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.

Вот еще один образец лабораторного оборудования — LC метр. Данный режим измерения, особенно замер L практически невозможно найти в дешевых заводских мультиметрах.

Схема данного LС метра на микроконтроллере была взята с сайта www.sites.google.com/site/vk3bhr/home/index2-html. Прибор построен на PIC микроконтроллере 16F628A, и так как я недавно приобрел программатор PIC, я решил испытать его это с помощью этого проекта.

Я убрал регулятор 7805, так как решил использовать зарядное устройство на 5 вольт от сотового телефона.

В схеме подстроичный резистор на 5 кОм, но на самом деле я поставил 10 кОм, согласно datasheet на приобретенный LCD модуль.
Все три конденсаторы 10 мкФ танталовые. Необходимо заметить что конденсатор C7 – 100мкФ на самом деле 1000мкФ.
Два конденсатора по 1000пФ конденсаторы styroflex с допустимым отклонением в 1%, индуктивная катушка 82мкГн.

Общий ток потребления с подсветкой составляет около 30мА.
Резистор R11 ограничивает ток подсветки и должен быть рассчитан в соответствии с фактически используемым LCD-модулем.

Я использовал оригинальный рисунок печатной платы в качестве отправной точки и изменил его под имеющиеся у меня компоненты.
Вот результат:

Последние две фотографии показывают LC метр в действии. На первом из них измерение емкости конденсатора 1нФ с отклонением 1%, а на втором — индуктивность 22мкГн с отклонением в 10%. Устройство очень чувствительно – то есть, с неподключенным конденсатором он показывает емкость порядка 3-5 пФ, но это устраняется путем калибровки.

Я уверен, что этот проект не является новым, но это собственная разработка и хочу, чтобы этот проект так, же был известен и полезен.

Схема LC метра на ATmega8 достаточно проста. Осциллятор является классическим и выполнен на операционном усилителе LM311. Основная цель, которую я преследовал при создании данного LC метра - сделать его не дорогим и доступным для сборки каждым радиолюбителем.

Этот проект доступен в Интернете на нескольких языках. В это время математика казалась слишком сложной. Тогда общая точность будет ограничена поведением осциллятора и одним «калибровочным конденсатором». Надеюсь, это следует за «хорошо известной формулой резонансной частоты». Ошибка составила 3% для конденсаторов 22 мкФ. «Гринкап» был бы подходящей заменой, но керамический конденсатор не может быть хорошим выбором. Некоторые из них могут иметь большие потери.

У меня нет причин подозревать какие-либо странные нелинейности в показаниях для низкоценных компонентов. Малые значения компонентов, теоретически, прямо пропорциональны разности частот. Программное обеспечение по своей сути следует этой пропорциональности.

Характеристики LC-метра:

Измерение емкости конденсаторов: 1пФ - 0,3мкФ.
Измерение индуктивности катушек: 1мкГн-0,5мГн.
Вывод информации на ЖК индикатор 1×6 или 2×16 символов в зависимости от выбранного программного обеспечения

Для данного прибора я разработал программное обеспечение , позволяющее использовать тот индикатор, который есть в распоряжении у радиолюбителя либо 1х16 символьный ЖК-дисплей, либо 2х 16 символов.

Еще вопрос о проекте?

Теперь можно спроектировать настроенную схему, построить ее и дать ей резонировать на правильной частоте в первый раз, каждый раз. Пожалуйста, проверьте это, прежде чем отправлять мне по электронной почте . Это может просто ответить на ваш вопрос. Вам нужно измерить индуктивность, но у вас нет никакого мультиметра, чтобы сделать это или даже осцилоскоп, чтобы наблюдать сигнал.

Ну, независимо от частоты или того, как сильно ударит колокол, он будет звонить на его резонансную частоту. Теперь микроконтроллеры ужасны при анализе аналоговых сигналов. В этом случае это будет 5 вольт от ардуино. Мы заряжаем схему в течение некоторого времени. Затем мы меняем напряжение от 5 вольт непосредственно до того, что этот импульс заставит цепь резонировать, создавая смягченный синусоидальный сигнал, осциллирующий при резонансной частоте. Нам нужно измерить эту частоту, а затем использовать формулы, получившие значение индуктивности.

Тесты с обоих дисплеев, дали отличные результаты. При использовании дисплея 2х16 символов в верхней строке отображается режим измерения (Cap – емкость, Ind –) и частота генератора, в нижней же строке результат измерения. На дисплее 1х16 символов слева отображается результат измерения, а справа частота работы генератора.

Принципиальная схема измерителя емкости и индукции

Резонансная частота связана со следующей ситуацией.

Поскольку наша волна является истинной синусоидальной волной, она проводит равное время выше нуля вольт и ниже нуля вольт. Затем это измерение можно удвоить, чтобы получить период, а инверсный период - это частота.

Диапазоны измерения емкости

Поскольку схема резонирует, эта частота является резонансной частотой. Решение для индуктивности приведет к уравнению моряка. После этого мы останавливаем импульс, и цепь резонирует. Компаратор будет выдавать квадратный сигнал с той же частотой, которую ардуино будет измерять с помощью функции импульсов, измеряющей время между каждым импульсом прямоугольной волны.

Однако, чтобы поместить на одну строку символов измеренное значение и частоту, я сократил разрешение дисплея. Это ни как не сказывается на точность измерения, только чисто визуально.

Как и в других известных вариантах, которые основаны на той же универсальной схеме, я добавил в LC-метр кнопку калибровки. Калибровка проводится при помощи эталонного конденсатора емкостью 1000пФ с отклонением 1%.

Постройте следующую схему и загрузите код и начните измерять индуктивность. Удалите эту строку после этой емкости =. Конденсаторы и индукторы могут быть объединены для создания резонансных схем, которые имеют ярко выраженные частотные характеристики. Количество емкостей и индуктивность этих устройств определяют как резонансную частоту, так и резкость кривой отклика, которую эти схемы проявляют.

Если емкость и индуктивность параллельны, они имеют тенденцию пропускать электрическую энергию, которая осциллирует на резонансной частоте и блоке, то есть представляет собой более высокий импеданс для других частей частотного спектра. Если они находятся в последовательной конфигурации, они имеют тенденцию блокировать электрическую энергию, которая колеблется на резонансной частоте и пропускать другие части спектра частот.

При нажатии кнопки калибровки отображается следующее:

Измерения, проведенные с помощью данного прибора на удивление точны, и точность во многом зависит от точности стандартного конденсатора, который вставляется в цепь, когда вы нажимаете кнопку калибровки. Метод калибровки устройства заключается всего лишь в измерении емкости эталонного конденсатора и автоматической записи его значения в память микроконтроллера.

Существует множество приложений для резонансных схем, включая выборочную настройку в радиопередатчиках и приемниках и подавление нежелательных гармоник. Индуктор и конденсатор в параллельной конфигурации известны как контур резервуара. Условие резонанса происходит в цепи, когда.

Проверка и калибровка

Это может произойти только с определенной частотой. Уравнение можно упростить до. Из этой информации можно, зная емкостные и индуктивные параметры схемы, найти резонансную частоту. В общем случае осциллятор в электронной схеме преобразует напряжение питания постоянного тока в выход переменного тока, который может состоять из множества сигналов, частот, амплитуд и рабочих циклов. Или выход может быть основной синусоидальной волной без какого-либо другого гармонического контента.

Хочу представить схему измерителя емкости и индуктивности небольших величин, прибор, часто просто необходимый в радиолюбительской практике. Измеритель выполнен в виде usb-приставки к компьютеру, индикация показаний происходит в специальной программе на экране монитора.

Характеристики:

Диапазон измерения C : 0.1pF - ~1µF. Переключение диапазонов автоматическое: 0.1-999.9pF , 1nF-99.99nF , 0.1µF-0.99µF .

Целью построения усилителя является проектирование схемы, которая не будет входить в колебания. В усилителе, не предназначенном для работы в качестве генератора, ограниченное количество положительной обратной связи можно использовать для увеличения коэффициента усиления. Переменное сопротивление может быть размещено последовательно с обратной связью, чтобы предотвратить колебание схемы. Расстояние между микрофоном и громкоговорителем ведет себя как сопротивление для аудиочастотных волн.

Они аналогичны электромеханическим резонаторам, таким как кварцевые кварцевые генераторы. Связь между генератором и генератором должна быть ослабленной. Мы настраиваем схему генератора, чтобы увидеть максимальное напряжение в зондовом зонде, подключенном к цепи резервуара.

Диапазон измерения L : 0.01µH - ~100mH. Переключение диапазонов автоматическое: 0.01-999.99µH , 1mH-99.99mH .

Преимущества:

Устройство не требует драйвера.

Программа не требует установки.

Не требует настройки (За исключением процедуры калибровки, которая, к слову, не требует доступа к схеме).

Не нужно подбирать точные номиналы калибровочных емкости и индуктивности (допустим разброс до ±25%! от указанных).

Вот схема измерителя LC

Теперь схема находится в резонансе, эта частота представляет собой резонансную частоту схемы. Затем измеряем напряжение цепи генератора на резонансной частоте. Мы меняем частоту генератора немного выше и ниже резонанса и определяем две частоты: напряжение на цепи в 707 раз превышает значение при резонансе. Напряжение в резонансе 707 раз составляет -3 дБ.

Полоса пропускания генератора представляет собой разницу между частотами, соответствующими этим двум 707 точкам. Выход генератора сигналов подключается к катушке связи, имеющей около 50 оборотов. Для частот в мегагерцевом диапазоне мы размещаем катушку связи примерно на 20 см от контура генератора. Расстояние в 20 см должно обеспечивать свободную связь между катушкой и осциллятором.

Органов управления на схеме нет, все управление (переключение режимов измерения, L или С, а так же калибровка прибора) происходит из управляющей программы. Пользователю доступны лишь две клеммы, для установки в них измеряемой детали, usb разъем и светодиод, который горит при запущенной управляющей программе и мигает в противном случае.

Затем мы соединяем зонд с контуром генератора. Подключение заземления зонда должно подключаться к корпусу тюнерного конденсатора. Зонд подключается к осциллографу. Из-за 100-кратного затухания в датчике выход генератора сигнала обычно должен быть достаточно высоким.

Теперь трассировка области пробегает слева направо, а левая сторона - начальная частота, а правая сторона - частота останова. Хорошее место для начала - частота развертки, составляющая около 10 герц. Мы можем повернуть конденсатор тюнера и получить кривую осциллятора на экране осциллографа. Регулятор амплитуды генератора развертки регулирует высоту пика кривой. Большим преимуществом этого метода является то, что изменения резонансной частоты схемы осциллятора могут быть непосредственно видны на экране.

Сердцем прибора является LC генератор на компараторе LM311. Для успешного вычисления величины измеряемой емкости/индуктивности нам должны быть точно известны значения установленных refC и refL, а так же частота генератора. За счет использования мощности компьютера в процессе калибровки прибора будут перебираться все возможные значения refC±25% и refL±25%. Затем из массива полученных данных в несколько этапов будут выбираться наиболее подходящие, об алгоритме ниже. За счет этого алгоритма не нужно с точностью подбирать значения емкости и индуктивности для применения в приборе, можно ставить просто, что есть и не заботится о точности номиналов. Тем более значения refC и refL могут в широком диапазоне отличаться от указанных на схеме.

Осциллятор Армстронга изначально использовался в вакуумных трубчатых передатчиках. Катушка может быть отрегулирована так, чтобы колебание цепи колебалось. Это на самом деле делитель напряжения, состоящий из двух последовательно соединенных конденсаторов. Активное устройство, усилитель, может быть биполярным переходным транзистором, полевым транзистором, операционным усилителем или вакуумной трубкой.

Это вместо настройки одного из конденсаторов или путем введения отдельного переменного конденсатора последовательно с индуктором. Разница заключается в том, что вместо емкости с центральным касанием в сочетании с индуктором он использует индуктивность с центральным касанием в сочетании с конденсатором. Сигнал обратной связи поступает от индуктора с центральным ответвлением или последовательного соединения между двумя катушками индуктивности.

Микроконтроллер с помощью библиотеки V-USB , организовывает связь с компьютером а так же производит подсчет частоты с генератора. Впрочем, расчетом частоты тоже занимается управляющая программа, микроконтроллер лишь отправляет необработанные данные с таймеров.

Микроконтроллер - Atmega48, но возможно так же применить Atmega8 и Atmega88, прошивки для трех разных микроконтроллеров прилагаю.

Эти индуктивности не обязательно должны быть взаимно соединены, поэтому они могут состоять из двух отдельных последовательно соединенных катушек, а не одного устройства с центральным касанием. В варианте, имеющем катушку с центральным ударом, индуктивность больше, потому что два сегмента связаны магнитной связью.

В генераторе Хартли частоту можно легко регулировать с помощью переменного конденсатора. Схема относительно простая, с низким количеством компонентов. Высокочастотный стабилизированный генератор может быть построен путем замены кварцевого резонатора на конденсатор.

Реле K1 - миниатюрное с двумя группами на переключение. Я применил РЭС80, загнув ножки пинцетом как у РЭС80-1 для поверхностного монтажа, с током срабатывания 40мА. Если нет возможности найти реле способное сработать от 3.3v с небольшим током, можно применить любое реле на 5v, заменив соответственно R11, K1 каскадом, нарисованным пунктиром.

Это улучшение по сравнению с осциллятором Колпитта, при котором колебания могут не возникать на определенных частотах, делающих пробелы в спектре. Как и другие осцилляторы, цель состоит в том, чтобы обеспечить комбинированное усиление, большее единицы, на резонансной частоте, чтобы поддерживать колебания. Один транзистор может быть сконфигурирован как общий базовый усилитель, а другой - как эмиттерный повторитель. Выход последователя эмиттера, подключенного обратно к входу базового транзистора, поддерживает колебания в цепи Пельца.

Варактор представляет собой обратный диод. В частности, величина обратного смещения определяет толщину зоны истощения в полупроводнике. Толщина зоны истощения пропорциональна квадратному корню напряжения, который обращает смещение диода, и емкость обратно пропорциональна этой толщине, и поэтому она обратно пропорциональна квадратному корню от приложенного напряжения.

Кварц на 12MHz я тоже применил миниатюрный, размером даже чуть меньше часового.

Управляющая программа.

Управляющая программа написана в среде Embarcadero RAD Studio XE на языке С++. Главное и основное окно, в котором происходит отображение измеряемого параметра выглядит так:

Из элементов управления на главной форме видны всего три кнопки.
- Выбор режима измерения, C - измерение емкости и L - измерение индуктивности. Выбрать режим можно также нажатием клавиш C или L на клавиатуре.
- Кнопка установки нуля, но пользоваться ей, надо сказать, придется не часто. Каждый раз при запуске программы и переключении в режим С, ноль устанавливается автоматически. Для установки нуля в режиме измерения L надо установить перемычку в клеммы прибора, если в этот момент на экране покажется ноль, значит установка прошла автоматически, если же на экране показания больше нуля, надо нажать кнопку установки нуля и показания обнулятся.

Соответственно, выход простого источника питания постоянного тока может переключаться через диапазон резисторов или переменное сопротивление для настройки генератора. Варакторы предназначены для эффективного использования этого свойства. Твердое тело с любой степенью эластичности будет вибрировать до некоторой степени при приложении механической энергии. Примером может служить гонг, пораженный молотком. Если его можно заставить непрерывно звонить, он может работать как резонансный контур в электронном генераторе.

Кварцевый кристалл неизбежно подходит для этой роли, поскольку он очень устойчив по отношению к его резонансной частоте. Резонансная частота зависит от размера и формы кристалла. Кристалл кварца как резонатор обладает удивительной добродетелью обратного электричества. Это означает, что при правильном разрезе, заземлении, монтаже и оборудовании клеммами он реагирует на приложенное напряжение, слегка меняя форму. Когда напряжение будет удалено, оно вернется к исходной пространственной конфигурации, создавая напряжение, которое может быть измерено на клеммах.

Процесс калибровки прибора очень прост. Для этого нам понадобится конденсатор с известной емкостью и перемычка - кусочек провода минимальной длины. Емкость может быть любой, но от точности примененного для калибровки конденсатора будет зависеть точность прибора. Я применил конденсатор K71-1 , емкостью 0,0295µF, точностью ±0,5%.

Для начала калибровки нужно ввести значения установленных refC и refL (Только при первой калибровки, впоследствии эти значения сохранятся в памяти устройства, впрочем их всегда можно изменить). Напомню, что значения могут на порядок отличатся от указанных на схеме, а так же совершенно не важна их точность. Далее следует ввести значение калибровочного конденсатора и нажать кнопку "Start Calibration". После появления сообщения "Insert the calibration capatitor" установите калибровочный конденсатор (у меня 0,0295µF) в клеммы прибора и ждите несколько секунд до появления сообщения "Insert the jumper". Извлеките конденсатор из клемм и установите в клеммы перемычку, подождите несколько секунд до появления сообщения "Calibration completed" на зеленом фоне, извлеките перемычку. При возникновении ошибки в процессе калибровки (например, слишком рано извлекли калибровочный конденсатор) будет выведено сообщение об ошибке на красном фоне, в таком случае просто повторите процедуру калибровки сначала. Всю последовательность калибровки в виде анимации можно видеть на скриншоте слева.

По завершению калибровки все калибровочные данные, а так же значения установленных refC и refL будут записаны в энергонезависимую память микроконтроллера. Таким образом в памяти конкретного прибора хранятся установки, конкретно для него.

Алгоритм работы программы

Подсчет частоты выполнен с использованием двух таймеров микроконтроллера. 8-битный таймер работает в режиме подсчета импульсов на входе T0 и генерирует прерывание через каждые 256 импульсов, в обработчике которого инкрементируется значение переменной-счетчика (COUNT). 16-битный таймер работает в режиме очистки по совпадению и генерирует прерывание раз в 0.36 секунд, в обработчике которого сохраняется значение переменной-счетчика (COUNT) а так же остаточное значение счетчика 8-битного таймера (TCNT0) для последующей передачи на компьютер. Дальнейшим расчетом частоты занимается уже управляющая программа. Имея два параметра (COUNT и TCNT0) частота генератора (f) рассчитывается по формуле:

Зная частоту генератора, а так же значения установленных refC и refL можно определить номинал подключенной для измерения емкости/индуктивности.

Калибровка, со стороны программы, происходит в три этапа. Я приведу наиболее интересную часть кода программы - функции, ответственные за калибровку.

1) Первый этап. Сбор в массив всех значений из диапазона refC±25% и refL±25%, при которых вычисленные L и C очень близки к нулю, при этом в клеммы прибора не должно быть ничего установлено.

//Допустимый разброс нуля при калибровке pF, nH

bool allowC0range(double a) { if (a>= 0 && a

bool allowL0range(double a) { if (a>= 0 && a

bool all_zero_values(int f, int c, int l) { //f- частота, c и l - установленные refC и refL

int refC_min = c- c/(100 / 25);

int refC_max = c+ c/(100 / 25);

int refL_min = l- l/(100 / 25);

int refL_max = l+ l/(100 / 25);

for (int a= refC_min; a//Перебор С с шагом 1pF

for (int b= refL_min; b//Перебор L с шагом 0.01µH

if (allowC0range(GetCapacitance(f, a, b)) && allowL0range(GetInductance(f, a, b))) {

//Если при данном значении refC и refL вычисленные значения С и L близки к нулю

//кладем данные значения refC и refL в массив

values_temp. push_back(a);

values_temp. push_back(b);

Обычно после этой функции в массиве накапливается от сотни до нескольких сотен пар значений.

2) Второй этап. Замер установленной в клеммы калибровочной емкости по очереди со всеми значениями в качестве refC и refL из предыдущего массива и сравнение с известным значением калибровочного конденсатора. В конечном итоге из вышеуказанного массива выбирается одна пара значений refC и refL, при которых разница между измеренным и известным значением калибровочного конденсатора будет минимальной.

Частотометр, измеритель ёмкости и индуктивности – FCL-meter

Качественный и специализированный инструмент в умелых руках – залог успешной работы и удовлетворения от её результата.

В лаборатории радиолюбителя-конструктора (и в особенности коротковолновика) помимо уже “обычных” цифрового мультиметра и осциллографа находят место и более специфические измерительные приборы– генераторы сигналов, измерители АЧХ, анализаторы спектра, ВЧ мосты и т.д. Подобные приборы, как правило, приобретаются из числа списанных за относительно небольшие (по сравнению с новыми) деньги и занимают достойное место на столе конструктора. Самостоятельное их изготовление в домашних условиях практически не возможно, по крайней мере, для рядового любителя.

В то же время есть ряд приборов, самостоятельное повторение которых не только возможно, но и необходимо по причине их редкости, специфичности или же требований к габаритно-массовым показателям. Это всевозможные приставки к мультиметрам и ГИРы, испытатели и частотометры, LC -метры и прочее. Благодаря всё большей доступности программируемых компонент и PIC -микроконтроллеров в частности, а также огромному объёму информации по их использованию в Internet , самостоятельное проектирование и изготовление домашней радиолаборатории стало вполне реальным делом доступным многим.

Описываемый ниже прибор позволяет в широких пределах измерять частоты электрических колебаний, а также ёмкость и индуктивность электронных компонентов с высокой точностью. Конструкция обладает минимальными размерами, массой и энергопотреблением, что позволяет пользоваться ею при работах на крышах, опорах и в полевых условиях.

Технические характеристики:

Частотометр Измеритель LC

Напряжение питания, В: 6…15

Ток потребления, мА: 14…17 15*

Пределы измерения, в режиме:

F 1, МГц 0,01…65**

F 2, МГц 10…950

С 0,01 пФ…0,5 мкФ

L 0,001 мкГн…5 Гн

Точность измерения, в режиме:

F 1 +-1 Гц

F 2 +-64 Гц

C 0,5 %

L 2…10 %***

Период отображения, сек, 1 0,25

Чувствительность, мВ

F 1 10…25

F 2 10…100

Габариты, мм: 110х65х30

* – в режиме самокалибровки в зависимости от типа реле до 50 мА на 2 сек.

** – нижний предел может быть расширен до единиц Гц, см. ниже; верхний в зависимости от микроконтроллера до 68 МГц

Принцип работы:

В режиме частотометра прибор работает по широко известному методу измерения PIC -микроконтроллером числа колебаний в единицу времени с досчётом предварительного делителя, что и обеспечивает такие высокие показатели. В режиме F 2 подключается дополнительный внешний высокочастотный делитель на 64 (при небольшой коррекции программы возможно использование делителей с другим коэффициентом).

При измерении индуктивностей и ёмкостей прибор работает по резонансному принципу, хорошо описанному в . Вкратце. Измеряемый элемент включается в колебательный контур с известными параметрами, входящий в состав измерительного генератора. По изменению генерируёмой частоты по общеизвестной формуле f 2 =1/4 π 2 LC рассчитывается искомое значение. Для определения собственных параметров контура к нему подключается известная дополнительная емкость, по той же формуле высчитываются индуктивность контура и его емкость, включая конструктивную.

Принципиальная схема:

Электрическая схема прибора показана на рис. 1 . В схеме можно выделить следующие основные узлы: измерительный генератор на DA 1, входной усилитель режима F 1 на VT 1, входной делитель (прескалер) режима F 2– DD 1, коммутатор сигналов на DD 2, блок измерения и индикации на DD 3 и LCD , а также стабилизатор напряжения.

Измерительный генератор собран на микросхеме-компараторе LM 311. Данная схема хорошо зарекомендовала себя в качестве генератора частоты до 800 кГц, обеспечивая на выходе сигнал, близкий к меандру. Для обеспечения стабильных показаний генератор требует согласованной по сопротивлению и стабильной нагрузки.

Частотозадающими элементами генератора являются измерительная катушка L 1 и конденсатор C 1, а также коммутируемый микроконтроллером эталонный конденсатор C 2. В зависимости от режима работы L 1 подключается к клеммам XS 1 последовательно или параллельно.

С выхода генератора сигнал через развязывающий резистор R 7 поступает на коммутатор DD 2 CD 4066.

На транзисторе VT 1 собран усилитель сигнала частотометра F 1. Схема особенностей не имеет за исключением резистора R 8, необходимого для питания выносного усилителя с малой входной ёмкостью, во многом расширяющего область применения прибора. Его схема показана на рис. 2 .

При пользовании прибором без внешнего усилителя необходимо помнить, что его вход находится под напряжением 5 Вольт, и поэтому необходим развязывающий конденсатор в сигнальной цепи.

Предделитель частотометра F 2 собран по типовой для большинства подобных прескалеров схеме, лишь введены ограничительные диоды VD 3, VD 4. Необходимо заметить, что при отсутствии сигнала предделитель самовозбуждается на частотах около 800-850 МГц, что является типичным для высокочастотных делителей. Самовозбуждение пропадает с подачей на вход сигнала от источника с входным сопротивлением близким к 50 Ом. Сигнал с усилителя и прескалера поступает на DD 2.

Главная роль в приборе принадлежит микроконтроллеру DD 3 PIC 16 F 84 A . Данный микроконтроллер пользуется огромной и заслуженной популярностью у конструкторов благодаря не только хорошим техническим параметрам и небольшой цене, но и простоте в программировании и обилию различных праметров его использования как от производителя, компании MicroChip , так и всех, кто применял его в своих конструкциях. Желающим получить подробную информацию достаточно в любом поисковике Internet ’а ввести слова PIC , PIC 16 F 84 или MicroChip . Результат поиска Вам понравится.

Сигнал с DD 2 поступает на формирователь, выполненный на транзисторе VT 2. Выход формирователя непосредственно подключен к входящему в микроконтроллер триггеру Шмидта. Результат расчётов выводится на алфавитно-цифровой дисплей с интерфейсом HD 44780. Микроконтроллер тактируется частотой 4МГц, при этом его быстродействие составляет 1млн. операций в секунду. В приборе предусмотрена возможность внутрисхемного программирования посредством разъёма ISCP (in circuit serial programming ). Для этого необходимо удалить перемычку XF 1, изолировав этим цепь питания микроконтроллера от остальной схемы. Далее присоединяем программатор к разъёму и “зашиваем” программу, после чего не забываем установить перемычку. Такой способ особенно удобен при работе с микроконтроллерами в корпусе для поверхностного монтажа (SOIC ).

Управление режимами осуществляется тремя кнопочными переключателями SA 1– SA 3 и будет подробно описано ниже. Данные переключатели не только включают нужный режим, но и обесточивают не задействованные в данном режиме узлы, снижая общее энергопотребление. На транзисторе VT 3 собран ключ управления реле, подключающего эталонный конденсатор C 2.

Микросхема DA 2 является высококачественным стабилизатором 5 Вольт с низким остаточным напряжением и сигнализатором разряда питающей батареи. Эта микросхема специально разрабатывалась для использования в устройствах с низким токопотреблением и батарейным питанием. В питающей цепи установлен диод VD 7 для защиты прибора от переполюсовки. Пренебрегать им не стоит!!!

При использовании индикатора, требующего отрицательного напряжения, необходимо по схеме рис. 3 собрать источник отрицательного напряжения. Источник обеспечивает до –4 Вольт при использовании в качестве 3 VD 1, 3 VD 2 германиевых диодов или с барьером Шоттки.

Схема программатора JDM , доработанного для внутрисхемного программирования, приведена на рис. 4 . Подробнее о программировании будет сказано ниже в соответствующем разделе.

Детали и конструкция:

Большинство использованных в авторском устройстве деталей рассчитано на планарный монтаж (SMD), под них же спроектирована печатная плата. Но вместо них могут быть использованы аналогичные более доступные отечественного производства с ”обычными” выводами без ухудшения параметров прибора и с соответствующим изменением печатной платы. VT1, VT2 и 2VT2 могут быть заменены на КТ368, КТ339, КТ315 и пр. В случае с КТ315 следует ожидать небольшое падение чувствительности на на верхнем участке диапазона F1. VT3– КТ315, КТ3102. 2VT1– КП303, КП307. VD1, 2, 5, 6– КД522, 521, 503. В качестве VD3, 4 желательно применить pin-диоды с минимальной собственной ёмкостью, например КД409 и пр. но вполне можно обойтись и КД503. VD7– для уменьшения падения напряжения желательно выбрать с барьером Шоттки– 1N5819, или обычный из указанных выше.

DA1– LM311, IL311, К544СА3, предпочтение следует отдать IL311 завода «Интеграл», так как они лучше работают в необычной роли генератора . DA2– прямых аналогов не имеет, но допускается замена на обыкновенную КР142ЕН5А с соответствующим изменением схемы и отказом от сигнализации разряда батареи. Вывод 18 DD3 в таком случае необходимо оставить подтянутым к Vdd через резистор R23. DD1– выпускается множество прескалеров подобного типа, например SA701D, SA702D, совпадающий по выводам с применённым SP8704. DD2– xx4066, 74HC4066, К561КТ3. DD3– PIC16F84A прямых аналогов не имеет, обязательно наличие индекса А (с ОЗУ в 68 байт). При некоторой коррекции программы возможно использование более “продвинутого” PIC16F628A, имеющего вдвое большую память программ и быстродействие до 5 млн. операций в секунду.

В авторском приборе использован алфавитно-цифровой двустрочный по 8 символов в строке дисплей производства Siemens, требующий отрицательного напряжения в 4 вольта и поддерживающий протокол контроллера HD44780. Для такого и подобного дисплеев необходимо загружать программу FCL2x8.hex. Значительно удобнее в работе прибор с дисплеем формата 2*16. Такие индикаторы выпускаются множеством фирм, например Wintek, Bolumin, DataVision, и содержат в своём названии цифры 1602. При использовании доступного SC1602 фирмы SunLike необходимо поменять местами его выводы 1 и 2 (1–Vdd, 2–Gnd). Для таких дисплеев (2х16) используется программа FCL2x16.hex. Подобные дисплеи обычно не требуют отрицательного напряжения.

Особое внимание необходимо уделить выбору реле К1. Прежде всего, оно должно уверенно срабатывать при напряжении 4,5 вольт. Во-вторых, сопротивление замкнутых контактов (при подаче указанного напряжения) должно быть минимальным, но не более 0,5 Ом. Многие малогабаритные герконовые реле с потреблением в 5-15 мА от импортных телефонных аппаратов имеют сопротивление порядка 2-4 Ом, что недопустимо в данном случае. В авторском варианте использовано реле TIANBO TR5V.

В качестве XS1 удобно использовать акустические зажимы или линейку из 8-10 цанговых контактов (половинку панельки под м/с)

Важнейшим элементом, от качества которого зависит точность и стабильность показаний измерителя LC, является катушка L1. Она должна обладать максимальной добротностью и минимальной собственной ёмкостью. Неплохо здесь работают обыкновенные дроссели Д, ДМ, ДПМ индуктивностью 100-125 мкГн.

К конденсатору C1 требования также довольно высокие, особенно по термостабильности. Это может быть КМ5 (M47), К71-7, КСО ёмкостью 510…680 пФ.

Таким же должен быть и C2, но в пределах 820…2200 пФ.

Прибор собран на двусторонней плате размерами 72х61 мм. Фольга с верхней стороны практически полностью сохранена (см. файл FCL-meter.lay) за исключением окружения элементов контура (для уменьшения конструктивной ёмкости). Элементы SA1–SA4, VD7, ZQ1, L1, L2, K1, индикатор и пару перемычек расположены с верхней стороны платы. Длина проводников от измерительных зажимов XS1 до соответствующих контактов на печатной плате должна быть минимальна. Разъём питания XS2 установлен со стороны проводников. Плата помещена в стандартный пластмассовый корпус 110х65х30 мм. с отсеком для батареи питания типа “Крона”.

Для расширения нижней границы измерения частоты до единиц герц необходимо параллельно С7, С9 и С15 подключить электролитические конденсаторы 10 мк.

Программирование и настройка

Включать прибор с установленным, но незапрограммированым микроконтроллером не рекомендуется!!!

Начинать сборку прибора необходимо с установки элементов стабилизатора напряжения и установки подстроечным резистором R 22 напряжения 5.0 вольт на выводе 1 микросхемы DA 2. После этого можно устанавливать все остальные элементы кроме DD 3 и индикатора. Ток потребления не должен превышать 10-15 мА при различных положениях SA 1- SA 3.

Для программирования микроконтроллера можно воспользоваться разъёмом ISCP . На время программирования перемычка XF 1 удаляется (конструкция разъёма иного не допускает). Для программирования рекомендуется использовать некоммерческую программу IC - Prog , последнюю версию которой можно бесплатно загрузить с www.ic-prog.com (около 600 кбайт). В установках программатора (F 3) необходимо выбрать JDM Programmer , убрать все птички в разделе Communication и выбрать порт, к которому подключен программатор.

Прежде чем загрузить в программу одну из прошивок FCL 2 x 8. hex или FCL 2 x 16. hex , необходимо выбрать тип микроконтроллера – PIC 16 F 84 A , остальные флаги автоматически установятся после открытия файла прошивки и изменять их нежелательно. При программировании важно, чтобы общий провод компьютера не имел контакта с общим проводом программируемого устройства, иначе данные не запишутся.

Усилитель-формирователь и измерительный генератор в настройке не нуждаются. Для достижения максимальной чувствительности можно подобрать резисторы R 9 и R 14.

Дальнейшая настройка прибора проводится с установленными DD 3 и LCD в следующем порядке:

1.Ток потребления не должен превышать 20 мА в любом режиме (кроме момента срабатывания реле).

2.Резистором R 16 устанавливается желаемая контрастность изображения.

3.В режиме частотометра F 1 конденсатором С22 добиваются правильных показаний по промышленному частотометру или иным способом. Возможно использование в качестве эталонных источников частоты гибридных кварцевых генераторов от радио и сотовых телефонов (12,8МГц, 14,85Мгц и пр.) или, в крайнем случае, компьютерные 14,318МГц и др. Расположение выводов питания (5 или 3 вольт) у модулей стандартное для цифровых микросхем (7– минус и 14–плюс), сигнал снимается вывода 8. Если настройка происходит при крайнем положении ротора, то придётся подобрать и ёмкость C23.

4.Далее необходимо зайти в режим установки констант (см. ниже в разделе ”Работа с прибором”). Константа X 1 устанавливается численно равной ёмкости конденсатора С2 в пикофарадах. Константа X 2 равна 1.000 и может быть скорректирована позже при настройке измерителя индуктивности.

5.Для дальнейшей настройки необходимо иметь набор (1-3 штуки) конденсаторов и индуктивностей с известными значениями (желательна точность лучше 1%). Самокалибровка прибора должна проходить с учётом конструктивной ёмкости зажимов (см. ниже описание вариантов самокалибровки).

6.В режиме измерения ёмкости отмеряем известную ёмкость, далее номинал конденсатора делим на показания прибора, это значение будет использовано для корректировки константы X 1. Можно повторить эту операцию с другими конденсаторами и найти среднее арифметическое отношений их номиналов к показаниям. Новое значение константы X 1 равно произведению найденного выше коэффициента на “старое” её значение. Это значение необходимо записать до перехода к следующему пункту.

7.В режиме измерения индуктивности аналогично находим отношение номинала к показаниям. Найденное отношение будет новой константой X 2 и записывается в EEPROM аналогично X 1. Для настройки желательно использовать индуктивности от 1 до 100 мкГн (лучше несколько из этого диапазона и найти среднее значение). Если имеется катушка с индуктивностью в несколько десятков-сотен миллигенри с известными значениями индуктивности и собственной ёмкости, то можно проверить работу режима двойной калибровки. Показания собственной ёмкости, как правило, несколько занижены (см. выше).

Работа с прибором

Режим частотометра . Для входа в данный режим необходимо вжать SA 1 ” Lx ” и SA 2 “ Cx ”. Выбор пределов F 1/ F 2 осуществляется переключателем SA 3: отжат – F 1, вжат – F 2. С прошивкой для дисплея 2х16 символов на дисплее отображается надпись “ Frequency ” XX , XXX . xxx MHz или XXX , XXX . xx MHz . Для дисплея 2х8 соответственно “ F =” XXXXXxxx или XXXXXXxx MHz , вместо десятичной точки здесь используется символ □ над значением частоты.

Режим самокалибровки . Для измерения индуктивностей и ёмкостей прибору необходимо пройти самокалибровку. Для этого после подачи питания необходимо отжать SA 1 ” Lx ” и SA 2 ”С x ” (какой именно – подскажет надпись L или C ). После чего прибор войдёт в режим самокалибровки и отобразит “ Calibration ” или ” WAIT ”. После этого нужно сразу же вжать SA 2 ”С x ”. Сделать это нужно достаточно быстро не дожидаясь срабатывания реле. Если же пропустить последний пункт, то ёмкость клемм не будет учтена прибором и “нулевые” показания в режиме ёмкости будут 1-2 пФ. Подобная калибровка (с вжатием SA 2 ” Cx ”) позволяет учитывать емкость выносных щупов-зажимов с собственной ёмкостью до 500 pF , однако пользоваться такими щупами при измерении индуктивностей до 10 mH нельзя.

Режим “C x ” может быть выбран после калибровки нажатием на SA 2 ” Cx ”, SA 1 ” Lx ” должен быть отжат. При этом выводится “ Capacitance ” XXXX xF или “ C =” XXXX xF .

Режим ” Lx ” активизируется при нажатом SA 1 ” Lx ” и отжатом SA 2 ” Cx ”. Вход в режим двойной калибровки (для индуктивностей более 10 миллигенри) происходит при любом изменении положения SA 3 ” F 1/ F 2”, при этом помимо индуктивности отображается и собственная ёмкость катушки, что может быть очень полезно. На дисплее отображается “ Inductance ” XXXX xH или ” L =” XXXX xH . Выход из данного режима происходит автоматически при извлечении катушки из зажимов.

Возможен переход в любой последовательности между перечисленными выше режимами. Например, сначала частотометр, затем калибровка, индуктивность, ёмкость, индуктивность, калибровка (необходима, если прибор долгое время находился включеным, и параметры его генератора могли “уйти”), частотометр и т.д. При отжатии SA 1 ” Lx ” и SA 2 ” Cx ” перед входом в калибровку предусмотрена небольшая (3 секунды) пауза для исключения нежелательного входа в этот режим при простом переходе от одного режима к другому.

Режим установки констант . Данный режим необходим только при настройке прибора, поэтому вход в него предполагает подключение внешнего выключателя (или перемычки) между выводом 13 DD 3 и общим, а также двух кнопок между выводами 10, 11 DD 3 и общим проводом.

Для записи констант (см. выше) необходимо включить прибор при закороченном выключателе. На дисплее в зависимости от положения переключателя SA 3 ” F 1/ F 2” отразится “ Constant X 1” XXXX или “ Constant X 2” X . XXX . Кнопками можно изменять значение констант с шагом в один разряд. Для сохранения установленного значения необходимо изменить состояние SA 3. Для выхода из режима необходимо разомкнуть выключатель и переключить SA 3 или выключить питание. Запись в EEPROM происходит только при манипуляциях с SA 3.

Файлы прошивки и исходные тексты (. hex и. asm ): FCL -prog

Принципиальная схема в (sPlan 5.0): FCL -sch .spl

Печатная плата (Sprint Layout 3.0 R):

22.03.2005. Доработки FCL-метра
Буевский Александр, Минск.

1 . Для расширения диапазона измеряемых емкостей и индуктивностей необходимо соединить выводы 5 и 6 DA1.

2 . Доработка входных цепей микроконтроллера (см. рис.) увеличит стабильность измерения частоты. Можно также использовать аналогичные микросхемы серий 1554, 1594, ALS, АС, НС, например 74AC14 или 74HC132 с изменениями в схеме.

08.10.2014
Стереофонический регулятор громкости, баланса и тембра на ТСА5550 имеет следующие параметры: Малые нелинейные искажения не более 0,1% Напряжение питания 10-16В (12В номинальное) Ток потребления 15…30мА Входное напряжение 0,5В (коэффициент усиления при напряжении питания 12В единица) Диапазон регулировки тембра -14…+14дБ Диапазон регулировки баланса 3дБ Разница между каналами 45дБ Отношение сигнал шум …
29.09.2014
Принципиальная схема передатчика показана на рис.1. Передатчик (27МГц) выдает мощность около 0,5Вт. В качестве антенны используется провод 1 м длиной. Передатчик состоит из 3-х каскадов — задающего генератора (VT1), усилителя мощности (VT2) и манипулятора (VT3). Частота задающего генератора задается кв. резонатором Q1 на частоту 27 МГц. Нагружен генератор на контур …
28.09.2014
Параметры усилителя: Суммарный диапазон воспроизводимых частот 12…20000Гц Максимальная выходная мощность СЧ-ВЧ каналов(Rн=2,7Ом, Uп=14В) 2*12Вт Максимальная выходная мощность НЧ канала(Rн=4Ом, Uп=14В) 24Вт Номинальная мощность СЧ-ВЧ каналов при КНИ 0,2% 2*8Вт Номинальная мощность НЧ канала при КНИ 0,2% 14Вт Максимальный ток потребления 8 А В данной схеме А1 — ВЧ-СЧ усилитель, а …
30.09.2014
УКВ-приемник работает в диапазоне 64-108МГц. Схема приемника основана на 2-х микросхемах: К174ХА34 и ВА5386, дополнительно в схеме присутствуют 17 конденсаторов и всего 2-а резистора. Колебательный контур один, гетеродинный. На А1 выполнен супергетеродинный УКВ-ЧМ без УНЧ. Сигнал от антенны поступает через С1 на вход ПЧ микросхемы А1(вывод12). Настройка на станцию производится …