, опорах і в польових умовах.
Технічні характеристики:
Частотометр Вимірювач LC
Напруга живлення, В: 6…15
Струм споживання, мА: 14 ... 17 15 *
Межі вимірювання в режимі:
F 1, МГц 0,01 ... 65 **
F 2, МГц 10 ... 950
L 0,001 мкГн ... 5 Гн
Точність вимірювання в режимі:
F 1 +-1 Гц
F 2 +-64 Гц
C 0,5%
L 2…10 %***
Період відображення, с, 1 0,25
Чутливість, мВ
F 1 10…25
F 2 10…100
Габарити, мм: 110х65х30
* – у режимі самокалібрування залежно від типу реле до 50 мА на 2 сек.
** – нижня межа може бути розширена до одиниць Гц, див. нижче; верхній залежно від мікроконтролера до 68 МГц
Принцип роботи:
У режимі частотометра прилад працює за широко відомим методом вимірювання PIC -мікроконтролер числа коливань в одиницю часу з дорахуванням попереднього дільника, що і забезпечує такі високі показники. В режимі F 2 підключається додатковий зовнішній високочастотний дільник на 64 (при невеликій корекції програми можливе використання дільників з іншим коефіцієнтом).
При вимірі індуктивностей та ємностей прилад працює за резонансним принципом, добре описаним у . Коротко. Вимірюваний елемент включається в коливальний контур з відомими параметрами, що входить до складу генератора вимірювального. За зміною частоти, що генерується, за загальновідомою формулою f 2 =1/4 π 2 LC розраховується потрібне значення. Для визначення власних параметрів контуру до нього підключається відома додаткова ємність, за тією ж формулою розраховуються індуктивність контуру та його ємність, включаючи конструктивну.
Принципова схема:
Електрична схема приладу показана на Мал. 1. У схемі можна виділити такі основні вузли: вимірювальний генератор DA 1, вхідний підсилювач режиму F 1 на VT 1, вхідний дільник (прескалер) режиму F 2-DD 1, комутатор сигналів на DD 2, блок вимірювання та індикації на DD 3 та LCD а також стабілізатор напруги.
Вимірювальний генератор зібраний на мікросхемі-компараторі LM 311. Дана схема добре зарекомендувала себе як генератор частоти до 800 кГц, забезпечуючи на виході сигнал, близький до меандру. Для забезпечення стабільних показань генератор вимагає узгодженого опору та стабільного навантаження.
Частотозадающими елементами генератора є вимірювальна котушка L 1 та конденсатор C 1, а також комутований мікроконтролером еталонний конденсатор C 2. Залежно від режиму роботи L 1 підключається до клем XS 1 послідовно чи паралельно.
З виходу генератора сигнал через резистор, що розв'язує R 7 надходить на комутатор DD 2 CD 4066.
На транзисторі VT 1 зібраний підсилювач сигналу частотометра F 1. Схема особливостей немає за винятком резистора R 8, необхідного для живлення виносного підсилювача з малою вхідною ємністю, що багато в чому розширює область застосування приладу. Його схема показана на Мал. 2.
При користуванні приладом без зовнішнього підсилювача необхідно пам'ятати, що його вхід знаходиться під напругою 5 Вольт, і тому необхідний конденсатор, що розв'язує, в сигнальному ланцюгу.
Предділник частотометра F 2 зібраний за типовою для більшості подібних прескалерів схемою, лише введені обмежувальні діоди VD 3, VD 4. Слід зазначити, що за відсутності сигналу предделитель самовозбуждается на частотах близько 800-850 МГц, що є типовим високочастотних дільників. Самовзбудження зникає з подачею на вхід сигналу від джерела з вхідним опором близьким до 50 Ом. Сигнал з підсилювача та прескалера надходить на DD 2.
Головна роль у приладі належить мікроконтролеру DD 3 PIC 16 F 84 A . Даний мікроконтролер користується величезною і заслуженою популярністю у конструкторів завдяки не тільки хорошим технічним параметрам і невеликій ціні, але й простоті в програмуванні та різноманітних праметрах його використання як від виробника, компанії MicroChip , і всіх, хто застосовував їх у своїх конструкціях. Бажаючим отримати детальну інформацію достатньо в будь-якій пошуковій системі Internet 'а ввести слова PIC, PIC 16 F 84 або MicroChip . Результат пошуку Вам сподобається.
Сигнал із DD 2 надходить на формувач, виконаний на транзисторі VT 2. Вихід формувача безпосередньо підключений до тригеру Шмідта, що входить в мікроконтролер. Результат розрахунків виводиться на алфавітно-цифровий дисплей з інтерфейсом HD 44780. Мікроконтролер тактується частотою 4МГц, причому його швидкодія становить 1млн. операцій на секунду. У приладі передбачена можливість внутрішньосхемного програмування за допомогою роз'єму ISCP (in circuit serial programming) ). Для цього необхідно видалити перемичку XF 1, ізолювавши цим ланцюг живлення мікроконтролера від решти схеми. Далі приєднуємо програматор до роз'єму і зашиваємо програму, після чого не забуваємо встановити перемичку. Такий спосіб особливо зручний при роботі з мікроконтролерами в корпусі для поверхневого монтажу ( SOIC).
Управління режимами здійснюється трьома кнопковими перемикачами SA 1-SA 3 і докладно описано нижче. Дані перемикачі не тільки включають потрібний режим, але і знеструмлюють вузли, що не задіяні в даному режимі, знижуючи загальне енергоспоживання. На транзисторі VT 3 зібраний ключ управління реле, що включає еталонний конденсатор C2.
Мікросхема DA 2 є високоякісним стабілізатором 5 Вольт з низькою залишковою напругою і сигналізатором розряду живильної батареї. Ця мікросхема спеціально розроблялася для використання у пристроях з низьким струмоспоживанням та батарейним живленням. У ланцюгу живлення встановлено діод VD 7 для захисту приладу від переполюсування. Нехтувати ним не варто!
При використанні індикатора, що потребує негативної напруги, необхідно за схемою Мал. 3зібрати джерело негативної напруги. Джерело забезпечує до –4 Вольт при використанні як 3 VD 1, 3 VD 2 германієвих діодів або з бар'єром Шоттки.
Схема програматора JDM , допрацьованого для внутрішньосхемного програмування, наведено на Мал. 4. Докладніше про програмування буде сказано нижче у відповідному розділі.
Більшість використаних в авторському пристрої деталей розраховано на планарний монтаж (SMD), під них спроектована друкована плата. Але замість них можуть бути використані аналогічні доступніші вітчизняного виробництва зі ”звичайними” висновками без погіршення параметрів приладу та з відповідною зміною друкованої плати. VT1, VT2 і 2VT2 можуть бути замінені на КТ368, КТ339, КТ315 та ін. У випадку з КТ315 слід очікувати невелике падіння чутливості на верхній ділянці діапазону F1. VT3-КТ315, КТ3102. 2VT1 - КП303, КП307. VD1, 2, 5, 6-КД522, 521, 503. Як VD3, 4 бажано застосувати pin-діоди з мінімальною власною ємністю, наприклад КД409 та ін. але цілком можна обійтися і КД503. VD7-для зменшення падіння напруги бажано вибрати з бар'єром Шоттки-1N5819, або звичайний із зазначених вище.
DA1-LM311, IL311, К544СА3, перевагу слід віддати IL311 заводу «Інтеграл», так як вони краще працюють у незвичайній ролі генератора. DA2 - прямих аналогів не має, але допускається заміна на звичайну КР142ЕН5А з відповідною зміною схеми та відмовою від сигналізації розряду батареї. Висновок 18 DD3 у разі необхідно залишити підтягнутим до Vdd через резистор R23. DD1 - випускається безліч прескалерів подібного типу, наприклад SA701D, SA702D, що збігається з висновками із застосованим SP8704. DD2-xx4066, 74HC4066, К561КТ3. DD3-PIC16F84A прямих аналогів не має, обов'язково наявність індексу А (з ОЗУ в 68 байт). За деякої корекції програми можливе використання більш “просунутого” PIC16F628A, що має вдвічі більшу пам'ять програм та швидкодію до 5 млн. операцій на секунду.
В авторському приладі використаний алфавітно-цифровий дворядковий по 8 символів у рядку дисплей виробництва Siemens, що вимагає негативної напруги 4 вольти і підтримує протокол контролера HD44780. Для такого та подібного дисплеїв необхідно завантажувати програму FCL2x8.hex. Значно зручніший у роботі прилад із дисплеєм формату 2*16. Такі індикатори випускаються безліччю фірм, наприклад Wintek, Bolumin, DataVision, і містять у назві цифри 1602. При використанні доступного SC1602 фірми SunLike необхідно поміняти місцями його висновки 1 і 2 (1–Vdd, 2–Gnd). Для таких дисплеїв (2х16) використовується програма FCL2x16.hex. Подібні дисплеї зазвичай не потребують негативної напруги.
Особливу увагу потрібно приділити вибору реле К1. Насамперед воно має впевнено спрацьовувати при напрузі 4,5 вольт. По-друге, опір замкнутих контактів (при подачі зазначеної напруги) має бути мінімальним, але не більше 0,5 Ом. Багато малогабаритних герконових реле зі споживанням в 5-15 мА від імпортних телефонів мають опір порядку 2-4 Ом, що неприпустимо в даному випадку. В авторському варіанті використано реле TIANBO TR5V.
Як XS1 зручно використовувати акустичні затискачі або лінійку з 8-10 цангових контактів (половинку панельки під м/с)
Найважливішим елементом, від якості якого залежить точність та стабільність показань вимірювача LC, є котушка L1. Вона повинна мати максимальну добротність і мінімальну власну ємність. Непогано тут працюють прості дроселі Д, ДМ, ДПМ індуктивністю 100-125 мкГн.
До конденсатора C1 вимоги також досить високі, особливо термостабільності. Це може бути КМ5 (M47), К71-7, КСВ ємністю 510 ... 680 пФ.
Таким же має бути і C2, але в межах 820...2200 пФ.
Прилад зібраний на двосторонній платі розмірами 72х61 мм. Фольга з верхньої сторони практично повністю збережена (див. файл FCL-meter.lay), за винятком оточення елементів контуру (для зменшення конструктивної ємності). Елементи SA1–SA4, VD7, ZQ1, L1, L2, K1, індикатор та кілька перемичок розташовані з верхньої сторони плати. Довжина провідників від вимірювальних затискачів XS1 до відповідних контактів на друкованій платі має бути мінімальною. Роз'єм живлення XS2 встановлено з боку провідників. Плата вміщена у стандартний пластмасовий корпус 110х65х30 мм. із відсіком для батареї живлення типу “Крона”.
Для розширення нижньої межі вимірювання частоти до одиниць герц необхідно паралельно С7, С9 та С15 підключити електролітичні конденсатори 10 мк.
Програмування та налаштування
Вмикати прилад із встановленим, але незапрограмованим мікроконтролером не рекомендується!
Починати складання приладу необхідно з установки елементів стабілізатора напруги та встановлення підстроювальним резистором R 22 напруги 5.0 вольт на виведенні 1 мікросхеми DA 2. Після цього можна встановлювати всі інші елементи, крім DD 3 та індикатора. Струм споживання не повинен перевищувати 10-15 мА при різних положеннях SA 1-SA 3.
Для програмування мікроконтролера можна скористатися роз'ємом ISCP . На час програмування перемичка XF 1 видаляється (конструкція роз'єму іншого не допускає). Для програмування рекомендується використовувати некомерційну програму IC - Prog , останню версію якої можна безкоштовно завантажити зwww.ic-prog.com(близько 600 кбайт). В установках програматора ( F 3) необхідно вибрати JDM Programmer , прибрати всі пташки в розділі Communication та вибрати порт, до якого підключений програматор.
Перш ніж завантажити в програму одну з прошивок FCL 2 x 8. hex або FCL 2 x 16. hex , необхідно вибрати тип мікроконтролера – PIC 16 F 84 A , інші прапори автоматично встановляться після відкриття файлу прошивки та змінювати їх небажано. При програмуванні важливо, щоб загальний провід комп'ютера не мав контакту із загальним проводом програмованого пристрою, інакше дані не запишуться.
Підсилювач-формувач і вимірювальний генератор налаштування не потребують. Для досягнення максимальної чутливості можна підібрати резистори R 9 та R 14.
Подальше налаштування приладу проводиться зі встановленими DD 3 та LCD в наступному порядку:
1. Струм споживання не повинен перевищувати 20 мА в будь-якому режимі (крім моменту спрацьовування реле).
2.Резистором R 16 встановлюється бажана контрастність зображення.
3.В режимі частотометра F 1 конденсатором С22 домагаються правильних показань промислового частотометра або іншим способом. Можливе використання як еталонних джерел частоти гібридних кварцових генераторів від радіо та стільникових телефонів (12,8МГц, 14,85МГц та ін.) або, у крайньому випадку, комп'ютерні 14,318МГц та ін. Розташування висновків живлення (5 або 3 вольт) у модулів стандартне для цифрових мікросхем (7-мінус і 14-плюс), сигнал знімається виводу 8. Якщо налаштування відбувається при крайньому положенні ротора, доведеться підібрати і ємність C23.
4.Далі необхідно зайти в режим встановлення констант (див. нижче у розділі ”Робота з приладом”). Константа X 1 встановлюється чисельно рівної ємності конденсатора С2 в пикофарадах. Константа X 2 дорівнює 1000 і може бути скоригована пізніше при налаштуванні вимірювача індуктивності.
5.Для подальшого налаштування необхідно мати набір (1-3 штуки) конденсаторів та індуктивностей з відомими значеннями (бажана точність краще 1%). Самокалібрування приладу має проходити з урахуванням конструктивної ємності затискачів (див. нижче опис варіантів самокалібрування).
6.В режимі вимірювання ємності відміряємо відому ємність, далі номінал конденсатора ділимо на показання приладу, це значення буде використано для коригування константи X 1. Можна повторити цю операцію з іншими конденсаторами і знайти середнє арифметичне відношення їх номіналів до показань. Нове значення константи X 1 дорівнює твору знайденого вище коефіцієнта "старе" її значення.Це значення слід записати до переходу до наступного пункту.
7.В режимі вимірювання індуктивності аналогічно знаходимо відношення номіналу до показань. Знайдене ставлення буде новою константою X 2 і записується в EEPROM аналогічно X 1. Для налаштування бажано використовувати індуктивності від 1 до 100 мкГн (краще кілька із цього діапазону і знайти середнє значення). Якщо є котушка з індуктивністю в кілька десятків-сот мілігенрі з відомими значеннями індуктивності та власної ємності, то можна перевірити роботу режиму подвійного калібрування. Показання власної ємності, зазвичай, дещо занижені (див. вище).
Робота з приладом
Режим частотометра . Для входу в цей режим необхідно натиснути SA 1 "Lx" та SA 2 "Cx ”. Вибір меж F 1/ F 2 здійснюється перемикачем SA 3: віджатий - F 1, вжатий - F 2. З прошивкою для дисплея 2х16 символів на дисплеї відображається напис “ Frequency ”XX, XXX. xxx MHz або XXX, XXX. xx MHz . Для дисплея 2х8 відповідно “ F =” XXXXXxxx або XXXXXXxx MHz , замість десяткової точки тут використовується символ над значенням частоти.
Режим самокалібрування . Для вимірювання індуктивностей та ємностей приладу необхідно пройти самокалібрування. Для цього після подачі харчування необхідно віджати SA 1 ” Lx ” та SA 2 ”З x ” (який саме – підкаже напис L або C ). Після цього прилад увійде в режим самокалібрування і відобразить “ Calibration ” або ” WAIT ”. Після цього потрібно відразу ж утиснути SA 2 ”З x ”. Зробити це потрібно досить швидко, не чекаючи спрацьовування реле. Якщо ж пропустити останній пункт, то ємність клем не буде врахована приладом і нульові показання в режимі ємності будуть 1-2 пФ. Подібне калібрування (з утиском SA 2 ” Cx ”) дозволяє враховувати ємність виносних щупів-затискачів із власною ємністю до 500 pF Однак користуватися такими щупами при вимірюванні індуктивностей до 10 mHне можна.Режим “C x ”може бути обраний після калібрування натисканням на SA 2 "Cx", SA 1 "Lx ” повинен бути відтиснутий. У цьому виводиться “ Capacitance ” XXXX xF або “ C =” XXXX xF.
Режим "Lx"активізується при натиснутому SA 1 ” Lx ” та віджатим SA 2 ” Cx ”. Вхід у режим подвійного калібрування (для індуктивностей більше 10 мілігенрі) відбувається за будь-якої зміни положення SA 3 ” F 1/ F 2”, причому крім індуктивності відображається і власна ємність котушки, що може бути дуже корисно. На дисплеї відображається “ Inductance ” XXXX xH або ” L =” XXXX xH. Вихід з цього режиму відбувається автоматично при вийманні котушки із затискачів.
Можливий перехід у будь-якій послідовності між перерахованими вище режимами. Наприклад, спочатку частотометр, потім калібрування, індуктивність, ємність, індуктивність, калібрування (необхідна, якщо прилад тривалий час перебував увімкненим, і параметри його генератора могли "піти"), частотометр і т.д. При відтисканні SA 1 ” Lx ” та SA 2 ” Cx” перед входом у калібрування передбачена невелика (3 секунди) пауза для виключення небажаного входу в цей режим при простому переході від одного до іншого.Режим встановлення констант . Цей режим необхідний лише при налаштуванні приладу, тому вхід до нього передбачає підключення зовнішнього вимикача (або перемички) між виводом 13 DD 3 та загальним, а також двох кнопок між висновками 10, 11 DD 3 та загальним проводом.
Для запису констант (див. вище) необхідно увімкнути прилад при укороченому вимикачі. На дисплеї залежить від положення перемикача SA 3 ” F 1/ F 2” відобразиться “ Constant X 1” XXXX або “ Constant X 2” X . XXX . Кнопками можна змінювати значення констант із кроком до одного розряду. Для збереження встановленого значення необхідно змінити стан SA 3. Для виходу з режиму необхідно розімкнути вимикач і переключити SA 3 або вимкнути живлення. Запис у EEPROM відбувається тільки при маніпуляціях з SA3.Файли прошивки та вихідні тексти (. hex в. asm ): FCL-prog
Принципова схема ( sPlan 5.0): FCL-sch.
Друкована плата (Sprint Layout 3.0 R):
22.03.2005. Доробки FCL-метра
Буєвський Олександр, Мінськ.
1 . Для розширення діапазону вимірюваних ємностей та індуктивностей необхідно з'єднати висновки 5 та 6 DA1.
2 . Доробка вхідних ланцюгів мікроконтролера збільшить стабільність вимірювання частоти. Можна також використовувати аналогічні мікросхеми серій 1554, 1594, ALS, АС, СР, наприклад 74AC14 або 74HC132 зі змінами в схемі.
