Algoritmo per misurare la capacità dei condensatori sull'avr. Misura dei parametri del condensatore. Schema schematico di un misuratore di capacità e induzione

Sono sicuro che questo progetto non è nuovo, ma è il mio sviluppo e voglio che anche questo progetto sia conosciuto e utile.

schema Misuratore LC su ATmega8 abbastanza semplice. L'oscillatore è classico ed è realizzato sull'amplificatore operazionale LM311. L'obiettivo principale che ho perseguito durante la creazione di questo misuratore LC era renderlo economico e disponibile per l'assemblaggio da parte di ogni radioamatore.

Schema schematico di un misuratore di capacità e induzione

Specifiche del misuratore LC:

• Capacità di misura dei condensatori: 1pF - 0.3μF.
• Misura dell'induttanza delle bobine: 1mkH-0.5mH.
• Informazioni emesse sull'indicatore LCD 1 × 6 o 2 × 16 caratteri a seconda del software selezionato

Per questo dispositivo, ho sviluppato Software, permettendo di utilizzare l'indicatore che il radioamatore ha a disposizione sia di un display LCD 1x16 caratteri, sia di 2x16 caratteri.

I test con entrambi i display hanno dato ottimi risultati. Quando si utilizza un display 2x16 caratteri, la riga superiore mostra la modalità di misurazione (Cap - capacità, Ind -) e la frequenza del generatore, mentre la riga inferiore mostra il risultato della misurazione. Il display da 1x16 caratteri mostra il risultato della misurazione a sinistra e la frequenza del generatore a destra.

Tuttavia, per adattare il valore misurato e la frequenza su una riga di caratteri, ho ridotto la risoluzione del display. Ciò non influisce in alcun modo sulla precisione della misurazione, solo puramente visivamente.

Come con altre varianti ben note che si basano sullo stesso circuito universale, ho aggiunto un pulsante di calibrazione al misuratore LC. La calibrazione viene eseguita utilizzando un condensatore di riferimento da 1000 pF con una deviazione dell'1%.

Premendo il pulsante di calibrazione viene visualizzato quanto segue:

Le misurazioni effettuate con questo strumento sono sorprendentemente accurate e l'accuratezza dipende in gran parte dall'accuratezza del condensatore standard che viene inserito nel circuito quando si preme il pulsante di calibrazione. Il metodo di calibrazione del dispositivo consiste solo nel misurare la capacità del condensatore di riferimento e registrare automaticamente il suo valore nella memoria del microcontrollore.

Se non si conosce il valore esatto, è possibile calibrare lo strumento modificando passo dopo passo i valori di misurazione fino ad ottenere il valore del condensatore più accurato. Ci sono due pulsanti per tale calibrazione, si prega di notare che nel diagramma sono designati come "UP" e "DOWN". Premendoli, è possibile regolare la capacità del condensatore di calibrazione. Questo valore viene quindi scritto automaticamente in memoria.

Prima di ogni misura della capacità è necessario ripristinare le letture precedenti. L'azzeramento avviene premendo "CAL".

Per ripristinare in modalità induttanza, è necessario prima cortocircuitare i pin di ingresso, quindi premere "CAL".

L'intera installazione è progettata tenendo conto della disponibilità gratuita di componenti radio e al fine di ottenere un dispositivo compatto. Le dimensioni della scheda non superano le dimensioni dell'LCD. Ho usato sia componenti discreti che componenti a montaggio superficiale. Relè con una tensione di esercizio di 5V. Risonatore al quarzo - 8MHz.

Avendo trovato l'articolo Misuratore di capacità digitale su Internet, ho voluto assemblare questo misuratore. Tuttavia, il microcontrollore AT90S2313 e gli indicatori LED con un anodo comune non erano a portata di mano. Ma c'erano ATMEGA16 in un pacchetto DIP e un display a cristalli liquidi a sette segmenti e quattro cifre. Le uscite del microcontrollore erano appena sufficienti per collegarlo direttamente all'LCD. Pertanto, il misuratore è stato semplificato in un solo microcircuito (in effetti, ce n'è anche un secondo: un regolatore di tensione), un transistor, un diodo, una manciata di resistori-condensatori, tre connettori e un pulsante. essere compatto e facile da usare. Ora non ho domande su come misurare la capacità di un condensatore. Ciò è particolarmente importante per i condensatori SMD con capacità di diversi picofarad (e anche in frazioni di picofarad), che controllo sempre prima di saldare su qualsiasi scheda. Attualmente vengono prodotti molti misuratori desktop e portatili, i cui produttori rivendicano un limite inferiore per le misurazioni della capacità di 0,1 pF e una precisione di misurazione sufficiente per tali piccole capacità. Tuttavia, in molti di essi le misurazioni vengono eseguite a una frequenza piuttosto bassa (unità di kilohertz). La domanda è: è possibile ottenere una precisione di misura accettabile in tali condizioni (anche se un condensatore più grande è collegato in parallelo a quello misurato)? Inoltre, su Internet, puoi trovare alcuni cloni del circuito del misuratore RLC su un microcontrollore e un amplificatore operazionale (lo stesso con un relè elettromagnetico e un LCD a una o due linee). Tuttavia, tali dispositivi non riescono a misurare piccole capacità "umanamente". A differenza di molti altri, questo misuratore è appositamente progettato per misurare piccoli valori di capacità.

Per quanto riguarda la misurazione di piccole induttanze (unità di nanogenesi), per questo utilizzo con successo l'analizzatore RigExpert AA-230, prodotto dalla nostra azienda.

Foto del misuratore di capacità:

Parametri del misuratore di capacità

Campo di misura: da 1 pF a circa 470 μF.
Limiti di misura: commutazione automatica dei limiti - 0… 56 nF (limite inferiore) e 56 nF… 470 μF (limite superiore).
Indicazione: tre cifre significative (due cifre per capacità inferiori a 10 pF).
Controllo: l'unico pulsante per l'azzeramento e la calibrazione.
Calibrazione: una volta, utilizzando due condensatori di riferimento, 100 pF e 100 nF.

La maggior parte dei pin del microcontrollore è collegata al display LCD. Alcuni di essi hanno anche un connettore per la programmazione in-circuit del microcontrollore (ByteBlaster). Nel circuito di misura della capacità vengono utilizzati quattro pin, inclusi gli ingressi del comparatore AIN0 e AIN1, l'uscita per il controllo dei limiti di misura (tramite un transistor) e l'uscita per la selezione della tensione di soglia. Un pulsante è collegato all'unico pin rimanente del microcontrollore.

Il regolatore di tensione +5 V è assemblato secondo lo schema tradizionale.

Indicatore: sette segmenti, 4 caratteri, con connessione diretta di segmenti (cioè non multiplexato). Sfortunatamente, non c'era alcun segno sul display LCD. Gli indicatori di molte aziende, ad esempio AND e Varitronix, hanno la stessa piedinatura e dimensioni (51 × 23 mm).

Lo schema è riportato di seguito (lo schema non mostra un diodo per la protezione contro "inversione di polarità", si consiglia di collegare il connettore di alimentazione attraverso di esso):

Programma per microcontrollori

Poiché ATMEGA16 è della serie "MEGA", e non della serie "tiny", ha poco senso scrivere un programma assembler. Nel linguaggio C, è possibile renderlo molto più veloce e più semplice e una discreta quantità di memoria flash del microcontrollore consente di utilizzare la libreria integrata di funzioni in virgola mobile durante il calcolo della capacità.

Il microcontrollore misura la capacità in due fasi. Innanzitutto, viene determinato il tempo di carica del condensatore attraverso il resistore da 3,3 MΩ (limite inferiore). Se la tensione richiesta non viene raggiunta entro 0,15 secondi (che corrisponde a una capacità di circa 56 pF), la carica del condensatore viene ripetuta attraverso un resistore da 3,3 kΩ (limite superiore di misura).

In questo caso, il microcontrollore scarica prima il condensatore attraverso un resistore da 100 Ohm, quindi lo carica a una tensione di 0,17 V. Solo dopo viene misurato il tempo di carica a una tensione di 2,5 V (metà della tensione di alimentazione). Successivamente, il ciclo di misurazione viene ripetuto.

Quando viene visualizzato il risultato, ai terminali LCD viene applicata una tensione di polarità alternata (relativa al suo filo comune) con una frequenza di circa 78 Hz. Una frequenza sufficientemente alta elimina completamente lo sfarfallio dell'indicatore.

Questo misuratore di capacità può misurare la capacità dei condensatori con una risoluzione di 1 pF all'estremità inferiore dell'intervallo. La capacità massima misurabile è di 10.000 μF. La precisione effettiva non è nota, ma l'errore lineare è entro un massimo dello 0,5% e solitamente inferiore allo 0,1% (ottenuto misurando più condensatori collegati in parallelo). Le maggiori difficoltà sorgono quando si misurano grandi condensatori elettrolitici.

Il misuratore di capacità funziona nella modalità di selezione automatica dei limiti di misurazione, o nella gamma inferiore o superiore delle capacità in modo forzato. Lo strumento dispone di due diversi campi di misura, effettuando due misure per lo stesso condensatore. Ciò consente di verificare la veridicità della misurazione e scoprire se la parte misurata è davvero un condensatore. Con questo metodo, gli elettroliti mostrano la loro caratteristica non linearità, dando valori diversi a diversi intervalli di misurazione.

Il misuratore di capacità ha un sistema di menu che, tra le altre cose, consente di calibrare il valore zero e la capacità di 1 μF. La calibrazione viene salvata nella EEPROM.

Per il progetto è stato scelto uno dei chip più piccoli, Atmega8. Il circuito è alimentato da una batteria da 9 volt tramite un regolatore lineare 7805.

Il dispositivo può funzionare in tre modalità: misurazione nella gamma inferiore, nella gamma superiore e nella modalità di scarica. Queste modalità sono determinate dallo stato dei pin PD5 e PD6 del controller. Durante la scarica PD6 ha un registro. 0 e il condensatore si scarica attraverso la resistenza R7 (220 Ohm). Nel campo di misura superiore PD5 ha un registro. 1, caricando il condensatore attraverso R8 (1,8K) e PD6 è nello stato Z per consentire al comparatore analogico di confrontare la tensione. Nel campo di misura inferiore, anche PD5 è nello stato Z e il condensatore viene caricato solo attraverso R6 (1,8 MΩ).

Qualsiasi display a caratteri 16x2 sul controller HD44780 può essere utilizzato come indicatore. I piedini del connettore del display sono mostrati in questa figura:

Il dispositivo è assemblato su una breadboard e alloggiato in una semplice custodia rettangolare di plastica. I fori per l'indicatore, il pulsante e il LED sono tagliati nel coperchio della custodia, che sono fissati con colla a caldo:

Programma misuratore di capacità

Il dispositivo può utilizzare le famiglie di controller atmega8 e atmega48 / 88/168. Quando si sostituisce un controller nel programma, è necessario modificare la riga responsabile della configurazione del timer di un particolare controller.

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I condensatori sono ampiamente utilizzati in tutti i tipi di circuiti elettronici e quasi nessun circuito radio può farne a meno. In questo progetto, discuteremo una tecnica per costruire un misuratore di capacità digitale utilizzando microcontrollore PIC... Questo progetto può misurare valori di capacità da 1 nF a 99 uF (rispettivamente, anche i picofarad misurano). Il microcontrollore utilizzato in questo progetto è il PIC16F628A.

Il diagramma è composto da due parti, la prima parte del diagramma è presentata di seguito:

Seconda parte:

I pin della seconda parte del circuito sono collegati ai pin del microcontrollore, secondo le designazioni su di essi.

Questo misuratore di capacità si basa sul principio di un condensatore caricabile tramite un resistore in serie. Se conosciamo il tempo impiegato da un condensatore per caricarsi fino a una tensione nota, possiamo risolvere questa equazione per C conoscendo il valore di R.

Conoscendo l'ampiezza del resistore (in questo caso è 22K) e il tempo di carica, possiamo ora risolvere l'equazione del condensatore per calcolare la capacità C. Questo è esattamente il principio utilizzato nel programma. La misurazione inizia quando viene premuto il pulsante di misurazione. La capacità misurata viene visualizzata sul display LCD. Per alimentare il circuito è necessario un alimentatore da 5V.

Il firmware per il microcontrollore è scritto in C. Pro per il compilatore PIC. La capacità massima misurabile è 99,99 uF. Il programma visualizza il messaggio "Out of Range" se il valore misurato è fuori dai limiti. È chiaro che i microfarad misureranno più a lungo di pico o nanofarad. Il dispositivo è abbastanza preciso e l'errore è solo 1 nF.

Nota: I condensatori ad alta tensione devono essere scaricati con un resistore ad alta resistenza prima di iniziare la misurazione.

Esempi di capacità misurate:

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Con questo misuratore di capacità, puoi misurare facilmente qualsiasi capacità da unità di pF a centinaia di microfarad. Esistono diversi metodi per misurare la capacità. Questo progetto utilizza un metodo di integrazione.

Il vantaggio principale dell'utilizzo di questo metodo è che la misurazione si basa sulla misurazione del tempo, che può essere eseguita in modo abbastanza accurato sull'MC. Questo metodo è molto adatto per un misuratore di capacità fatto in casa, inoltre, è facile da implementare su un microcontrollore.

Il principio di funzionamento del misuratore di capacità

I fenomeni che si verificano quando lo stato del circuito cambia sono chiamati transitori. Questo è uno dei concetti fondamentali dei circuiti digitali. Quando l'interruttore in Figura 1 è aperto, il condensatore viene caricato tramite R e la tensione ai suoi capi cambia come mostrato in Figura 1b. Il rapporto che determina la tensione ai capi del condensatore ha la forma:

I valori sono espressi in unità SI, t secondi, R ohm, C farad. Il tempo impiegato dalla tensione ai capi del condensatore per raggiungere V C1 è approssimativamente espresso dalla seguente formula:

Da questa formula segue che il tempo t1 è proporzionale alla capacità del condensatore. Pertanto, la capacità può essere calcolata dal tempo di carica del condensatore.

schema

Per misurare il tempo di ricarica sono sufficienti un comparatore e un timer di un microcontrollore e un microcircuito logico digitale. È abbastanza ragionevole utilizzare il microcontrollore AT90S2313 (moderno analogico - ATtiny2313). L'uscita del comparatore viene utilizzata come flip-flop T C1. La tensione di soglia è impostata con un partitore di resistenza. Il tempo di carica è indipendente dalla tensione di alimentazione. Il tempo di carica è determinato dalla formula 2, quindi non dipende dalla tensione di alimentazione poiché il rapporto nella formula VC 1 / E è determinato solo dal fattore divisore. Ovviamente la tensione di alimentazione deve essere costante durante la misura.

La formula 2 esprime il tempo di carica di un condensatore da 0 volt. Tuttavia, è difficile lavorare con una tensione vicina allo zero per i seguenti motivi:

• La tensione non scende a 0 Volt. Ci vuole tempo per scaricare completamente il condensatore. Questo aumenterà i tempi e le misure.
• Ci vuole tempo tra l'iniziocaricare e avviare il timer. Ciò causerà un errore di misurazione. Questo non è fondamentale per l'AVR. ci vuole solo una misura.
• Corrente di dispersione sull'ingresso analogico. Secondo la scheda tecnica dell'AVR, la corrente di dispersione aumenta quando la tensione di ingresso è vicina a zero volt.

Per prevenire queste complicazioni vengono utilizzate due tensioni di soglia VC 1 (0,17 Vcc) e VC 2 (0,5 Vcc). La superficie del circuito stampato deve essere pulita per ridurre al minimo le correnti di dispersione. La tensione di alimentazione richiesta del microcontrollore è fornita da un convertitore DC-DC alimentato da una batteria da 1.5VAA. Invece di un convertitore DC-DC, si consiglia di utilizzare 9 Vbatteria e convertitore 78 l05, preferibilmenteanchenon spegnereBODaltrimenti potrebbero esserci problemi con EEPROM.

Calibrazione

Per calibrare la gamma bassa: Utilizzando il pulsante SW1. Quindi, collegare il pin #1 e il pin #3 sul connettore P1, inserire un condensatore da 1nF e premere SW1.

Per calibrare la gamma alta: Cortocircuitare i pin n. 4 e n. 6 di P1, inserire un condensatore da 100 nF e premere SW1.

"E4" all'accensione significa che non è stato trovato alcun valore di calibrazione nella EEPROM.

Utilizzo

Rilevamento automatico della portata

La carica inizia tramite un resistore da 3,3 M. Se la tensione ai capi del condensatore non raggiunge 0,5 Vcc in meno di 130 mS (> 57 nF), il condensatore viene scaricato e ricaricato, ma tramite un resistore da 3,3 kΩ. Se la tensione ai capi del condensatore non raggiunge 0,5 Vcc in 1 secondo (> 440µF), la scritta "E2". Quando viene misurato il tempo, viene calcolata e visualizzata la capacità. L'ultimo segmento visualizza il campo di misura (pF, nF, µF).

Morsetto

Parte di una presa può essere utilizzata come morsetto. Quando si misurano piccole capacità (unità picofarad), l'uso di fili lunghi è indesiderabile.