В радиолюбительской практике часто бывает необходимо измерить емкость конденсатора или индуктивность катушки. Особенно это актуально для SMD компонентов, на которых отсутствует маркировка. Функция измерения емкости есть во многих мультиметрах, но при измерении небольших емкостей, порядка единиц – десятков пФ, погрешность обычно бывает недопустимо велика.
Индуктивность могут измерять далеко не все мультиметры и, аналогично, в большинстве случаев, погрешность при измерении малых индуктивностей довольно большая. Есть, конечно, точные векторные измерители LC, но их стоимость начинается от 150 USD. Сумма для российского радиолюбителя не малая, особенно учитывая, что такой прибор нужен не каждый день.
Выход есть – собрать измеритель LC своими руками. Еще в 2004 году я разработал и изготовил такой прибор. Его описание было опубликовано в журнале «Радио» №7 за 2004 г. Более 10 лет этот измеритель LC исправно выполнял свои функции, но потом вышел из строя индикатор. В приборе был использован самый дешевый и доступный на момент разработки LCD индикатор типа KO-4B. В настоящее время он снят с производства и найти его почти невозможно.
Поэтому я решил собрать новый вариант измерителя LC на современной элементной базе. Принцип работы прибора остался тот же самый, он основан на измерении энергии, накапливаемой в электрическом поле конденсатора и магнитном поле катушки. При измерении не нужно манипулировать никакими органами управления, достаточно просто подключить измеряемый элемент и считать показания с индикатора.
Принципиальная схема прибора показана на рисунке. Сейчас стоимость платы Arduino практически равна стоимости установленного на ней контроллера, поэтому в качестве основы я использовал плату Arduino-Pro-Mini. Такие платы выпускаются в двух версиях – с напряжением питания 3,3 В и кварцем на 8 мГц, а также 5 В и 16 мГц. В данном случае подойдет только вторая версия – 5 В, 16 мГц. Индикатор – один из самых распространенных на сегодняшний день, WH1602A фирмы «Winstar» или его аналог. Он имеет две строки по 16 символов.
С целью упрощения схемы и конструкции я использовал операционный усилитель с однополярным питанием типа MCP6002, который допускает работу с уровнями напряжения от нуля до напряжения питания как по входу, так и по выходу. В англоязычных источниках это называется «Rail-to-Rail Input/Output». Возможная замена MCP6001, AD8541, AD8542 и другие, с минимальным потребляемым током, способные работать от однополярного источника 5 В. При поиске задавайте ключевые слова «rail-to-rail input output».
Если в корпусе более одного ОУ, отрицательные входы всех неиспользуемых усилителей нужно подключить к «земле», а положительные – к питанию +5 вольт.
Измерительная схема с незначительными изменениями взята из первого варианта прибора. Принцип измерения следующий. Сигнал возбуждающего напряжения прямоугольной формы с вывода D10 Arduino (порт PB1 микроконтроллера) поступает на измерительную часть схемы. Во время положительной полуволны измеряемый конденсатор заряжается через резистор R1 и диод VD4, а во время отрицательной - разряжается через R1 и VD3. Средний ток разряда, пропорциональный измеряемой емкости, преобразуется с помощью операционного усилителя DA1 в напряжение. Конденсаторы C1 и C2 сглаживают его пульсации.
При измерении индуктивности во время положительной полуволны ток в катушке нарастает до значения, определяемого номиналом резистора R2, а во время отрицательной - ток, создаваемый ЭДС самоиндукции через VD2 и R3, R4 также поступает на вход DA1. Таким образом, при постоянном напряжении питания и частоте сигнала, напряжение на выходе ОУ прямо пропорционально измеряемой емкости или индуктивности.
Но это справедливо только при условии, что емкость успевает полностью зарядиться в течение половины периода возбуждающего напряжения и полностью разрядиться в течение другой половины. Аналогично и для индуктивности. Ток в ней должен успевать нарастать до максимального значения и спадать до нуля. Это обеспечивается соответствующим выбором номиналов R1...R4 и частоты возбуждающего напряжения.
Напряжение, пропорциональное измеренному значению с выхода ОУ через фильтр R9, C4 подается на встроенный 10-и разрядный АЦП микроконтроллера – вывод A1 Arduino (порт PC1 контроллера). Рассчитанное значение индуктивности или емкости отображается на индикаторе. Кнопка SB1 служит для программной коррекции нуля, что компенсирует начальное смещение нуля ОУ, а также емкость и индуктивность клемм и переключателя SA1.
Для повышения точности прибор имеет 9 диапазонов измерения. Частота возбуждающего напряжения на первом диапазоне равна 1мГц. На такой частоте измеряется емкость до ~90 пФ и индуктивность до ~90 мкГн. На каждом последующем диапазоне частота снижается в 4 раза, соответственно во столько же раз расширяется предел измерения. На 9 диапазоне частота равна примерно 15 Гц, что обеспечивает измерение емкости до ~5 мкФ и индуктивности до ~5 Гн. Нужный диапазон выбирается автоматически, причем после включения питания измерение начинается с 9 диапазона.
В процессе переключения диапазонов частота возбуждающего напряжения и результат преобразования АЦП отображаются в нижней строке индикатора. Это справочная информация, которая может помочь оценить корректность измерения параметров. Через несколько секунд после стабилизации показаний эта строка индикатора очищается, чтобы не отвлекать внимание пользователя.
Результат измерения отображается в верхней строке. Измеренное значение напряжения с выхода ОУ интерпретируется как емкость или индуктивность в зависимости от положения переключателя SA1.
Стабилизатор напряжения, смонтированный на плате Arduino, очень маломощный. Чтобы не перегружать его, питание подсветки индикатора подается через резистор R11 непосредственно с блока питания прибора. В качестве блока питания используется стабилизированный сетевой адаптер на 9...12 В с допустимым током нагрузки не менее 100 мА. Диод VD6 защищает прибор от ошибочного подключения к блоку питания обратной полярности. Номинал резистора R11 определяется током светодиодов подсветки индикатора, т.е. необходимой яркостью его свечения.
Измерительный блок смонтирован на печатной плате размерами 40x18 мм. Ее чертеж показан на рисунке. Все постоянные резисторы и конденсаторы в корпусах для поверхностного монтажа типоразмера 1206. Конденсаторы C1 и C2 составлены из двух, включенных параллельно, по 22 мкФ. Диоды VD1...VD4 - высокочастотные с барьером Шоттки. Подстроечные резисторы R3, R5 и R10 малогабаритные типа СП3-19 или их импортные аналоги. DA1 типа MCP6002 в корпусе SOIC.
Номинал емкостей C1, C2 уменьшать не следует. Тумблер SA1 должен быть малогабаритным и с минимальной емкостью между контактами.
Плата Arduino, плата измерительного блока и индикатор монтируются на основной плате. На ней же установлены регулятор контрастности R10, диод VD6, резистор R11, конденсаторы C5, C6, гнездо питания и кнопка калибровки SB1. Индикатор и конденсаторы монтируются со стороны печатных проводников, все остальное – с противоположной стороны.
Все это размещается в корпусе размерами 120х45х35 мм, спаянном из фольгированного гетинакса. Клеммы для подключения измеряемого элемента и переключатель SA1 крепятся непосредственно на корпус. Проводники до SA1 и входных клемм должны быть минимально возможной длины.
Программа для контроллера написана на Си в среде CodeVisionAVR v2.05.0. Совсем не обязательно программировать Arduino в фирменной среде. В контроллер можно загрузить любой HEX файл без программатора с помощью программы XLoader. Однако на плате Arduino-Pro-Mini отсутствует конвертер USB-COM, поэтому придется использовать для программирования внешний конвертер. СтОит он не дорого, а в дальнейшем такой конвертер вам еще пригодится. Так что рекомендую заказать на Aliexpress вместе с платой Arduino-Pro-Mini (5 V, 16 mHz) и модуль USB-COM для ее программирования.
Скачиваем с сайта http://russemotto.com/xloader/ или по ссылке в конце этой странички с моего сайта программу и устанавливаем ее. Работа с программой проста и интуитивно понятна. Нужно выбрать тип платы - Nano(ATmega328) и номер виртуального COM порта. Скорость обмена 57600 установится сама, менять ее не нужно. Затем указываем путь к HEX файлу прошивки, который находится в папке «Exe» проекта: ...\Exe\lcmeter_2.hex . О FUSE битах можно не беспокоиться, они уже выставлены и возможности испортить их нет. После этого нажимаем кнопку «Upload» и ждем несколько секунд до окончания загрузки.
Разумеется, предварительно модуль USB-COM должен быть подключен к USB порту компьютера и для него должен быть установлен драйвер, так, чтобы виртуальный COM порт определился в системе. Разъем программирования на плате Arduino должен быть подключен к соответствующим выводам на плате модуля USB-COM. Внешнее питание на плату во время программирования можно не подавать, она его получит от USB порта компьютера.
Для наладки измерителя LC необходимо подобрать несколько катушек и конденсаторов в диапазоне измерения прибора, имеющих минимальный допуск по номиналу. Если есть возможность, их точные значения следует измерить с помощью промышленного измерителя LC. Учитывая, что шкала линейная, в принципе достаточно одного конденсатора и одной катушки. Но лучше проконтролировать весь диапазон. В качестве образцовых катушек подходят дроссели типа ДМ, ДП.
Устанавливаем движки резисторов R3 и R5 в среднее положение. Переводим SA1 в положение измерения емкости, подаем питание на прибор (к клеммам ничего не подключено) и контролируем результат преобразования АЦП на частоте 1мГц. Эта информация выводится в нижней строке индикатора. Должно быть не менее 15 и не более 30.
Через несколько секунд в верхней строке появится измеренное значение емкости. Если оно отличается от 0.0 pF, нажимаем кнопку коррекции нуля и вновь ждем несколько секунд.
После этого к входным клеммам подключаем образцовую емкость и, вращая движок R5, добиваемся соответствия показаний истинному значению емкости. Оптимально взять емкость номиналом в пределах 4700...5100 пФ.
Затем подключаем к клеммам конденсатор емкостью 2...3 пФ и контролируем точность измерения его емкости. Если измеренное значение меньше истинного более, чем на 0,5...1 пФ, следует увеличить смещение нуля ОУ. Для этого уменьшаем номинал резистора R7. Напряжение на выходе ОУ и результат АЦП должны увеличиться. Если использован операционный усилитель типа «Rail-to-Rail Input/Output» достаточно смещения нуля около 100 мВ, что соответствует результату преобразования АЦП около 20 (к входным клеммам ничего не подключено).
У меня номинал R7 получился 47 кОм, результат АЦП при этом равен 18...20.
При проведении калибровки обращайте внимание на результат преобразования АЦП, выводимый в нижней строке индикатора. Желательно в качестве эталонной использовать емкость такого номинала, чтобы результат АЦП был по возможности ближе к верхнему пределу измерения на данном диапазоне. Прибор переключается на следующий диапазон, когда результат АЦП превышает 900. Таким образом, для достижения максимально возможной точности измерения, калибровку следует проводить по эталонной емкости, для которой значение АЦП находится в пределах 700...850.
Затем необходимо проконтролировать весь диапазон и, при необходимости, уточнить положение движка R5, добиваясь точности не хуже +/- 2...3%.
Настроив прибор в режиме измерения емкости, следует перевести SA1 в нижнее по схеме положение, закоротить входные гнезда и нажать SB1. После коррекции нуля на вход подключается образцовая катушка и резистором R3 выставляются необходимые показания. Цена младшего разряда 0,1 мкГн. Если нужных показаний достичь не удается, следует изменить номинал R4.
Необходимо стремиться к тому, чтобы R2 и сумма (R3+R4) отличались не более, чем на 20%. Такая настройка обеспечит примерно одинаковую постоянную времени "заряда" и "разряда" катушки и, соответственно, минимальную погрешность измерения.
В результате воздействия всех этих факторов показания прибора при измерении индуктивности некоторых катушек могут существенно отличаться от того, что покажет векторный измеритель LC. Тут следует учитывать особенности принципа измерения. Для катушек без сердечника, для незамкнутых магнитопроводов и для ферромагнитных магнитопроводов с зазором точность измерения вполне удовлетворительна, если активное сопротивление катушки не превышает 20…30 Ом. А это значит, что индуктивность всех ВЧ катушек, дросселей, трансформаторов для импульсных источников питания и т.п. можно измерять достаточно точно.
А вот при измерении индуктивности малогабаритных катушек с большим количеством витков тонкого провода и замкнутым магнитопроводом без зазора, особенно из трансформаторной стали, будет большая погрешность. Но ведь в реальной схеме условия работы катушки могут и не соответствовать тому идеалу, который обеспечивается при измерении комплексного сопротивления. Так что еще неизвестно, показания какого прибора будут ближе к реальности.
Основным параметром, характеризующим контурные катушки, дроссели, обмотки трансформаторов является индуктивность L. В высокочастотных цепях применяются катушки с индуктивностью от сотых долей микрогенри до десятков миллигенри; катушки, используемые в низкочастотных цепях, имеют индуктивность до сотен и тысяч генри. Измерение индуктивности высокочастотных катушек, входящих в состав колебательных систем, желательно производить с погрешностью не более 5%; в большинстве других случаев допустима погрешность измерения до 10-20%.
Рис. 1. Эквивалентные схемы катушки индуктивности.
Каждая катушка, помимо индуктивности L, характеризуется также собственной (межвитковой) ёмкостью C L и активным сопротивлением потерь R L , распределёнными по её длине. Условно считают, что L, C L и R L сосредоточены и образуют замкнутую колебательную цепь (рис. 1, а) с собственной резонансной частотой
f L = 1/(LC L) 0,5
Вследствие влияния ёмкости C L при измерении на высокой частоте f определяется не истинная индуктивность L, а действующее, или динамическое, значение индуктивности
L д = L/(1-(2*π*f) 2 *LC L) = L/(1-f 2 / f L 2)
которое может заметно отличаться от индуктивности L, измеренной на низких частотах.
С повышением частоты возрастают потери в катушках индуктивности, обусловленные поверхностным эффектом, излучением энергии, токами смещения в изоляции обмотки и каркасе, вихревыми токами в сердечнике. Поэтому действующее активное сопротивление R д катушки может заметно превышать её сопротивление R L , измеренное омметром или мостом постоянного тока. От частоты f зависит и добротность катушки:
Q L = 2*π*f*L д /R д.
На рис. 1, б, представлена эквивалентная схема катушки индуктивности с учётом её действующих параметров. Так как значения всех параметров зависят от частоты, то испытание катушек, особенно высокочастотных, желательно проводить при частоте колебаний источника питания, соответствующей их рабочему режиму. При определении результатов испытания индекс «д» обычно опускают.
Для измерения параметров катушек индуктивности применяются в основном методы вольтметра - амперметра, мостовой и резонансный. Перед измерениями катушка индуктивности должна быть проверена на отсутствие в ней обрыва и короткозамкнутых витков. Обрыв легко обнаруживается с помощью любого омметра или пробника, тогда как выявление коротких замыканий требует проведения специального испытания.
Для простейших испытаний катушек индуктивности иногда используют электронно-лучевые осциллографы.
Индикация короткозамкнутых витков
Проверка на отсутствие короткого замыкания чаще всего производится помещением испытуемой катушки вблизи другой катушки, входящей в состав колебательного контура автогенератора, наличие колебаний в котором и их уровень контролируются с помощью телефонов, стрелочного, электронно-светового или иного индикатора. Катушка с короткозамкнутыми витками будет вносить в связанную с нею цепь активные потери и реактивное сопротивление, уменьшающие добротность и действующую индуктивность цепи; в результате произойдёт ослабление колебаний автогенератора или даже их срыв.
Рис. 2. Схема резонансного измерителя ёмкостей, использующего явление поглощения.
Чувствительным прибором подобного типа может служить, например, генератор, выполненный по схеме на рис. 2. Катушка с короткозамкнутыми витками, поднесённая к контурной катушке L1, будет вызывать заметное возрастание показаний микроамперметра μA.
Испытательная цепь может представлять собой настроенный на частоту источника питания последовательный контур (см. «Радио», 72-5-54); напряжение на элементах этого контура, контролируемое каким-либо индикатором, под влиянием короткозамкнутых витков проверяемой катушки будет уменьшаться вследствие расстройки и возрастания потерь. Возможно также использование уравновешенного моста переменного тока, одним из плеч которого в этом случае должна являться катушка связи (вместо катушки L x); короткозамкнутые витки испытуемых катушек будут вызывать нарушение равновесия моста.
Чувствительность испытательного прибора зависит от степени связи между катушкой измерительной цепи и проверяемой катушкой, с целью её повышения желательно обе катушки насаживать на общий сердечник, который в этом случае выполняется разомкнутым.
При отсутствии специальных приборов для проверки высокочастотных катушек можно использовать радиоприёмник. Последний настраивают на какую-либо хорошо слышимую станцию, после чего вблизи одной из его действующих контурных катушек, например магнитной антенны (желательно на одной оси с нею), помещают проверяемую катушку. При наличии короткозамкнутых витков громкость заметно уменьшится. Уменьшение громкости может иметь место и в том случае, если частота настройки приёмника окажется близкой к собственной частоте испытуемой катушки. Поэтому во избежание ошибки испытание следует повторить при настройке приёмника на другую станцию, достаточно удалённую от первой по частоте.
Измерение индуктивностей методом вольтметра - амперметра
Метод вольтметра - амперметра применяется для измерения сравнительно больших индуктивностей при питании измерительной схемы от источника низкой частоты F = 50...1000 Гц.
Схема измерений представлена на рис. 3, а . Полное сопротивление Z катушки индуктивности рассчитывается по формуле
Z = (R2+X2) 0,5 = U/I
на основе показаний приборов переменного тока V ~ и mA ~ . Верхний (по схеме) вывод вольтметра присоединяют к точке а при Z << Z в и к точке б при Z >> Z a , где Z в и Z a - полные входные сопротивления соответственно вольтметра V ~ и миллиамперметра mA ~ . Если потери малы, т. е. R << X = 2*π*F*L x , то измеряемая индуктивность определяется формулой
L x ≈ U/(2*π*F*I).
Катушки большой индуктивности с целью уменьшения их габаритов обычно изготовляются со стальными сердечниками. Наличие последних приводит к нелинейной зависимости магнитного потока от тока, протекающего через катушку. Эта зависимость становится особенно сложной для катушек, работающих с подмагничиванием, через обмотки которых протекают одновременно переменный и постоянный токи. Поэтому индуктивность катушек со стальными сердечниками зависит от значения и характера протекающего через них тока. Например, при большой постоянной составляющей тока происходит магнитное насыщение сердечника и индуктивность катушки резко уменьшается. Кроме того, проницаемость сердечника и индуктивность катушки зависят от частоты переменного тока. Отсюда следует, что измерение индуктивности катушек со стальными сердечниками необходимо проводить в условиях, близких к их рабочему режиму. В схеме на рис. 3, а это обеспечивается при дополнении её цепью постоянного тока, показанной штриховой линией. Необходимый ток подмагничивания устанавливается реостатом R2 по показаниям миллиамперметра постоянного тока mA . Разделительный конденсатор С и дроссель Др разделяют цепи питания постоянного и переменного тока, устраняя взаимное влияние между ними. Приборы переменного тока, применяемые в данной схеме, не должны реагировать на постоянные составляющие измеряемого ими тока или напряжения; для вольтметра V ~ это легко обеспечивается посредством включения последовательно с ним конденсатора ёмкостью в несколько микрофарад.
Рис. 3. Схемы измерения индуктивности методом вольтметра - амперметра.
Другой вариант измерительной схемы, позволяющий обойтись без миллиамперметра переменного тока, приведён на рис. 3, б . В этой схеме реостатами R1 и R2 (их можно заменить потенциометрами, включёнными параллельно источникам питания) устанавливают требуемый режим испытания по переменному и постоянному току. В положении 1 переключателя В вольтметр V ~ измеряет переменное напряжение U 1 на катушке L x . При переводе переключателя в положение 2 фактически контролируется значение переменного тока в цепи по падению напряжения U 2 на опорном резисторе R о. Если потери в катушке малы, т. е. R << 2*π*F*L x , то измеряемую индуктивность можно рассчитать по формуле
L x ≈ U1*R о /(2*π*F*U 2).
Мостовой метод измерения параметров катушек индуктивности. Универсальные измерительные мосты
Мосты, предназначенные для измерения параметров катушек индуктивности, формируются из двух плеч активного сопротивления, плеча с объектом измерений, сопротивление которого в общем случае является комплексным, и плеча с реактивным элементом - конденсатором или катушкой индуктивности.
Рис. 4. Схема магазинного моста для измерения индуктивностей и сопротивлений потерь.
В измерительных мостах магазинного типа в качестве реактивных элементов предпочитают использовать конденсаторы, поскольку в последних потери энергии могут быть сделаны пренебрежимо малыми, а это способствует более точному определению параметров исследуемых катушек. Схема такого моста представлена на рис. 4. Регулируемым элементом здесь является конденсатор С2 переменной ёмкости (или магазин ёмкостей), зашунтированный переменным резистором R2; последний служит для уравновешивания фазового сдвига, создаваемого сопротивлением потерь R x в катушке с индуктивностью L x . Применяя условие равновесия амплитуд (Z 4 Z 2 = Z 1 Z 3), находим:
(R x 2 + (2*&pi*F*L x) 2) 0,5: ((1/R 2) 2 + (2*&pi*F*C 2) 2) 0,5 = R 1 R 3 .
Так как фазовые углы φ1 = φ3 = 0, то условие равновесия фаз (φ4 +φ2 =φ1 + φ3) можно записать в виде равенства φ4 + φ2 = 0, или φ4 = -φ2, или tg φ4 = -tg φ2. Учитывая, что для плеча с L x справедлива формула (tg φ =X/R), а для плеча с ёмкостью С 2 - формула (tg φ =R/X) при отрицательном значении угла φ2, имеем
2*&pi*F*L x / R x = 2*&pi*F*C 2 R 2
Решая совместно приведённые выше уравнения, получим:
L x = C 2 R 1 R 3 ; (1)
R x = R 1 R 3 / R 2 . (2)
Из последних формул следует, что конденсатор С2 и резистор R2 могут иметь шкалы для непосредственной оценки значений L x и R x , причём регулировки амплитуд и фаз, производимые ими, взаимонезависимы, что позволяет быстро уравновешивать мост.
Для расширения диапазона измеряемых величин один из резисторов R1 или R3 обычно выполняется в виде магазина сопротивлений.
При необходимости измерения параметров катушек со стальными сердечниками схема моста на рис. 4 дополняется источником постоянного напряжения U о, реостатом R о и миллиамперметром постоянного тока mA , служащими для регулировки и контроля тока подмагничивания, а также дросселем Др и конденсатором С, разделяющими цепи переменной и постоянной составляющих тока.
Рис. 5. Схема магазинного моста для измерения индуктивностей и добротностей
На рис. 5 приведена схема другого варианта магазинного моста, в которой конденсатор С2 имеет постоянную ёмкость, а резисторы R1 и R2 взяты переменными. Расширение диапазона измерений осуществляется посредством включения в мост резисторов R3 различных номиналов. Из формул (1) и (2) следует, что регулировки амплитуд и фаз в этой схеме оказываются взаимозависимыми, поэтому уравновешивание моста достигается путём попеременного изменения сопротивлений резисторов R1 и R2. Оценка индуктивностей L x производится по шкале резистора R1 с учётом множителя, определяемого установкой переключателя В . Отсчёт по шкале резистора R2 обычно производится в значениях добротности катушек
Q L = 2*π*F*L x /R x = 2*π*F*C 2 R 2 .
при частоте F источника питания. В справедливости последней формулы можно убедиться, если левую и правую части равенства (1) разделить на соответствующие части равенства (2).
При указанных на схеме данных измерительный мост позволяет измерять индуктивности примерно от 20 мкГн до 1, 10, 100 мГн; 1 и 10 Гн (без стальных сердечников) и добротности до значения Q L ≈ 60. Источником питания служит транзисторный генератор с частотой колебаний F ≈ 1 кГц. Напряжение разбаланса усиливается транзисторным усилителем, нагруженным на телефоны Тф. Двойной Т-образный RC-фильтр, настроенный на частоту 2F ≈ 2 кГц, подавляет вторую гармонику колебаний источника, что облегчает уравновешивание моста и снижает погрешность измерений.
Мостовые измерители индуктивностей, ёмкостей и активных сопротивлений имеют ряд идентичных элементов. Поэтому они часто совмещаются в одном приборе - универсальном измерительном мосте. Универсальные мосты высокой точности базируются на магазинных схемах типа приведённых на рис. 5. Они содержат источник постоянного напряжения или выпрямитель (питающий схему измерения R x), генератор низкой частоты с выходной мощностью в несколько ватт, многокаскадный усилитель напряжения разбаланса, нагруженный на магнитоэлектрический гальванометр; последний при измерении активных сопротивлений включается непосредственно в измерительную диагональ моста. Требуемая схема измерений формируется с помощью довольно сложной системы коммутации. В таких мостах иногда применяют индикаторы логарифмического типа, чувствительность которых резко падает, если мост не уравновешен.
Рис. 6. Схема универсального реохордного моста для измерения сопротивлений, ёмкостей и индуктивностей
Значительно проще универсальные мосты реохордного типа, измеряющие параметры радиодеталей с погрешностью порядка 5-15%. Возможная схема такого моста представлена на рис. 6. Мост питается при всех видах измерений напряжением с частотой примерно 1 кГц, которое возбуждается транзисторным генератором, выполненным по схеме индуктивной трёхточки. Индикатором баланса служит высокоомный телефон Тф. Резисторы R2 и R3 заменены проволочным реохордом (или, чаще, обычным потенциометром), позволяющим уравновешивать мост плавным изменением отношения сопротивлений R2/R3. Это отношение отсчитывается по шкале реохорда, диапазон показаний которой обычно ограничивается крайними значениями 0,1 и 10. Измеряемая величина определяется при уравновешенном мосте как произведение отсчёта по шкале реохорда на множитель, определяемый установкой переключателя В. Каждому виду и пределу измерений отвечает включение в схему моста соответствующего опорного элемента требуемого номинала - конденсатора С о (С1), резистора R о (R4) или катушки индуктивности L о (L4).
Особенностью рассматриваемой схемы является то, что измеряемые элементы R x и L x включаются в первое плечо моста (при опорных элементах R о и L о, находящихся в четвёртом плече), а С х, наоборот, - в четвёртое плечо (при С о - в первом плече). Благодаря этому оценка всех измеряемых величин производится по аналогичным формулам типа
A X = A о (R2/R3),
где А х и А о - значения величин соответствующих измеряемого и опорного элементов.
Переменный резистор R5 служит для компенсации фазовых сдвигов и улучшения балансировки моста при измерении индуктивностей. С той же целью иногда включают переменный резистор небольшого сопротивления в цепь опорного конденсатора С о предела измерений больших ёмкостей, которые часто имеют заметные потери.
С целью исключения влияния руки оператора движок реохорда обычно соединяют с корпусом прибора.
Резонансные измерители индуктивностей
Резонансные методы позволяют измерять параметры высокочастотных катушек индуктивности в диапазоне их рабочих частот. Схемы и способы измерений аналогичны применяемым при резонансных измерениях ёмкостей конденсаторов с учётом, конечно, специфики объектов измерений.
Рис. 7. Резонансная схема измерения индуктивностей с отсчётом по шкале генератора
Исследуемая катушка индуктивности может включаться в высокочастотный генератор как элемент его колебательного контура; В этом случае индуктивность L x определяется на основе показаний частотомера, измеряющего частоту колебаний генератора.
Чаще катушку L x подключают к измерительному контуру, связанному с источником высокочастотных колебаний, например генератором (рис. 2) или входной цепью радиоприёмника, настроенного на частоту радиовещательной станции (рис. 8). Предположим, что измерительный контур состоит из катушки связи L с подстроечным сердечником и конденсатора переменной ёмкости С о.
Рис. 8. Схема измерения ёмкостей резонансным методом с помощью радиоприёмника
Тогда применима следующая методика измерений. Измерительный контур при максимальной ёмкости С о1 конденсатора С о регулировкой индуктивности L настраивают в резонанс с известной частотой f источника колебаний. Затем в контур последовательно с его элементами включают катушку L x , после чего резонанс восстанавливают уменьшением ёмкости Со до некоторого значения С о2 . Измеряемую индуктивность рассчитывают по формуле
L х = * (С о1 -С о2)/(С о1 С о2).
В широкодиапазонных резонансных измерителях измерительный контур составляется из опорного конденсатора С о и исследуемой катушки L x . Контур связывают индуктивно, а чаще через конденсатор С 1 небольшой ёмкости (рис. 7 и 9) с высокочастотным генератором. Если известна частота колебаний генератора f 0 , соответствующая резонансной настройке контура, то измеряемая индуктивность определяется формулой
L х = 1/[(2*π*f о) 2 *C о ]. (3)
Возможны два варианта построения измерительных схем. В схемах первого варианта (рис. 7) конденсатор С о берётся постоянной ёмкости, а резонанс достигается изменением настройки генератора, работающего в плавном диапазоне частот. Каждому значению L x отвечает определённая резонансная частота
f 0 = 1/(2*π*(L x C x) 0,5), (4)
поэтому контурный конденсатор генератора можно снабдить шкалой с отсчётом в значениях L x . При широком диапазоне измеряемых индуктивностей генератор должен иметь несколько частотных поддиапазонов с отдельными шкалами для оценки L x на каждом поддиапазоне. Если в приборе используется генератор, имеющий шкалу частот, то для определения L x по значениям f 0 и С о можно составить таблицы или графики.
Для исключения влияния собственной ёмкости C L катушки на результаты измерений ёмкость С о должна быть большой; с другой стороны, ёмкость С о желательно иметь малой, чтобы обеспечить при измерении малых индуктивностей достаточно большое отношение L x /C о, необходимое для получения заметных показаний индикатора при резонансе. Практически берут С о = 500...1000 пФ.
Если высокочастотный генератор работает в ограниченном диапазоне частот, не разбитом на поддиапазоны, то для расширения пределов измерения индуктивностей применяют несколько переключаемых конденсаторов С о; если их ёмкости различаются в 10 раз, то на всех пределах оценка L x может производиться по одной и той же шкале генератора с использованием множителей к ней, кратных 10. Однако такая схема имеет существенные недостатки.
Измерение относительно больших индуктивностей, имеющих значительную собственную ёмкость C L , происходит на пределе с малой ёмкостью С о, и, наоборот, измерение малых индуктивностей производится на пределе с большой ёмкостью С о при невыгодном отношении L x /C о и малом резонансном напряжении на контуре.
Рис. 9. Резонансная схема измерения индуктивностей с отсчётом по шкале опорного конденсатора
В резонансных измерителях, схемы которых выполнены по второму варианту (рис. 9), индуктивности измеряются при фиксированной частоте генератора f 0 . Измерительный контур настраивают в резонанс с частотой генератора с помощью конденсатора переменной ёмкости С о, отсчёт по шкале которого в соответствии с формулой (3) может производиться непосредственно в значениях L x . Если обозначить через С м и С н соответственно максимальную и начальную ёмкости контура, а через L м и L н - максимальное и наименьшее значения измеряемых индуктивностей, то пределы измерения прибора будут ограничиваться отношением
L м /L н = С м /С н.
Типовые конденсаторы переменной ёмкости имеют перекрытие по ёмкости, равное примерно 30. С целью уменьшения погрешности при измерении больших индуктивностей начальную ёмкость С н контура увеличивают посредством включения в контур дополнительного конденсатора С д, обычно подстроечного типа.
Если обозначить через ΔС о наибольшее изменение ёмкости конденсатора С о, равное разности его ёмкостей при двух крайних положениях ротора, то для получения выбранного отношения L м /L н контур должен иметь начальную ёмкость
C н = ΔC о: (L м /L н -1). (5)
Например, при ΔС о = 480 пФ и отношении L м /L н = 11 получаем С н = 48 пФ. Если значения С н и L м /L н при расчёте являются исходными данными, то необходимо применить конденсатор С о, имеющий разность ёмкостей
ΔC о ≥ C н (L м /L н -1).
При больших значениях С н и L м /L н может потребоваться применение сдвоенного или строенного блока конденсаторов переменной ёмкости.
Частота f 0 , на которой должен работать генератор, определяется формулой (4) при подстановке в неё значений L м и С н или L н и С м. Для расширения общего диапазона измерений предусматривают работу генератора на нескольких переключаемых фиксированных частотах. Если соседние частоты генератора различаются в 10 0,5 ≈ 3,16 раза, то на всех пределах можно использовать общую шкалу индуктивностей конденсатора С о с множителями к ней, кратными 10 и определяемыми установкой переключателя частот (рис. 9). Плавное перекрытие всего диапазона измеряемых индуктивностей обеспечивается при отношении ёмкостей контура C м /C н ≥ 10. Если конденсатор С о логарифмического типа, то шкала индуктивностей близка к линейной.
Вместо генератора фиксированных частот можно применить измерительный генератор с плавным изменением частоты, которую устанавливают в зависимости от требуемого предела измерения индуктивностей.
Резонансные схемы измерения индуктивностей и ёмкостей часто совмещаются в одном приборе, поскольку они имеют ряд идентичных элементов и сходную методику измерений.
Пример . Рассчитать резонансный измеритель индуктивностей, работающий по схеме на рис. 9, на диапазон измерений 0,1 мкГн - 10 мГн при использовании сдвоенного блока переменных конденсаторов, ёмкость секций которого можно изменять от 15 до 415 пФ.
Решение
1. Наибольшее изменение ёмкости контура ΔС о = 2*(415-15) = 800 пФ.
2. Выбираем отношение L м /L н = 11. Тогда прибор будет иметь пять пределов измерений: 0,1-1,1; 1-11; 10-110; 100-1100мкГ и 1-11 мГн.
3. Согласно (5) контур должен иметь начальную ёмкость С н = 800/10 = 80 пФ. Учитывая начальную ёмкость блока конденсаторов, равную 30 пФ, включаем в контур подстроечный конденсатор С д с максимальной ёмкостью 50...80 пФ.
4. Максимальная ёмкость контура С м = С н + ΔС о = 880 пФ.
5. Согласно (4) на первом пределе измерений генератор должен работать на частоте
f 01 = 1/(2*π*(L н C м) 0,5) ≈ 0,16*(0,1*10^-6*880*10^-12) ≈ 17 МГц.
Для других пределов измерений находим соответственно: f 02 = 5,36 МГц; f 03 = 1,7 МГц; f 04 = 536 кГц; f 05 = 170 кГц.
6. Шкалу индуктивностей выполняем для предела измерений 1-11 мкГн.
Измерители добротности (куметры)
Приборы, предназначенные для измерения добротности элементов высокочастотных цепей, часто называют куметрами. Действие куметров основано на использовании резонансных явлений, что позволяет измерение добротности сочетать с измерением индуктивности, ёмкости, собственной резонансной частоты и ряда других параметров испытуемых элементов.
Куметр, упрощённая схема которого приведена на рис. 10, содержит три основных компонента: генератор высокой частоты, измерительный контур и индикатор резонанса. Генератор работает в широком, плавно перекрываемом диапазоне частот, например от 50 кГц до 50 МГц; это позволяет многие измерения проводить на рабочей частоте испытуемых элементов.
Исследуемая катушка индуктивности L x , R x через зажимы 1 и 2 включается в измерительный контур последовательно с опорным конденсатором переменной ёмкости С о и конденсатором связи С 2 ; ёмкость последнего должна удовлетворять условию: С 2 >> С о.м, где С о.м - максимальная ёмкость конденсатора С о. Через ёмкостный делитель C 1 , С 2 с большим коэффициентом деления
N = (C 2 + C 1)/C 1
в контур вводится от генератора опорное напряжение U о требуемой высокой частоты f. Возникающий в контуре ток создаёт падение напряжения U С на конденсаторе С о, которое измеряется высокочастотным вольтметром V2.
Входное сопротивление вольтметра V2 в пределах рабочих частот куметра должно быть очень велико. При достаточно высокой чувствительности вольтметр подключают к измерительному контуру через ёмкостный делитель напряжения, входную ёмкость которого учитывают как компонент начальной ёмкости конденсатора С о. Поскольку все конденсаторы, входящие в состав измерительного контура, имеют весьма малые потери, то можно считать, что активное сопротивление контура в основном определяется сопротивлением потерь R x исследуемой катушки.
Рис. 10. Упрощённая схема куметра
Изменением ёмкости конденсатора С о измерительный контур настраивают в резонанс с частотой генератора f по максимальным показаниям вольтметра V2. При этом в контуре будет протекать ток I р ≈ U о /R x , создающий на конденсаторе падение напряжения
U C = I p /(2*π*f*C о) ≈ U о /(2*π*f*C о R x).
Учитывая, что при резонансе 1/(2*π*f*С о) = 2*&pi*f*L x , находим
UC ≈ U o (2*π*f*L x)/R x = U о Q L ,
где Q L = (2*π*f*L x)/R x есть добротность катушки L x при частоте f. Следовательно, показания вольтметра V2 пропорциональны добротности Q L . При фиксированном напряжении U о шкалу вольтметра можно линейно градуировать в значениях Q L ≈ U C /U о. Например, при U о = 0,04 В и пределе измерений вольтметра U п = 10 В напряжениям на входе вольтметра 2, 4, 6, 8 и 10 В будут соответствовать добротности Q L , равные 50, 100, 150, 200 и 250.
Номинальное напряжение U о устанавливают регулировкой режима выходного каскада генератора. Контроль этого напряжения осуществляют по показаниям высокочастотного вольтметра V1, измеряющего напряжение U 1 = U о N на выходе генератора. Например, если шкала добротностей вольтметра V2 выполнена при напряжении Uо = 0,04 В, а коэффициент деления N = 20, то на выходе генератора должно поддерживаться напряжение U x = 0,04*20 = 0,8 В. Предел измерений вольтметра V1 должен несколько превышать расчётное значение напряжения U 1 и равен, например, 1 В.
Повышение верхнего предела измерения добротностей достигается уменьшением напряжения U о до значения, в несколько раз меньшего номинального. Предположим, что при напряжении U о = 0,04 В обеспечивается непосредственный отсчёт добротностей до значения Q L = 250. Если же уменьшить напряжение U о в два раза, до 0,02 В, то стрелка вольтметра V2 будет отклоняться на всю шкалу при добротности Q L = U п /U о = 10/0,02 = 500. Соответственно для повышения верхнего предела измерений в четыре раза, до значения Q L = 1000, измерения следует проводить при напряжении U о = 40/4 = 10 мВ.
Уменьшить напряжение U о до требуемого значения можно двумя способами: изменением коэффициента деления N посредством переключения конденсаторов С 1 различных номиналов либо регулировкой выходного напряжения U 1 генератора. Для удобства измерения больших добротностей вольтметр V1 (или переключатель коэффициентов деления) снабжают шкалой (маркировкой), отсчёт по которой, характеризующий степень уменьшения напряжения U о по сравнению с его номинальным значением, является множителем к шкале добротностей вольтметра V2.
Для проверки работы куметра и расширения его возможностей используют опорные катушки L о с известными индуктивностью и добротностью. Обычно имеется комплект из нескольких сменных катушек L о, которые вместе с конденсатором переменной ёмкости С о обеспечивают резонансную настройку измерительного контура в пределах всего диапазона рабочих частот генератора.
При измерении добротности катушек индуктивности Q L за 10-15 мин до начала работы включают питание прибора и настраивают генератор на требуемую частоту. После прогрева производят установку нуля вольтметров V1 и V2. Испытуемую катушку подключают к зажимам 1 и 2. Постепенным повышением выходного напряжения генератора добиваются отклонения стрелки вольтметра V1 до отметки номинала. Конденсатором Со настраивают контур в резонанс с частотой генератора. Если при этом стрелка вольтметра V2 заходит за шкалу, выходное напряжение генератора уменьшают. Значение добротности Q L определяют как произведение отсчётов по шкале добротностей вольтметра V2 и по шкале множителей вольтметра V1.
Добротность колебательного контура Q K измеряют в том же порядке при подключении катушки контура к зажимам 1 и 2, а его конденсатора - к зажимам 3 и 4. При этом конденсатор С о устанавливают в положение минимальной ёмкости. Если конденсатор исследуемого контура имеет переменную ёмкость, то им производят настройку контура в резонанс на требуемую частоту генератора f; если этот конденсатор постоянный, то резонансную настройку осуществляют изменением частоты генератора.
Измерение куметром индуктивности катушек L x производят способом, рассмотренным выше в связи со схемой на рис. 9. Генератор настраивают на опорную частоту, выбираемую согласно таблице в зависимости от ожидаемого значения L x . Испытуемую катушку подключают к зажимам 1 и 2 Измерительный контур настраивают в резонанс конденсатором С о, по специальной шкале которого оценивают значение L x с учётом цены деления, указанной в таблице. Одновременно способом вариации параметров контура можно определить и собственную ёмкость катушки C L . При двух произвольных значениях ёмкостей С 01 и С 02 конденсатора С о изменением настройки генератора находят резонансные частоты контура f 1 и f 3 . Искомая ёмкость
C L = (C 02 f 4 2 -C 01 f 1 2) : (f 1 2 -f 2 2)
Измерение куметром ёмкостей выполняют методом замещения. Испытуемый конденсатор С х присоединяют к зажимам 3 и 4, а к зажимам 1 и 2 подключают одну из опорных катушек L о, обеспечивающую резонансную настройку контура в выбранном диапазоне частот. Одновременно можно определить и тангенс угла потерь (добротность) конденсатора:
tg δ = 1/(2*π*f*C x R п)
(где R п - сопротивление потерь). Для этого при двух значениях ёмкостей C 01 и С 02 , соответствующих резонансным настройкам контура без конденсатора С х и при подключении последнего, находят добротности контура Q 1 и Q 2 , а затем совершают вычисление по формуле
tg δ = Q 1 Q 2 /(Q 1 -Q 2) * (C 01 -C 02)/C 01
При необходимости генератор куметра можно использовать в качестве измерительного генератора, а электронные вольтметры - для измерения напряжений в широком диапазоне частот.
Для многих любителей электроники актуальной является задача измерения емкостей конденсаторов и индуктивностей дросселей, поскольку, в отличие от резисторов, эти компоненты нередко бывают не промаркированы (особенно SMD). Между тем, имея генератор синусоидальных колебаний и осциллограф (приборы, которые должны быть в любой радиолюбительской лаборатории), эта задача довольно просто решается. Всё, что для этого нужно — это вспомнить начальный курс электротехники.
Рассмотрим простейшую схему — последовательно соединённые резистор и конденсатор. Пусть эта схема подключена к источнику синусоидальных колебаний. Запишем уравнения для напряжений на элементах нашей схемы в операторной форме: U R = I * R, U C = -j * I / ωC. Из этих уравнений очевидно, что амплитудные значения напряжений будут относится следующим образом: U R / U C = R * ωC (конечно, напряжения будут сдвинуты по фазе, но нас это в данном случае не волнует, нас волнуют
только амплитуды).
Думаю, что многие уже догадались к чему я клоню. Да-да, из последнего уравнения довольно просто вычисляется ёмкость:
C = U R /U C * 1/ωR или, с учетом того, что ω= 2πf, получим C = U R /U C * 1/2πfR ; (1)
Итак, алгоритм простой: подключаем последовательно с измеряемой ёмкостью резистор, подключаем к этой схеме генератор синусоидальных колебаний и осциллографом измеряем амплитуды напряжений на нашем конденсаторе и резисторе. Изменяя частоту, добиваемся, чтобы амплитуда напряжений на обоих элементах была примерно одинаковой (так измерение получится точнее). Далее, подставляя измеренные значения амплитуд в формулу (1), находим искомую ёмкость конденсатора.
Аналогично можно вывести формулу для подсчета индуктивности:
L = U L /U R * R/ω или, с учётом того, что ω= 2πf, получим L = U L /U R * R/2πf ; (2)
Таким образом, имея генератор синусоидальных колебаний и осциллограф, с помощью формул (1) и (2) оказывается довольно просто вычислить неизвестную ёмкость или индуктивность (благо резисторы практически всегда имеют маркировку).
Алгоритм действий следующий:
1) Собираем схему из последовательно соединённых резистора известного номинала и исследуемой ёмкости (индуктивности).
2) Подключаем эту схему к генератору синусоидальных колебаний и изменением частоты добиваемся того, чтобы амплитуды напряжений на обоих элементах схемы были примерно одинаковы.
3) По формуле (1) или (2) вычисляем номинал исследуемой ёмкости или индуктивности.
Несмотря на то, что наши элементы не идеальные, есть допуск на номинал резистора и всегда есть некоторые погрешности измерений, результат получается довольно точным (по крайней мере можно без труда идентифицировать ёмкость в стандартном ряду). Пусть у меня при измерении ёмкости получилась величина 1,036 нФ. Очевидно, что на исследуемом конденсаторе должна была быть нанесена маркировка 1 нФ.
Для того, чтобы вам легче было сориентироваться с номиналами резисторов, приведу некоторые примеры:
— для ёмкости 15 пФ в схеме с резистором 200 кОм амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 53 кГц;
— для ёмкости 1 нФ в схеме с резистором 10 кОм амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 15,9 кГц;
— для ёмкости 0,1 мкФ в схеме с резистором 680 Ом амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 2,34 кГц;
— для индуктивности 3 мкГн в схеме с резистором 120 Ом амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 6,3 МГц;
— для индуктивности 100 мкГн в схеме с резистором 120 Ом амплитуды напряжений будут примерно равны на частоте 190 кГц.
Таким образом, диапазон измеряемых емкостей и индуктивностей зависит только от диапазона частот, с которыми могут работать ваши генератор и осциллограф.
На основе этого метода можно изготовить прибор для автоматического измерения емкостей и индуктивностей.
Online-калькулятор для расчёта емкостей и индуктивностей :
(для правильности расчётов используйте в качестве десятичной точки точку, а не запятую)
1) Расчёт емкостей.
Радиолюбителям, занимающиеся разработкой ВЧ-устройств и их схемотехникой, часто при настройке катушек индуктивности, обмоток трансформаторов, дросселей, различных контуров с сосредоточенными параметрами и пр. необходим прибор, позволяющий точно и с минимальной погрешностью измерить индуктивность.
Представляем Вам измеритель индуктивности HENRYTEST.
Это устройство разработано специально для радиолюбителей и специалистов. Однако, простота использования позволит даже новичкам получать великолепные результаты измерений. Высокое качество измерения достигается с помощью индивидуальной каллибровки и оригинального внутреннего программного обеспечения, которое позволяет снизить погрешность измерения до 1/1000.
В настоящее время имеется множество различных разработок частотометров и электронных шкал. На протяжении многих лет радиолюбители и профессионалы наблюдали их эволюцию от громоздкого и прожорливого агрегата использующего, жесткую логику до компактных экономичных устройств, собранных на микроконтроллерах. При этом, в основном, большая их часть довольно схожа по конструкции и различается лишь названием микроконтроллеров из которых они были собраны.
Так одной из популярнейших тем разработок являются различные комбинации измерителей индуктивности (генриметр), емкости (фарадиметр), сопротивления (омметр), частоты (частотомер). Однако, большая часть измерителей индуктивности, даже исполненные на микроконтроллерах, всё же имеют некоторую погрешность измерения связанную как с методом измерения, так и с качеством исполнения прибора.
Оставив качество изготовления и компоненты устройства на совесть разработчика, выделим несколько методов измерения индуктивности. Так часто используемый для измерения сравнительно больших индуктивностей (от 0,1 до 1000 гн), метод «вольтметр – амперметр», дает погрешность в 2-3%. При использовании мостового метода расчета, с измерительным мостом переменного тока на различных частотах в комплекте с образцовой емкостью, а иногда, еще и индуктивностью, погрешность может составить 1-3%. В резонансном методе расчета, основанном на использовании резонансных свойств колебательного контура, образованного измеряемой индуктивностью L и образцовой емкостью C, погрешность может составлять 2-5%. Также небольшую погрешность при измерении прибавляет меняющаяся температура измеряемого устройства во время измерения. В нашей разработке эта погрешность сведена к минимуму и в этом участвует как само устройство, так и разработанное программное обеспечение.
Сейчас набирает ход тенденция использования компьютера при разработке ВЧ устройств и их схем. Мы предлагаем вам для этого, наш измеритель индуктивности, который подключаясь через стандартный USB порт к компьютеру или ноутбуку выдает отличное качество измерения с минимальной погрешностью. Кроме того, это отсутствие дополнительных источников питания, влияющих на точность измерения, безопасность при работе с компьютером, простота в работе, точность формул расчета и быстрый результат гарантирует качество измерения. Так в диапазоне измерения от 1 нгн до 10 гн точность достигает 0,1% и это достигается тем, что во время расчета подсчитывается каждый 1 нгн.
Пользоваться нашим измерителем HENRYTEST очень просто, подключив его к компьютеру прилагаемым проводом USB, и предварительно один раз установив поставляемое в комплекте программное обеспечение, в дальнейшем нужно лишь закрепить оба конца измеряемого контура в нашем измерителе HENRYTEST, и нажать кнопку «ТЕСТ» на компьютере. В течение 5 секунд вам выдается результат.
Это очень точный измеритель индуктивности/емкости на базе микроконтроллера PIC16F628A. Идея реализована на примере точного измерителя индуктивности/емкости .Конструкция устройства немного отличается от аналогичных устройств, найденных в сети Интернет. Целью моего не легкого труда было предоставить простое решение, которое легко собрать с первой попытки. Большинство конструкций данного типа устройств работает не так, как описано в документации, или на них просто недостаточно справочной информации. Наиболее трудной частью проекта было запрограммировать весь математический код с плавающей запятой в память программ размером 2k микроконтроллера 16F628A.
Обычно измеритель индуктивности/емкости представляет собой измеритель частоты, имеющий в составе генератор колебаний, который генерирует колебания и измеряет величины L или C, после чего вычисляется конечный результат. Погрешность частоты составляет 1Гц. Для получения более подробной информации по измерению частоты с помощью синхронизирующих устройств, обратитесь к моей статье о цифровом частотомере.
Теоретические сведения : Внимательно посмотрите на схему; я не использовал язычковое реле, поскольку не нашел его на местном рынке радиокомпонентов. Поэтому я решил сначала использовать полевой МОП-транзистор вместо язычкового реле. Но наилучший результат я получил с помощью обычного NPN-транзистора, такого как BC547. Если вы не доверяете транзисторам, тогда вы сможете добавить язычковое реле самостоятельно. Я использовал внутренний компаратор контроллера для генератора и подсоединил его к источнику внешней синхронизации таймера Timer1 для вычисления частоты. Благодаря этому не понадобилось использовать внешний операционный усилитель Lm311. Реле RL1 использовалось для выбора режима измерения L и C. Измеритель работает на базе четырех основных уравнений, которые представлены ниже:
Для обеих неизвестных величин L и C, обычно применяется равенство 1 и 2. Средние значения F1 мы получаем с помощью LC колебательного контура, затем подсоединяем C cal параллельно колебательному контуру и получаем величину F2.
Сразу после этого,
- Для емкости требуется F3 (уравнение 3), оставляя Cx параллельно колебательному контуру, затем вычисляется Cx из уравнения 4
- Для индуктивности требуется F3 (уравнение 7), оставляя Lx последовательно колебательному контуру, и c затем вычисляется Lx из уравнения 8
Следовательно, как для индуктивности, так и для емкости, уравнения 1, 2, и уравнения 5, 6 одинаковы.
После получения приблизительных значений индуктивности или емкости, программа автоматически приведет значения к техническим единицам, которые отобразит на жидкокристаллическом дисплее разрешением 16x2.
Если вам тяжело осилить все математические вычисления, тогда лучше оставить их на время и перейти к аппаратным средствам. Для начала выполните процесс калибровки, который разъяснен в следующей главе.
Конструкция:
Точность измерения зависит от состояния ваших компонентов. Два конденсатора, емкостью 33пФ в генераторе должны быть танталовыми (для низкой серии сопротивлений/индуктивностей). Используйте C4, C5 (C cal) полистирольного типа, поскольку зеленые конденсаторы имеют слишком большое отклонение величины. Избегайте использования керамических конденсаторов. Некоторые из них имеют большие затухания.
- Сначала проверьте, чтобы все компоненты отлично подходили на свои места в плате.
- Запрограммируйте микросхему (16F628A) с помощью Hex файла, указанного ниже на данной странице. Если у вас нет программатора / загрузчика, тогда обратитесь к моей схеме . Его очень легко собрать самостоятельно.
- Сначала подайте питание на схему без микросхемы, затем проверьте напряжение на выводе 5, 14 колодки ИС с помощью вольтметра. Если напряжение равно 5В, тогда все отлично.
- Поместите микросхему в колодку ИС и подайте питание. Если на жидкокристаллическом дисплее будет повышенная контрастность, тогда увеличьте значение резистора R11 на несколько килоом.
Калибровка:
- Закоротите два тестовых проводника и подайте питание на схему. При этом выполнится автоматическая калибровка. Устройство перейдет в режим по умолчанию – режим индуктивности. Дайте несколько минут на "разогрев", затем нажмите кнопку "zero" (нуль) для выполнения форсированной повторной калибровки. Теперь на дисплее должно отображаться значение ind = 0.00 uH (мкГн)
- Теперь разомкните два тестовых проводника и подсоедините заранее известную индуктивность, например 10 мкГн или 100 мкГн. Измеритель индуктивности/емкости должен считать приблизительно аналогичное значение (допускается погрешность до +/- 10%).
- После этого необходимо настроить измеритель для отображения результата с погрешностью около +/- 1%. Чтобы выполнить это, проверьте что в схеме установлены 4 джампера Jp1 ~ Jp4. Джамперы Jp1 и Jp2 предназначены для увеличения (+) и уменьшения (–) значений. Для увеличения значения сначала установите Jp1 и выполните шаги 1,2, для уменьшения значения установите Jp2 и выполните шаги 1,2.
- Если на дисплее отображаются необходимые значения, тогда снимите джамперы. После этого микросхема запомнит калибровку, пока вы не заходите снова внести изменения.
- Если у вас все еще не получается получить требуемое значение, установите джампер Jp3, чтобы увидеть величину F1. На дисплее отобразится значение около 503292 с индуктивностью 100мкГн и емкостью 1нФ. Или установите джампер Jp4, чтобы посмотреть значение F2. Если на дисплее ничего не появится, то это означает, что ваш генератор неправильно работает. Еще раз проверьте вашу плату.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| U1 | Линейный регулятор | LM7805 | 1 | В блокнот | ||
| U3 | МК PIC 8-бит | PIC16F628A | 1 | В блокнот | ||
| Q1, Q2 | Биполярный транзистор | BC547B | 2 | В блокнот | ||
| D1, D3 | Выпрямительный диод | 1N4001 | 2 | В блокнот | ||
| С1, С2, С6, С7 | Электролитический конденсатор | 10 мкФ | 4 | В блокнот | ||
| С3, С10 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 2 | В блокнот | ||
| С4, С5 | Конденсатор | 1000 пФ | 2 | В блокнот | ||
| С8, С9 | Конденсатор | 33 пФ | 2 | В блокнот | ||
| R1, R3, R4 | Резистор | 100 кОм | 3 | В блокнот | ||
| R2, R14, R15 | Резистор | 10 кОм | 3 | В блокнот | ||
| R5 | Резистор | 47 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R6 | Резистор | 1.5 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R7, R9-R12 | Резистор | 1 кОм | 5 | В блокнот | ||
| R8, R13 | Резистор | 560 Ом | 2 | В блокнот | ||
| LCD1 | LCD-дисплей | 16х2 LCD | 1 | В блокнот | ||
| Х1 | Кварцевый резонатор | 16 МГц | 1 | В блокнот | ||
| RL1 | Реле | 5 В | 1 |