Algoritmo para medir la capacitancia de los capacitores en el avr. Medidor de capacitancia digital. Modelos basados ​​en expansores de doble unión: montaje y ajuste

Habiendo encontrado el artículo Medidor de capacitancia digital en Internet, quise ensamblar este medidor. Sin embargo, el microcontrolador AT90S2313 y los indicadores LED con un ánodo común no estaban a mano. Pero había ATMEGA16 en un paquete DIP y una pantalla de cristal líquido de siete segmentos de cuatro dígitos. Las salidas del microcontrolador fueron suficientes para conectarlo directamente a la pantalla LCD. Por lo tanto, el medidor se simplificó a solo un microcircuito (de hecho, también hay un segundo: un regulador de voltaje), un transistor, un diodo, un puñado de resistencias de condensadores, tres conectores y un botón. El dispositivo resultó ser Compacta y fácil de usar. Ahora no tengo preguntas sobre cómo medir la capacitancia de un capacitor. Esto es especialmente importante para los condensadores SMD con capacidades de varios picofaradios (e incluso en fracciones de picofaradio), que siempre verifico antes de soldar en cualquier placa. Actualmente se están produciendo muchos medidores de sobremesa y portátiles, cuyos fabricantes reclaman un límite inferior para las mediciones de capacitancia de 0,1 pF y una precisión de medición suficiente para capacitancias tan pequeñas. Sin embargo, en muchos de ellos las mediciones se realizan a una frecuencia bastante baja (unidades de kilohercios). La pregunta es, ¿es posible obtener una precisión de medición aceptable en tales condiciones (incluso si se conecta un condensador más grande en paralelo con el medido)? Además, en Internet puede encontrar bastantes clones del circuito del medidor RLC en un microcontrolador y amplificador operacional(el mismo con relé electromagnético y con LCD de una o dos líneas). Sin embargo, es imposible medir “humanamente” pequeñas capacidades con tales dispositivos. A diferencia de muchos otros, este medidor está especialmente diseñado para medir pequeños valores de capacitancia.

En cuanto a la medición de pequeñas inductancias (unidades de nanogeneración), para ello utilizo con éxito el analizador RigExpert AA-230, que es producido por nuestra empresa.

Foto del medidor de capacitancia:

Parámetros del medidor de capacitancia

Rango de medición: 1 pF a aproximadamente 470 μF.
Límites de medición: conmutación automática de límites - 0… 56 nF (límite inferior) y 56 nF… 470 μF (límite superior).
Indicación: tres dígitos significativos (dos dígitos para capacidades inferiores a 10 pF).
Control: el único botón para establecer "cero" y calibración.
Calibración: una vez, utilizando dos condensadores de referencia, 100 pF y 100 nF.

La mayoría de los pines del microcontrolador están conectados a la pantalla LCD. Algunos de ellos también tienen un conector para la programación en circuito del microcontrolador (ByteBlaster). Se utilizan cuatro pines en el circuito de medición de capacitancia, incluidas las entradas del comparador AIN0 y AIN1, la salida para controlar el rango de medición (usando un transistor) y la salida para seleccionar el voltaje umbral. Un botón está conectado al único pin restante del microcontrolador.

El regulador de voltaje de +5 V se ensambla de acuerdo con el esquema tradicional.

Indicador: siete segmentos, 4 caracteres, con conexión directa de segmentos (es decir, no multiplexados). Desafortunadamente, no había ninguna marca en la pantalla LCD. El mismo pinout y dimensiones (51 × 23 mm) tienen indicadores de muchas empresas, por ejemplo, AND y Varitronix.

El diagrama se muestra a continuación (el diagrama no muestra un diodo para protección contra "inversión de polaridad", se recomienda conectar el conector de alimentación a través de él):

Programa de microcontrolador

Dado que ATMEGA16 es de la serie "MEGA" y no de la serie "pequeña", tiene poco sentido escribir un programa de ensamblaje. En el lenguaje C, es posible hacerlo mucho más rápido y más fácil, y una cantidad decente de memoria flash del microcontrolador le permite usar la biblioteca incorporada de funciones de punto flotante al calcular la capacidad.

El microcontrolador mide la capacitancia en dos pasos. En primer lugar, se determina el tiempo de carga del condensador a través de la resistencia de 3,3 MΩ (límite inferior). Si el voltaje requerido no se alcanza dentro de 0.15 segundos (que corresponde a una capacitancia de aproximadamente 56 pF), el capacitor se carga nuevamente a través de la resistencia de 3.3 kΩ (límite de medición superior).

En este caso, el microcontrolador primero descarga el capacitor a través de una resistencia de 100 ohmios y luego lo carga a un voltaje de 0.17 V. Solo después de eso, el tiempo de carga se mide a un voltaje de 2.5 V (la mitad del voltaje de suministro). Después de eso, se repite el ciclo de medición.

Cuando se muestra el resultado, se aplica un voltaje de polaridad alterna (en relación con su cable común) con una frecuencia de aproximadamente 78 Hz a los terminales de la pantalla LCD. Una frecuencia suficientemente alta elimina por completo el parpadeo del indicador.

Este medidor de capacitancia puede medir la capacitancia de capacitores con resolución de 1pF en el extremo inferior del rango. La capacitancia máxima medible es 10,000 μF. Se desconoce la precisión real, pero el error lineal está dentro de un máximo de 0.5%, y usualmente menos de 0.1% (obtenido midiendo varios capacitores conectados en paralelo). Las mayores dificultades surgen al medir grandes condensadores electrolíticos.

El medidor de capacitancia opera en el modo de selección automática de los límites de medición, o de manera forzada en el rango inferior o superior de capacidades. El instrumento tiene dos rangos de medición diferentes, haciendo dos mediciones para el mismo condensador. Esto permite verificar la veracidad de la medición y averiguar si la parte medida es realmente un condensador. Con este método, los electrolitos exhiben su característica no linealidad, dando diferentes valores en diferentes rangos de medición.

El medidor de capacitancia tiene un sistema de menú que, entre otras cosas, le permite calibrar el valor cero y la capacitancia de 1 μF. La calibración se guarda en la EEPROM.

Uno de los chips más pequeños, Atmega8, fue elegido para el proyecto. El circuito está alimentado por una batería de 9 voltios a través de un regulador lineal 7805.

El dispositivo puede funcionar en tres modos: medición en el rango inferior, en el rango superior y en el modo de descarga. Estos modos están determinados por el estado de los pines PD5 y PD6 del controlador. Durante la descarga, el PD6 tiene un registro. 0 y el condensador se descarga a través de la resistencia R7 (220 Ohm). En el rango de medición superior, PD5 tiene un registro. 1, cargando el condensador a través de R8 (1.8K) y PD6 está en el estado Z para permitir que el comparador analógico compare el voltaje. En el rango de medición más bajo, PD5 también está en el estado Z, y el capacitor se carga solo a través de R6 (1.8MΩ).

Cualquier pantalla de 16x2 caracteres en el controlador HD44780 se puede utilizar como indicador. Los pines del conector de pantalla se muestran en esta figura:

El dispositivo se ensambla en una placa de pruebas y se aloja en una caja de plástico rectangular simple. Los orificios para el indicador, el botón y el LED se cortan en la tapa de la caja, que se fijan con pegamento termofusible:

Programa de medidor de capacidad

El dispositivo puede utilizar las familias de controladores atmega8 y atmega48 / 88/168. Al reemplazar un controlador en el programa, debe cambiar la línea responsable de la configuración del temporizador para un controlador en particular.

En el microcontrolador, pero después de algunas discusiones con otros radioaficionados y una serie de experimentos, me vinieron a la mente pensamientos sobre su mejora adicional. El nuevo dispositivo se caracteriza por una mayor precisión y más amplia gama... Se basa en el controlador PIC16F90.

Circuito medidor de capacitancia e inductancia

Características del medidor LCR

Condensadores:

• 1pF a 1nF - Resolución: 0.1 PF, Precisión: 1%
• 1nF a 100nF - Resolución: 1pF, Precisión: 1%
• Resolución de 100nF a 1uF - 1nF, error: 2,5%

Electrolitos:

• Resolución de 100 nF a 100.000 uF - 1nF, precisión: 5%

Inductancia:

• Resolución de 10nH a 20H - 10nH, precisión: 5%

Resistencia:

• 1 mOhm a 0,5 ohmios - resolución de 1 mOhm, precisión: 5%

Aquí necesita mejorar: el dispositivo funciona más como un miliohmímetro. Resiste más de un ohmio, casi no mide. Placa de circuito impreso para el instrumento está diseñado de tal manera que es posible conectar una pantalla LCD en la parte superior. La resistencia de recorte R10 se utiliza para ajustar el contraste de la pantalla.

Todas las resistencias son de película metálica, 1%. Dos condensadores de 1nF también con una desviación del 1%. La capacidad CX1 - 33nF también es crítica: debe ser de polipropileno con un alto voltaje de funcionamiento del condensador (varios cientos de voltios). El estrangulador debe ser Rdc bajo. Hay un conector en el medidor para un adaptador de red que omite el botón de apagado.

Si el dispositivo funciona con un adaptador de corriente externo, puede aumentar el brillo de la luz de fondo de la pantalla disminuyendo el valor de resistencia de la resistencia R11. Consulte la documentación de la pantalla para seleccionar el valor de resistencia correcto.

Tenga en cuenta que los condensadores electrolíticos deben descargarse antes de la medición; de lo contrario, existe el peligro de quemar el controlador. Todos los archivos para ensamblar el circuito (varias opciones de firmware, placas de circuito impreso) están en el archivo. ...

Este es un medidor de capacitancia simple. Existen varios métodos para medir la capacitancia, por ejemplo, usando un puente de resistencia o midiendo la deflexión de una aguja magnética. V Últimamente Los medidores de capacitancia típicos miden la capacitancia y algunos características adicionales medir el vector de corriente aplicando un voltaje alterno a la capacitancia medida. Algunos medidores de capacitancia simples usan un método de integración para medir la respuesta transitoria de un circuito RC. Hay kits listos para usar para ensamblar medidores de capacitancia que implementan este método.

Este proyecto utiliza un método de integración. La ventaja de este método es que el resultado se puede obtener fácilmente inmediatamente en forma digital, porque el método se basa en medir intervalos de tiempo, no se requiere un circuito analógico preciso, el medidor se puede calibrar fácilmente usando un microcontrolador. Por lo tanto, el método de integración es más adecuado para un medidor de capacitancia ensamblado a mano.

Proceso transitorio

El fenómeno que se manifiesta hasta que el estado del circuito se estabiliza después de un cambio de estado se denomina transitorio. El proceso transitorio es uno de los fenómenos fundamentales en circuitos de impulso... Cuando se abre el interruptor de la Figura 1a, el capacitor C se cargará a través de R y Vc cambiará como se muestra en la Figura 1b. Para cambiar el estado del circuito en la Figura 1a, también es posible cambiar el EMF E, en lugar de usar un interruptor, los dos métodos serán equivalentes. La dependencia de la tensión Vc en el tiempo t se expresa mediante la fórmula.

(1)

Dimensiones de las cantidades: t - segundos, R - Ohms, C - Faradios, número - e, aproximadamente 2,72. cuando la tensión Vc alcanza un cierto valor Vc1, el tiempo t1 se puede expresar mediante la fórmula:

(2)

Esto significa que el tiempo t1 es proporcional a C. Por lo tanto, la capacidad se puede calcular a partir del tiempo de carga y otros parámetros fijos.

Pieza de hardware

Para medir el tiempo de carga, todo lo que necesita es un comparador de voltaje, un contador y alguna lógica de conexión. Sin embargo, el microcontrolador (AT90S2313) utilizado en este proyecto facilita su implementación. Al principio pensé que el comparador analógico en los controladores AVR es inútil, pero descubrí que la señal de la salida del comparador se puede alimentar a la entrada del flip-flop TC1. Esta es una gran oportunidad para nuestra ocasión.

El circuito integrador se puede simplificar como se muestra en el diagrama del dispositivo. El voltaje de referencia es generado por un divisor resistivo. Parece que el uso de un divisor hace que el resultado sea inestable a los cambios en la tensión de alimentación, sin embargo, el tiempo de carga no depende de la tensión de alimentación. Usando la fórmula (2), puede encontrar que el voltaje generalmente se puede reemplazar por el parámetro Vc1 / E, que depende solo de la relación de la resistencia del divisor. Esta ventaja se utiliza en el chip temporizador NE555. por supuesto, la tensión de alimentación debe ser estable durante la medición.

De acuerdo con los principios fundamentales, solo se puede utilizar una tensión de referencia al medir la capacitancia. Sin embargo, usar un voltaje de entrada cercano a cero es problemático por las siguientes razones.

• El voltaje nunca caerá a cero voltios. El voltaje a través del capacitor no puede caer a 0 voltios. Se necesita tiempo para que el capacitor se descargue a un nivel de voltaje lo suficientemente bajo como para permitir las mediciones. Esto aumentará el intervalo de medición. Una caída de voltaje en la llave de descarga también aumentará este efecto.
• Hay un tiempo entre el inicio de la carga y el inicio del temporizador. Esto puede provocar errores de medición. Esto se puede ignorar en el AVR porque solo necesitan un ciclo frecuencia de reloj, para esto. Es posible que otros controladores deban solucionar este problema.
• Corriente de fuga en un circuito analógico. De acuerdo con la especificación AVR, la corriente de fuga en las entradas analógicas aumenta cuando el voltaje en ellas es cercano a cero. Esto puede provocar errores de medición.

Para evitar el uso de voltajes cercanos a cero, se utilizan dos voltajes de referencia Vc1 (0.17 Vcc) y Vc2 (0.5 Vcc) y se mide la diferencia de tiempo t2-t1 (0.5RC). Esto evita los problemas anteriores y también se compensa el retardo del comparador. La placa de circuito del dispositivo debe mantenerse limpia para minimizar la fuga de corriente superficial.

La tensión de alimentación es generada por un convertidor alimentado por una batería de 1,5 voltios. La fuente de alimentación clave no es aplicable para el circuito de medición, aunque parece que el circuito no está sujeto a fluctuaciones de voltaje, ya que se aplican dos filtros en el circuito de alimentación. ... Recomiendo usar una batería de 9 voltios con un estabilizador de 5 voltios 78L05 en lugar de él, y no excluya la función BOD o sufrirá daños en los datos de la memoria no volátil del controlador.

Graduación

Para calibrar el rango inferior: En primer lugar, configure 0 con el botón SW1. Luego conecte un capacitor de precisión de 1nF, pines cortos # 1 y # 3 de P1 y presione SW1.

Para calibrar el rango alto: Conecte un condensador de precisión de 100 nF, cortocircuite las clavijas n. ° 4 y n. ° 6 del conector P1 y presione SW1.

"E4" cuando se enciende significa que el valor de calibración en la memoria no volátil está dañado. Este mensaje nunca se mostrará si ya se ha realizado una calibración. En cuanto al ajuste de cero, este valor no se escribe en la memoria no volátil y debe reiniciarse en cada encendido y antes de cada medición.

Uso

Conmutación automática rango

El proceso de medición comienza con un intervalo de 500 milisegundos, desde el momento en que se conecta la capacitancia medida. La medición comienza en el rango inferior (3,3 mΩ). Si el voltaje a través del capacitor no alcanza 0.5 Vcc dentro de 130 milisegundos (> 57 nF), el capacitor se descarga y la medición se reinicia en el rango alto (3.3 kΩ). Si el voltaje a través del capacitor no alcanza 0.5 Vcc en 1 segundo (> 440 μF), la medición se cancela y se muestra el mensaje "E2". En el caso de que se mida el valor de tiempo válido, la capacitancia se calcula y se muestra. El valor de capacidad se muestra de tal manera que solo se muestran en la pantalla los primeros tres dígitos de la izquierda. Esto selecciona automáticamente dos rangos de medición y tres rangos de visualización.

Estoy seguro de que este proyecto no es nuevo, pero es mi propio desarrollo y quiero que este proyecto también sea conocido y útil.

Esquema Medidor LC en ATmega8 Suficientemente simple. El oscilador es clásico y está hecho con el amplificador operacional LM311. El objetivo principal que perseguí al crear este medidor LC fue hacerlo económico y disponible para que todos los radioaficionados lo ensamblen.

Diagrama esquemático de un medidor de capacitancia e inducción.

Especificaciones del medidor LC:

• Medición de capacitancia de condensadores: 1pF - 0.3mkF.
• Medida de inductancia de bobinas: 1mkH-0.5mH.
• Salida de información en el indicador LCD 1 × 6 o 2 × 16 caracteres, según el software seleccionado

Para este dispositivo, he desarrollado software, lo que le permite utilizar el indicador que el radioaficionado tiene a disposición de una pantalla LCD de 1x16 caracteres o de 2x16 caracteres.

Las pruebas con ambas pantallas dieron excelentes resultados. Cuando se usa una pantalla de 2x16 caracteres línea superior se muestran el modo de medición (Cap - capacitancia, Ind -) y la frecuencia del generador, en la línea inferior el resultado de la medición. La pantalla de 1x16 caracteres muestra el resultado de la medición a la izquierda y la frecuencia del generador a la derecha.

Sin embargo, para ajustar el valor medido y la frecuencia en una línea de carácter, reduje la resolución de la pantalla. Esto no afecta de ninguna manera a la precisión de la medición, solo de forma puramente visual.

Al igual que con otras variantes conocidas, que se basan en el mismo esquema universal, Agregué un botón de calibración al medidor LC. La calibración se realiza utilizando un condensador de referencia de 1000pF con una desviación del 1%.

Al presionar el botón de calibración se muestra lo siguiente:

Las mediciones realizadas con este instrumento son sorprendentemente precisas, y la precisión depende en gran medida de la precisión del condensador estándar que se inserta en el circuito cuando se presiona el botón de calibración. El método de calibración del dispositivo consiste únicamente en medir la capacidad del condensador de referencia y registrar automáticamente su valor en la memoria del microcontrolador.

Si no conoce el valor exacto, puede calibrar el instrumento cambiando los valores de medición paso a paso hasta obtener el valor de condensador más preciso. Hay dos botones para tal calibración, tenga en cuenta que están etiquetados como "ARRIBA" y "ABAJO" en el diagrama. Al presionarlos, puede ajustar la capacitancia del capacitor de calibración. Este valor se escribe automáticamente en la memoria.

Antes de cada medición de la capacidad, es necesario restablecer las lecturas anteriores. El restablecimiento a cero ocurre presionando "CAL".

Para reiniciar en modo inductancia, primero debe cortocircuitar los pines de entrada y luego presionar "CAL".

Toda la instalación está diseñada teniendo en cuenta la libre disponibilidad de componentes de radio y con el fin de lograr un dispositivo compacto. El tamaño de la placa no excede el tamaño de la pantalla LCD. He utilizado componentes de montaje en superficie y discretos. Relé con una tensión de funcionamiento de 5V. Resonador de cuarzo - 8MHz.