Измеритель LC. Схема, описание

Бесплатная техническая библиотека

ЭНЦИКЛОПЕДИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Бесплатная библиотека / Схемы радиоэлектронных и электротехнических устройств

Измеритель LC. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Бесплатная техническая библиотека

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Измерительная техника

Комментарии к статье

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 [1], 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 показания 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

(нажмите для увеличения)

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.

Измеритель LC

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

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.

Наладку начинают с установки нуля микросхемы DA1, контролируя напряжение на его выходе с помощью мультиметра. Следует выставить это напряжение в пределах 0...+5 мВ резистором R14. Движок резистора R12 должен быть в среднем положении, а переключатель SA1 желательно отсоединить от платы для снижения паразитной емкости входа. Показания индикатора при этом должны быть в пределах 0...3. Затем восстанавливают соединение SA1, нажимают и отпускают кнопку SB1. Через 2 с индикатор должен показывать 0...±1. После этого к входным клеммам подключают образцовую емкость и, вращая движок R12, устанавливают соответствие показания истинному значению емкости выбранного конденсатора. Цена младшего разряда - 0,1 пФ. Затем необходимо проконтролировать весь диапазон и, при необходимости, уточнить положение движка R12, стараясь получить погрешность не хуже 2...3 %. Допустима и подстройка нуля, если показания в конце шкалы немного занижены или завышены. Но после каждого изменения положения движка R14 следует отключать измеряемый конденсатор и нажимать кнопку установки нуля.

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 [2]. 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.

Автор: И.Хлюпин, г.Киров

Смотрите другие статьи раздела Измерительная техника.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Искусственная кожа для эмуляции прикосновений 15.04.2024

В мире современных технологий, где удаленность становится все более обыденной, сохранение связи и чувства близости играют важную роль. Недавние разработки немецких ученых из Саарского университета в области искусственной кожи представляют новую эру в виртуальных взаимодействиях. Немецкие исследователи из Саарского университета разработали ультратонкие пленки, которые могут передавать ощущение прикосновения на расстоянии. Эта передовая технология предоставляет новые возможности для виртуального общения, особенно для тех, кто оказался вдали от своих близких. Ультратонкие пленки, разработанные исследователями, толщиной всего 50 микрометров, могут быть интегрированы в текстильные изделия и носиться как вторая кожа. Эти пленки действуют как датчики, распознающие тактильные сигналы от мамы или папы, и как исполнительные механизмы, передающие эти движения ребенку. Прикосновения родителей к ткани активируют датчики, которые реагируют на давление и деформируют ультратонкую пленку. Эта ...>>

Кошачий унитаз Petgugu Global 15.04.2024

Забота о домашних животных часто может быть вызовом, особенно когда речь заходит о поддержании чистоты в доме. Представлено новое интересное решение стартапа Petgugu Global, которое облегчит жизнь владельцам кошек и поможет им держать свой дом в идеальной чистоте и порядке. Стартап Petgugu Global представил уникальный кошачий унитаз, способный автоматически смывать фекалии, обеспечивая чистоту и свежесть в вашем доме. Это инновационное устройство оснащено различными умными датчиками, которые следят за активностью вашего питомца в туалете и активируются для автоматической очистки после его использования. Устройство подключается к канализационной системе и обеспечивает эффективное удаление отходов без необходимости вмешательства со стороны владельца. Кроме того, унитаз имеет большой объем смываемого хранилища, что делает его идеальным для домашних, где живут несколько кошек. Кошачий унитаз Petgugu разработан для использования с водорастворимыми наполнителями и предлагает ряд доп ...>>

Привлекательность заботливых мужчин 14.04.2024

Стереотип о том, что женщины предпочитают "плохих парней", долгое время был широко распространен. Однако, недавние исследования, проведенные британскими учеными из Университета Монаша, предлагают новый взгляд на этот вопрос. Они рассмотрели, как женщины реагируют на эмоциональную ответственность и готовность помогать другим у мужчин. Результаты исследования могут изменить наше представление о том, что делает мужчин привлекательными в глазах женщин. Исследование, проведенное учеными из Университета Монаша, приводит к новым выводам о привлекательности мужчин для женщин. В рамках эксперимента женщинам показывали фотографии мужчин с краткими историями о их поведении в различных ситуациях, включая их реакцию на столкновение с бездомным человеком. Некоторые из мужчин игнорировали бездомного, в то время как другие оказывали ему помощь, например, покупая еду. Исследование показало, что мужчины, проявляющие сочувствие и доброту, оказались более привлекательными для женщин по сравнению с т ...>>

Случайная новость из Архива

Какой язык самый легкий 02.01.2002

Несмотря на свою распространенность в мире в качестве языка межнационального общения и представление о том, будто его легче всего выучить, английский язык - самый трудный из европейских языков.

Во всяком случае, на нем труднее всего научиться читать. Дети других народов осваивают основы грамоты в среднем за год, а маленьким англичанам требуется для этого два с половиной года. К такому выводу пришел после обширного исследования английский филолог Филипп Сеймур, сравнив обучение детей чтению в 15 странах Европы.

Оказалось, что быстрого прогресса достигают дети из стран с романскими языками (Франция, Италия), тогда как читать на языках германской группы (немецкий, английский) научиться сложнее. Особенно трудно осваивается английская грамота. И в странах английского языка больше детей, страдающих дислексией - затрудненным восприятием писаного текста.

Сложность английского состоит в том, что одни и те же буквы в разных случаях, в разных словах произносятся по-разному. Самым же легким из европейских языков, по мнению Сеймура, является финский. На нем звучание всех букв всегда одинаково - как слышится, так и пишется. Хотя его грамматика гораздо сложнее английской - одних падежей 15.

По мнению английских филологов, большая распространенность английского объясняется не мнимой его легкостью, а исторической случайностью. Сложилось так, что англоязычные страны были за последние полтора-два века наиболее успешными в политике, экономике и науке, потому и язык стал распространенным, говорят английские лингвисты.

Другие интересные новости:

▪ Новый химический элемент, обладающий магнитными свойствами

▪ Первый кабельный модем и маршрутизатор PCX5000

▪ Самообновляемый вечный компьютер

▪ Премиальный электромобиль Mercedes-Benz EQS

▪ Новая подвесная акустическая система

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Цифровая техника. Подборка статей

▪ статья Цель оправдывает средства. Крылатое выражение

▪ статья Как выглядели первые ружья? Подробный ответ

▪ статья Лук-скорода. Легенды, выращивание, способы применения