RLC измерители

Пинцет -мультиметры НВ

Частотомер 2ГГц, измеритель ёмкости и индуктивности или универсальный прибор

радиолюбителя.(одна из версий публиковалась в журнале РАДИО 8 за 2007г.) .

Приставка для измерения ESR и ёмкости.

   Описываемый ниже прибор позволяет в широких пределах измерять частоту электрических колебаний, а также ёмкость и индуктивность электронных компонентов с высокой точностью. Имеет разъемы для проверки кварцев и измерения постоянного напряжения. Имеет в своем составе генератор. В режиме частотомера возможно одновременное измерение частоты и напряжения. Конструкция обладает минимальными размерами, массой и энергопотреблением. Для  прибора выбран экономичный микроконтроллер PIC16F873A, имеющий в своем составе достаточно высокочастотный предварительный делитель с верхней  границей около 50МГц. 

 
image7595750Схема

                     

 

                                   Схема прибора.

 

 

 

 

Обсуждение на форуме.

Вложения:
Скачать этот файл (lcfg873hex.rar)873HEX[Прошивка]30 kB
Скачать этот файл (plat.rar)Plat.rar[Платы и монтажные схемы]368 kB

Технические характеристики

Напряжение  питания

 7…15 В
Частотомер - ток потребления  14…21 мА 
Пределы измерения, в режиме:  
F1    0,01…50  МГц при периоде измерения 0,2 c/1c/10c
F2    40…500   МГц при периоде измерения 0,25c
F3     200...2000 МГц  при периоде измерения 0,25с 
Проверка кварцев  от 1 до 20 МГц
 Измеритель LC - ток потребления   11 мА
С   0,1 пФ…0,1 мкФ 
L  0,1 мкГн…5 Гн
C1  0,1 мкФ до  10 000мкФ
 0-15B постоянное напряжение 
Ток потребления,     6мА
Fгенератора=Fкварца/4/m/n, где n=1, 4, 16, а m=1…256
Точность измерения*, в режиме:  
F1   -5/-1/-0,1 Гц при периоде измерения 0,2 c/1c/10с             
F2   -100 Гц
F3   -384 Гц
C,С1   1 %
  2…10 %
  0.02B

 

* при уходе частоты опорного кварца погрешность увеличивается.

 

      Выбор режимов осуществляется вращением резистора R32 и нажатием кнопок SB1 (+), SB2 (-). В зависимости от положения переменного резистора R32 микроконтроллер открывает транзисторные ключи модулей VT3, VT4 подавая питание на тот или иной узел. Если вращать R32 из крайнего левого положения по часовой стрелке, то последовательность режимов следующая: калибровка, L/C-режим, F1-режим измерения частоты до 50 МГц, F2-режим  измерения частоты до 500 МГц, измерение постоянного напряжения. Другие режимы выбираются нажатием кнопок SB1, SB2.

 

В качестве индикатора применен LCD-модуль WH-1602D-PGE-CT с двумя строками по 16 символов. В первой строке отображается режим работы, а во второй строке - измеряемое значение. 
    Частотомер имеет 2 входных разъема. Сигнал до 500 МГц подается на XP2, а  на XP3 от 0.5-2 ГГц. Частоты более 50 МГц делятся СВЧ делителями, входящими в состав сдвоенного синтезатора LMX1600TM работой, которого по SPI протоколу управляет микроконтроллер. Сигнал с XP2 усиливается  каскадом на VT1. При частотах до 50 МГц после усиления   на выходном усилителе  VT2 поступает на вход DD2.Микросхема  DD2 выполняет  функции мультиплексора. При низком уровне на 9,10 ножках DD2 сигнал с 1 выв. DD1 сигнал через два триггера Шмитта и резистор R27 поступает на вход предварительного делителя микроконтроллера. При низком уровне на 12, 13 выводах DD2 сигнал подается с коллектора VT2. При частотах выше 50 МГц через C18 подается на вход  DD1. После деления на 25 сигнал с  1 вывода приходит на вход  DD2.
Сигнал с XP3 через разделительные конденсаторы  С3 и С12 на 12 вывод синтезатора. После деления на 96 сигнал с  1 вывода приходит на вход  DD2. Диоды D1- D4 защищают входные цепи  от выхода из строя при попадании на вход высокого напряжения.
В режиме F1 нажатием кнопок SB1, SB2 переключаем время измерения. В режиме F2 при нажатии SB1 прибор перейдет в режим F3. При еще нажатии SB1 прибор перейдет режим проверки кварцев. Измеряемый кварц подключаем в разъем XP4. Данный режим удобен для подборки кварцев, не отходя от прилавка.
     Измерительный генератор для измерения емкости до 0,1 мкФ и индуктивности  собран на микросхеме-компараторе LM311. Частотозадающими элементами генератора являются измерительная катушка L1 и конденсатор C7, а также коммутируемый микроконтроллером эталонный конденсатор C6. В зависимости от режима работы L1 подключается к клеммам  последовательно или параллельно. Подобные измерители есть на просторах Интернета. Но они обладают рядом недостатков. Такие как - уход частоты компаратора, паразитная емкость переключателя режимов L/C. При каждом включении и смене режима с емкости на индуктивность и наоборот приходилось калибровать прибор. В данном приборе программным способом корректируются номиналы опорных элементов контура, и перечитывается частота компаратора. При калибровке определяется паразитная емкость переключателя и сохраняется в EEPROM и учитывается в дальнейшем при расчетах. Настройка и калибровка описана ниже. За основу взята схема на (1) и избавлена от вышеуказанных недостатков. При измерении емкости в С режиме в программе реализована метаматематическая модель:
        а) температура окружающего воздуха  изменяется плавно.
        б) TKE С7 и TK индуктивности L1  линейны в измеряемом температурном диапазоне.
        в) TK  индуктивности L1-положительный. 
        г) других влияний (кроме температуры) на параметры L1 и С7-нет.
При включениях, переключениях и показаниях на экране от 0.07pF до 0.10pF программа пересчитывает значения контура и вычисляет новое значение частоты компаратора. Результатом вычислений являются  показания равные 0.00pF на индикаторе.  Тем самым, избавляя пользователя от постоянных калибровок. В режиме L/C при нажатии SB1 прибор перейдет в режим C1. В этом режиме  измеряется емкость от 0.1 мкФ до 10 мФ. 
 
Измеритель емкости от 0.1 мкФ до 10 мФ собран на транзисторе VT4. Принцип работы следующий: при подаче низкого уровня базу транзистора VT4 до напряжения питания заряжается измеряемый конденсатор. Транзистор VT4 закрываем подачей высокого уровня и начинаем отчет времени. Конденсатор начинает разряжаться на резистор R17. Микроконтроллер периодически опрашивает состояние вывода RA2. При низком уровне прекращает счет времени. Известно, что напряжение на разряжающем конденсаторе U=U0*E в степени -t/(R*C), где  t - время от начала разрядки. Отсюда не вдаваясь в математические преобразования емкость С величина пропорциональная времени t. Микроконтроллер перечитывает измеренный промежуток времени в показания емкости и выводит на экран индикатора.
 
Измеряемое постоянное напряжение от 0 до 15 В подается также на разъем XP2.
Если войти сначала в режим измерения напряжения, а потом вращением R32  в режим F1, F2 то на индикаторе в верхнем правом угле индикатора будет отображаться напряжение. Прибор будет измерять частоту и постоянную составляющую сигнала.
 При нажатии на кнопку SB1 при измерении напряжения прибор войдет в режим генератора. Частота вычисляется по формуле F генератора = F частота работы кварца в схеме/(4*m*n), где n может принимать значения 1, 4, 16, а m значения от 1 до 256. Делитель n меняется циклически при нажатой кнопке L/C, а m кнопками SB1, SB2. Значения  n и m отображаются в верхнем правом углу индикатора. Во второй строчке индикатора выводятся показания генерируемой частоты. Выход из режима генератора сменой режима. При этом последняя частота сохраняется. 
 

 Конструктивно прибор выполнен на двухсторонней печатной плате, на которой размещены все элементы, за исключением индикатора и диодов D7, D8. Плата выполнена под "лазерно-утюжную " технологию. Металлизация заменяется тонкими проводниками. На плате есть место под 7 контактный разъем для подключения приставки для измерения ESR. 

 

Кварц

 

 

           При сборке использованы преимущественно SMD- элементы: резисторы типоразмера 0805, конденсаторы 0805, 0603. Синтезатор без доработки платы заменим на LMX1601TM (верхняя граница уменьшиться с 2 до 1.1 МГц, а разрешение до 200Гц). Микроконтроллер можно заменить на PIC16F873, PIC16F876(A).DA1 любая из LM311, К544СА3. Индикатор 16x2 любой поддерживающий протокол HD44780. Хочу обратить внимание, что при применении другого, чем в схеме необходимо уточнить распайку 1 и 2 вывода индикатора. Даже индикаторы одной фирмы имеют разную распайку выводов питания. Реле К1 можно заменить на любое на 5 В и сопротивление замкнутых контактов должно быть минимальным, но не более 0,5 Ом. В этом случае параллельно выводам питания реле нужно включить защитный диод. В качестве XP1 удобно  использовать половинку панельки под м/с. Катушка L1 должна обладать максимальной добротностью и минимальной собственной ёмкостью. Можно применить дроссели Д, ДМ, ДПМ индуктивностью 82-125 мкГн. Конденсатор C7  ёмкостью 510…680 пФ с TKE  П33, MП0. Конденсатор  C4  ёмкостью  в пределах 1000…2000 пФ с TKE  MП0. Транзистор VT2 любой другой высокочастотный с верхней границей 900 МГц. Переменный резистор R32 типа СП4-1 или другой малогабаритный. При применении LMX1600 диоды VD3, VD4 необходимо заменить более высокочастотными. Происходит завал на частотах выше 1,4 ГГц. Транзистор BF998 в корпусе SOT-143 при применении печатки с сайта необходимо припаять вверх ногами. Широкий вывод к R14,C11. Транзистор BF998 в корпусе SOT-143R также широким выводом к R14,C11.

Программирование микроконтроллера осуществляется через  разъём XP5 (ISCP) программой IC-Prog (3) и адаптером  (2) с предварительно удаленной перемычкой SA3. Биты конфигурации устанавливаются автоматически из HEX файла. При использовании других программаторов нужно установить биты WDT, PWRT и выбрать осциллятор XT.
 
Собранная без ошибок схема работает практически сразу и требует минимальной подстройки. 
Схема имеет модульную конструкцию. На первом этапе рекомендую припаять индикатор и микроконтроллер с обвязкой R32, R37, R43, R44, C26, C27, кварц, D7, D8 ,VD1. После программирования, подборкой резистора R34 отрегулировать контрастность изображения индикатора. Резисторы  R33, R34 рекомендую при настройке заменить переменным резистором номиналом 10-47 кОм.  После монтажа элементов LC модуля, в L/C режиме при нажатой кнопке L/C на выходе 7 LM311D должен быть сигнал типа меадр с частотой 750-850 МГц. В F2 и F3 режимах при отсутствии сигнала происходит самовозбуждение прескалеров(делителей) синтезатора. Это особенность прескалеров.
 
После сборки необходимо выставить калибровочные константы. Для изменения их необходимо выполнить следующие регулировочные операции. При нажатой кнопке SB1 включаем питание, отжимаем SB1. Прибор входит в режим изменения констант X. Вращением резистора R32 выбираем нужную константу. Нажатием на SB1 или SB2 меняем значение. Сохранение осуществляется при смене констант. После изменения последней константы, выбираем другую константу для сохранения последней. Выключаем прибор. Далее приведен список констант.
 
X0 устанавливается численно равной ёмкости конденсатора С4 в пикофарадах. Ее необходимо подкорректировать. Вращаем резистор R32 в положение L/C. Нажатием на кнопку L/C входим в режим измерения емкости. Вращением R32 входим в режим калибровки. После прохождения калибровки  на индикаторе высветится 0.00pF. Подключаем известную емкость. Номинал конденсатора делим на показания прибора и умножаем на константу X0. Полученное значение есть новое значение константы X0.
 
Для определения паразитной емкости переключателя, необходимо выполнить следующий алгоритм. Нажатием на кнопку L/C входим в режим измерения индуктивности. Замыкаем  контакты XP1 небольшой перемычкой (малоиндуктивной). Вращением R32 входим в режим калибровки. После прохождения калибровки индикаторе высветится 0.000 mkН. Убираем перемычку и нажатием на кнопку L/C входим в режим измерения емкости. На индикаторе на несколько секунд высветится паразитная емкость переключателя и показания обнулятся. Нажатием на SB2 запоминаем откалиброванные данные в энергонезависимой памяти. На индикаторе высветится ОК. 
X1 равна 1.000 и корректирует показания индуктивности при необходимости.
X2=0 -LMX1600TM  X2=1 -LMX1601TM   X2=4 - при применении других внешних делителей
X3- калибрует показания напряжения. Значение пропорционально показаниям.
X4=0,2,4,6 - для не русифицированного индикатора. 
X4=1,3,5,7 - для русифицированного.
X4=0,1,4,5 - первоначальный вход в режим частотомера F1 при 0,2 сек.
X4=2,3,6,7 - первоначальный вход в режим частотомера F1 при 1сек. 
X4=0,1,2,3 - TKE конденсатора C7 положительный. 
X4=4,5,6,7 - TKE конденсатора C7 отрицательный.
Например устанавливаем X4=5 - при индикаторе русифицированном, первоначальном входе в режиме частотомера F1 при 0,2сек и TKE конденсатора С7 отрицательном.
Подключив прибор в режиме F1 к образцовому генератору сигналов частотой 20-40 МГц.
Изменяя константу X5 и подстраивая конденсатор С29, добиваются совпадения показаний.   
Значение X5  численно равно частоте работы кварца в схеме (меняется с шагом 4 Гц ).
X6 значение выражает, сколько процентов вносит изменения в уход частоты емкость C7 в LC-режиме. Оставшиеся проценты из 100 приходятся на индуктивность. X6=0 и 100 не ставить. X6=50 не ставить при TKE  C7 отрицательном.
X7 - калибрует показания емкостей в режиме С1. Значение пропорционально показаниям.
X8, X9 - коэфф. деления внешних делителей. Появится при  установке X2=4.  
При питании от аккумулятора на индикаторе отображается состояние разряженности последнего.
При разрядке аккумулятора батарейка на экране заморгает. Подключив внешний источник питания к разъему XS1, производим  зарядку аккумулятора. При достижении на выводах аккумулятора напряжения 8,4 В, на индикаторе вместо батарейки высветится символ "z" индуцируя об окончании зарядки. Уровень срабатывания подбирается резистором R26. Ток заряда подбирается резистором R39.
При нажатой кнопке SB4 включаем прибор и входим в блок констант Y. 
Y8,Y9-пороги срабатывания узла заряда. Начало заряда и конец заряда.
 
Литература
2. А. Долгий. Программаторы и программирование микроконтроллеров.- Радио 2004г N1 стр.55

 

Template Settings
Select color sample for all parameters
Red Green Blue Gray
Background Color
Text Color
Google Font
Body Font-size
Body Font-family
Scroll to top