Mikroprocesorowy miernik LC

PRESS-POLSKA
Nowy Elektronik, ul. Junaków 2, 82-300 Elbl¹g, tel./fax 055 236-22-63, e-mail: [email protected]
Mikroprocesorowy miernik LC
Nowy Elektronik 057-K
W praktyce amatorskiej bardzo trudno jest zmierzyæ ma³e wartoœci pojemnoœci i indukcyjnoœci, z którymi niestety
najczêœciej mamy do czynienia.
Przedstawiony poni¿ej miernik umo¿liwia pomiar pojemnoœci kondensatorów w
zakresie od 0.1pF do 1nF oraz indukcyjnoœci cewek i d³awików od 0.1µH do ponad 1mH.
Pomimo prostoty budowy miernik ma bardzo dobre parametry.
Zasada pomiaru
Profesjonalne mierniki zasadê swojego dzia³ania opieraj¹ na pomiarach mostkowych lub ró¿nicowych. Niestety mierniki takie s¹ bardzo trudne do wykonania ze wzglêdu
na zastosowanie wysokich czêstotliwoœci pomiarowych i skomplikowanych technik pomiaru. Prezentowany poni¿ej miernik ma odmienn¹ konstrukcjê. WyobraŸmy sobie dowolny generator LC, który generuje jak¹œ okreœlon¹ czêstotliwoœæ. Jeœli do obwodu LC generatora do³¹czymy element o charakterze indukcyjnym lub pojemnoœciowym, to generator
zmieni swoj¹ czêstotliwoœæ o jak¹œ wartoœæ. Jeœli znamy czêstotliwoœæ generatora przed
do³¹czeniem elementu L lub C i po do³¹czeniu jednego z tych elementów, to pos³uguj¹c
siê matematyk¹ mo¿emy bardzo precyzyjnie wyznaczyæ parametry do³¹czonego elementu. Istnieje jednak pewien problem - zale¿noœæ czêstotliwoœci generatora od wartoœci elementów LC jest niestety nieliniowa, co uniemo¿liwia bezpoœredni pomiar tych wartoœci.
Z tego powodu do niedawna nie mo¿na by³o wykonaæ takiego miernika. Aby uzyskaæ
wynik w pF lub µH trzeba siê trochê naliczyæ. Na szczêœcie teraz zrobi to za nas mikroprocesor. Obecnie zastosowanie techniki mikroprocesorowej powoduje, ¿e miernik jest bardzo prosty w wykonaniu i obs³udze, a jego parametry nie ustêpuj¹ miernikom profesjonalnym. Algorytm pracy miernika polega na pomiarze i zapamiêtaniu czêstotliwoœci pracy
generatora przed i po do³¹czeniu elementu mierzonego. Jak wczeœniej wspomnia³em,
znaj¹c obie czêstotliwoœci i tzw. sta³¹ generatora, mo¿na wyliczyæ wartoœæ pojemnoœci
lub indukcyjnoœci do³¹czanego elementu. Sta³a generatora obliczana jest automatycznie
podczas procesu kalibracji miernika. Okreœla ona “podatnoœæ” generatora na odstrojenie
po do³¹czeniu elementu reaktancyjnego. Poni¿ej przedstawione jest wyprowadzenie wzorów, w oparciu o które procesor wykonuje obliczenia. Procedura wyliczenia wykonuje
kilkanaœcie tysiêcy rozkazów zanim uzyska wynik. Niektóre poœrednie wyniki obliczeñ zajmuj¹ obszar a¿ 8 bajtów. Czêstotliwoœæ drgañ w rezonansie pr¹dów (równoleg³y obwód
rezonansowy) jest opisana wzorem:
fr=( 1 / 2Pi ) *Sqr ((1/LC) - (RL2 /L 2))
Wzór ten jest s³uszny, zak³adaj¹c ¿e sk³adowa rzeczywista reaktancji kondensatora jest
bardzo ma³a, co w praktyce w wiêkszoœci przypadków jest spe³nione. Przy za³o¿eniu, ¿e
rezystancja cewki RL jest bardzo ma³a, wyra¿enie RL2/L2 d¹¿y do zera, poniewa¿ licznik
u³amka d¹¿y do zera, a to z kolei umo¿liwia uproszczenie wzoru do postaci:
fr = 1/(2Pi*Sqr(LC))
i wykorzystanie go w naszym mierniku LC.
Opis dzia³ania
Nasz miernik sk³ada siê z dwóch prawie identycznych generatorów i inteligentnego czêstoœciomierza. Generatory pracuj¹ w uk³adzie Seilera, gdy¿ jest to jeden ze stabilniejszych uk³adów generacyjnych. Wartoœci elementów zastosowanych w generatorach nie s¹ krytyczne, jednak elementy te musz¹ byæ stabilne termicznie i d³ugoterminowo. Jako cewki L1 i L2 mo¿na zastosowaæ typowe d³awiki w obudowach identycznych jak
rezystory 0.125W. Napiêcie mierzone oscyloskopem na emiterach tranzystorów w generatorach, powinno mieæ wartoœæ co najmniej 3.5Vp-p. Za jego poziom odpowiedzialne s¹
elementy R1, C1, C2, C3 oraz odpowiadaj¹ce im elementy drugiego generatora. Generatory wytwarzaj¹ przebieg ma³o przypominaj¹cy sinusoidê lub prostok¹t. Aby poprawiæ
jego “wygl¹d”, zastosowano dzielnik przez dwa, wykonany na dwóch przerzutnikach typu
D. Na wyjœciach Q otrzymujemy elegancki prostok¹t o wype³nieniu 1:1. Jeœli procesor
wystawi poziom H na wyprowadzeniu 14, to do wejœcia T1 zostanie doprowadzony sygna³
z generatora toru pomiaru indukcyjnoœci. Tranzystor T3 wy³¹cza zasilanie generatora pomiaru pojemnoœci podczas pomiaru indukcyjnoœci, jeœli wyst¹pi zjawisko zdudnienia generatorów.
W uk³adzie US4 przechowywane s¹ wspó³czynniki kalibracyjne i nawet po wy³¹czeniu
zasilania dane te nie s¹ tracone. Jako wyœwietlacz LCD zastosowano typowy wyœwietlacz
o organizacji 2*16 znaków z pojedynczym napiêciem zasilania.
Monta¿ i uruchomienie
Monta¿ jest prosty i nie wymaga d³ugiego komentarza. Nale¿y zwróciæ uwagê, aby
elementy generatora by³y zamontowane w sposób stabilny, a cewki by³y zamontowane
ponad p³ytk¹ w odleg³oœci oko³o 8mm. Wartoœci elementów LC w generatorze nie s¹ krytyczne i mog¹ ulec nawet du¿ej zmianie, w zale¿noœci od zastosowanych cewek. Tak wiêc
nale¿y je traktowaæ tylko orientacyjnie. Istotne jest, aby elementy generatora by³y stabilne
termicznie. Ka¿dy miernik posiada jakieœ zaciski pomiarowe. Z praktyki wiadomo, ¿e gniazda
“bananowe” nie s¹ dobrym rozwi¹zaniem w przypadku miernika LC. Proponujê zastosowaæ
brzydkie, ale skuteczne rozwi¹zanie tego problemu. Zamiast montowaæ gniazda, wyprowadzamy z miernika gotowe przewody pomiarowe. I tak dla pomiaru indukcyjnoœci proponujê
zastosowaæ dwa przewody w izolacji, zakoñczone ma³ymi “krokodylkami”. Przewody nie
powinny byæ zbyt d³ugie (oko³o 15cm) oraz zbyt cienkie. Dla pomiaru pojemnoœci proponujê
zastosowaæ odcinek 15-20 cm przewodu ekranowanego, równie¿ zakoñczonego “krokodylkami”. Wa¿ne jest, aby ekran przewodu by³ gêsty, wymagania te spe³nia np. RG58CU. Oczywiœcie ekran kabla ³¹czymy do masy miernika. Zastosowanie kabla ekranowanego uchroni
nas przed wp³ywem œrodowiska zewnêtrznego na wyniki pomiarów pojemnoœci.
Do sterowania miernikiem wykorzystywane s¹ tylko trzy przyciski. Miernik zosta³ tak oprogramowany, ¿e w dolnej linii wyœwietlacza wyœwietlaj¹ siê podpisy do klawiatury, a w górnej linii dane. Przycisk S1 montujemy pod wyœwietlaczem z lewej strony, S2 pod wyœwietlaczem na œrodku, a S3 pod wyœwietlaczem z prawej strony. Po sprawdzeniu jakoœci monta¿u
mo¿na przyst¹piæ do uruchomienia. Pod³¹czamy zasilanie 9V. Na wyœwietlaczu powinny pojawiæ siê napisy powitalne. Pobór pr¹du ca³ego miernika nie powinien przekraczaæ 35mA.
Jeœli pojawi siê napis: “b³¹d pamiêci eeprom”, to trzeba sprawdziæ jakoœæ po³¹czeñ. Jeœli
wszystko jest w porz¹dku i miernik reaguje na naciskanie przycisków, mo¿emy przyst¹piæ do
uruchomienia generatorów pomiarowych. Wy³¹czamy zasilanie, naciskamy S1 i trzymaj¹c
go w³¹czamy ponownie zasilanie. Po chwili powinna zostaæ wyœwietlona czêstotliwoœæ generatora toru pomiarowego Cx. Wartoœæ tej czêstotliwoœci nie jest specjalnie istotna, ale
nie mo¿e byæ wiêksza ni¿ 60.000, ani mniejsza ni¿ 30.000. Najwa¿niejsze jest - aby by³a
stabilna. Jeœli wszystko jest w porz¹dku, to pod³¹czamy do zacisków wejœciowych kondensator o pojemnoœci oko³o 1.2 nF. Wskazywana czêstotliwoœæ spadnie i powinna nadal byæ
stabilna. Jeœli wynosi zero lub jest niestabilna, trzeba zwiêkszyæ wartoœæ pojemnoœci C3.
Jeœli zmienimy wartoœæ C3, to ponownie od³¹czamy do³¹czony do wejœcia kondensator i
odczytujemy wartoœæ czêstotliwoœci. Jeœli nie mieœci siê w zadanych granicach, nale¿y zmieniæ
wartoœæ C4, a gdy to nie przyniesie zadowalaj¹cego efektu, trzeba zamieniæ cewkê na inn¹
i powtórzyæ ca³¹ operacjê od pocz¹tku.
Po uruchomieniu generatora pomiarowego toru Cx, przystêpujemy do uruchomienia generatora toru Lx. Od³¹czamy zasilanie, naciskamy S2 i ponownie za³¹czamy zasilanie. Po chwili
powinna ukazaæ siê czêstotliwoœæ generatora toru Lx. Zwieramy zaciski wejœciowe Lx, wskazania powinny zawieraæ siê pomiêdzy 60.000, a 30.000. Jeœli s¹ inne, korygujemy wartoœæ
C7 lub L2. Jeœli jest OK’, to pod³¹czamy do wejœcia cewkê o indukcyjnoœci oko³o 1.2mH.
Wskazywana czêstotliwoœæ spadnie. Jeœli bêdzie równa zero lub bêdzie niestabilna, trzeba
zwiêkszyæ wartoœæ C8. Warunkiem przejœcia do dalszego uruchomienia i kalibracji jest uzyskanie stabilnej pracy obu generatorów. Jeœli generator lub generatory pracuj¹ niestabilnie,
to tak d³ugo trzeba wymieniaæ elementy na inne, a¿ uzyskamy zadowalaj¹cy efekt. Przyczyn¹
niestabilnej pracy mo¿e byæ równie¿ zbyt ma³e wzmocnienie pr¹dowe tranzystorów (parametr h21e), dlatego trzeba stosowaæ tranzystory z klas¹ C.
Kalibracja miernika
Oczywiste jest to, ¿e kalibracjê miernika bêdziemy wykonywaæ z wykorzystaniem
wykonanych przewodów pomiarowych. Ich wp³yw na póŸniejsze pomiary zostanie skompensowany podczas procesu kalibracji miernika. Jeœli wszystko jest w porz¹dku, to restartujemy mikroprocesor poprzez wy³¹czenie i ponowne w³¹czenie miernika. Teraz trzeba odczekaæ oko³o 15 minut na ustabilizowanie termiczne pracy generatorów. Po up³ywie powy¿szego czasu naciskamy przycisk zerowania (S2), nastêpnie kalibracji (S1), potem zgodnie z
PRESS-POLSKA
Nowy Elektronik, ul. Junaków 2, 82-300 Elbl¹g, tel./fax 055 236-22-63, e-mail: [email protected]
Spis elementów 057-K
Rys. 1 Schemat miernika LC
KABEL
EKRANOWANY
L1
L2
C3
C4
C8
C7
R2
R3
R5
R4
C2
C9
+5
+5
T1
R1
T2
R6
T3
R7
C5
C1
C6
C10
R8
9
4011
11
C17
5
6
2
1
4011
C14
4011
US2C
US2B
8
9
US2A
4011
4
3
1
Vin
+5
GND
Vout
7805
C13
9
39
3
US3
RESET
P00
T1
T0
X1
C15
18
31
40
+5
Q1
EA/VP
VCC
X2
C16
P10
P11
P12
P13
P14
P15
P16
P17
RXD
TXD
INT0
WR
RD
P24
P22
P21
GND
89C51
C11
1
2
3
4
5
6
7
8
E
RW
RS
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
C18
10
11
12
16
17
24
23
22
20
S1
+5
C19
+5
GND
CO
S2
+5
R9
S3
SCL
SDA
24C16
6
5
7
8
9
10
11
12
13
14
RS
E
RW
4
6
5
CO
3
GND
+5
1
2
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
RS
E
R/-W
CONT
GND
+5
WM-C1602M
US4
VDD
A0
A1
A2
WP
VSS
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
Wys.1
+5
8
1
2
3
7
4
Inne:
S1-S3 - 3 szt
Wys.1 - WM-C1602M
Q1 - 12MHz
Z1 - ARK2
Z2 - BH-14S
Z3 - IDC-14
Taœma 14 ¿y³ - 10cm
DIL40 - podsawka
P³ytka - 057-K (88mm x 84mm)
15
14
C12
19
Pó³przewodniki:
T1 - BC547B
T2 - BC547B
T3 - BC557
US5
10
2
Cewki:
L1 - 150µF
L2 - 150µF
Uk³ady scalone:
US1 -4013 lub odpwiednik
US2 - 4011 lub odpwiednik
US3 - 89C51
US4 - 24C16 lub odpwiednik
US5 - 7805
+
12
13
9V
-
-Q
US1B
D
Q
US2D
2
1
13
C
S
R
-Q
4013
D
Q
US1A
C
S
R
12
11
8
10
5
3
6
4
4013
Kondensatory:
C1 - 2,2nF
C2 - 2,2nF
C3 - 470pF*
C4 - 56pF*
C5 - 220nF
C6 - 220nF
C7 - 100pF*
C8 - 220pF*
C9 - 2,2nF
C10 - 2,2nF
C11 - 33pF
C12 - 33pF
C13 - 4,7µF/50V
C14 - 220nF
C15 - 220nF
C16 - 47µF/16V
C17 - 47µF/16V
C18 - 220nF
C19 - 220nF
Cx
Lx
Rezystory:
R1 - 680*
R2 - 39k
R3 - 33k
R4 - 33k
R5 - 39k
R6 - 680*
R7 - 10k
R8 - 4,7k
R9 - 300
PRESS-POLSKA
Nowy Elektronik, ul. Junaków 2, 82-300 Elbl¹g, tel./fax 055 236-22-63, e-mail: [email protected]
Uwaga!!!
Na p³ytce drukowanej b³êdnie zosta³ zaznaczony stabilizator US5. Poprawne oznaczenie zosta³o zamieszczone
na rys.2
Rys. 2 Rozmieszczenie elementów na p³ytce drukowanej
proœb¹ do³¹czamy kondensator wzorcowy i ponownie naciskamy przycisk S1, oznaczony
jako “Dalej”. Za poœrednictwem S2 (-) i S3 (+) ustawiamy wskazania zgodne ze wzorcem.
Nastêpnie naciskamy S1 i na pytanie, czy zapisaæ kalibracjê - odpowiadamy “tak” poprzez
naciœniêcie S3. Tor pomiaru pojemnoœci mamy ju¿ skalibrowany.
Teraz przystêpujemy do kalibracji toru indukcyjnoœci. Naciskamy S3, aby wejœæ w tryb pomiaru indukcyjnoœci, potem S1, zwieramy wejœcie i znów naciskamy S1. Pod³¹czamy wzorzec indukcyjnoœci i ponownie naciskamy S1. Pozosta³e czynnoœci wykonujemy identycznie
jak w przypadku kalibracji toru pomiaru pojemnoœci.
Jeszcze kilka uwag: dla zwiêkszenia dok³adnoœci miernika, jako pojemnoœæ wzorcow¹ nale¿y zastosowaæ kondensator z przedzia³u 470pF do 1nF. Natomiast indukcyjnoœæ wzorcowa
nie powinna byæ wiêksza ni¿ 470µH, aby nie mieæ k³opotów z pojemnoœciami miêdzyzwojowymi i z zafa³szowaniem wyniku pomiaru. Elementy wzorcowe warto zachowaæ do okresowego sprawdzenia i kalibracji miernika.
A teraz wa¿na informacja, jeœli pod³¹czymy do miernika kondensator 100pF i naciœniemy
klawisz zerowania (S2) i do³¹czymy drugi kondensator np. o pojemnoœci 220pF, to miernik
na pewno nie wska¿e poprawnej wartoœci 220pF. Trzeba zdaæ sobie sprawê, ¿e przycisk
zerowania s³u¿y do kompensacji dryftu termicznego miernika, a nie do pomiarów ró¿nicowych. Powy¿szy fakt dotyczy siê równie¿ pomiaru indukcyjnoœci.
A teraz dwie dobre wiadomoœci, pierwsza: je¿eli przy kalibracji naciœniemy (+) lub (-) i
przytrzymamy ponad 1 sekundê, to miernik nas trochê odci¹¿y i sam bêdzie zmienia³ wartoœæ wzorcow¹ w zadanym kierunku. A druga jest taka, ¿e mo¿emy mierzyæ zmiany pojemnoœci symetrycznych diód pojemnoœciowych w funkcji wielkoœci napiêcia wstecznego Ur.
Oczywiœcie napiêcie Ur trzeba pod³¹czaæ przez rezystor co najmniej 100k.
A teraz trochê o b³êdach pomiaru i œwiadomoœci ich wystêpowania. Jeœli chodzi o pomiar
pojemnoœci, to w zasadzie nie ma niespodzianek w interesuj¹cym nas zakresie pomiarowym. Jednak nale¿y pamiêtaæ o tym, ¿e do³¹czenie nawet krótkiego kawa³ka przewodu
spowoduje dodanie do wyniku kilku pikofaradów, co ³atwo sprawdziæ w praktyce. Znacznie
gorzej wygl¹da sprawa z pomiarem indukcyjnoœci powy¿ej 100µH. Cewki o wiêkszej indukcyjnoœci mog¹ mieæ du¿e pojemnoœci miêdzyzwojowe, co wprowadza dodatkowy b³¹d pomiarowy objawiaj¹cy siê zawy¿aniem wyniku pomiaru. Równie¿ rezystancja cewki wp³ywa
na wynik pomiaru, powoduj¹c tym razem zani¿enie wskazañ. Jedno jest pewne, nie tylko
nasz miernik widzi pojemnoœci i rezystancje paso¿ytnicze, ale równie¿ generatory i filtry, w
których zamontujemy zmierzone cewki. Dlatego przy korzystaniu z miernika trzeba zdawaæ
sobie sprawê z tego, co mierzymy i nie patrzeæ bezkrytycznie na wyniki pomiarów. Na koniec informacja, jeœli miernik wyœwietli napis, ¿e Cx lub Lx jest poza zakresem to oznacza to,
¿e generator zerwa³ drgania na skutek pod³¹czenia wadliwego elementu lub elementu o zbyt
du¿ej reaktancji. Miernik poprzez swoj¹ konstrukcjê jest dosyæ dobrze zabezpieczony przed
uszkodzeniami, ale nie radzê pod³¹czaæ “twardych” Ÿróde³ napiêcia do jego wejœcia Cx, gdy¿
on tego bardzo nie lubi.