Измерение lc. LC Метр Прибор для измерения емкости и индуктивности на PIC16F628A

08-01-2009

И. Потачин
Радио 12, 1998

Цифровой измерительный прибор в лаборатории радиолюбителя теперь не редкость. Однако не часто им можно измерить параметры конденсаторов и катушек индуктивности, даже если это мультиметр. Описываемая здесь простая приставка предназначена для использования совместно с мультиметрами или цифровыми вольтметрами (например, М-830В, М-832 и им подобными), не имеющими режима измерения параметров реактивных элементов.

Для измерения емкости и индуктивности с помощью несложной приставки использован принцип, подробно описанный в статье А. Степанова "Простой LC-метр" в "Радио" № 3 за 1982 г. Предлагаемый измеритель несколько упрощен (вместо генератора с кварцевым резонатором и декадного делителя частоты применен мультивибратор с переключаемой частотой генерации), но он позволяет с достаточной для практики точностью измерять емкость в пределах 2 пф...1 мкф и индуктивность 2 мкГн... 1 Гн. Кроме того, в нем вырабатывается напряжение прямоугольной формы с фиксированными частотами 1 МГц, 100 кГц, 10 кГц, 1 кГц, 100 Гц и регулируемой амплитудой от 0 до 5 В, что расширяет область применения устройства.

Задающий генератор измерителя (рис. 1) выполнен на элементах микросхемы DD1 (КМОП), частоту на его выходе изменяют с помощью переключателя SA1 в пределах 1 МГц - 100 Гц, подключая конденсаторы С1-С5. С генератора сигнал поступает на электронный ключ, собранный на транзисторе VT1. Переключателем SA2 выбирают режим измерения "L" или "С". В показанном на схеме положении переключателя приставка измеряет индуктивность. Измеряемую катушку индуктивности подключают к гнездам Х4, Х5, конденсатор - к ХЗ, Х4, а вольтметр - к гнездам Х6, Х7.

При работе вольтметр устанавливают в режим измерения постоянного напряжения с верхним пределом 1 - 2В. Следует учесть, что на выходе приставки напряжение изменяется в пределах 0... 1 В. На гнездах Х1, Х2 в режиме измерения емкости (переключатель SA2 - в положении "С") присутствует регулируемое напряжение прямоугольной формы. Его амплитуду можно плавно изменять переменным резистором R4.

Питается приставка от батареи GB1 с напряжением 9 В ("Корунд" или аналогичные ей) через стабилизатор на транзисторе VT2 и стабилитроне VD3.

Микросхему К561ЛА7 можно заменить на К561ЛЕ5 или К561ЛА9 (исключив DD1.4), транзисторы VT1 и VT2-на любые маломощные кремниевые соответствующей структуры, стабилитрон VD3 заменим на КС156А, КС168А. Диоды VD1, VD2 - любые точечные германиевые, например, Д2, Д9, Д18. Переключатели желательно использовать миниатюрные.

Корпус прибора - самодельный или готовый подходящих размеров. Монтаж деталей (рис. 2) в корпусе - навесной на переключателях, резисторе R4 и гнездах. Вариант внешнего вида показан на рисунке. Разъемы ХЗ-Х5 - самодельные, изготовлены из листовой латуни или меди толщиной 0,1...0,2 мм, конструкция их понятна из рис. 3. Для подключения конденсатора или катушки необходимо ввести выводы детали до упора в клиновидный зазор пластин; этим достигается быстрая и надежная фиксация выводов.

Налаживание прибора производят с помощью частотомера и осциллографа. Переключатель SA1 переводят в верхнее по схеме положение и подбором конденсатора С1 и резистора R1 добиваются частоты 1 МГц на выходе генератора. Затем переключатель последовательно переводят в последующие положения и подбором конденсаторов С2 - С5 устанавливают частоты генерации 100 кГц, 10 кГц, 1 кГц и 100 Гц. Далее осциллограф подключают к коллектору транзистора VT1, переключатель SA2 - в положении измерения емкости. Подбором резистора R3 добиваются формы колебаний, близкой к меандру на всех диапазонах. Затем переключатель SA1 снова устанавливают в верхнее по схеме положение, к гнездам Х6, Х7 подключают цифровой или аналоговый вольтметр, а к гнездам ХЗ, Х4 - образцовый конденсатор емкостью 100 пф. Подстройкой резистора R7 добиваются показаний вольтметра 1 В. Потом переводят переключатель SA2 в режим измерения индуктивности и к гнездам Х4, Х5 подключают образцовую катушку с индуктивностью 100 мкГн, резистором R6 устанавливают показания вольтметра, также равные 1 В.

На этом настройка прибора заканчивается. На остальных диапазонах точность показаний зависит только от точности подбора конденсаторов С2 -С5. От редакции. Налаживание генератора лучше начать с частоты 100 Гц, которую устанавливают подбором резистора R1, конденсатор С5 не подбирают. Следует помнить, что конденсаторы СЗ - С5 должны быть бумажными или, что лучше, метаплопленочными (К71, К73, К77, К78). При ограниченных возможностях в подборе конденсаторов можно использовать и переключение секцией SA1.2 резисторов R1 и их подбор, а число конденсаторов надо уменьшить до двух (С1, СЗ). Номиналы сопротивлений резисторов составят в этом: случав 4,7: 47; 470 к0м.

• Собрал эту схему, не работает. Закралось сомнение, а не перепутана ли кое-где полярность. По -моему есть несоответствие. Кто-то может авторитетно прокомментировать?
• а диоды Д2б где нашли? раритет:D а в обще сомнения меня берут по поводу работоспособности данной схемы
• В своё время купил набор конструктор функциональный генератор. Схема похожа. Иногда пользуюсь Терпимо работает.Зимой весной летом осенью приходиться подстраивать.Работаю на застеклённом балконе Пришлось выводить на переднюю панель подстройку рабочей точки. Покрутите R1. Но при уходе рабочей точки будут плыть показания. Посмотрите есть неплохие схемы с делением исходной частоты.
• А что, в квартире температура в зависимости от времени года сильно меняется? У меня не значительно, наверное, подстраивать не пришлось бы, я полагаю. Пока прибор забросил-летом нет времени настраивать.Весной было, но почему-то не получал на ящик уведомления о сообщениях. По диодам Д2... Да никакой он не дифицитный. У меня их коробка. Да и вообще, деталей прошлых лет в достатке.
• Странно, что автор или публиковавшие материал не заметили досадной ошибки в принципиальной схеме!? Минус питания измерительного прибора посажен на общую шину, а в соответствии с этим, должно быть по схеме: X6 "+", а X7 "-".
• Всем доброй ночи, подскажите пожалуйста можно ли нетбуком прошить телефон? Заранее большое спасибо!!!
• Можно, только не в этой теме... . :D
• Мне больше вот эта схема нравится... . :)
• пРИВЕТ ВСЕМ! Мужики, а можно и купить такой прибор: http://monitor.espec.ws/section30/topic187691p20.html Очень недорого. Если там в теме посмотреть, то у меня такойже, а количество желающих приобрести растёт. Сразу предупреждаю- Я НЕ РЕКЛАМЩИК и ЭТО НЕ РЕКЛАМА! :)
• Здесь обсуждаем то, что можно своими руками сделать... . :)

Хотя у меня и имеется в наличии профессиональный автоматический мост Е7-8, но уж слишком он громозкий и тяжёлый - 35 кГ!

Поэтому, мне и захотелось попробовать свои силы в изготовлении несложного измерителя LC на микроконтроллере. Была найдена самая простая (но с претензиями на хорошее качество работы) схема на устаревшем, но достаточно доступном микроконтроллере 16F84A, LM311N и LCD индикаторе типа 1601.

Вариант печатной платы 90х65 мм этого LC измерителя от YL2GL (джампер J3 на плату не устанавливал (в нём нет надобности) - подсветка LCD индикатора 1601, если она у него есть, включена постоянно!):

Вид некоторых деталей, под которые разработана печатная плата:

Один из вариантов печатной платы LC измерителя выполненный методом ЛУТ:

Четыре версии файла прошивки в *.hex формате для программирования PICа 16F84A помещёны в Каталог файлов сайта (рекомендуют третью версию прошивки, как версию с автокалибровкой прибора...):

Программирование PIC 16F84A можно осуществить при помощи простейшего JDM программатора, подключаемого к порту COM1 компьютера (нужно помнить, что JDM программатор хорошо работает с более старыми компьютерами, а вот с новейшими - двухъядерными и всеми видами лаптопов, нотебуков, может не работать, так как у них принудительно ограничен ток на контактах COM порта. Поэтому, ищите компьютер, который будет работать с JDM программатором без проблем, или делайте программатор по другой схеме - с внешним питанием):

и программы ICprog.

С учётом покупки LCD индикатора 1601 на:

Хотелось бы отметить по схеме прибора, что нужно обратить внимание на наличие или отсутствие установленного на плате LCD индикатора 1601 резистора 10...12 Ом в цепи подсветки. При отсутствии, его нужно припаять последовательно с подсветкой, в противном случае можно её просто сжечь при установке джампера J3!

Имеется две схемы LC измерителя, отличающиеся схемой включения обмотки низковольтного реле. Во второй схеме обмотка реле через гасящий резистор подключается на землю, а не на +5В:

Прошивки PIC 16F84A приведены под первый вариант схемы, находящийся в начале статьи. Они могут, конечно, работать и с последним вариантом схемы, но перед показаниями значений ёмкости и индуктивности появится знак "-".

После сборки LC метра прибор запускается с первого включения. Для однострочного LCD индикатора 1601 необходимо замкнуть джампер J1. Для двухстрочного, типа 1602 - оставить разомкнутым. Подстроечным резистором 10К нужно отрегулировать контрасность LCD дисплея. Чем ближе движок резистора к "земле", тем выше контрасность дисплея.

После первого включения необходимо проверить частоту генератора на выходе LM311N, замкнув джампер J2, при положении переключателя L/C на С.

Частота на экране LCD должна быть в районе 550 кГц.

Затем, короткой перемычкой замыкаем гнёзда прибора в режиме L.

Прибор пишет - Calibrating и через секунду переходит в режим измерения: L=0.00 mkH.

Вытаскиваем пермычку, вставляем в гнёзда измеряемую эталонную индуктивность и смотрим показания прибора. Если значение отличается от того, что мы намеряли на эталонном приборе, то подбираем поточнее индуктивность 82 мкГ прибора.

Поэтому, желательно использовать дроссель с возможностью подстройки индуктивности (ферритовый каркас с подстроечным сердечником).

Затем переходим в режим измерения ёмкости С.

На LCD индикатора высветится С=х.х pF

Кратковременно нажимаем кнопку SW1 - калибровка.

Радиолюбитель 2000 №11-12

Хочу предложить измеритель LC с прямым отсчётом. Данный пробник, несмотря на свою простоту, обладает большими возможностями. Он позволяет измерять:

- ёмкость конденсаторов (не выпаивая их из схемы);
- индуктивность;
- частоту сигналов (TTL-уровня);
- тангенс угла и сопротивление потерь конденсаторов;
- магнитную проницаемость сердечников;
- добротность катушек индуктивности;
- наличие короткозамкнутых витков в катушках. Схема пробника показана на рис.1.

На элементах DD1 и DD2 собран генератор, времязадающим элементом которого является измеряемая ёмкость или индуктивность. На элементах DD3 и DD4 собран делитель частоты с максимальным коэффициентом деления 16777211. Вся шкала пробника включает 25 значений, отличающихся друг от друга в 2 раза. При работе пробника визуально определяется, частота мигания какого светодиода ближе всего к 1 Гц. Показания напротив него и являются результатом измерения. Диод VD2 защищает прибор от переполюсовки питания.

Измерение ёмкости. Перед измерением конденсатор необходимо разрядить. Переключатель S1 поставить в разомкнутое положение (измерение ёмкости). В зависимости от необходимой точности, измерение можно провести тремя способами.

Способ 1. К щупам пробника подключается измеряемый конденсатор (его можно не выпаивать из схемы) и определяется, какой светодиод мигает с частотой около 1 Гц. На шкале против него читается значение ёмкости.

Способ 2. Для более точного измерения ёмкости нужно сделать все как в способе 1, только смотреть на светодиод, который мигает с частотой, большей чем 1 Гц, подсчитать количество миганий за 10 с, и вычислить частоту миганий, разделив подсчитанное количество на 10. Показание напротив этого светодиода разделить на полученную частоту. Результат и будет значением ёмкости конденсатора.

Способ 3. Для ещё более точного определения ёмкости можно воспользоваться осциллографом или частотомером. Причём при использовании осциллографа можно оценить и качество проверяемого конденсатора (определить тангенс угла потерь). Подключив осциллограф или частотомер к щупам пробника, этими же щупами нужно коснуться проверяемого конденсатора. Если конденсатор имеет малые потери, то вид осциллограмы будет такой, как показано на рис.2а. При больших потерях вид осциллограммы будет такой, как на рис.2б. Определите величину периода Т и по формуле (1) подсчитайте ёмкость конденсатора:

С=T/40-5*10 -9 (Ф). (1)

При ремонте радиоаппаратуры достаточно измерить ёмкость конденсатора по способу 1. Если полученное значение ёмкости меньше номинала, указанного на конденсаторе, в 2 и более число раз, такой конденсатор необходимо заменить.

Измерение индуктивности. Индуктивность, так же как и ёмкость, можно измерить тремя способами.

Способ 1. Он аналогичен способу 1 для измерения ёмкостей. Только переключатель S1 нужно замкнуть.

Способ 2. Аналогичен способу 2 для измерения ёмкостей конденсаторов. Переключатель S1 поставить в положение для измерения индуктивности (замкнуть).

Способ 3. Аналогичен способу 3 для измерения ёмкостей. Индуктивность рассчитываем по формуле

L = 40*Т (Гн), (2)

а вид осциллограмм для катушек с малыми и большими потерями приведён на рис.За и 3б соответственно. Значения ёмкостей конденсаторов и индуктивностей катушек с потерями, определённые с помощью пробника, будут содержать погрешность - тем большую, чем больше эти потери.

Измерение частоты сигнала. Пробник позволяет измерять частоту сигнала ТТЛ-уровня, при условии, что питание пробника гальванически развязано от питания проверяемой цепи. Переключатель S1 необходимо поставить в положение для измерения индуктивности. Одним щупом коснитесь общего провода, а другим - источника сигнала. Напротив светодиода, мигающего с частотой около 1 Гц, прочитайте показания частоты сигнала. Для более точного определения частоты можно воспользоваться способом 2.

Определение тангенса угла потерь конденсаторов. Тангенс угла потерь (tg d) точно можно определить с использованием осциллографа.

Способ 1. Для этого необходимо подключить к щупам пробника осциллограф и проверяемый конденсатор. Если осциллограмма выглядит как на рис.2б, конденсатор имеет потери, величину которых можно вычислить. Конденсатор с потерями можно заменить эквивалентной схемой - последовательно соединёнными конденсатором и сопротивлением потерь. Тогда тангенс угла потерь равен:

tg d = R п /X c = R п /(2*pi*f*C), (3)

где Rп - сопротивление потерь (Ом);
Хc - реактивное сопротивление конденсатора (Ом);
f - частота, на которой работает конденсатор (Гц);
C - ёмкость конденсатора (Ф).

Для данного пробника:

R п = U п /0,03 (Ом). (4)

U п - измеряется по осциллографу, согласно рис.2б. При подключении к пробнику конденсатора, период Т, с учётом сопротивления потерь R п, равен:

T = 3,33*(12-R п)*(C + 5*10 -9) (c) (5)

Если в данную формулу подставить R п =0, то получается формула (1).

Способ 2. Измерьте ёмкость конденсатора с помощью пробника. Если пробник показал ёмкость в 2 или более число раз меньшую, чем номинал конденсатора (обозначенный на нем), данный конденсатор имеет большое сопротивление потерь R п, а соответственно, и большой tg d. Тогда, согласно формуле (5), можно найти сопротивление потерь. Результаты расчёта сведены в таблицу.

В верхней строке таблицы - кратность показаний пробника (во сколько раз ёмкость конденсатора меньше ёмкости, обозначенной на корпусе конденсатора. В нижней строке - соответствующее сопротивление потерь.

Определение добротности катушек индуктивности. Определите индуктивность катушки L1. Омметром (желательно цифровым) измерьте активное сопротивление катушки R. Подсчитайте реактивное сопротивление на заданной частоте.

X L = 2*pi*f*L (Ом), (6)

где X L - реактивное сопротивление катушки (Ом);
f - рабочая частота (Гц);
L - индуктивность катушки (Гн).

Добротность катушки индуктивности рассчитывается по формуле;

На данном пробнике показания заметны при Q>11.

Определение магнитной проницаемости сердечника из феррита. Рассмотрим три вида сердечников (рис.4). Рассчитаем величины, необходимые для определения магнитной проницаемости сердечников.

l М =(D + d)*pi/2 (9)

S М =(D - d)*h/2 (10)

l М =2*(А+В-2*С) (11)

l М =2*(h+а+с)+3/2*а (13)

Формулы (9) и (10) используются для кольца, (11) и (12) - для П-образного, а (13) и (14) - для Ш-образного сердечника. Все размеры в формулах (9)...(14) берутся в сантиметрах.

Намотайте не менее 15 витков провода (внавал) на сердечник и измерьте пробником полученную индуктивность, (для Ш-образного сердечника витки нужно мотать по размеру а). Эффективная магнитная проницаемость сердечника рассчитывается по формуле

u э =(L*l М)/(u 0 *n 2 *S М) (15)

где L - индуктивность катушки, намотанной на данный сердечник (Гн);
l м - длина средней магнитной силовой линии (см);
S M - площадь сечения магнитопровода (см 2);
u 0 - магнитная проницаемость вакуума (u 0 =4*pi*10 -9 Гн/см);
n - количество витков.

Выявление короткозамкнутых витков. Для определения наличия короткозамкнутых витков в катушках, намотанных на кольцеобразных, П-образных и Ш-образных сердечниках, необходимо сравнить индуктивность, измеренную пробником, и расчётную:

L=u 0 *u э *n 2 *S м /l м, (16)

где u э - эффективная магнитная проницаемость для ферритовых материалов (указывается на них). Если она неизвестна, её можно определить так, как описано выше.

Если индуктивность, определённая пробником, меньше в 2 и более раз, чем расчётная, то в катушке имеются короткозамкнутые витки.

Детали. Формулы (1, 2, 4, 5) верны только для пробника, собранного на микросхемах 74НС00. Если генератор пробника собрать на микросхемах других серий, в том числе и отечественных, в формулах появятся поправочные коэффициенты. При выборе микросхем нужно помнить, что:

Размах напряжения на щупах пробника не должен превышать 0,3...0,4 В, чтобы не открывались р-n переходы не только кремниевых, но и германиевых транзисторов и диодов. Это позволяет проверять конденсаторы, не выпаивая их из плат;

ИМС должны быть достаточно быстродействующими (шире диапазон измерения);

При использовании некоторых серий необходимо подключить конденсатор С6 1000 пФ...0,01 мкФ (рис.1) для устойчивого запуска генератора. Это резко сужает диапазон измерений.

Автором были проверены микросхемы серий К155, К555, К531, К131, КР1533, 7400, 74LS00, 74НС00. Всем требованиям больше всего отвечала микросхема КР1533ЛАЗ. У неё размах напряжения на щупах был около 0,02 В. Но из-за этого она оказалась слишком чувствительной к помехам и наводкам от рук. Приходилось применять специальные меры, которые резко снижали диапазон измерений. ИМС К155ЛАЗ имела большой размах напряжения, что открывало р-n переходы даже кремниевых транзисторов и диодов. К555ЛАЗ открывала р-п переходы только германиевых транзисторов и диодов. Так что из этих серий лучше всего использовать микросхему 74НСОО. Она малочувствительна к помехам и наводкам от рук, не открывает р-п переходы даже германиевых транзисторов и диодов. К тому же, имеет малое потребление энергии.

Для счётчиков также лучше использовать микросхемы серии CD74HCT4040, т.к. они достаточно высокочастотны, имеют выходной ток, достаточный для хорошего свечения светодиодов, мало потребляют энергии. Напряжение питания должно быть стабилизированным. Оно выбрано 4,4 В. При выборе напряжения питания необходимо помнить, что его изменение приводит к изменению коэффициентов в формулах (1, 2, 4, 5), а следовательно, влияет на показания пробника. Изменяя Un, можно изменить диапазон измеряемых величин в ту или иную сторону. Изменение напряжения питания также влияет на чувствительность пробника к конденсаторам с потерями. Если его уменьшать, чувствительность падает, увеличивать - растёт.

Светодиоды в пробнике - любые, красного свечения. Их все можно не устанавливать, а установить, например, через один. Правда, шаг шкалы при этом увеличится.

Настройка. Пробник размещён на плате размером 105x30 мм. Шкала пробника рассчитана по формулам 1 и 2 и соответствует действительности только при использовании микросхемы 74НСОО и напряжения питания 4,3 В. Микросхему DD2 желательно установить в панельку, т.к. если случайно коснуться пробником неразряженного конденсатора, находящегося под большим напряжением, микросхема может сгореть. Поэтому нужно обязательно разряжать конденсаторы перед измерением.

Щупы пробника должны иметь минимальную длину, т.к. на его работоспособность влияет даже очень маленькая индуктивность щупов. В авторском варианте длина одного щупа (вместе с кабелем) - 22 см, а другого - 10 см.

С.Володько, г.Гомель.

Этот точный LC метр построен на базе недорогих компонентов, которые очень легко найти в радиомагазинах. Диапазон измерителя LC-метра достаточно широк и подходит для измерения даже очень низких значения емкости и индуктивности.

Печатная плата - рисунок

Индуктивности - диапазоны измерений:

• 10nH - 1000nH
• 1uH - 1000uH
• 1mH - 100mH

Диапазоны измерения емкости:

• 0.1pF - 1000pF
• 1nF - 900nF

Большим плюсом устройства является автоматическая калибровка при включении питания, поэтому исключена ошибка в калибровке, что присуще некоторым аналогичным , особенно аналоговых. При необходимости, можно выполнить повторную калибровку в любой момент, нажатием кнопки reset. В обем данный LC метр полностью автоматический. Прошивку МК PIC16F628 .

Компоненты прибора

Слишком точные компоненты являются необязательными, за исключением одного (или более) конденсаторов, которые используются для калибровки измерителя. Два 1000 пФ конденсатора по входу должны быть достаточно хорошего качества. Пенополистирол является более предпочтительным. Избегайте керамических конденсаторы, ведь некоторые из них могут иметь большие потери.

Два конденсатора по 10 мкФ в генераторе должен быть танталовые (у них низкое последовательное сопротивление и индуктивность). Кварцевый резонатор на 4 МГц должен быть строго 4.000 МГц, а не что-то приближенное к этому значению. Каждый 1% ошибки в частоте кварца добавляет 2% ошибок при измерении значения индуктивности. Реле должно обеспечить около 30 мА тока срабатывания. Резистором R5 выставляется контраст ЖК дисплея LC метра. Питается прибор от обычной батарейки Крона, так как дальше напряжение стабилизируется микросхемой 7805 .