RLC измерители

Пинцет -мультиметры НВ

          Выпускает наша (да и не наша тоже  ) промышленность измерители серии Е7-*, всем они хороши, кроме цены либо размеров, а зачастую и того и другого. Да и точность для радиолюбительских применений не всегда такая нужна. Захотелось исправить это положение, тем более на МК это сделать оказалось несложно. Конечно, эта разработка ни в коей мере не претендует на замену промышленных измерителей RLC, и точность измерения малых величин L и C у нее ниже, чем у FLC-метра с сайта cqham.ru, но все же, я думаю, она будет интересна многим радиолюбителям.

alt
Характеристики.
- последовательная/параллельная схема замещения
- автоматический выбор предела измерений
R от 0.01 Ом до 20 МОм
С от 1пФ до 2000мкФ (на 1кГц)
L от 1 мкГн до ... хочется написать 10 кГн, но живьем у меня проверить негде
- частота измерения 100Гц, 1кГц
- амплитуда тестового сигнала 0.3V
- контроль питания при включении
- автоматическое выключение питания
- отображение результатов измерений в виде:
R + LC
Z комплексное сопротивление
Y комплексная проводимость
Q + LC (добротность)
D + LC (tg угла потерь)
- компенсация параметров КЗ и ХХ
- время измерения на:
1кГц - 2*40мс
100Гц - 2*400мс
 
Ссылки на первоисточники:
- аналоговая часть позаимствована со схем, выложенных на форуме. Там же объясняется, как компенсировать параметры ХХ и КЗ (open/short калибровка).
- цифровая часть практически один в один с измерителем C и ESR.
- схема авт. выключения – слегка измененный вариант от упрощенного измерителя C и ESR разработки Михаила.
 
Схема прибора и прошивка с исходниками.
Вложения:
Скачать этот файл (99651.rar)99651[Исходники, схема]115 kB
 
Печатку окончательного варианта я не разрабатывал.
Обсуждение прибора на форуме. Там же можно найти печатки.
 
Принцип работы.
      Самый классический - метод вольтметра и амперметра, т.е. измеряется падение напряжения на тестируемом элементе и ток через него, делим напряжение на ток – получаем Zx. Разумеется, ток и напряжение надо иметь в комплексном виде. Напрямую в схеме фазовых детекторов для этого нет, все делается программно после оцифровки входного сигнала.
1. Ключи DA4.2, 4.3 включаются на измерение напряжения на Zx, синхронно с генерацией синуса происходит его оцифровка с выхода DA7.1, 20 точек на период сигнала в течении 40 (сорока) периодов сигнала.
Полученный массив точек прогоняется через алгоритм тов.Фурье (ДПФ) для основной частоты, на выходе получаем два числа действительную и мнимую часть напряжения.
2. Ключи DA4.2, 4.3 переключаются на ток, и процесс повторяется. На выходе имеем ток в виде действительной и мнимой части, т.е. опять два числа.
3. Ну а дальше уже обычная арифметика - поделить два комплексных числа - в результате получим действительную и мнимую (реактивную) часть искомого сопротивления.
 
Детали.
     Резисторы R1, R3, R28, R315 хорошо бы взять с допуском 1%. Ключи в моем экземпляре стоят HEF4053BP, операционники TL082CP. Отношение R19/R18=R23/R24=9, тогда к-т усиления ОУ будет равен 10. При номиналах 1кОм и 9.09 кОм Kу=9.09/1+1=10.09, отклонение от десятки 0.9%. В оригинале (этот узел позаимствован у LCR-4080) стояли 9кОм и 1кОм. Я выбрал 2 и 18 из-за отсутствия в ряду Е24 номинала 9. Но если все-таки будете менять, то лучше выбрать поближе к 1к и 9.09к. Меньше уже нельзя, сильно будет ОУ нагружаться, увеличивать сильно тоже не стоит. Резисторы R17, R28, R29 менять не надо. 
 
Калибровка прибора.
    Точно так же, как и в измерителе esr - если включить при нажатой кнопке Set, прибор переходит в режим корректировки констант. На этот раз их всего две - для измерений на шунте 100кОм и 100 Ом.
 
Настройки.
     Проверяем назначение выводов 1, 2 индикатора (земля/питание). Смотрим документацию на индикатор.
Первое включение – проверяем наличие напряжений:
5V на выходе 78l05,
-5V (-4.2V) на DA8,
2.5V на VD2,
1.25V с делителя R31,R28.
      Если питание пропадает через 1 сек. после включения – значит не стартует МК, поставьте перемычку на к-э VT1 и проверяйте контроллер.
Первое сообщение, которое должно появиться на индикаторе – напряжение источника питания, (прим. Ubat=9.123V). Первоначальные установки, зашитые в программе – измерение на 1кГц, последовательная схема замещения, отображение рез-та в виде R+LC.
Если прибор работает нормально, то вы на индикаторе увидите что-то похожее на:
Rp 148.4M 1k
Cp 39.95 pF
     Но ни одна уважающая себя схема с первого включения работать не будет , так что проверяем наличие и амплитуду сигнала 1кГц на выводе 7 DA1.1. Амплитуду (пик) с помощью R13 устанавливаем 0.3V. Почему выбран такой уровень? С одной стороны это не слишком мало, что упрощает входные измерительные цепи прибора, но и не слишком много, чтобы проверять элементы не выпаивая из схемы.
Далее раскладка такая – мы имеем сигнал двойной амплитуды 0.3V*2=0.6V, рабочий диапазон АЦП от 0 до 2.5V. Следовательно, чтобы не перегружать АЦП при минимальном к-те усиления DA1.2, DA7.1 (равным 1), но и максимально использовать диапазон АЦП. К-т усиления DD6 рассчитывается как G=49.4k/Rg+1, т.е. чтобы уменьшить размах синусоиды на входе АЦП Rg=R15+R16 надо увеличить. Усиление DA6 около  2.4V/0.6V=4. Убеждаемся, что на входе АЦП (выв. 2 DD1) сигнал не выходит за границы 0-2.5V. Если уровень сигнала высок, на экране будет надпись: U ADC overloaded (U или I – это при измерении какого значения возникла перегрузка).
Для 100Гц потом необходимый уровень сигнала устанавливаем подбором R7, остальные регулировки уже не трогаем. Проверяем на выв.7 DA1.1 размах синусоиды 1кГц от пика до пика (двойная амплитуда) - 0.6V. Про АЦП, он преобразует в цифру сигнал со входа 2 контроллера в диапазоне от 0V до напряжения, поданного на выв. 5 DD1, т.е. в вашем случае до 2.48V. Синусоида не должна выходить за эти границы (проверяем осциллографом), иначе получите сообщение "ADC overloaded".
 
Управление.
     Более подробно про кнопки.
Короткое нажатие (менее 1с) переключает:
S1 – частота 1кГц/100 (на индикаторе 1к или 100)
S2 – последовательная/параллельная СЗ, (добавляется буквы s или p, напр. Rs – сопротивление для посл. СЗ, то же что ESR)
S3 – вид отображения результатов.
 
Длинное нажатие (более 1с)
S1 – включает/выключает вывод на экран в нижнем правом углу информацию о том, какие к-ты усиления и какой шунт используется для измерения, формат такой:
первый символ – омега или k – соотв. Rsh=100 или 100кОм
второй – к-т усиления при измерении напряжения (1-1, 2-10, 3-100)
третий – к-т усиления при измерении тока (1-1, 2-10, 3-100)
Пример – k12 – измерения на Rsh=100кОм, к-т по напр. = 1, к-т по току=10.
 
S2 – open ( ХХ) калибровка. При этом – выключается режим корректировки параметров ХХ и КЗ, прибор переводится в режим параллельной СЗ, внизу справа надпись open. Сохранение параметров по короткому нажатию кнопки S1. Нажатие любой другой кнопки выводит прибор из этого режима без записи данных в EEPROM. Разумеется, к входным концам прибора в этот момент ничего подключено быть не должно.
 
S3 – short ( КЗ) калибровка, вход надо закоротить. Прибор переводится в режим последовательной СЗ, внизу справа надпись short. Действие кнопок для сохранения как при open калибровке.
Калибровка делается отдельно для каждой частоты.
 
     Показания прибора можно скорректировать к-тами, скорее всего это придеться сделать только для Rsh=100. Включаем режим отображения режимов измерения (длинное нажатие S1), проверяем, на сколько уходят показания при измерении резисторов (на них проще всего), меняем поправочные к-ты. Вход в режим корректировки констант – включение при нажатой S1.
 
    Да, теперь калибровать можно. Там есть небольшая особенность - поправочные к-т (это которые меняются при включении прибора при нажатой кнопке S1) применяются до того, как вычисляется компенсация ХХ и КЗ (open/short). Т.е. после изменения к-тов надо будет опять провести процедуру компенсации входного импеданса (open/short).
Формула, которая используется для компенсации:
 
Zx=(Zmeas-Zsc)/(1-Yoc*Zmeas)
 
     При компенсации знаменатель стремится к нулю, а Zx (то что показывает прибор) - к бесконечности. Если мнимая часть Zx имеет отрицательный знак, то на экране будут отображаться десятые-сотые pF, а если значения знаменателя чуть будет больше чем нужно, Zx уже получится таким же большим по значению, но с положительным знаком - т.е. на экране прибор честно отобразит что-нибудь вроде 24.56 кГн. А вообще оценить небольшие емкости можно и без проведения компенсации, просто вычитайте 37pF из показаний.
 
Про эксперименты с кабелями:
    Как и ожидалось, провод с названием аудио-видео не подошел из-за практически отсутствия экрана - для небольших емкостей показания уходят на 4-5pF, если взяться рукой за середину кабеля (L=70см). C RG-58 все нормально, проверялось на длине 1м, паразитную емкость кабеля прибор компенсирует. Единственный недостаток - уж больно толстый пучок получается из четырех проводов.
    Что касается измерения малых емкостей, включите отображение режимов измерения - (длинное нажатие S1)
Первоначальное состояние, т.е. когда после залива прошивки не делали open/short калибровку, прибор с короткими вх. проводами должен показывать емкость около 40pF и режимы усилителей должны высветиться такие - K12, т.е по напряжению к-т = 1, а по току 10 и для измерения используется шунт 100кОм. Я вообще рекомендую пока не добьетесь нормальной работы железа, не прибегать к open/short калибровке и изменению констант, дабы не запутаться окончательно в показаниях. Если с измерением pF проблемы, проверяйте внимательно разводку/номиналы усилителей DA1.2 DA7.1 - особенно DA1.2, т.к. он должен включиться при измерении тока на к-т=10
Вложения:
Скачать этот файл (99651.rar)99651[Исходники, схема]115 kB
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