Nakon što sam otkrio članak Digital Capacitance Meter na internetu, htio sam napraviti ovaj mjerač. Međutim, mikrokontroler AT90S2313 i LED indikatori sa zajedničkom anodom nisu bili pri ruci. Ali postojali su ATMEGA16 u DIP paketu i četvorocifreni sedmosegmentni displej sa tečnim kristalima. Pinovi mikrokontrolera bili su dovoljni da ga se direktno poveže na LCD. Tako je mjerač pojednostavljen na samo jedno mikrokolo (u stvari, postoji i drugo - stabilizator napona), jedan tranzistor, dioda, pregršt otpornika-kondenzatora, tri konektora i dugme. kompaktan i jednostavan za korištenje. Sada nemam pitanja o tome kako izmjeriti kapacitivnost kondenzatora. Ovo je posebno važno za SMD kondenzatore kapaciteta od nekoliko pikofarada (pa čak i frakcije pikofarada), koje uvijek provjeravam prije lemljenja u bilo koju ploču. Sada je na raspolaganju mnogo stolnih i prijenosnih mjerača, čiji proizvođači tvrde da je niža granica mjerenja kapacitivnosti od 0,1 pF i dovoljna tačnost za mjerenje tako malih kapacitivnosti. Međutim, u mnogim od njih mjerenja se provode na prilično niskoj frekvenciji (nekoliko kiloherca). Postavlja se pitanje da li je u takvim uslovima moguće postići prihvatljivu tačnost merenja (čak i ako je veći kondenzator povezan paralelno sa onim što se meri)? Osim toga, na Internetu možete pronaći dosta klonova kruga RLC mjerača na mikrokontroleru i operacionom pojačalu (isti onaj sa elektromagnetnim relejem i jedno- ili dvolinijskim LCD-om). Međutim, ovakvim uređajima nije moguće mjeriti male posude "ljudski". Za razliku od mnogih drugih, ovaj mjerač je posebno dizajniran za mjerenje malih vrijednosti kapacitivnosti.
Što se tiče mjerenja malih induktivnosti (nanogenih jedinica), za to uspješno koristim analizator RigExpert AA-230, koji proizvodi naša kompanija.
Kapacitivni mjerač foto:
Parametri mjerača kapacitivnosti
Mjerni opseg: 1 pF do približno 470 µF.
Granice mjerenja: automatsko prebacivanje granica – 0...56 nF (donja granica) i 56 nF...470 µF (gornja granica).
Indikacija: tri značajne brojke (dvije za kapacitete manje od 10 pF).
Kontrola: jedno dugme za nuliranje i kalibraciju.
Kalibracija: jednokratna, koristeći dva referentna kondenzatora, 100 pF i 100 nF.
Većina pinova mikrokontrolera je povezana na LCD. Neki od njih imaju i konektor za in-circuit programiranje mikrokontrolera (ByteBlaster). Četiri pina se koriste u krugu za mjerenje kapacitivnosti, uključujući komparatorske ulaze AIN0 i AIN1, izlaz za kontrolu granica mjerenja (koristeći tranzistor) i izlaz za odabir napona praga. Dugme je povezano na jedini preostali pin mikrokontrolera.
Stabilizator napona +5 V sastavljen je prema tradicionalnom krugu.
Indikator je sedmosegmentni, 4 karaktera, sa direktnom vezom segmenata (tj. nemultipleksan). Nažalost, na LCD-u nije bilo nikakvih oznaka. Indikatori mnogih kompanija, na primjer, AND i Varitronix, imaju iste pinout i dimenzije (51×23 mm).
Dijagram je prikazan ispod (dijagram ne prikazuje diodu za zaštitu od "promjene polariteta"; preporuča se spojiti konektor za napajanje preko njega):
Program mikrokontrolera
Pošto je ATMEGA16 iz serije “MEGA”, a ne iz serije “male”, nema smisla pisati asemblerski program. U jeziku C to je moguće učiniti mnogo bržim i jednostavnijim, a pristojna količina fleš memorije na mikrokontroleru omogućava vam da koristite ugrađenu biblioteku funkcija s pomičnim zarezom prilikom izračunavanja kapaciteta.
Mikrokontroler vrši mjerenje kapacitivnosti u dva koraka. Prije svega, određuje se vrijeme punjenja kondenzatora kroz otpornik otpora od 3,3 MOhm (donja granica). Ako se traženi napon ne postigne unutar 0,15 sekundi (što odgovara kapacitivnosti od oko 56 pF), kondenzator se ponovo puni preko otpornika od 3,3 kOhm (gornja granica mjerenja).
U tom slučaju mikrokontroler prvo prazni kondenzator kroz otpornik od 100 Ohma, a zatim ga puni na napon od 0,17 V. Tek nakon toga se mjeri vrijeme punjenja do napona od 2,5 V (pola napona napajanja). Nakon toga, ciklus mjerenja se ponavlja.
Prilikom izlaza rezultata, napon naizmjeničnog polariteta (u odnosu na njegovu zajedničku žicu) sa frekvencijom od oko 78 Hz se primjenjuje na LCD terminale. Dovoljno visoka frekvencija potpuno eliminira treperenje indikatora.
.Kondenzatori se vrlo široko koriste u svim vrstama elektronskih kola i gotovo nijedan radio krug ne može bez njih. U ovom projektu ćemo raspravljati o tehnici izrade digitalnog mjerača kapacitivnosti pomoću PIC mikrokontrolera. Ovaj projekat može mjeriti vrijednosti kapacitivnosti od 1 nF do 99 uF (prema tome mjeri i pikofarade). Mikrokontroler koji se koristi u ovom projektu je PIC16F628A.
Kolo se sastoji od dva dijela, prvi dio kruga je prikazan u nastavku:
drugi dio:
Izlazi drugog dijela iz kola su povezani sa izlazima mikrokontrolera, prema oznakama na njima.
Ovaj mjerač kapacitivnosti zasniva se na principu punjenja kondenzatora kroz serijski otpornik. Ako znamo vrijeme koje je potrebno kondenzatoru da se napuni do poznatog napona, tada možemo riješiti ovu jednačinu za C znajući vrijednost R.
Poznavajući vrijednost otpornika (u ovom slučaju to je 22K) i vrijeme punjenja, sada možemo riješiti jednačinu kondenzatora za izračunavanje kapacitivnosti C. Ovo je princip koji se koristi u programu. Mjerenje počinje kada se pritisne tipka za mjerenje. Izmjerena kapacitivnost se prikazuje na LCD zaslonu. Za napajanje strujnog kola potrebno je napajanje od 5V.
Firmver mikrokontrolera je napisan u C. Pro za PIC kompajler. Maksimalna vrijednost mjerljive kapacitivnosti je 99,99 uF. Program ispisuje poruku “Out of Range” ako je izmjerena vrijednost van opsega.Jasno je da će mikrofaradima trebati više vremena za mjerenje nego piko ili nanofaradima.Uređaj je prilično precizan i greška je samo 1 nF.
Bilješka: Visokonaponski kondenzatori se moraju isprazniti otpornikom visokog otpora prije početka mjerenja.
Primjeri izmjerenih kapaciteta:
/c]
Sa ovim mjeračem kapacitivnosti možete lako izmjeriti bilo koju kapacitivnost od jedinica pF do stotina mikrofarada. Postoji nekoliko metoda za mjerenje kapacitivnosti. Ovaj projekat koristi metod integracije.
Glavna prednost korištenja ove metode je da se mjerenje zasniva na mjerenju vremena, što se može prilično precizno obaviti na MC-u. Ova metoda je vrlo pogodna za kućni mjerač kapacitivnosti, a lako se može implementirati i na mikrokontroler.
Princip rada kapacitivnog mjerača
Pojave koje se javljaju kada se stanje kola promijeni nazivaju se prolazni procesi. Ovo je jedan od osnovnih koncepata digitalnih kola. Kada je prekidač na slici 1 otvoren, kondenzator se puni kroz otpornik R, a napon na njemu će se promijeniti kao što je prikazano na slici 1b. Odnos koji određuje napon na kondenzatoru ima oblik:
Vrijednosti su izražene u SI jedinicama, t sekundi, R ohma, C faradima. Vrijeme tokom kojeg napon na kondenzatoru dostigne vrijednost V C1 približno se izražava sljedećom formulom:
Iz ove formule slijedi da je vrijeme t1 proporcionalno kapacitetu kondenzatora. Stoga se kapacitivnost može izračunati iz vremena punjenja kondenzatora.
Šema
Za mjerenje vremena punjenja dovoljni su komparator i tajmer mikrokontrolera i digitalni logički čip. Sasvim je razumno koristiti mikrokontroler AT90S2313 (moderni analog je ATtiny2313). Izlaz komparatora se koristi kao flip-flop T C1. Granični napon se postavlja pomoću otporničkog djelitelja. Vrijeme punjenja ne ovisi o naponu napajanja. Vrijeme punjenja je određeno formulom 2, stoga ne ovisi o naponu napajanja jer omjer u formuli VC 1 /E određen je samo koeficijentom djelitelja. Naravno, tokom merenja napon napajanja mora biti konstantan.Formula 2 izražava vrijeme potrebno da se kondenzator napuni od 0 volti. Međutim, teško je raditi s naponom blizu nule iz sljedećih razloga:
- Napon ne pada na 0 volti. Potrebno je vrijeme da se kondenzator potpuno isprazni. To će dovesti do povećanja vremena mjerenja.
- Potrebno vreme između startovapunjenje i pokretanje tajmera. To će uzrokovati grešku u mjerenju. Za AVR to nije kritično jer ovo zahtijeva samo jedan ciklus takta.
- Struja curenja na analognom ulazu. Prema podacima AVR-a, curenje struje se povećava kada je ulazni napon blizu nula volti.
Da bi se spriječile ove poteškoće, korištena su dva granična napona VC 1 (0,17 Vcc) i VC 2 (0,5 Vcc). Površina PCB-a mora biti čista kako bi se smanjile struje curenja. Potreban napon napajanja za mikrokontroler obezbeđuje DC-DC pretvarač koji se napaja baterijom od 1,5VAA. Umjesto DC-DC pretvarača, preporučljivo je koristiti 9 Vbaterija i konverter 78 L05, poželjnoTakođerne isključujteBOD, inače mogu nastati problemi sa EEPROM.
Kalibracija
 |
 |
 |
Za kalibraciju donjeg raspona: Korištenje dugmeta SW1. Zatim spojite pin #1 i pin #3 na P1, umetnite 1nF kondenzator i pritisnite SW1.
Za kalibraciju visokog raspona: Zatvorite pin #4 i #6 konektora P1, umetnite kondenzator od 100nF i pritisnite SW1.
Natpis "E4" kada je uključen znači da vrijednost kalibracije nije pronađena u EEPROM-u.
Upotreba
Automatsko rangiranje
Punjenje počinje preko 3.3M otpornika. Ako napon na kondenzatoru ne dostigne 0,5 Vcc za manje od 130 mS (>57nF), kondenzator se prazni i ponovo puni, ali kroz otpornik od 3,3 kOhm. Ako napon na kondenzatoru ne dostigne 0,5 Vcc u 1 sekundi (>440µF), natpis “E2”. Kada se mjeri vrijeme, kapacitet se izračunava i prikazuje. Posljednji segment prikazuje mjerni opseg (pF, nF, µF).
Stezaljka
Možete koristiti dio utičnice kao stezaljku. Prilikom mjerenja malih kapaciteta (jedinica pikofarada), upotreba dugih žica je nepoželjna.
Na mikrokontroleru, ali nakon nekih rasprava sa kolegama radio-amaterima i niza eksperimenata, došlo je do razmišljanja o njegovom daljem poboljšanju. Novi uređaj ima povećanu preciznost i širi domet. Zasnovan je na PIC16F90 kontroleru.
Krug mjerača kapacitivnosti i induktivnosti
Karakteristike LCR merača
Kondenzatori:
- 1pF do 1nF - rezolucija: 0,1 PF, tačnost: 1%
- od 1nF do 100nF - rezolucija: 1pF, tačnost: 1%
- od 100nF do 1uF - rezolucija 1nF, greška: 2,5%
Elektroliti:
- od 100 NF do 100.000uF - rezolucija 1nF, tačnost: 5%
Induktivnost:
- od 10nH do 20H - rezolucija 10nH, tačnost: 5%
Otpor:
- 1 mOhm do 0,5 Ohm - rezolucija 1 mOhm, tačnost: 5%
Ovdje se trebate poboljšati - uređaj radi više kao miliohmmetar. Gotovo da ne mjeri otpornike veće od jednog oma. Štampana ploča za instrument je dizajnirana na način da se na vrhu može spojiti LCD ekran. Da biste podesili kontrast ekrana, koristite rezistor R10.
Svi otpornici su metalni film, 1%. Dva kondenzatora od 1nF takođe sa odstupanjem od 1%. Kapacitet CX1 - 33nF, također je kritičan - mora biti polipropilen s visokim radnim naponom kondenzatora (nekoliko stotina volti). Gas bi trebao biti nizak Rdc. Mjerač ima konektor za poseban mrežni adapter, koji zaobilazi dugme za napajanje.
Ako uređaj radi sa eksternim adapterom za napajanje, možete povećati svjetlinu pozadinskog osvjetljenja ekrana smanjenjem vrijednosti otpornika R11. Za odabir ispravne vrijednosti otpornika pogledajte dokumentaciju vašeg zaslona.
Imajte na umu da se elektrolitski kondenzatori moraju isprazniti prije mjerenja, inače postoji opasnost od spaljivanja kontrolera. Sve datoteke za sklapanje kola (nekoliko opcija firmvera, štampane ploče) nalaze se u arhivi. .
Jednom sam na internetu pronašao članak jednog azijskog programera, koji opisuje uređaj za mjerenje kapacitivnosti. Sastavljen je pomoću mikrokontrolera i gomile "ekstra" dijelova. Pošto su date formule i princip za izračunavanje kapaciteta, odlučio sam da napravim svoj uređaj sa minimalno potrebnim brojem elemenata koji će zadovoljiti moje potrebe. Budući da je ostala slobodna memorija, odlučio sam dodati funkciju mjerača frekvencije.
Uređaj ima samo dva dugmeta, dugme za resetovanje (postavljeno na „0”) i dugme za prebacivanje režima rada:
"Mjerač frekvencije", "mjerenje pF", "mjerenje nF"
Princip rada uređaja zasniva se na mjerenju vremena potrebnog da se kondenzator napuni do određenog "praga" napona. Izračun se vrši u mikrokontroleru koristeći formulu ispod:
gdje je T vrijeme punjenja, R je otpor kruga za punjenje, C je kapacitet kondenzatora, VC1 je napon na kondenzatoru u trenutku T, E je EMF kola.
Mjerač kapacitivnosti radi u dva mjerna opsega: “pF-gradacija 1pF” i “nF-gradacija 1nF”.
Opseg mjerenja prvog moda...........................1 pF - 20 nF, tačnost 1 pF
Mjerni opseg drugog moda...........................1 nF - 22 µF, tačnost 1 nF
Opseg mjerenja trećeg moda.........................1 µF - 2000 µF, tačnost 1 µF
Opseg mjerenja frekvencije...................................10 Hz(*1Hz) - 8 MHz, tačnost 10Hz (*1Hz)
* - Za verziju uređaja sa indikatorom na HD44780 kontroleru
DIZAJN:
Bitovi osigurača mikrokontrolera mogu se programirati tako da se taktiraju od internog RC oscilatora na frekvenciji od 8 MHz, ili da se taktiraju iz vanjskog kvarcnog rezonatora.
Za one koji imaju problema da pronađu odgovarajući displej, postavljam dijagram povezivanja i firmver za karakterni displej sa drajverom KS0066U (HD4478).
Displej TIC 8148...Analogni TIC55M
