Представленный ниже проект измерителя емкости и индуктивности очень прост для повторения и содержит минимум деталей. Тем не менее, диапазон измерения лежит в достаточно широких пределах.
Диапазоны измерения индуктивности:
- 10нГ - 1000нГ
- 1мкГ - 1000мкГ
- 1мГ - 100мГ
Диапазоны измерения емкости:
- 0.1пФ - 1000пФ
- 1нФ - 900нФ
В приборе поддерживается автокалибровка при включении питания, что исключает возможность человеческой ошибки при ручной калибровке. Однако, в любой момент времени можно заново откалибровать измеритель, нажав кнопку сброса. В приборе предусмотрен автоматический выбор диапазона измерений.
В схеме устройства не требуется применение каких-либо прецизионных электронных компонентов. Единственное, нужно иметь один "внешний" конденсатор, номинал которого вы знаете с большой точностью.
Два конденсатора номиналом 1000 пФ должны быть хорошего качества, предпочтительно полистирольными. Также подойдут конденсаторы МКТ серии. Керамические не подойдут.
Два конденсатора на 10 мкФ должны быть танталовыми.
Кварцевый резонатор должен быть точно 4.000 МГц. Каждый 1% несоответствия частоты резонатора, приведет к 2% ошибке индикации измеренной величины.
Реле подберите с малым током катушки, т.к. микроконтроллер не может обеспечить ток более 30 мА. Не забудьте параллельно катушке реле поставить диод.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| МК PIC 8-бит | PIC16F628A | 1 | В блокнот | |||
| Линейный регулятор | LM7805 | 1 | В блокнот | |||
| Выпрямительный диод | 1N4148 | 1 | В блокнот | |||
| Выпрямительный диод | 1N4007 | 1 | В блокнот | |||
| 10 мкФ | 1 | В блокнот | ||||
| Танталовый конденсатор | 10 мкФ | 2 | В блокнот | |||
| Электролитический конденсатор | 1 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| Полистирольный конденсатор | 1000 пФ | 2 | Полистирольные или МКТ | В блокнот | ||
| Конденсатор | 33 пФ | 2 | В блокнот | |||
| Резистор | 1 кОм | 4 | В блокнот | |||
| Резистор | 4.7 кОм | 1 | В блокнот | |||
| Резистор | 47 кОм | 1 | В блокнот | |||
| Резистор | 100 кОм | 3 | В блокнот | |||
| Резистор | ? | 1 | В блокнот | |||
| R5 | Подстроечный резистор | 10 кОм | 1 | Contrast | В блокнот | |
| Кварц | 4 МГц | 1 | Точно 4.000 МГц | В блокнот | ||
| Дроссель | 100 мкГн | 1 | В блокнот | |||
| Реле | 5 В | 1 | 1 замыкающая группа | В блокнот | ||
| Reset | Кнопка | Замыкающая | 1 | В блокнот | ||
| L-C | Переключатель | 2 контактные группы | 1 | В блокнот | ||
| Переключатель | 1 контактная группа | 1 | Вкл/Выкл | В блокнот | ||
| J1-J4 | Разъём | PLS-2 | 4 | Перемычки |
Радиолюбитель 2000 №11-12
Хочу предложить измеритель LC с прямым отсчётом. Данный пробник, несмотря на свою простоту, обладает большими возможностями. Он позволяет измерять:
- ёмкость конденсаторов (не выпаивая их из схемы);
- индуктивность;
- частоту сигналов (TTL-уровня);
- тангенс угла и сопротивление потерь конденсаторов;
- магнитную проницаемость сердечников;
- добротность катушек индуктивности;
- наличие короткозамкнутых витков в катушках. Схема пробника показана на рис.1.
На элементах DD1 и DD2 собран генератор, времязадающим элементом которого является измеряемая ёмкость или индуктивность. На элементах DD3 и DD4 собран делитель частоты с максимальным коэффициентом деления 16777211. Вся шкала пробника включает 25 значений, отличающихся друг от друга в 2 раза. При работе пробника визуально определяется, частота мигания какого светодиода ближе всего к 1 Гц. Показания напротив него и являются результатом измерения. Диод VD2 защищает прибор от переполюсовки питания.
Измерение ёмкости. Перед измерением конденсатор необходимо разрядить. Переключатель S1 поставить в разомкнутое положение (измерение ёмкости). В зависимости от необходимой точности, измерение можно провести тремя способами.
Способ 1. К щупам пробника подключается измеряемый конденсатор (его можно не выпаивать из схемы) и определяется, какой светодиод мигает с частотой около 1 Гц. На шкале против него читается значение ёмкости.
Способ 2. Для более точного измерения ёмкости нужно сделать все как в способе 1, только смотреть на светодиод, который мигает с частотой, большей чем 1 Гц, подсчитать количество миганий за 10 с, и вычислить частоту миганий, разделив подсчитанное количество на 10. Показание напротив этого светодиода разделить на полученную частоту. Результат и будет значением ёмкости конденсатора.
Способ 3. Для ещё более точного определения ёмкости можно воспользоваться осциллографом или частотомером. Причём при использовании осциллографа можно оценить и качество проверяемого конденсатора (определить тангенс угла потерь). Подключив осциллограф или частотомер к щупам пробника, этими же щупами нужно коснуться проверяемого конденсатора. Если конденсатор имеет малые потери, то вид осциллограмы будет такой, как показано на рис.2а. При больших потерях вид осциллограммы будет такой, как на рис.2б. Определите величину периода Т и по формуле (1) подсчитайте ёмкость конденсатора:
С=T/40-5*10 -9 (Ф). (1)
При ремонте радиоаппаратуры достаточно измерить ёмкость конденсатора по способу 1. Если полученное значение ёмкости меньше номинала, указанного на конденсаторе, в 2 и более число раз, такой конденсатор необходимо заменить.
Измерение индуктивности. Индуктивность, так же как и ёмкость, можно измерить тремя способами.
Способ 1. Он аналогичен способу 1 для измерения ёмкостей. Только переключатель S1 нужно замкнуть.
Способ 2. Аналогичен способу 2 для измерения ёмкостей конденсаторов. Переключатель S1 поставить в положение для измерения индуктивности (замкнуть).
Способ 3. Аналогичен способу 3 для измерения ёмкостей. Индуктивность рассчитываем по формуле
L = 40*Т (Гн), (2)
а вид осциллограмм для катушек с малыми и большими потерями приведён на рис.За и 3б соответственно. Значения ёмкостей конденсаторов и индуктивностей катушек с потерями, определённые с помощью пробника, будут содержать погрешность - тем большую, чем больше эти потери.
Измерение частоты сигнала. Пробник позволяет измерять частоту сигнала ТТЛ-уровня, при условии, что питание пробника гальванически развязано от питания проверяемой цепи. Переключатель S1 необходимо поставить в положение для измерения индуктивности. Одним щупом коснитесь общего провода, а другим - источника сигнала. Напротив светодиода, мигающего с частотой около 1 Гц, прочитайте показания частоты сигнала. Для более точного определения частоты можно воспользоваться способом 2.
Определение тангенса угла потерь конденсаторов. Тангенс угла потерь (tg d) точно можно определить с использованием осциллографа.
Способ 1. Для этого необходимо подключить к щупам пробника осциллограф и проверяемый конденсатор. Если осциллограмма выглядит как на рис.2б, конденсатор имеет потери, величину которых можно вычислить. Конденсатор с потерями можно заменить эквивалентной схемой - последовательно соединёнными конденсатором и сопротивлением потерь. Тогда тангенс угла потерь равен:
tg d = R п /X c = R п /(2*pi*f*C), (3)
где Rп - сопротивление потерь (Ом);
Хc - реактивное сопротивление конденсатора (Ом);
f - частота, на которой работает конденсатор (Гц);
C - ёмкость конденсатора (Ф).
Для данного пробника:
R п = U п /0,03 (Ом). (4)
U п - измеряется по осциллографу, согласно рис.2б. При подключении к пробнику конденсатора, период Т, с учётом сопротивления потерь R п, равен:
T = 3,33*(12-R п)*(C + 5*10 -9) (c) (5)
Если в данную формулу подставить R п =0, то получается формула (1).
Способ 2. Измерьте ёмкость конденсатора с помощью пробника. Если пробник показал ёмкость в 2 или более число раз меньшую, чем номинал конденсатора (обозначенный на нем), данный конденсатор имеет большое сопротивление потерь R п, а соответственно, и большой tg d. Тогда, согласно формуле (5), можно найти сопротивление потерь. Результаты расчёта сведены в таблицу.
В верхней строке таблицы - кратность показаний пробника (во сколько раз ёмкость конденсатора меньше ёмкости, обозначенной на корпусе конденсатора. В нижней строке - соответствующее сопротивление потерь.
Определение добротности катушек индуктивности. Определите индуктивность катушки L1. Омметром (желательно цифровым) измерьте активное сопротивление катушки R. Подсчитайте реактивное сопротивление на заданной частоте.
X L = 2*pi*f*L (Ом), (6)
где X L - реактивное сопротивление катушки (Ом);
f - рабочая частота (Гц);
L - индуктивность катушки (Гн).
Добротность катушки индуктивности рассчитывается по формуле;
На данном пробнике показания заметны при Q>11.
Определение магнитной проницаемости сердечника из феррита. Рассмотрим три вида сердечников (рис.4). Рассчитаем величины, необходимые для определения магнитной проницаемости сердечников.
l М =(D + d)*pi/2 (9)
S М =(D - d)*h/2 (10)
l М =2*(А+В-2*С) (11)
l М =2*(h+а+с)+3/2*а (13)
Формулы (9) и (10) используются для кольца, (11) и (12) - для П-образного, а (13) и (14) - для Ш-образного сердечника. Все размеры в формулах (9)...(14) берутся в сантиметрах.
Намотайте не менее 15 витков провода (внавал) на сердечник и измерьте пробником полученную индуктивность, (для Ш-образного сердечника витки нужно мотать по размеру а). Эффективная магнитная проницаемость сердечника рассчитывается по формуле
u э =(L*l М)/(u 0 *n 2 *S М) (15)
где L - индуктивность катушки, намотанной на данный сердечник (Гн);
l м - длина средней магнитной силовой линии (см);
S M - площадь сечения магнитопровода (см 2);
u 0 - магнитная проницаемость вакуума (u 0 =4*pi*10 -9 Гн/см);
n - количество витков.
Выявление короткозамкнутых витков. Для определения наличия короткозамкнутых витков в катушках, намотанных на кольцеобразных, П-образных и Ш-образных сердечниках, необходимо сравнить индуктивность, измеренную пробником, и расчётную:
L=u 0 *u э *n 2 *S м /l м, (16)
где u э - эффективная магнитная проницаемость для ферритовых материалов (указывается на них). Если она неизвестна, её можно определить так, как описано выше.
Если индуктивность, определённая пробником, меньше в 2 и более раз, чем расчётная, то в катушке имеются короткозамкнутые витки.
Детали. Формулы (1, 2, 4, 5) верны только для пробника, собранного на микросхемах 74НС00. Если генератор пробника собрать на микросхемах других серий, в том числе и отечественных, в формулах появятся поправочные коэффициенты. При выборе микросхем нужно помнить, что:
Размах напряжения на щупах пробника не должен превышать 0,3...0,4 В, чтобы не открывались р-n переходы не только кремниевых, но и германиевых транзисторов и диодов. Это позволяет проверять конденсаторы, не выпаивая их из плат;
ИМС должны быть достаточно быстродействующими (шире диапазон измерения);
При использовании некоторых серий необходимо подключить конденсатор С6 1000 пФ...0,01 мкФ (рис.1) для устойчивого запуска генератора. Это резко сужает диапазон измерений.
Автором были проверены микросхемы серий К155, К555, К531, К131, КР1533, 7400, 74LS00, 74НС00. Всем требованиям больше всего отвечала микросхема КР1533ЛАЗ. У неё размах напряжения на щупах был около 0,02 В. Но из-за этого она оказалась слишком чувствительной к помехам и наводкам от рук. Приходилось применять специальные меры, которые резко снижали диапазон измерений. ИМС К155ЛАЗ имела большой размах напряжения, что открывало р-n переходы даже кремниевых транзисторов и диодов. К555ЛАЗ открывала р-п переходы только германиевых транзисторов и диодов. Так что из этих серий лучше всего использовать микросхему 74НСОО. Она малочувствительна к помехам и наводкам от рук, не открывает р-п переходы даже германиевых транзисторов и диодов. К тому же, имеет малое потребление энергии.
Для счётчиков также лучше использовать микросхемы серии CD74HCT4040, т.к. они достаточно высокочастотны, имеют выходной ток, достаточный для хорошего свечения светодиодов, мало потребляют энергии. Напряжение питания должно быть стабилизированным. Оно выбрано 4,4 В. При выборе напряжения питания необходимо помнить, что его изменение приводит к изменению коэффициентов в формулах (1, 2, 4, 5), а следовательно, влияет на показания пробника. Изменяя Un, можно изменить диапазон измеряемых величин в ту или иную сторону. Изменение напряжения питания также влияет на чувствительность пробника к конденсаторам с потерями. Если его уменьшать, чувствительность падает, увеличивать - растёт.
Светодиоды в пробнике - любые, красного свечения. Их все можно не устанавливать, а установить, например, через один. Правда, шаг шкалы при этом увеличится.
Настройка. Пробник размещён на плате размером 105x30 мм. Шкала пробника рассчитана по формулам 1 и 2 и соответствует действительности только при использовании микросхемы 74НСОО и напряжения питания 4,3 В. Микросхему DD2 желательно установить в панельку, т.к. если случайно коснуться пробником неразряженного конденсатора, находящегося под большим напряжением, микросхема может сгореть. Поэтому нужно обязательно разряжать конденсаторы перед измерением.
Щупы пробника должны иметь минимальную длину, т.к. на его работоспособность влияет даже очень маленькая индуктивность щупов. В авторском варианте длина одного щупа (вместе с кабелем) - 22 см, а другого - 10 см.
С.Володько, г.Гомель.
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.
Буквой C. Вот отсюда и пошло название прибора. Или иными словами, LC-метр – это прибор для измерения значений индуктивности и емкости.
На фото он выглядит примерно вот так:
LC-метр на вид напоминает . Он также имеет два щупа для измерения значений катушки индуктивности и емкости. Выводы конденсаторов можно пихать либо в отверстия для конденсаторов, там где написано Cx, а можно и напрямую к щупам. Проще и быстрее все-таки подсоединять к щупам. Индуктивность и емкость измеряются очень просто, выставляем предел измерения, покрутив крутилку, и смотрим обозначение на дисплее LC-метра
. Как говорится, даже маленький ребенок без труда освоит эту “игрушку”.
Как измерить емкость LC-метром
Вот у нас четыре испытуемых конденсатора. Трое из них – неполярные, а один – полярный (черный с серой полосой)
Погнали
Давайте разберемся с обозначениями на конденсаторе. 0,022 мкФ – это его емкость, то есть 0,022 микрофарад. Далее +-5% – это его погрешность. То есть измеряемое значение может быть на плюс или минус 5% больше или меньше. Если больше или меньше 5 % – значит конденсатор у нас плохой, и его желательно не использовать. Пять процентов от 0,022 – это 0,001. Следовательно, конденсатор можно считать вполне рабочим, если его измеряемая емкость будет находится в диапазоне от 0,021 до 0,023. У нас значение 0,025. Если даже учесть погрешность измерения прибора – это не есть хорошо. Выкидываем его куда подальше. Ах да, обратите внимание на вольты, которые пишутся после процентов. Там написано 200 Вольт – это значит, что он рассчитан на напряжение до 200 Вольт. Если у него в схеме будет на выводах напряжение больше 200 Вольт, то он, скорее всего, выйдет из строя.
Если, например, на конденсаторе указано 220 В, то это – максимальное значение напряжения . С учётом того, что в сетях переменного тока указываются , то такой конденсатор не подойдёт для применения при напряжении сети 220 В, так как максимальное значение напряжения в этой сети = 220 В х 1,4 (то есть корень из 2) = 310 В. Конденсатор надо выбрать такой, чтобы он был рассчитан на напряжение намного превышающее 310 Вольт.
Следующий советский конденсатор
0,47 микрофарад. Погрешность +-10 %. Это значит 0,047 в ту и другую сторону. Его можно считать нормальным в диапазоне 0,423-0,517микроФарад. На LC-метре 0,489 – следовательно, он вполне работоспособный.
Следующий импортный конденсатор
На нем написано,22 – это значит 0,22 микрофарад. 160 – это предел напряжения. Вполне нормальный конденсатор.
И следующий электролитический или, как его называют радиолюбители, электролит. 2,2 микрофарада на 50 Вольт.
Все ОК!
Как измерить индуктивность LC-метром
Давайте замеряем индуктивность катушки индуктивности . Берем катушку и цепляемся к ее выводам. 0,029 миллигенри или 29 микрогенри.
Таким же образом можно проверить другие катушки индуктивности.
Где купить LC-метр
В настоящее время прогресс дошел до того, что можно купить универсальный R/L/C/Transistor-metr , который умеет замерять почти все параметры радиоэлектронных компонентов
Ну для эстетов все таки есть нормальные LC-метры, которые в один клик можно приобрести с Китая в интернет-магазине Алиэкспресс;-)
Вот страничка на LC-метры.
Вывод
Катушки индуктивности и конденсаторы – незаменимая вещь в электронике и электротехнике. Очень важно знать их параметры, потому как малейшее отклонение параметра от значения написанного на них может сильно изменить работу схемы, особенно это касается приемопередающей аппаратуры. Измеряйте, измеряйте и еще раз измеряйте!
ИСТОЧНИК: Журнал "Радио" № 7 2004 г.
В практике радиолюбителя измерение параметров используемых радиоэлементов — первый основополагающий шаг в достижении поставленных целей при создании радиотехнического или электронного комплекса. Не зная свойств "элементарных кирпичиков", очень трудно сказать, какими свойствами будет обладать построенный из них дом. В данной статье читателю предложено описание несложного измерительного прибора, который должен быть в лаборатории у каждого радиолюбителя.
Принцип работы предлагаемого LC-метра основан на измерении энергии, накапливаемой в электрическом поле конденсатора и магнитном поле катушки. Впервые применительно к любительской конструкции этот метод был описан в , а в последующие годы с незначительными изменениями широко был использован во многих конструкциях измерителей индуктивности и емкости. Применение в данной конструкции микроконтроллера и ЖКИ индикатора позволило создать простой, малогабаритный, дешевый и удобный в эксплуатации прибор, имеющий достаточно высокую точность измерений. При работе с прибором не нужно манипулировать никакими органами управления, достаточно просто подключить измеряемый элемент и считать показа ния с индикатора.
Технические характеристики
Диапазон измеряемой емкости.............0,1пФ...5мкФ
Диапазон измеряемой индуктивности........0,1 мкГн...5 Гн
Погрешность измеряемой величины, не более, %.........±3
Напряжение питания, В........7,5...9
Ток потребления, мА, не более.........................15
Автоматический выбор диапазона измерений
Программная коррекция нуля
Габариты, мм............140x40x30
Принципиальная схема прибора показана на рис. 1
Сигнал возбуждающего напряжения рямоугольной формы с вывода 6 (РВ1) микроконтроллера DD1 через три нижних по схеме буферных элемента DD2 поступает на измерительную часть устройства. Во время высокого уровня напряжения зарядка измеряемого конденсатора Сх происходит через резистор R9 и диод VD6, а во время низкого — разрядка через R9 и VD5. Средний ток разрядки, пропорциональный величине измеряемой емкости, устройство преобразует с помощью операционного усилителя DA1 в напряжение. Конденсаторы С5 и С7 сглаживают его пульсации. Резистор R14 служит для точной установки нуля ОУ.
При измерении индуктивности во время высокого уровня ток в катушке нарастает до значения, определяемого резистором R10, а во время низкого — ток, создаваемый ЭДС самоиндукции измеряемой катушки, через VD4 и R11 также поступает на вход микросхемы DA1.
Таким образом, при постоянном напряжении питания и частоте сигнала напряжение на выходе ОУ прямопропорционально величинам измеряемых емкости или индуктивности. Но это справедливо только при условии, что зарядка конденсатора выполнена полностью в течение половины периода возбуждающего напряжения и также полностью произошла разрядка в течение другой половины. Аналогично и для катушки индуктивности. Ток в ней должен успевать нарастать до максимального значения и спадать до нуля. Эти условия можно обеспечить соответствующим выбором резисторов R9—R11 и частоты возбуждающего напряжения.
Напряжение, пропорциональное значению параметра измеряемого элемента, с выхода ОУ через фильтр R6C2 подают на встроенный десятиразрядный АЦП микроконтроллера DD1. Конденсатор С1 — фильтр внутреннего источника образцового напряжения АЦП.
Три верхних по схеме элемента DD2, а также VD1, VD2, С4, С11 использованы для формирования напряжения -5 В, необходимого для работы ОУ
Результат измерения прибор отображает на десяти разрядном семисегментном ЖКИ HG1 (КО-4В, серийно выпускает фирма "Телесистемы" в г.Зеленограде). Аналогичный индикатор использован в телефонах "PANAPHONE".
Для повышения точности прибор имеет девять поддиапазонов измерения. Частота возбуждающего напряжения на первом поддиапазоне равна 800 кГц. На такой частоте измеряют конденсаторы с емкостью примерно до 90 пФ и катушки с индуктивностью до 90 мкГн. На каждом последующем поддиапазоне частота снижена в 4 раза, соответственно во столько же раз расширен предел измерения. На девятом поддиапазоне частота равна 12 Гц, что обеспечивает измерение конденсаторов с емкостью до 5 мкФ и катушек с индуктивностью до 5 Гн. Нужный поддиапазон прибор выбирает автоматически, причем после включения питания измерение начинает с девятого поддиапазона. В процессе переключения номер поддиапазона отображен на индикаторе, что позволяет определить, на какой частоте выполняют измерение.
После выбора нужного поддиапазона результат измерения в пФ или мкГн выведен на индикатор. Для удобства считывания десятые доли пФ (мкГн) и единицы мкФ (Гн) отделены пустым знакоместом, а результат округлен до трех значащих цифр.
Светодиод HL1 красного цвета свечения использован в качестве стабистора на 1,5 В для питания индикатора. Кнопка SB1 служит для программной коррекции нуля, что помогает компенсировать емкость и индуктивность клемм и переключателя SA1. Этот переключатель можно исключить, если установить отдельные клеммы для подключения измеряемой индуктивности и емкости, но это менее удобно в эксплуатации. Резистор R7 предназначен для быстрой разрядки конденсаторов С9 и С10 при выключении питания. Без него повторное включение, обеспечивающее корректную работу индикатора, возможно не ранее чем через 10 с, что несколько неудобно при эксплуатации.
Все детали прибора, кроме переключателя SA1, смонтированы на односторонней печатной плате, которая показана на рис. 2 .
Индикатор HG1 и кнопка SB1 установлены со стороны монтажа и выведены на лицевую панель. Длина проводов до переключателя SA1 и входных клемм не должна превышать 2...3 см. Диоды VD3—VD6 — высокочастотные с малым падением напряжения, можно применить Д311, Д18, Д20. Подстроечные резисторы R11, R12, R14 малогабаритные типа СПЗ-19. Замена R11 на проволочный резистор нежелательна, так как приведет к снижению точности измерений. Микросхему 140УД1208 можно заменить на какой-либо другой ОУ, имеющий цепь установки нуля и способный работать от напряжения ±5 В, а К561ЛН2 можно заменить на любую КМОП микросхему серий 1561, 1554, 74НС, 74АС, содержащую шесть инверторов, например, 74НС14. Применение ТТЛ серий 155, 555, 1533 и др. нежелательно. Микроконтроллер ATtinyl 5L фирмы ATMEL аналога не имеет и заменить его на другой тип, например популярный AT90S2313, невозможно без корректировки программы.
Номинал емкостей конденсаторов С4, С5, С11 уменьшать не следует. Переключатель SA1 должен быть малогабаритным и с минимальной емкостью между выводами.
При программировании микроконтроллера все FUSE биты следует оставить по умолчанию: BODLEVEL=0, BODEN=1, SPIEN=0, RSTDISBL=1, CKSEL1 ...0=00. Калибровочный байт нужно записать в младший байт программы по адресу $000F. Это обеспечит точную установку тактовой частоты 1,6 МГц и, соответственно, частоты возбуждающего напряжения для измерительной схемы на первом диапазоне 800 кГц. В экземпляре ATtinyl 5L, имевшемся у автора, калибровочный байт равен $8В Коды прошивки микроконтроллера можно скачать на ftp сервера журнала "Радио" (см.
Для наладки необходимо подобрать несколько катушек и конденсаторов со значениями параметров в диапазоне измерения прибора и имеющих минимальный допуск отклонения по номиналу. Если есть возможность, их точные значения следует измерить с помощью промышленного измерителя LC. Это будут ваши "образцовые" элементы. Учитывая, что шкала измерителя линейная, в принципе, достаточно одного конденсатора и одной катушки. Но лучше проконтролировать весь диапазон. В качестве образцовых катушек хорошо подходят нормализованные дроссели типов ДМ, ДП.
Настроив прибор в режиме измерения емкости, следует перевести SA1 в нижнее по схеме положение, замкнуть входные гнезда и нажать SB1. После коррекции нуля на вход подключить образцовую катушку и резистором R11 выставить необходимые показания. Цена младшего разряда — 0,1 мкГн. При этом следует обратить внимание, чтобы сопротивление R11 было не менее 800 Ом, в противном случае следует уменьшить сопротивление резистора R10. Если R11 будет больше 1 кОм, R10 надо увеличить, т. е. R10 и R11 должны быть близки по номиналу. Такая настройка обеспечивает примерно одинаковую постоянную времени "зарядки" и "разрядки" катушки и, соответственно, минимальную погрешность измерения.
Погрешность не хуже ±2...3 % при измерении конденсаторов можно обеспечить без труда, а вот при измерении катушек же все обстоит несколько сложнее. Индуктивность катушки во многом зависит от ряда сопутствующих условий — активное сопротивление обмотки, потери в магнитопроводах на вихревые токи, на гистерезис, магнитная проницаемость ферромагнетиков нелинейно зависит от напряженности магнитного поля и др. Катушки при измерении испытывают воздействие различных внешних полей, а все реальные ферромагнетики имеют довольно высокое значение остаточной индукции. Более подробно процессы, происходящие при намагничивании магнитных материалов, описаны в . В результате воздействия всех этих факторов показания прибора при измерении индуктивности некоторых катушек могут не совпасть с показаниями промышленного прибора, измеряющего комплексное сопротивление на фиксированной частоте. Но не спешите ругать этот прибор и его автора. Просто следует учитывать особенности принципа измерения. Для катушек без магнитопровода, 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 катушек и дросселей высокочастотных устройств, трансформаторов для импульсных источников питания и т. п. можно измерять весьма точно.
А вот при измерении индуктивности малогабаритных катушек с большим числом витков из тонкого провода и замкнутым магнитопроводом без зазора (особенно из трансформаторной стали) будет большая погрешность. Но ведь в реальном приборе условия работы катушки могут и не соответствовать тому идеалу, который обеспечен при измерении комплексного сопротивления. Например, индуктивность обмотки одного из трансформаторов в наличии у автора, измеренная промышленным измерителем LC, оказалась около 3 Гн. При подаче постоянного тока подмагничивания всего 5 мА показания стали около 450 мГн, т. е. индуктивность уменьшилась в 7 раз! А в реальных рабочих устройствах ток через катушки почти всегда имеет постоянную составляющую. Описываемый измеритель показал индуктивность обмотки этого трансформатора 1,5 Гн. И еще неизвестно, какая цифра будет ближе к реальным условиям работы.
Все вышесказанное в той или иной степени справедливо для всех без исключения любительских измерителей LC. Просто их авторы скромно об этом умалчивают. Не в последнюю очередь именно по этой причине функция измерения емкости есть во многих моделях недорогих мультиметров, а измерять индуктивность могут только дорогие и сложные профессиональные приборы. В любительских условиях сделать хороший и точный измеритель комплексного сопротивления очень сложно, проще приобрести промышленный, если он действительно нужен. Если это по тем или иным причинам невозможно, думаю, предлагаемая конструкция может послужить неплохим компромиссом с оптимальным соотношением цены, качества и удобства в эксплуатации.
ЛИТЕРАТУРА
- Степанов А. Простой LC-метр. — Радио, 1982, ╧ 3, с. 47, 48.
- Семенов Б. Силовая электроника. — М.:СОЛОН-Р, 2001.
