Алгоритм виміру ємності конденсаторів на авр. Цифровий вимірювач ємності. Моделі на базі двоперехідних розширювачів: складання та налаштування

Виявивши в інтернеті статтю Digital Capacitance Meter, я захотів зібрати цей вимірник. Однак під рукою не виявилося мікроконтролера AT90S2313 та світлодіодних індикаторів із загальним анодом. Натомість були ATMEGA16 у DIP-корпусі та чотирирозрядний семисегментний рідкокристалічний індикатор. Висновків мікроконтролера якраз вистачало на те, щоб підключити його до РКІ безпосередньо. Таким чином, вимірювач спростився всього до однієї мікросхеми (насправді, є і друга – стабілізатор напруги), одного транзистора, діода, жменьки резисторів-конденсаторів, трьох роз'ємів та кнопки. Прилад вийшов компактний та зручний у використанні. Тепер я не маю запитань про те, як виміряти ємність конденсатора. Особливо це важливо для SMD-конденсаторів з ємностями в кілька пикофарад (і навіть у частки пикофарада), які я завжди перевіряю перед тим, як паяти в яку-небудь плату. Зараз випускається безліч настільних та портативних вимірювачів, виробники яких заявляють про нижню межу вимірювань ємності в 0.1 пФ та достатню точність вимірювань таких малих ємностей. Однак у багатьох їх вимірювання проводяться на досить низькій частоті (одиниці кілогерц). Постає питання, чи можна отримати прийнятну точність вимірювань в таких умовах (навіть якщо паралельно вимірюваному підключити конденсатор більшої ємності)? Крім того, в інтернеті можна знайти досить багато клонів схеми RLC-метра на мікроконтолері та операційному підсилювачі(та сама, що з електромагнітне релеі з одно- або дворядковим РКІ). Однак такими приладами малі ємності поміряти «по-людськи» не вдається. На відміну від багатьох інших цей вимірник спеціально спроектований для вимірювання малих значень ємності.

Що стосується вимірювання малих індуктивностей (одиниці наногенрі), то я для цього успішно використовую аналізатор RigExpert AA-230, який випускає наша компанія.

Фотографія вимірювача ємності:

Параметри вимірювача ємності

Діапазон вимірювання: від 1 пФ до 470 мкФ.
Межі вимірювання: автоматичне перемикання меж – 0…56 нФ (нижня межа) та 56 нФ… 470 мкФ (верхня межа).
Індикація: три цифри (дві цифри для ємностей менших, ніж 10 пФ).
Управління: єдина кнопка для встановлення «нуля» та калібрування.
Калібрування: одноразове, за допомогою двох зразкових конденсаторів, 100 пФ і 100 нФ.

Більшість висновків мікроконтролера підключена до РКІ. До деяких із них також підключений роз'єм для внутрішньосхемного програмування мікроконтролера (ByteBlaster). Чотири висновки задіяні у схемі вимірювання ємності, включаючи входи компаратора AIN0 та AIN1, вихід управління межами вимірювання (за допомогою транзистора) та вихід вибору порогової напруги. До єдиного висновку, що залишився, мікроконтролера підключена кнопка.

Стабілізатор напруги +5 зібраний за традиційною схемою.

Індикатор – семисегментний, на 4 знаки, з прямим підключенням сегментів (тобто не мультиплексний). На жаль, на РКІ не було маркування. Таку ж цоколівку та розміри (51×23 мм) мають індикатори багатьох фірм, наприклад, AND та Varitronix.

Схема наведена нижче (на схемі не показаний діод для захисту від "переполюсування", через нього рекомендується підключити роз'єм живлення):

Програма мікроконтролера

Оскільки ATMEGA16 – із серії «MEGA», а не із серії «tiny», особливого сенсу писати асемблерну програму немає сенсу. Мовою Сі вдається зробити її набагато швидше і простіше, а пристойний обсяг flash-пам'яті мікроконтролера дозволяє користуватися вбудованою бібліотекою функцій з плаваючою точкою при розрахунку ємності.

Мікроконтролер проводить вимірювання ємності за два кроки. Насамперед визначається час заряду конденсатора через резистор опором 3.3 МОм (нижня межа). Якщо потрібна напруга не досягнута протягом 0.15 секунд (що відповідає ємності близько 56 пФ), заряд конденсатора повторюється через резистор 3.3 кОм (верхня межа вимірювання).

При цьому мікроконтролер спочатку розряджає конденсатор через резистор опором 100 Ом, а потім заряджає його до напруги 0.17 В. Тільки після цього заміряється час заряду до напруги 2.5 (половина напруги живлення). Після цього цикл вимірювання повторюється.

При виведенні результату на висновки РКІ подається напруга змінної полярності (щодо загального дроту) з частотою близько 78 Гц. Досить висока частота повністю усуває мерехтіння індикатора.

Цей вимірювач ємності може вимірювати ємність конденсаторів з роздільною здатністю 1 пФ нижньому кінці діамазону. Максимальна ємність, що вимірюється - 10000 мкФ. Реальна точність не відома, але лінійна помилка лежить в межах максимум 0.5% і зазвичай менше 0.1% (отримано вимірюванням паралельно підключених декількох конденсаторів). Найбільші складнощі виникають при вимірі електролітичних конденсаторів великої ємності.

Вимірник ємності працює в режимі автоматичного вибору меж вимірювання, або в нижньому або верхньому діапазоні ємностей примусово. Прилад має дві різні межі вимірювання, реалізуючи два вимірювання для одного і того ж конденсатора. Це дає можливість перевірити правдивість вимірювання та дізнатися, чи дійсно вимірювана деталь є конденсатором. У цьому методі електроліти виявляють свою характерну нелінійність, даючи різні значення за різних межах виміру.

Вимірювач ємності має систему меню, яка дозволяє відкалібрувати нульове значення і ємність в 1 мкФ. Калібрування зберігається в EEPROM.

Для проекту був обраний один із найменших чіпів - Атмега8. Схема живиться від 9-вольтової батареї через лінійний регулятор 7805.

Прилад може працювати в трьох режимах: вимірювання в нижньому діапазоні, у верхньому діапазоні та режимі розрядки. Ці режими визначаються станом висновків PD5 та PD6 контролера. Під час розрядки PD6 має балка. 0 та кондерсатор розряджається через резистор R7 (220 Ом). У верхньому діапазоні вимірювань PD5 має балка. 1, заряджаючи конденсатор через R8 (1.8K) і PD6 знаходиться в Z стані щоб дозволити аналоговому компаратору порівнювати напругу. У нижньому діапазоні вимірювань PD5 також знаходиться у Z-стані, і конденсатор заряджається тільки через R6 (1.8MОм).

Як індикатор може використовуватись будь-який дисплей на контролері HD44780 розміром 16x2 символів. Розведення конектора дисплея показано на цьому малюнку:

Пристрій зібрано на макетній платі та розміщено у простому прямокутному пластиковому корпусі. У кришці корпусу вирізані отвори під індикатор, кнопку та світлодіод, які закріплені термоклеєм:

Програма вимірювача ємності

У пристрої можна використовувати контролери atmega8 та atmega48/88/168 сімейства. При заміні контролера у програмі потрібно змінити рядок, який відповідає за конфігурацію таймера конкретного контролера.

На мікроконтролері, але після деяких обговорень з колегами-радіоаматорами та серії експериментів, прийшли на думку думки про його подальше поліпшення. Новий прилад відрізняється підвищеною точністю і більше широким діапазоном. У його основі – контролер PIC16F90.

Схема вимірника ємності та індуктивності

Характеристики LCR метра

Конденсатори:

• від 1pF до 1nF - роздільна здатність: 0,1 ПФ, точність: 1%
• від 1nF до 100nF - роздільна здатність: 1pF, точність: 1%
• від 100nF до 1uF - роздільна здатність 1nF, похибка: 2.5%

Електроліти:

• від 100 НФ до 100 000uF - роздільна здатність 1nF, точність: 5%

Індуктивність:

• від 10nH до 20H - роздільна здатність 10nH, точність: 5%

Опір:

• від 1 мОм до 0,5 Ом - роздільна здатність 1 мОм, точність: 5%

Тут потрібно погладшати - пристрій працює скоріше як міліомметр. Резистори більше одного Ома воно майже не міряє. Друкована платадля приладу розроблено таким чином, що можна підключити РК-дисплей у верхній частині. Для регулювання контрастності дисплея служить підстроювальний резистор R10.

Усі резистори металопленочні, 1%. Два 1nF конденсатори теж з відхиленням 1%. Ємність CX1 - 33nF, також критична - це має бути поліпропілен з високою робочою напругою конденсатора (кілька сотень вольт). Дросель має бути з низьким Rdc. Є у вимірнику роз'єм для окремого мережевого адаптера, який обходить кнопку вимкнення.

Якщо пристрій працює із зовнішнім адаптером живлення, ви можете збільшити яскравість підсвічування екрана за рахунок зменшення значення опору резистора R11. Вивчіть документацію на дисплей, щоб вибрати правильне значення опору резистора.

Майте на увазі, що електролітичні конденсатори повинні бути розряджені до вимірювання, інакше є небезпека спалити контролер. Усі файли для збирання схеми (кілька варіантів прошивок, друковані плати) – знаходяться в архіві. .

Це найпростіший вимірювач ємності. Є кілька методів вимірювання ємності, наприклад, за допомогою моста опорів або вимірюючи відхилення магнітної стрілки. В Останнім часомтипові вимірники ємності вимірюють ємність та деякі додаткові характеристикивимірюючи вектор струму, подаючи на вимірювану ємність змінну напругу. Деякі прості вимірювачі ємності використовують метод інтегрування, вимірюючи короткочасний відгук RC ланцюжка при перехідному процесі. Існують готові набори для збирання вимірювачів ємності, що реалізують цей метод.

У цьому вся проекті використовується метод інтегрування. Перевага цього методу в тому, що результат легко може бути отриманий відразу в цифровому вигляді, тому що метод заснований на вимірі часових інтервалів, точної аналогової схеми не потрібно, вимірювач легко може бути калібрований при використанні мікроконтролера. Таким чином, метод інтегрування найбільш підходить для вимірника ємності ручного складання.

Перехідний процес

Явище, що виявляє доки стан ланцюга не стабілізується після зміни стану, називається перехідним процесом. Перехідний процес це одне з фундаментальних явищ у імпульсних схемах. Коли вимикач на малюнку 1а розімкнеться, конденсатор буде заряджатися через резистор R і напруга Vc буде змінюватися так, як показано на малюнку 1b. Для зміни стану ланцюга на малюнку 1а, також можна змінювати ЕРС Е, замість використання вимикача, ці два методи будуть еквівалентні. Залежність напруги Vc від часу t виражається формулою.

(1)

Розмірності величин: t – секунди, R – Оми, C – Фаради, число – е, приблизно 2,72. коли напруга Vc досягне деякого значення Vc1 час t1 може бути виражено за формулою:

(2)

Це означає, що час t1 пропорційно С. Таким чином, ємність може бути обчислена з часу заряду та інших фіксованих параметрів.

Апаратна частина

Щоб виміряти час заряду потрібно лише компаратор напруги, лічильник і деяка сполучна логіка. Однак, мікроконтролер (AT90S2313), що використовується в цьому проекті, дозволяє реалізувати це простіше. Спочатку я думав, що аналоговий компаратор у контролерах AVR марний, але я виявив, що сигнал із виходу компаратора може бути поданий на вхід тригера ТС1. Це чудова нагода для нашого випадку.

Інтегруюча схема може бути спрощена, як показано на схемі пристрою. Опорна напруга створюється резистивним дільником. На вигляд здається, що використання дільника робить результат нестабільним до зміни напруги живлення, проте час заряду не залежить від напруги живлення. Використовуючи формулу (2), ви можете виявити, що напруга можна замінити параметром Vc1/E, який залежить тільки від співвідношення опорів дільника. Ця перевага використовується в мікросхемі таймера NE555. Зрозуміло, напруга живлення повинна бути стабільною під час вимірювання.

Відповідно до фундаментальних принципів, при вимірі ємності може бути використана тільки одна опорна напруга. Однак використання вхідної напруги близької до нуля є проблематичним з наступних причин.

• Напруга ніколи не впаде до нуля вольт.Напруга на конденсаторі не може впасти до 0 вольт. Потрібен час, щоб розрядити конденсатор достатньо для низького рівня напруги, що дозволяє проводити вимірювання. Це збільшуватиме інтервал вимірювань. Падіння напруги на ключі розряду також збільшить цей ефект.
• Є час між запуском заряду та стартом таймера.Це може спричинити помилку вимірювань. Цим можна знехтувати AVR, тому що їм потрібен лише один цикл тактової частоти, для цього. На інших контролерах, можливо, потрібно вирішувати цю проблему.
• Струм витоку в аналоговому ланцюгу.Відповідно до специфікації AVR, струм витоку на аналогових входах зростає при напрузі на них близькому до нуля. Це може спричинити помилку вимірювань.

Щоб уникнути використання близької до нульової напруги, використовуються дві опорні напруги Vc1(0,17 Vcc) та Vc2(0,5 Vcc) та вимірюється різниця часових інтервалів t2-t1 (0,5RC). Це дозволяє уникнути вищеописаних проблем та затримка компаратора також компенсується. Друкована плата пристрою повинна бути у чистоті, щоб мінімізувати витік струму по поверхні.

Напруга живлення генерується перетворювачем, що живиться від 1,5 вольтової батарейки. Ключове джерело живлення не застосовується для схеми вимірювань, хоча на вигляд здається що схема не схильна до коливань напруги, оскільки в ланцюгу живлення застосовані два фільтри . Я рекомендую використовувати 9-ти вольтову батарейку з 5-ти вольтовим стабілізатором 78L05 замість ньогоі не виключайте функцію BOD ​​або ви будете страждати від псування даних в незалежній пам'яті контролера.

Градуювання

Щоб калібрувати нижній діапазон:Насамперед встановіть 0 кнопкою SW1. Потім підключіть прецизійний конденсатор ємністю 1 нФ, замкніть контакти #1 і #3 гнізда Р1 і натисніть кнопку SW1.

Щоб калібрувати верхній діапазон:підключіть прецизійний конденсатор ємністю 100 нФ, замкніть контакти #4 та #6 роз'єму Р1, натисніть кнопку SW1.

«Е4» при включенні означає, що калібрувальне значення енергонезалежної пам'яті пошкоджено. Це повідомлення ніколи не буде показано, якщо калібрування вже було проведено. Що стосується установки нуля, це значення не записується в незалежну пам'ять і вимагає повторної установки при кожному включенні і перед кожним виміром.

Використання

Автоматичне перемиканнядіапазону

Процес вимірювання запускається з інтервалом 500 мілісекунд з моменту підключення вимірюваної ємності. Вимірювання починається з нижнього діапазону (3,3мОм). Якщо напруга на конденсаторі не досягне 0,5 Vcc протягом 130 мілісекунд (>57 нФ), конденсатор розряджається і вимір перезапускається на верхньому діапазоні (3,3 кОм). Якщо напруга на конденсаторі не досягне 0,5 Vcc протягом 1 секунди (>440 мкФ), вимір скасовується і виводиться повідомлення «E2». У випадку, коли допустиме значення часу виміряне, ємність обчислюється та відображається. Значення ємності відображається таким чином, що на дисплеї відображаються перші три цифри зліва. Таким чином, автоматично вибираються два діапазони вимірювань і три діапазони відображення.

Я впевнений, що цей проект не є новим, але це власна розробка і хочу, щоб цей проект був відомий і корисний.

Схема LC метр на ATmega8досить проста. Осцилятор є класичним та виконаний на операційному підсилювачі LM311. Основна мета, яку я переслідував при створенні даного LC метра, - зробити його не дорогим і доступним для складання кожним радіоаматором.

Принципова схема вимірювача ємності та індукції

Характеристики LC-метра:

• Вимірювання ємності конденсаторів: 1пФ - 0,3 мкФ.
• Вимірювання індуктивності котушок: 1мкГн-0,5мГн.
• Виведення інформації на РК індикатор 1×6 або 2×16 символів залежно від вибраного програмного забезпечення

Для цього приладу я розробив програмне забезпечення, що дозволяє використовувати той індикатор, який є у розпорядженні у радіоаматора або 1х16 символьний РК-дисплей, або 2х 16 символів.

Тести з обох дисплеїв дали відмінні результати. При використанні дисплея 2х16 символів верхньому рядкувідображається режим вимірювання (Cap – ємність, Ind – ) та частота генератора, у нижньому рядку результат вимірювання. На дисплеї 1х16 символів зліва відображається результат вимірювання, а справа частота роботи генератора.

Однак, щоб помістити на один рядок символів виміряне значення та частоту, я скоротив роздільну здатність дисплея. Це не позначається на точність виміру, тільки суто візуально.

Як і в інших відомих варіантах, які засновані на тій же універсальній схемія додав в LC-метр кнопку калібрування. Калібрування проводиться за допомогою еталонного конденсатора місткістю 1000пФ з відхиленням 1%.

При натисканні кнопки калібрування відображається таке:

Вимірювання, проведені за допомогою даного приладу напрочуд точні, і точність багато в чому залежить від точності стандартного конденсатора, який вставляється в ланцюг, коли ви натискаєте кнопку калібрування. Метод калібрування пристрою полягає лише у вимірі ємності еталонного конденсатора і автоматичного запису його значення в пам'ять мікроконтролера.

Якщо ви не знаєте точного значення, можете відкалібрувати прилад, змінюючи значення вимірювань крок за кроком до отримання точного значення конденсатора. Для такого калібрування є дві кнопки, зверніть увагу, на схемі вони позначені як «UP» і «DOWN». Натискаючи їх, можна домогтися коригування ємності калібрувального конденсатора. Потім це значення автоматично записується в пам'ять.

Перед кожним виміром ємності необхідно скинути попередні показання. Скидання на нуль відбувається при натисканні CAL.

Для скидання в режимі індуктивності необхідно спочатку замкнути висновки входу, а потім натиснути «CAL».

Весь монтаж розроблений з урахуванням вільної доступності радіодеталей та з метою досягнення компактності пристрою. Розмір плати не перевищує розмірів РК-дисплея. Я використовував дискретні компоненти, так і компоненти поверхневого монтажу. Реле з робочою напругою 5В. Кварцовий резонатор – 8MHz.