Обнаружив в интернете статью Digital Capacitance Meter , я захотел собрать этот измеритель. Однако под рукой не оказалось микроконтроллера AT90S2313 и светодиодных индикаторов с общим анодом. Зато были ATMEGA16 в DIP-корпусе и четырехразрядный семисегментный жидкокристаллический индикатор. Выводов микроконтроллера как раз хватало на то, чтобы подключить его к ЖКИ напрямую. Таким образом, измеритель упростился всего до одной микросхемы (на самом деле, есть и вторая – стабилизатор напряжения), одного транзистора, диода, горстки резисторов-конденсаторов, трех разъемов и кнопки.Прибор получился компактный и удобный в использовании. Теперь у меня нет вопросов о том, как измерить емкость конденсатора. Особенно это важно для SMD-конденсаторов с емкостями в несколько пикофарад (и даже в доли пикофарада), которые я всегда проверяю перед тем, как в паять в какую-нибудь плату. Сейчас выпускается множество настольных и портативных измерителей, производители которых заявляют о нижнем пределе измерений емкости в 0.1 пФ и достаточной точности измерений таких малых емкостей. Однако во многих из них измерения проводятся на довольно низкой частоте (единицы килогерц). Спрашивается, можно ли получить приемлемую точность измерений в таких условиях (даже если параллельно измеряемому подключить конденсатор большей емкости)? Кроме того, в интернете можно найти довольно много клонов схемы RLC-метра на микроконтолллере и операционном усилителе (той самой, что с электромагнитным реле и с одно- или двухстрочным ЖКИ). Однако такими приборами малые емкости померить «по-человечески» не удается. В отличие от многих других, этот измеритель специально спроектирован для измерения малых значений емкости.
Что касается измерения малых индуктивностей (единицы наногенри), то я для этого с успехом использую анализатор RigExpert AA-230 , который выпускает наша компания.
Фотография измерителя емкости:
Параметры измерителя емкости
Диапазон измерения: от 1 пФ до примерно 470 мкФ.
Пределы измерения: автоматическое переключение пределов – 0…56 нФ (нижний предел) и 56 нФ … 470 мкФ (верхний предел).
Индикация: три значащие цифры (две цифры для емкостей меньших, чем 10 пФ).
Управление: единственная кнопка для установки «нуля» и калибровки.
Калибровка: однократная, при помощи двух образцовых конденсаторов, 100 пФ и 100 нФ.
Большая часть выводов микроконтроллера подключена к ЖКИ. К некоторым из них также подключен разъем для внутрисхемного программирования микроконтроллера (ByteBlaster). Четыре вывода задействованы в схеме измерения емкости, включая входы компаратора AIN0 и AIN1, выход управления пределами измерения (при помощи транзистора) и выход выбора порогового напряжения. К единственному оставшемуся выводу микроконтроллера подключена кнопка.
Стабилизатор напряжения +5 В собран по традиционной схеме.
Индикатор – семисегментный, на 4 знака, с прямым подключением сегментов (т.е. не-мультиплексный). К сожалению, на ЖКИ не было маркировки. Такую же цоколевку и размеры (51×23 мм) имеют индикаторы многих фирм, например, AND и Varitronix.
Схема приведена ниже (на схеме не показан диод для защиты от «переполюсовки», через него рекомендуется подключить разъем питания):
Программа микроконтроллера
Поскольку ATMEGA16 – из серии «MEGA», а не из серии «tiny», особого смысла писать ассемблерную программу нет смысла. На языке Си удается сделать ее гораздо быстрей и проще, а приличный объем flash-памяти микроконтроллера позволяет пользоваться встроенной библиотекой функций с плавающей точкой при расчете емкости.
Микроконтроллер проводит измерение емкости за два шага. В первую очередь, определяется время заряда конденсатора через резистор сопротивлением 3.3 МОм (нижний предел). Если необходимое напряжение не достигнуто в течение 0.15 секунд (что соответствует емкости около 56 пФ), заряд конденсатора повторяется через резистор 3.3 кОм (верхний предел измерения).
При этом микроконтроллер сперва разряжает конденсатор через резистор сопротивлением 100 Ом, а затем заряжает его до напряжения 0.17 В. Только после этого замеряется время заряда до напряжения 2.5 В (половина напряжения питания). После этого, цикл измерения повторяется.
При выводе результата на выводы ЖКИ подается напряжение переменной полярности (относительно его общего провода) с частотой около 78 Гц. Достаточно высокая частота полностью устраняет мерцание индикатора.
.Конденсаторы очень широко применяются во всех типах электронных цепей и без них не обходится практически не одна радиосхема. В этом проекте, мы обсудим технику построения цифрового измерителя емкости используюя микроконтроллер PIC. Этот проект может измерить величины емкости с 1 nF до 99 uF (соответственно пикофарады тоже мерит). Использованный в этом проекте микроконтроллер это PIC16F628A.
Схема состоит из двух частей, первая часть схемы представлены ниже:
Вторая часть:
Вывода второй части с хемы подключаются к выводам микроконтроллера, сооствественно обозначениям на них.
Этот имеритель емкости основан на принципе заряжаемом конденсатор через последовательный резистор. Если мы знаем время, которое необходимо для конденсатора, чтобы заряжаться вплоть до известного напряжения, тогда мы можем решить это уравнение для C, знающий величина R.
Зная величину резистора (в этом случае это - 22K) и заряжаемое время, мы можем теперь решить конденсаторное уравнение, чтобы вычислять емкость C. В программе используется именно этот принцип. Измерение начинается когда нажата кнопка измерения. Измеренная емкость отображается на дисплее LCD. Для питания схемы требуется источник питания напяжением 5V.
Микропрограмма для микроконтроллера написана в C. Про для компилятора PIC. Максимальная величина измеримой емкости 99.99 uF. Программа отображает сообщение "Из Дипазона” если измеряемая величина выходит за пределы. Понятное дело, что микрофарады будут измерять дольше чем пико или нанофарады. Прибор достаточно точный и погрешность составляет всего 1 nF.
Примечание: Высоковольтные конденсторы перед началом измерение необходимо разрядить высокоомным резистором.
Примеры измеренный емкостей:
/c]
С помощью данного измерителя ёмкости можно легко измерить любую ёмкость от единиц пФ до сотен мкФ. Существует несколько методов измерения емкости. В данном проекте используется интеграционный метод.
Главное преимущество использования этого метода в том, что измерение основано на измерении времени, что может быть выполнено на МК довольно точно. Этот метод очень подходит для самодельного измерителя ёмкости, к тому же он легко реализуем на микроконтроллере.
Принцип работы измерителя ёмкости
Явления, происходящие при изменении состояния схемы называются переходными процессами. Это одно из фундаментальных понятий цифровых схем. Когда ключ на рисунке 1 разомкнут, конденсатор заряжается через резистор R, и напряжение на нём изменятся как показано на рисунке 1b. Соотношение определяющее напряжение на конденсаторе имеет вид:
Величины выражены в СИ единицах, t секунды, R омы, C фарады. Время за которое напряжение на конденсаторе достигнет значения V C1 , приближенно выражается следующей формулой:
Из этой формулы следует, что время t1 пропорционально емкости конденсатора. Следовательно, ёмкость может быть вычислена из времени зарядки конденсатора.
Схема
Для измерения времени зарядки, достаточно компаратора и таймера микроконтроллера, и микросхемы цифровой логики. Вполне разумно использовать микроконтроллер AT90S2313 (современный аналог - ATtiny2313). Выход компаратора используется как триггер T C1 . Пороговое напряжение устанавливается резисторным делителем. Время зарядки не зависит от напряжения питания. Время зарядки определяется формулой 2, следовательно оно не зависит от напряжения питания т.к. соотношение в формуле VC 1 /E определяется только коэффициентом делителя. Конечно, вовремяизмерениянапряжениепитаниядолжнобытьпостоянно.Формула 2 выражает время зарядки конденсатора от 0 вольт. Однако с напряжением близким к нулю сложно работать из-за следующих причин:
- Напряжение не падает до 0 Вольт. Для полной разрядки конденсатора необходимо время. Это приведет к увеличению времен иизмерения.
- Необходимо время между стартом зарядки и запуском таймера. Это вызовет погрешность измерения. Для AVRэто не критично т.к. на это необходим всего один такт.
- Утечка тока на аналоговом входе. Согласно даташиту AVR, утечка тока возрастает при напряжении на входе близком к нулю вольт.
Для предотвращения данных сложностей использовано два пороговых напряжения VC 1 (0.17 Vcc) и VC 2 (0.5 Vcc). Поверхность печатной платы должна быть чистой для минимизации токов утечки. Необходимое напряжение питания микроконтроллера обеспечивается DC-DCпреобразователем,работающего от 1.5VAA батарейки. Вместо DC-DC преобразователя, желательно использовать 9 V батарейку и преобразователь 78 L 05, желательно также не выключать BOD , иначе могут возникнуть проблемы с EEPROM .
Калибровка
 |
 |
 |
Для калибровки нижнего диапазона: С помощью кнопки SW1. Затем, соедините pin #1 и pin #3 на разъёме P1, вставьте конденсатор 1nF и нажмите SW1.
Для калибровки верхнего диапазона: Замкните pin #4 и #6 разъёма P1, вставьте конденсатор на 100nFи нажмите SW1.
Надпись "E4" при включении означает, что калибровочное значение в EEPROM не найдено.
Использование
Автоматическое определениедиапазона
Зарядка начинается через резистор 3.3М. Если напряжение на конденсаторе не достигнет 0.5 Vccменее чем за 130 mS (>57nF), происходит разрядка конденсатора и новая зарядка, но уже через резистор 3.3кОм. Если напряжение на конденсаторе не достигает 0.5 Vccза 1 секунду (>440µF),надпись "E2". Когда время замерено, происходит вычисление и отображение ёмкости. Последний сегмент отображает диапазон измерения (pF, nF, µF).
Зажим
В качестве зажима можно использовать часть какого-нибудь сокета. При измерении малых ёмкостей (единицы пикофарад) использование длинных проводов нежелательно.
На микроконтроллере, но после некоторых обсуждений с коллегами-радиолюбителями и серии экспериментов, пришли в голову мысли о его дальнейшем улучшении. Новый прибор отличается повышенной точностью и более широким диапазоном. В его основе - контроллер PIC16F90.
Схема измерителя ёмкости и индуктивности
Характеристики LCR метра
Конденсаторы :
- от 1pF до 1nF - разрешение: 0,1 ПФ, точность: 1%
- от 1nF до 100nF - разрешение: 1pF, точность: 1%
- от 100nF до 1uF - разрешение 1nF, погрешность: 2.5%
Электролиты :
- от 100 НФ до 100 000uF - разрешение 1nF, точность: 5%
Индуктивность :
- от 10nH к 20H - разрешение 10nH, точность: 5%
Сопротивление :
- от 1 мОм до 0,5 Ом - разрешение 1 мОм, точность: 5%
Тут нужно поправиться - устройство работает скорее как миллиомметр. Резисторы больше одного Ома оно почти не меряет. Печатная плата для прибора разработана таким образом, что можно подключить ЖК-дисплей на верхней части. Для регулировки контрастности дисплея служит подстроечный резистор R10.
Все резисторы металлоплёночные, 1%. Два 1nF конденсатора тоже с отклонением 1%. Ёмкость CX1 - 33nF, также критична - это должен быть полипропилен с высоким рабочим напряжением конденсатора (несколько сот вольт). Дроссель должен быть с низким Rdc. Есть в измерителе разъем для отдельного сетевого адаптера, который обходит кнопку выключения.
Если устройство работает с внешним адаптером питания, вы можете увеличить яркость подсветки экрана за счет уменьшения значения сопротивления резистора R11. Изучите документацию на дисплей, чтобы выбрать правильное значение сопротивления резистора.
Имейте в виду, что электролитические конденсаторы должны быть разряжены до измерения, иначе есть опасность сжечь контроллер. Все файлы для сборки схемы (несколько вариантов прошивок, печатные платы) - находятся в архиве. .
Нашел я как-то в интернете одну статейку азиатского разработчика, в которой описывалось устройство измеритель емкости. Собрано оно было на микроконтроллере и куче "лишних" деталей. Так как были приведены формулы и принцип расчета емкости я решил сделать свое устройство с минимально необходимым количеством элементов, которое удовлетворит мои потребности. Так как осталась свободная память, решил еще добавить функцию частотомера.
В устройстве всего две кнопки, кнопка сброса (установка "0") и кнопка переключения режимов работы:
"Частотомер", "Измерение pF", "Измерение nF"
Принцип работы устройства основан на измерении времени заряда конденсатора до определенного "порогового" напряжения. Расчет производится в микроконтроллере по нижеприведенной формуле:
где T- время заряда, R- сопротивление цепи заряда, C- емкость конденсатора, VC1- напряжение на конденсаторе в момент T, E- ЭДС цепи.
Измеритель емкости работает в двух диапазонах измерений: "pF- градация 1pF" и "nF- градация 1nF".
Диапазон измерений первого режима...........................1 пФ - 20 нФ, точность 1пФ
Диапазон измерений второго режима...........................1 нФ - 22 мкФ, точность 1нФ
Диапазон измерений третьего режима.........................1 мкФ - 2000 мкФ, точность 1мкФ
Диапазон измерения частоты........................................10 Гц(*1Гц) - 8 МГц, точность 10Гц(*1Гц)
* - Для версии прибора с индикатором на контроллере HD44780
КОНСТРУКЦИЯ:
Фьюз биты микроконтроллера могут быть прошиты на тактирование от внутреннего RC-генератора на частоте 8МГц, либо на тактирование от внешнего кварцевого резонатора.
Для тех, кто испытывает проблемы с поиском подходящего дисплея, выкладываю схему подключения и прошивку для символьного дисплея с драйвером KS0066U (HD4478).
Дисплей TIC 8148...Аналог TIC55M
