Цифровой LC-метр. LC метр на коленке Принципиальная схема измерителя емкости и индукции

Сделал как то себе этот крайне полезный и не заменимый прибор, из-за острой необходимости в измерении емкости и индуктивности. Обладает на удивление очень хорошей точностью измерения при этом схема довольно простая базовым компонентом которой является микроконтроллер PIC16F628A.

Схема:

Как видно, основные компоненты схемы это PIC16F628A, знакосинтезирующий дисплей (можно использовать 3 типа дисплея 16х01 16х02 08х02), линейный стабилизатор LM7805, кварцевый резонатор на 4 Мгц, реле на 5В в DIP корпусе, двух секционный переключатель (для переключения режимов измерения L или C).

Прошивки для микроконтроллера:

Печатная плата:

Файл печатной платы в формате sprint layout:

Исходная плата разведена под реле в DIP корпусе.

У меня такого не нашлось и я использовал что было, старое компактное как раз подходящее по размерам реле. В качестве танталовых конденсаторов использовал совковые танталовые. Переключатель режима измерения, выключатель питания и кнопку калибровки использовал, снятые когда то со старых совковых осциллографов.

Провода измерительные:

Должны быть как можно короче.

Во время сборки и настройки руководствовался вот этой инструкцией:

Соберите плату, установите 7 перемычек. Установите в первую очередь перемычки под PIC и под реле и две перемычки рядом с контактами для дисплея.

Используйте танталовые конденсаторы (в генераторе) — 2 шт.
10мкф.
Два конденсатора 1000пФ должны быть полиэстеровые или лучше (прим. допуск не более 1%).

Рекомендуется использовать дисплей с подсветкой (прим. ограничительный резистор 50-100Ом на схеме не указан контакты 15, 16).
Установите плату в корпус. Соединение между плату и дисплей по вашему желанию можно припаять, или сделать используя разъем. Провода вокруг переключателя L/C сделайте как можно короткими и жесткими (прим. для уменьшения «наводок» и для правильной компенсации измерений особенно для заземленного конца L).

Кварц следует использовать 4.000MHz, нельзя использовать 4.1, 4.3 и т.п.

Проверка и калибровка:

Проверьте установку деталей на плате.
Проверьте установку всех перемычек на плате.
Проверьте правильность установки PIC, диодов и 7805.
Не забудьте – «прошить» PIC до установки в LC — метр.
Осторожно включите питание. Если есть возможность, используйте регулируемый источник питания в первый раз. Измерять ток при увеличении напряжения. Ток должен быть не более 20мА. Образец потреблял ток 8мА. Если ничего не видно на дисплее покрутите переменный резистор регулировки контраста. На дисплее должно быть написано «Calibrating », затем C=0.0pF (или С= +/- 10пФ).
Подождите несколько минут («warm-up»), затем нажмите кнопку «zero» (Reset) для повторной калибровки. На дисплее должно быть написано C=0.0pF.
Подключите «калибровочный» конденсатор. На дисплее LC – метра увидите показания (с +/- 10% ошибкой).
Для увеличения показаний емкости замкните перемычку «4» см. картинку ниже (прим. 7 ножка PIC). Для уменьшения показаний емкости, замкните перемычку «3» (прим. 6 ножка PIC) см. картинку ниже. Когда значение емкости будет совпадать с «калибровочным» удалите перемычку. PIC запомнит калибровку. Вы можете повторять калибровку множество раз (до 10,000,000).
Если есть проблемы с измерениями, вы можете с помощью перемычек «1» и «2» проверить частоту генератора. Подсоедините перемычку «2» (прим. 8 ножка PIC) проверьте частоту «F1» генератора. Должно быть 00050000 +/- 10%. Если показания будут слишком большие (near 00065535), прибор выходит в режим «переполнение» и показывает ошибку «overflow» . Если показание слишком низкие (ниже 00040000), вы потеряете точность измерения. Подсоедините перемычку «1» (прим. 9 ножка PIC) для проверки калибровки частоты «F2». Должно быть около 71% +/- 5% от «F1» которые вы получили подсоединяя перемычку «2».
Для получения максимально точных показаний можно регулировать L до получения F1 около 00060000. Предпочтительней устанавливать «L» = 82 мкГн на схеме 100мкГн (вы можете не купить 82мкГн;)).
Если на дисплее 00000000 для F1 или F2, проверьте монтаж около переключателя L/C — это означает, что генератор не работает.
Функция калибровки индуктивности автоматически калибруется, когда происходит калибровка емкости. (прим. калибровка происходят в момент срабатывания реле когда замыкаются L иC в приборе).

Тестовые перемычки

Проверка F2
Проверка F1
Уменьшение C
Увеличение C

Как проводить измерения:

Режим измерения емкости:

Переводим переключатель выбора режима измерения в положение «C»
Нажимаем кнопку «Zero»
Появляется надпись «Setting! .tunngu.» ждем пока не появится «C = 0.00pF»

Режим измерения индуктивности:

Включаем прибор, ждем пока загрузится
Переводим переключатель выбора режима измерения в положение «L»
Замыкаем измерительные провода
Нажимаем кнопку «Zero»
Появляется надпись «Setting! .tunngu.» ждем пока не появится «L = 0.00uH»

Ну вроде все, вопросы и замечания оставляйте в комментариях под статьей.

В Интернете много схем для изготовления дома LC метра (прибор для измерения емкости конденсаторов и индуктивности катушек). Также, почти в любом магазине электроники можно купить уже готовый измеритель. Но, первый вариант требует как минимум умения и возможность прошивать микроконтроллер, а второй вариант наличие 50 или более лишних долларов в кошельке. В моем городе оказалось проблематично купить готовый LC метр. Но мне повезло, я скачал с форума vrtp.ru архив с программой Zmeter и описанием.

С помощью пары резисторов и программы можно за час собрать измеритель комплексного сопротивления на базе ПК, к тому же программа достаточно точно показывает ESR электролитических конденсаторов. По-моему вещь нужная, а если сопоставить ее затрачиваемым ресурсам, то могу сказать – лучше схемы LC метра чем эта, я пока не видел. Собирается за час с травлением платы, настраивается за пару минут, затрат на комплектующие практически нету. Все подробности сборки и настройки программы лежат в архиве. У меня заработало сразу. Резистор на балласт 16 ом, Резистор референс 46 ом, звуковая карта Audigy SE, аудиокабель и два штекера TRS.
Ниже фотографии и скриншоты измерений.
Устройсво в сборке

конденсатор на 3300мкФ, старенький

конденсатор на 22мкФ

конденсатор на 10нФ. Для маленьких емкостей частотный диапазон надо сдвинуть как можно выше

конденсатор на 22 пика. Мелочь ниже 10 пикофарад уже неустойчиво измеряется.

индуктивность из телевизора

покупная индуктивность на 5uH

переменная индуктивность из радио.

Все что меньше 1uH можно соединить последовательно с индуктивностью на 10-20uH. Так думаю будет удобнее и надежнее измерять.

Прибор R/L/C/ESR-Meter для измерения малых сопротивлений , индуктивностей , емкостей конденсаторов и эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС) или по английски Equivalent Series Resistance (ESR) электролитических конденсаторов

В связи с тем, что в настоящее время очень широкое применение получили импульсные блоки питания, инверторы и пр. преобразователи, работающие на высоких частотах, то при их ремонте возникла необходимость в приборе для измерения ESR электролитических конденсаторов. Несколько месяцев я "гулял" по просторам Интернета в поисках нужного мне прибора, собрал несколько аналоговых и цифровых приборов для измерения ESR и остановился на одном, который и предлагаю к повторению. Множество предлагаемых в Интернете приборов, в том числе и тестер полупроводниковых приборов описание которого приведено , кроме своих основных функций могут измерять и ёмкости, и индуктивности, и т.д. Но, к сожалению, я не нашёл универсальный измерительный прибор, который может измерять абсолютно всё и качественно. Просмотрел кучу схем и видеороликов на YouTube и для себя решил, что нужно иметь несколько разных приборов, умеющих делать свою работу. В любом случае, все наши самоделки не являются высокоточными измерительными приборами, но обеспечивают измерения с достаточной для нашего творчества точностью. Дополнительно радует, лично меня, то, что устройство собрано моими руками, да ещё и работает:) короче говоря, кому интересно - читаем дальше о конструкторе который я всем предлагаю...

С помощью конструктора можно собрать очень полезный и, что самое главное, простой в сборке и наладке прибор, который будет очень полезен в повседневной работе специалисту по ремонту радиоаппаратуры, радиолюбителю и т.д. - измеритель индуктивности, ёмкости и эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС или ESR) электролитических конденсаторов, очень маленьких сопротивлений (миллиомметр) - « LCM TESTER » . Индикация выполнена на жидкокристаллическом дисплее 2х16 символов с функцией подсветки.

Технические характеристики:

Напряжение питания (при питании от батарейки 6F22) 9 В
Ток потребляемый при работе от батарейки 8-10 мА
Напряжение питания (при питании от блока питания) 9-12 В
Тип индикатора ЖКИ 2х16
Ток, потребляемый от сетевого адаптера 60-100 мА
Максимальное измеряемое сопротивление 30 Ом
Диапазон измерения ёмкости 0,1 пФ-0,1 Ф
Погрешность при измерении ёмкости 0,1 пФ-200нФ 1%
Погрешность измерения ёмкости >200 нФ 2,5%
Погрешность измерения сопротивления до/более 500 мОм 5%/10%
Диапазон измерения индуктивности (погр. 5%) 10 нГн-20 Гн
Диапазон измерения сопротивлений (погр. 5%) 0-30 Ом
Размеры печатной платы 80х65 мм

Что такое ЭПС или ESR? Зачем нужно его измерять?

ESR (Equivalent Series Resistance) - эквивалентное последовательное сопротивление, представляет собой сумму последовательно включенных омических сопротивлений контактов выводов и электролита с обкладками (пластинами) электролитического конденсатора, что является важнейшим параметром электролитических конденсаторов. В русскоязычной аббревиатуре - Эквивалентное Последовательное Сопротивление - ЭПС. По сути, измеритель ESR - это омметр переменного тока, работающей на частоте 50...120 кГц. На этих частотах емкостное сопротивление электролитических конденсаторов мало (около нуля), поэтому показания этого омметра при проверке конденсаторов как раз и дают ESR. Чем меньше это сопротивление - тем качественнее электролитический конденсатор! Потери в диэлектрике, обусловленные особенностями его поляризации, составляют основную часть потерь в конденсаторе и определяются материалом, а так же толщиной слоя диэлектрика. Рассматривать детально процессы всех видов поляризации нет необходимости, но вкратце это можно пояснить следующим образом. Частицы диэлектрика, обладающие зарядом, под воздействием переменного электрического поля вынуждены совершать непроизвольные механические колебания, обусловленные их переориентацией и смещением (поляризацией). В слоях диэлектрика, близких к обкладкам, заряды, не покидая своих связей, активно участвуют в общем процессе перезаряда конденсатора. По сути, уменьшается толщина реального диэлектрика. В результате существенно повышается ёмкость конденсатора но, по причине инертности и внутреннего трения связанных частиц, процессы сопровождаются выделением тепла и потерями энергии в токопроводящих слоях диэлектрика. С увеличением частоты, диэлектрические потери пропорционально возрастают. В результате угол сдвига фаз между током и напряжением составит не 90°, как в идеальном конденсаторе, а несколько меньше. Тангенс угла δ, составляющего эту разницу с 90°, называют тангенсом угла диэлектрических потерь. Аналогичный сдвиг происходит в цепи при последовательном включении конденсатора и резистора. В связи с этим для расчётов принято понятие последовательного эквивалентного сопротивления ESR, в котором диэлектрические потери суммируются с активным сопротивлением обкладок, соединений и выводов, представляя собой, по сути, резистор, подключенный последовательно с конденсатором. В электролитических конденсаторах значимой частью ESR является сопротивление жидкого электролита, который используется в качестве составляющей одной из обкладок для обеспечения максимальной площади соприкосновения с диэлектриком. Если сопротивление электролита в конденсаторе рассмотреть как проводник с поперечным сечением, равным площади одной из обкладок и длиной проводника, приблизительно равной толщине пропитанной бумаги, можно предположить, что эта величина будет относительно небольшой. В реальных конденсаторах средних размеров типовое значение составит 0,01 Ом при 20°C. Но, следует учитывать, что для конденсаторов большой ёмкости, используемых в фильтрах выпрямителей импульсных источников питания на рабочей частоте порядка 100 кГц, когда его реактивное сопротивление измеряется тысячными долями Ома, эта величина будет составлять достаточно большие потери. Величина диэлектрических потерь на таких частотах в электролитических конденсаторах фильтров импульсных источников питания обычно в несколько раз больше, и лишь в самых лучших случаях может быть примерно равна и даже меньше потерь в электролите. Сопротивление электролита существенно зависит от температуры по причине изменения степени его вязкости и подвижности ионов. В процессе работы происходит нагрев диэлектрика и электролита переменным током, в связи с чем, может существенно уменьшаться сопротивление электролита, тогда ESR конденсатора будет определяться, главным образом, его диэлектрическими потерями. В случаях разогрева до температуры кипения, электролит утрачивает свои первоначальные свойства и при последующем охлаждении становится более вязким, что значительно повышает его сопротивление. Дальнейшая эксплуатация будет вызывать ещё больший разогрев и ухудшение качества электролита, что, впоследствии приведёт к непригодности конденсатора для дальнейшей работы в устройстве. Обычно неисправные электролитические конденсаторы, в которых кипел электролит, определяются визуально по вздувшемуся и разгерметизированному корпусу. Для надёжности работы электролитических конденсаторов очень важен правильный выбор его типа, номинала и максимального напряжения в зависимости от режимов. Для фильтров преобразователей, работающих на частотах десятков килогерц, производители выпускают специальные конденсаторы с малым ESR и указывают полное сопротивление переменному току (импеданс Z) для всех номиналов в таблицах. Тип таких конденсаторов сопровождается пометкой в технической документации - Low impedance или Low ESR. Увеличение ESR конденсатора на несколько Ом, а иногда на несколько десятых долей Ома, может являться причиной неработоспособности устройства, в котором он установлен, что иногда невозможно выявить существующими измерителями ёмкости, не способными учитывать другие параметры конденсатора! Обычно в ремонтной практике не требуется особой точности в измерении ESR, поэтому ощутимая погрешность пробников чаще не вызывает неудобств в отыскании неисправных элементов, а определение состояния конденсатора пробником может упрощаться до оценки его качества по принципу - годен или не годен для работы в конкретном узле устройства. Но, следует отметить, что для конденсаторов, работающих при больших импульсных токах, например, в фильтрах преобразователей, требуется более объективная оценка качества, а погрешность в десятые и даже сотые доли Ома может иметь существенное значение.

Данная информация позаимствована с сайта http://tel-spb.ru , там размещена более подробная теоретическая информация по вопросам измерения ESR

В отличие от универсальных измерителей, предлагаемых на рынке, да и измерителей специализирующихся именно на измерении ESR, данный прибор обладает высокой точностью и отображает на дисплее достоверные данные измеренных величин, а не шо попало, абы только носить гордое имя измерителя ESR - это проверено неоднократно на практике.

Сборка и калибровка прибора:

В набор входят: печатная плата с маской и маркировкой радиокомпонентов, все необходимые для сборки тестера радиокомпоненты, кнопки с колпачками, провод с разъёмом для батарейки типа «крона», гнездо для подключения вешнего блока питания, ЖКИ дисплей 2х16. Необходимо запаять в плату все детали согласно принципиальной схеме, смыть флюс и выполнить осмотр печатной платы на предмет отсутствия ненужных перемычек из припоя между дорожками. После этого можно подключать дисплей и источник питания. Собранное без ошибок устройство начинает работать сразу. Только необходимо при первом включении отрегулировать контрастность ЖКИ дисплея при помощи подстроечного резистора RV1. Для этого необходимо подать напряжение питания на тестер - нажать кнопку «POWER» и отрегулировать контрастность дисплея. После включения прибора необходимо выполнить его калибровку.

Начальная калибровка в режиме «С» происходит при включении прибора (прибор должен быть в этом режиме при включении прибора).

Если ноль "ушел", то для калибровки нужно:

1. Включить кнопку калибровки.

2. Дождаться появления сообщения типа R=0238 Ом

3. Отключить кнопку повторным нажатием и убрать руки от прибора.

4. Дождаться сообщения о подтверждении калибровки типа С->0. Показания сопротивления должны сброситься в ноль. Если ноль "ушел", то можно повторить калибровку. Но надо обязательно дать возможность процессору запомнить состояние, не прерывать процесс.

Для режима «L» все точно также, только нужно замкнуть контакты разъема измерения индуктивности перемычкой (для режима «С» контакты открытые).

Аналогично для режима ESR нужно обязательно сделать калибровку, иначе малые значения R могут "съедаться":

1. Замкнуть контакты разъема измерения ёмкости и ESR перемычкой.

2. Нажать кнопку калибровки и будет выведена информация на экран о напряжении, прилагаемом к конденсатору, и частота измерения ESR.

3. После этого дождаться появления сообщения R= 0238 Ом, отжать кнопку. Показания сопротивления должны сброситься в ноль. Если ноль "ушел", то можно повторить калибровку. Но надо обязательно дать возможность процессору запомнить состояние, не прерывать процесс.

Ток, потребляемый устройством очень мал, порядка 8-10 мА, поэтому батарейки 6F22 «Крона» 9В хватит на очень долгое время. При этом подсветка дисплея не работает. Чтобы работала подсветка дисплея необходимо подключить к разъёму на плате внешний сетевой адаптер 7-12В.

Диаграмма ESR электролитических конденсаторов:

По приведенным выше графикам можно определить максимально допустимое сопротивление (значение ESR) электролитического конденсатора в зависимости от ёмкости и рабочего напряжения. Следовательно, для определения наибольшего эквивалентного сопротивления электролита необходимо на вертикальной оси найти значение (отметить точку) ёмкости указанное на корпусе конденсатора и провести через это значение горизонтальную прямую линию до пересечения с необходимым графиком. График нужно выбрать исходя из номинального рабочего напряжения конденсатора. Из точки пересечения горизонтальной прямой и графика опускаем перпендикуляр на горизонтальную ось. По шкале на горизонтальной оси определяем наибольшее допустимое значение ESR для испытываемого конденсатора. Кроме того, прибор отображает тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрика. Отображение выполняется при помощи индикатора Bar Graph (закрашиваемый столбик). Чем больше закрашен индикатор, тем хуже состояние диэлектрика и наоборот.

Что значит надпись m60 и т.п.? Эффект памяти конденсатора. Конденсатор заряжается постоянным напряжением, затем оставляется в покое на некоторое время, после этого проверяется напряжение на конденсаторе. Чем меньше "m**", тем лучше, для m60 памяти, я думаю это что-то похожее на плохой конденсатор из какого-то блока питания, хороший же электролитический конденсатор имеет "m20" или меньше, по крайней мере большинство из них которые я измерял, имели такую величину. И наилучшие могут иметь "m1-m2", это в основном металлизированные конденсаторы. Однако действительно очень хорошие электролитические конденсаторы могут иметь такие величины тоже. Теперь понятно также, что означают буквы и цифры типа "m60" в строке где показывается емкость - это эффект памяти конденсатора. Т.е. чем меньше это значение, тем лучше качество конденсатора.

Дополнительные функции:

Если дополнительно изготовить простенькие щупы, то можно производить измерение ESR конденсаторов непосредственно в печатной плате без выпаивания и без вреда компонентам платы!На схеме: резистор R1 0,6-2 Вт, 22±1% Ом, конденсатор С1 полипропиленовый с малыми потерями типа WIMO, D1 и D2 диоды с барьером Шоттки типа BAT46.

Доступны собранные приборы и наборы для сборки с ЖКИ дисплеем с синей подсветкой и белыми символами:

В варианте с синим дисплеем подсветка включается при питании как от батарейки, так и от сетевого адаптера. Ток, потребляемый от источника питания при работе измерителя, составляет 20...22 мА.

Схема электрическая принципиальная:

Видео работы прибора можно увидеть здесь:

Стоимость печатной платы с маской и маркировкой: 90 грн.

Стоимость запрограммированного микроконтроллера: 110 грн.

Стоимость набора для сборки измерительного прибора: 430 грн.

Стоимость собранного и проверенного прибора: 460 грн.

Краткое описание, инструкция по сборке, схема и состав набора находится

Для заказа устройства просьба обращаться или

Удачи, мирного неба, добра! 73!

Милливольтметр переменного тока (узел Б) выполнен на транзисторе VT3 и микросхеме DA4. Каскад на полевом транзисторе, выполненный по схеме истокового повторителя, увеличивает входное сопротивление устройства до 100 МОм. Стрелочный измеритель РА1 включен на выходе усилителя в диагональ выпрямительного моста на диодах VD3, VD4 и резисторах R44, R45. Шкала милливольтметра линейна, погрешность измерений практически определяется классом применяемого стрелочного измерителя.
В конструкции прибора применен стрелочный измеритель типа М906 с током полного отклонения 50 мкА. Переключатели SA1 и SA2 галетные, типа ПГГ - 9П6Н и 3П1Н соответственно. Переключатель SA3 типа ТВ1-1.
В качестве калибровочных использованы резисторы С2-10, С-13, С2-14, остальные резисторы типа МЛТ или ОМЛТ. Конденсаторы КТ-1, КСО, МБМ, К73-17, К50-6, К50-20, возможно применение и других типов. Точность измерений прибора в определяющей мере зависит от подбора калибровочных конденсаторов, дополнительных и калибровочных резисторов, поэтому их необходимо подобрать с точностью не хуже ±0,5 %. Если же эти элементы использовать с точностью ±0,1...0,25%, то погрешность измерения практически сведется к точности используемой измерительной головки микроамперметра.
Операционные усилители К574УД1 и К140УД8 могут быть использованы с любыми буквенными индексами и возможна взаимная их замена без изменения рисунка печатной платы. Кроме того, вместо микросхемы К574УД1 можно применить К544УД2, а вместо К553УД2 микросхему К153УД2, но для каждого из этих случаев потребуется изменить рисунок токоведущих дорожек платы.
Кроме указанных на схеме типов диодов, можно использовать диоды Д311А, Д18, Д9. Транзистор КП103М можно заменить на любой транзистор из группы КП103, а КП303В на КП303Г или КП303Е. В качестве транзистора VT2 применим любой транзистор из групп КТ815 или КТ817.
Все калибровочные и дополнительные элементы подпаяны непосредственно к выводам переключателя SA1, а элементы генератора и милливольтметра размещены на двух печатных платах из фольгированного стеклотекстолита с односторонней металлизацией. На плате генератора транзистор VT2 следует разместить на теплоотводящем радиаторе с площадью теплорассеивающей поверхности 50 см 2 . Плата милливольтметра закреплена непосредственно на выходных зажимах стрелочной измерительной головки.
Налаживание измерителя следует начать с регулировки генератора. При правильно выполненном монтаже и исправных элементах вращением движка подстроечного резистора R26 генератор устанавливают в устойчивый режим работы. Удобно наблюдать настройку генератора по экрану осциллографа, а частоту определять по электронно-счетному частотомеру.
Для установки генератора на частоту 159 Гц переключатель SA1 ставят в любое из семи верхних по схеме положений и с помощью подстросчных резисторов R21 и R22 регулируют значение частоты. Если пары конденсаторов С7, С10 и С8, С9 подобраны с точностью не хуже ±1%, то настройку на частоту 15,9 кГц производить не требуется, она обеспечивается автоматически. Следует отметить, что точная установка частот не обязательна, важно лишь, чтобы они отличались друг от друга в 100 раз. Влияние неточности установки частот легко компенсируется при калибровке прибора.
Налаживание милливольтметра сводится к установке подстроенным резистором R43 стрелки микроамперметра на последнее деление шкалы при подаче на вход милливольтметра напряжения 0,05 В частотой 159 Гц. Затем проверяют соответствие отклонения стрелки прибора при подаче на вход напряжения 0,05 В частотой 15,9 кГц. При исправных элементах схемы это обеспечивается автоматически, никаких подстроек не требуется.
Для удобства отсчета показаний шкалу микроамперметра следует выполнить на 100 делений или использовать готовую от аналогичного микроамперметра на 100 мкА, установив ее взамен шкалы 50 мкА.

Цифровой LC-метр удобный для испытания оборудования, который вы можете сделать для себя для измерения индуктивности и емкости в широком диапазоне. Цифровой LC-метр основан на оригинальной методике измерений, обеспечивает удивительную точность и прост в сборке. Многие современные цифровые мультиметры имеют широкие диапазоны измерения емкости, особенно в дорогих моделях.

Это отличается от профессионалов, которые в течение последнего времени могли использовать цифровые измерители LCR. Они позволяют быстро и автоматически измерять практически любой пассивный компонент, часто измеряя не только их первичный параметр (например, индуктивность или емкость), но и один или несколько вторичных параметров. Тем не менее, многие из этих приборов имеют высокую цену, благодаря микроконтроллерной технологии эта ситуация несколько изменилась за последние несколько лет, и теперь стали гораздо более доступны цифровые приборы. К ним относятся как профессиональные, так и самодельные приборы, а также устройство, описанное здесь.

Основные особенности цифровой LC-метр

Как показано на рисунке в тексте, наш новый цифровой LC-метр очень компактен. Он прост в сборке, имеет жидкокристаллический дисплей и его можно разместить в небольшом корпусе. Себестоимость цифровой LC-метр не высока так что каждый желающий может это себе позволить. Несмотря на свою скромную цену, цифровой LC-метр предлагает автоматическое прямое цифровое измерение в широком диапазоне емкости (C) и индуктивности (L) с разрешением в 4 знака. Фактически, он измеряет емкость от 0,1 до 800нФ и индуктивность от 10 до 70мГн. Точность измерения также удивительно хорошая, лучше, чем ± 1% от показаний. Цифровой LC-метр работает от 9В до 12В постоянного тока, потребляя в среднем ток менее 20 мА. Это означает, что он может питаться от 9В батареи встроенной в корпус или от внешнего блока питания.

Как работает цифровой LC-метр

Впечатляющие характеристики цифровой LC-метр зависят от оригинальной методики измерений, разработанной около 12 лет назад Нилом Хехтом из штата Вашингтон в США. Он использует тестовый генератор широкого диапазона, частота которого изменяется путем подключения неизвестной индуктивности или конденсатора, которую вы измеряете.

Результирующее изменение частоты измеряется микроконтроллером, который затем вычисляет значение компонента и отображает его непосредственно на жидкокристаллическом дисплее. Так что в приборе в основном только две ключевые части: (1) сам тестовый генератор и (2) Микроконтроллер, который измеряет его частоту (с измеряемым компонентом и без него) и вычисляет значение компонента. Для достижения надежной генерации в широком частотном диапазоне тестовый генератор основан на аналоговом компараторе с положительной обратной связью смотрим на рисунке. Эта конфигурация имеет естественную склонность к генерации из-за очень высокого усиления между входом и выходом компаратора. При первом включении питания (+ 5 В) неинвертирующий (+) вход компаратора удерживается при половине напряжения питания (+2,5) V делителем смещения, образованным двумя резисторами сопротивлением 100к.

Однако напряжение на инвертирующем входе изначально равно нулю, поскольку конденсатору 10мФ на этом входе требуется время для зарядки через резистор обратной связи сопротивлением 47к. Таким образом, с неинвертирующим входом, намного более положительным, чем его инвертирующий вход, компаратор первоначально переключает свой выходной сигнал на высокий уровень (т. е. на + 5 В). Как только это происходит, конденсатор 10 мФ на инвертирующем входе начинает заряжаться через резистор 47к и таким образом, напряжение на этом входе возрастает экспоненциально. Как только оно поднимается немного выше уровня + 2,5 В, выход компаратора внезапно переключается на низкий уровень. Это низкое напряжение подается обратно на неинвертирующий вход компаратора через резистор обратной связи сопротивлением 100к. Он также подключен через входной конденсатор 10 мФ к настроенной цепи, образованной индуктивностью L1 и конденсатором C1. Это вызывает генерацию на своей резонансной частоте.

Как показано на рисунке, неизвестный компонент подключается через тестовые клеммы. Затем он подключается к настроенной цепи генератора через переключатель S1. При измерении неизвестного конденсатора S1 переключается в положение «C», так что конденсатор подключается параллельно C1. В качестве альтернативы для неизвестной индуктивности S1 переключается в положение «L», так что бы индуктивность соединялась последовательно с L1. В обоих случаях добавленные значения Cx или Lx снова вызывают изменение частоты генератора на новую частоту (F3). Как и в случае с F2, это всегда будет ниже, чем F1. Таким образом, измеряя F3, как и ранее, и отслеживая положение переключателя S1 (что осуществляется через соединение C / L на выводе 12 IC1), микроконтроллер может рассчитать значение неизвестного компонента, используя одно из уравнений, показанных в нижней части поля уравнений – т. е. раздел с надписью: «В режиме измерения».

Из этих уравнений вы можете видеть, что микроконтроллер имеет довольно максимальное «сжатие чисел», как в режиме калибровки, когда он вычисляет значения L1 и C1, так и в режиме измерения, когда он вычисляет значение Cx или Lx. Каждое из этих значений должно быть рассчитано с высокой степенью разрешения и точности. Для достижения этого в прошивке микроконтроллера необходимо использовать некоторые математические вычисления с 24-разрядными числами с плавающей запятой.

Так как эта оригинальная, но в то же время простая схема измерения используется для создания практичного прибора, видно из полной принципиальной схемы цифровой LC-метр высокой точности, показанной на рисунке. Это даже проще, чем вы могли бы ожидать, потому что нет отдельного компаратора, который сформировал бы ядро измерительного генератора. Вместо этого мы используем компаратор, встроенный в сам микроконтроллер (IC1). Как показано, микроконтроллер IC1 представляет собой PIC16F628A и фактически содержит два аналоговых компаратора, которые можно настраивать различными способами. Здесь мы используем компаратор 1 (CMP1) в качестве измерительного генератора. Компаратор 2 (CMP2) используется только для обеспечения некоторого дополнительного «возведения в квадрат» выхода CMP1, а затем его выход управляет внутренней схемой подсчета частоты. Схема генератора практически не отличается от схемы, показанной на рисунке.

Обратите внимание, что IC1 управляет реле RLY1 (которое переключает калибровочный конденсатор C2 в цепь и из нее) через линию RB7 его порта ввода / вывода B (контакт 13). Диод D1 служит для защиты внутренней схемы микроконтроллера от индуктивных всплесков, когда реле выключается. Во время работы IC1 определяет, в каком положении находится переключатель S1 в режиме использования RB6 (вывод 12). Он поднимается вверх, когда S1b находится в положении «C» и в низ, когда S1b находится в положении «L». Кварц X1 (4 МГц) устанавливает тактовую частоту микроконтроллера IC1, в то время как соответствующие конденсаторы 33 пФ обеспечивают правильное согласование для обеспечения надежного запуска тактового генератора. Результаты вычислений микроконтроллера IC1 выводятся на стандартный 2 × 16 ЖК-модуль. Это управляется непосредственно через контакты портов RB0-RB5. Потенциометр VR1 позволяет настроить оптимальную контрастность ЖК-дисплея.

Если вы видите частоту на дисплее в правильном диапазоне, запишите значение, затем выключите и переведите перемычку в положение LK1. Снова включите питание и убедитесь, что на ЖК-дисплее теперь отображается другое восьмизначное число после калибровки. Это будет F2 – т.е. частота генератора, когда конденсатор C2 подключается параллельно с C1. Поскольку оба конденсатора номинально имеют одинаковое значение, F2 должно быть очень близко к 71% от F1. Это потому, что удвоение емкости уменьшает частоту на коэффициент, равный квадратному корню из двух (т. Е. 1 / √2 = 0,707). Если ваши показания для F2 находятся далеко от 71% от F1, вам может потребоваться заменить C2 на другой конденсатор, значение которого ближе к C1. С другой стороны, если F2 точно такой же, как F1, это говорит о том, что реле RLY1 на самом деле не переключило С2 вообще. Это может быть связано с плохим паяным соединением на одном из контактов RLY1, или вы, возможно, неправильно установили его на плате. Как только вы получите сопоставимые показания для F1 и F2, ваш цифровой LC-метр будет готов для калибровки и использованию. Если у вас нет конденсатора с известным значением для выполнения собственной точной калибровки, вам придется полагаться на собственную авто калибровку прибора (которая в значительной степени зависит от точности конденсатора C2). В этом случае просто удалите все перемычки с LK1 на LK4 и установите плату прибора в корпус.

Точная настройка калибровка цифровой LC-метр

Если у вас есть конденсатор известного значения (потому что вы смогли измерить его с помощью высокоточного измерителя LCR), вы можете легко использовать его для точной настройки калибровки цифрового LC-метра. Сначала включите устройство и дайте ему поработать, а затем он проходит через последовательность «Калибровка» и «C = NN.N pF». После этого подождите минуту или две и нажмите кнопку обнуления (S2), убедившись, что на ЖК-дисплее отображается правильно обнуленное сообщение, т. е. «C = 0,0 пФ». Затем подключите конденсатор известного значения к тестовым клеммам и обратите внимание на индикатор. Он должен быть достаточно близок к значению конденсатора, но может быть несколько высоким или низким. Если показание слишком низкое, установите перемычку LK4 на задней панели и посмотрите на ЖК-дисплей. Каждые 200мс или около того показания будут увеличиваться по мере того, как микроконтроллер PIC регулирует коэффициент масштабирования измерителя в ответ на перемычку. Как только показание достигнет правильного значения, быстро снимите перемычку, чтобы завершить настройку калибровки.

И наоборот, если показания измерителя для известного конденсатора слишком высокие, выполните ту же процедуру, но с перемычкой в положении LK3. Это заставит микроконтроллер уменьшать масштабный коэффициент измерителя каждый раз, когда он делает измерение, и, как и прежде, идея состоит в том, чтобы убрать перемычку LK3, как только показание достигнет правильного значения. Если вы недостаточно быстро снимаете перемычку вовремя из этих процедур калибровки, микроконтроллер будет «перерегулировать». В этом случае вам просто нужно использовать противоположную процедуру, чтобы вернуть показания к правильному значению. На самом деле, вам может потребоваться несколько раз отрегулировать калибровку взад и вперед, пока вы не убедитесь, что она правильная. Как упоминалось ранее, микроконтроллер PIC сохраняет свой масштабный коэффициент в своей EEPROM после каждого измерения во время этих процедур калибровки. Это означает, что вам нужно выполнить калибровку только один раз. Также обратите внимание, что, когда вы калибруете прибор таким образом, используя конденсатор с известным значением, он также автоматически калибруется для измерений индуктивности. Прошивка для цифровой LC-метр.