LC-meter - prefisso del multimetro. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Questo articolo continua il tema dell'espansione delle capacità dei popolari multimetri della serie 83x. La bassa corrente consumata dal set-top box consente di alimentarlo dallo stabilizzatore ADC interno del multimetro. Utilizzando questo accessorio, è possibile misurare l'induttanza di bobine e induttanze, la capacità dei condensatori senza rimuoverli dalla scheda.

I progetti degli attacchi di misurazione per multimetri, oltre alle differenze nella progettazione dei circuiti e nei metodi di misurazione dell'uno o dell'altro parametro, differiscono anche nella loro capacità di funzionare dalla propria fonte di alimentazione o senza di essa, utilizzando lo stabilizzatore di tensione ADC del multimetro. I set-top box alimentati dallo stabilizzatore ADC del multimetro, secondo l'autore, sono più comodi da usare, soprattutto "fuori casa". Se necessario, possono essere alimentati da una fonte esterna di 3 V, ad esempio da due celle galvaniche. Naturalmente, sorge la domanda sulla corrente consumata da un tale set-top box, che non dovrebbe superare diversi milliampere, ma l'uso di componenti moderni in combinazione con circuiti ottimali risolve questo problema. Tuttavia, la questione del consumo di corrente è sempre stata e sarà rilevante, soprattutto per gli strumenti di misura con alimentazione autonoma, quando la durata del funzionamento da una fonte autonoma spesso determina la scelta del dispositivo.

Durante lo sviluppo del misuratore LC, l'attenzione principale è stata prestata non solo alla riduzione al minimo del consumo di corrente, ma anche alla capacità di misurare l'induttanza di bobine e induttanze e la capacità dei condensatori senza dissaldarli dalla scheda. Questa possibilità dovrebbe essere sempre presa in considerazione quando si sviluppano tali strumenti di misura. Ci sono molti esempi in cui i radioamatori, sfortunatamente, non prestano attenzione a questo nei loro progetti. Se, ad esempio, si misura la capacità di un condensatore caricandolo con una corrente stabile, anche quando la tensione sul condensatore è superiore a 0,3...0,4 V senza dissaldarlo dalla scheda, spesso è impossibile determinarlo in modo affidabile la capacità.

Il principio di funzionamento di un misuratore LC non è nuovo [1, 2], si basa sul calcolo del quadrato del periodo misurato delle oscillazioni naturali in un circuito LC risonante, che è correlato ai parametri dei suoi elementi mediante le relazioni

T = 2π√LC o LC = (T/2π)².

Da questa formula ne consegue che l'induttanza misurata è linearmente correlata al quadrato del periodo di oscillazione con una capacità costante nel circuito. Ovviamente, la stessa dipendenza lineare mette in relazione la capacità misurata con un'induttanza costante, e per misurare l'induttanza o la capacità è sufficiente convertire il periodo di oscillazione in un valore conveniente. Dalla formula precedente risulta chiaro che con una capacità costante di 25330 pF o un'induttanza di 25,33 mH per i multimetri della serie 83x, la risoluzione minima di misura è 0,1 µH e 0,1 pF negli intervalli di 0...200 µH e 0 ...200 pF di conseguenza e la frequenza di oscillazione con un'induttanza misurata di 1 μH è pari a 1 MHz.

L'allegato contiene un generatore di misura, la cui frequenza è determinata dal circuito LC e, a seconda del tipo di misura, dall'induttanza collegata alle prese di ingresso della bobina o dalla capacità del condensatore, un'unità di stabilizzazione della tensione di uscita del generatore , un formatore di impulsi, divisori di frequenza per espandere gli intervalli di misurazione e un convertitore del periodo di ripetizione degli impulsi in una tensione proporzionale al suo quadrato, che viene misurata da un multimetro.

Principali caratteristiche tecniche

• Limiti di misura dell'induttanza...200 µH; 2mH; 20 mH; 200 mH; 2 Gn; 20 Gn
• Limiti di misura della capacità ....... 200 pF; 2nF; 20nF; 0,2 uF; 2 µF; 20 µF
• Errore di misurazione nei primi quattro limiti dal valore limite 0,1 e oltre, non oltre, % .......3
• Errore di misurazione compreso tra 2 μF e 2 H, non di più, % .......10
• Errore di misurazione compreso tra 20 μF e 20 H, non di più, % .......20
• Massimo consumo di corrente, non superiore a, mA ....... 3

L'errore nella misurazione dell'induttanza nell'intervallo 2 e 20 H dipende dalla capacità della bobina, dalla sua resistenza attiva, dalla magnetizzazione residua del circuito magnetico e la capacità nell'intervallo 2 e 20 μF dipende dalla resistenza attiva del bobina nel circuito LC e la ESR del condensatore da misurare.

Lo schema di attacco è mostrato in Fig. 1. Nella posizione “Lx” dell'interruttore SA1, misurare l'induttanza della bobina collegata alle prese XS1, XS2, in parallelo con la quale è collegato il condensatore C1, e in posizione “Cx” - la capacità del condensatore, in parallelo con quale induttore L1 è collegato. I transistor VT1, VT2 vengono utilizzati per assemblare un generatore di tensione sinusoidale di misurazione, la cui frequenza, come menzionato sopra, è determinata dagli elementi del circuito LC. Questo è un amplificatore coperto da feedback positivo (POS).

Il primo stadio dell'amplificatore è assemblato secondo un circuito con un collettore comune (inseguitore di emettitore), ha una grande resistenza di ingresso e un'uscita bassa, e il secondo - secondo un circuito con una base comune (CB) - ha un basso ingresso e grande resistenza di uscita. Pertanto, si ottiene un buon coordinamento quando l'uscita del secondo è chiusa con l'ingresso del primo. Entrambi gli stadi non sono invertenti, quindi questa connessione copre l'amplificatore di un PIC al XNUMX% che, in combinazione con l'elevata impedenza di ingresso dell'inseguitore di emettitore e lo stadio di uscita con OB, assicura che il generatore funzioni alla frequenza di risonanza del Circuito LC su un'ampia gamma di frequenze.

Riso. 1 (clicca per ingrandire)

Consideriamo il funzionamento di un contatore LC con un induttore o un condensatore collegato alle prese XS1, XS2 "Lx, Cx". La tensione dall'uscita del generatore viene alimentata ad un amplificatore con elevata impedenza di ingresso, assemblato su un transistor VT3, che la amplifica cinque volte, necessaria per il normale funzionamento dell'unità di stabilizzazione della tensione di uscita del generatore. L'unità di stabilizzazione è assemblata su diodi VD1, VD2, condensatori C3, C5 e transistor VT4. Mantiene la tensione di uscita del generatore a un livello costante di circa 100 mV rms, al quale è possibile effettuare misurazioni senza dissaldare gli elementi dalla scheda, e aumenta anche la stabilità delle oscillazioni del generatore a questo livello.

La tensione di uscita dell'amplificatore, raddrizzata dai diodi VD1, VD2 e livellata dal condensatore C5, viene fornita alla base del transistor VT4. Quando l'ampiezza della tensione all'uscita del generatore è inferiore a 150 mV, questo transistor viene aperto dalla corrente di base che scorre attraverso il resistore R7 e l'intera tensione di alimentazione di +3 V viene fornita al generatore (questa tensione deve essere applicata al generatore per un avvio affidabile, nonché per la misurazione dell'induttanza 1.. .3 µH). Se durante la misurazione l'ampiezza della tensione del generatore diventa superiore a 150 mV, all'uscita del raddrizzatore apparirà una tensione della polarità che chiude il transistor VT4. La sua corrente di collettore diminuirà, il che porterà ad una diminuzione della tensione di alimentazione del generatore e al ripristino dell'ampiezza della sua tensione di uscita ad un dato livello. Altrimenti si verifica il processo inverso.

La tensione di uscita dell'amplificatore sul transistor VT3 attraverso il circuito C4, C6, R8 viene fornita a un formatore di impulsi assemblato sui transistor VT5 e VT6 utilizzando un circuito di trigger Schmitt con accoppiamento di emettitore. Alla sua uscita si formano impulsi rettangolari con la frequenza del generatore, un breve tempo di decadimento (circa 50 ns) e un'oscillazione pari alla tensione di alimentazione. Questo tempo di caduta è necessario per il normale funzionamento dei contatori decimali DD1-DD3. Il resistore R8 garantisce un funzionamento stabile del trigger Schmitt alle basse frequenze. Ciascuno dei contatori DD1 - DD3 divide la frequenza del segnale per 10. I segnali di uscita dei contatori vengono inviati al finecorsa di misurazione SA2.

Dal contatto mobile dell'interruttore, a seconda del limite di misura selezionato “x1”, “x10”²", "x10⁴"Segnali impulsivi ad onda quadra U_и (Fig. 2, a) vengono forniti a un convertitore periodo-tensione assemblato sull'amplificatore operazionale DA1.1, transistor ad effetto di campo VT7-VT9 e condensatore C8. Con l'arrivo del successivo impulso di segnale con una durata di 0,5 T, il transistor VT7 si chiude per questo tempo. La tensione dal partitore resistivo R13R14 (circa 2,5 V) viene fornita all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale DA 1.1. Una sorgente di corrente stabile (IT) viene assemblata utilizzando questo amplificatore operazionale e il transistor VT9. La corrente IT di 140 μA viene impostata collegando in parallelo i resistori R16 e R17 con i contatti dell'interruttore SA3 chiusi (posizione "x1") e dieci volte inferiore - 14 μA - tramite il resistore R16 con contatti aperti (posizione "x10").

Fig. 2

Al momento dell'arrivo di un impulso con una durata di 0,5 T, il transistor VT8 si apre attraverso il circuito differenziatore C7R15 per 5...7 μs, scaricando durante questo tempo il condensatore C8, dopodiché si chiude e inizia a caricare il condensatore C8 con una carica stabile corrente dall'IT (Fig. 2,b). Alla fine dell'impulso, il transistor VT7 si apre, chiudendo il resistore R13 e la corrente IT diventa zero. Durante il successivo intervallo di 0,5 T, la tensione U1 sul condensatore C8 rimane invariata e uguale a

U₁ = u_S8 = I_IT1xT/(2xC8) = K₁xT,

dove K₁ = I_IT1/(2xC8) - coefficiente costante.

Da questa espressione ne consegue che la tensione sul condensatore carico C8 è proporzionale al periodo T degli impulsi in arrivo. In questo caso una tensione di 2 V corrisponde al valore massimo del parametro misurato ad ogni limite di misura. L'ingresso di un amplificatore buffer sull'amplificatore operazionale DA1.2 con guadagno unitario è collegato al condensatore, la cui corrente di ingresso è trascurabile (diversi picoamp) e non influisce sullo scarico (e sulla carica) del condensatore C8.

Dall'uscita dell'amplificatore buffer va al convertitore successivo: "tensione-corrente" all'amplificatore operazionale DA2.1. Un altro IT (IT18) viene assemblato utilizzando questo amplificatore operazionale e resistori R21-R2. La corrente di questo IT è determinata dalla tensione di ingresso fornita al terminale sinistro del resistore R18 nel diagramma e dalla sua resistenza, e il segno dipende da quale dei resistori (nel nostro caso è R18 o R20) è acceso come ingresso. IT è caricato sul condensatore C9. Durante l'azione di un impulso di ingresso con una durata di 0,5 T, il transistor VT10 è aperto e la tensione U₂ sul condensatore C9 è uguale a zero (Fig. 2,c). Alla fine dell'impulso, il transistor si chiude e il condensatore inizia a caricarsi con corrente continua dalla tensione fornita al resistore R18 dall'amplificatore buffer all'amplificatore operazionale DA1.2. Come si può vedere dal diagramma (Fig. 2, c), la tensione sul condensatore aumenta linearmente sotto forma di una sega fino a quando appare l'impulso successivo dopo un tempo di 0,5 T. Quando appare, la tensione attraverso il condensatore raggiungerà il valore

U_2max = u_С9max = I_IT2xT/(2xC9) = U_C8xT/(2xR18xC9) = K₂xU_C8xT = K₁хК₂хТ²,

dove K₁, K₂ - coefficienti costanti; Per₂ = 1/(2xR18xC9).

Da questa espressione ne consegue che l'ampiezza della tensione sul condensatore C9 è proporzionale al quadrato del periodo degli impulsi in arrivo, cioè dipende linearmente dall'induttanza o capacità misurata. Questa trasformazione “al quadrato del periodo” è logicamente comprensibile anche senza l'espressione di cui sopra, poiché la tensione sul condensatore C9 dipende linearmente contemporaneamente sia dal periodo che dalla tensione all'ingresso IT, che dipende anch'essa linearmente dal periodo. In questo caso una tensione U2max pari a 2 V corrisponde al valore massimo del parametro misurato ad ogni limite di misura.

L'ingresso dell'amplificatore buffer all'amplificatore operazionale DA9 è collegato al condensatore C2.2. Dalla sua uscita, una tensione a dente di sega, ridotta al livello richiesto dal divisore R22R23, viene fornita all'ingresso “VΩmA” del multimetro (connettore XP2). Il circuito RC integrato del multimetro, collegato all'ingresso ADC (costante di tempo 0,1 s), e quello esterno - R22C12 livellano gli impulsi a dente di sega su un valore medio nel periodo, che è pari a un quarto del ampiezza. Pertanto, con l'ampiezza della "sega" sul connettore XP2 "VΩmA" di 0,8 V, la tensione all'ingresso dell'ADC del multimetro è di 200 mV, che corrisponde al limite superiore della misurazione della tensione CC al limite di 200 mV.

La console è assemblata su un pannello in lamina di fibra di vetro su entrambi i lati. Il disegno del circuito stampato è mostrato in Fig. 3, e la posizione degli elementi su di esso è in Fig. 4.

Fig. 3

Fig. 4

Le foto del circuito stampato sono mostrate in Fig. 5, 6. Pin XP1 "NPNC" - adatto dal connettore. I pin XP2 "VΩmA" e XP3 "COM" provengono da puntali del multimetro guasti. Prese di ingresso XS1, XS2 - morsettiera a vite 350-02-021-12 serie 350 di DINKLE. Interruttori a scorrimento: SA1 - SS12D07; SA2, SA3 - Serie MSS, MS, IS, ad esempio, rispettivamente MSS-23D19 (MS-23D18) e MSS-22D18 (MS-22D16). La bobina L1 è artigianale, contiene circa (da specificare in fase di installazione) 160 spire di filo PEV-2 0,2, avvolte in quattro sezioni da 40 spire su un circuito magnetico ad anello di dimensioni standard 10x6x4,5 in ferrite 2000NM1, 2000NM3 o N48 ( EPCOS). Le ferriti di questi gradi hanno un coefficiente di permeabilità magnetica a bassa temperatura. L'utilizzo di ferriti di altre marche, ad esempio N87, porterà ad un aumento dell'errore nella misura della capacità quando la temperatura cambia di 5...10 ^оC.

Fig. 5

Fig. 6

I condensatori C1, C8 e C9 sono condensatori a film importati per una tensione di 63 V (ad esempio WIMA, EPCOS). La deviazione della capacità dei condensatori C8, C9 non deve essere superiore al 5%. Il resto è per montaggio a superficie: C2, C10, C11 - grandezza 0805; C4, C6, C7 - 1206; ossido C3, C5, C12 - tantalio B. Tutti i resistori sono di dimensione 1206. I resistori R13, R14, R16-R21 devono essere utilizzati con una tolleranza non superiore all'1% e i resistori R18, R20 e R19, R21 devono essere selezionati con un multimetro con resistenze quanto più vicine possibile in ciascuna coppia Spesso per la scelta è sufficiente una confezione da 10...20 resistori della serie E24 con una classe di precisione del XNUMX%.

I transistor VT1 -VT5 devono avere un coefficiente di trasferimento di corrente di almeno 500, VT6 - da 50 a 200. I transistor BSS84 sono intercambiabili con IRLML6302 e IRLML2402 con FDV303N. In caso di sostituzione diversa, è necessario tenere presente che la tensione di soglia dei transistor non deve essere superiore a 2 V, la resistenza a canale aperto non deve essere superiore a 0,5 Ohm e la capacità di ingresso non deve essere superiore a 200 pF a una tensione drain-to-source di 1 V. Gli amplificatori operazionali micropower AD8542ARZ sono sostituibili, ad esempio MSR602 o KF1446UD4A domestico. Si consiglia di selezionare quest'ultimo con una tensione di offset di zero non superiore a 2 mV per ridurre l'errore di misura quando il suo risultato non supera il 10% del limite impostato. I contatori decimali 74HC4017D con logica ad alta velocità possono essere sostituiti con quelli simili della serie 4000B di NXP (PHILIPS) - HEF4017B. Non utilizzare contatori simili di altre società, in particolare quelli domestici K561IE8. Con una tensione di alimentazione di 3 V, la frequenza di ingresso di 1 MHz dal generatore di misura è troppo elevata per tali contatori e il tempo di decadimento dell'impulso al loro ingresso (50 ns) è breve. Potrebbero non “sentire” un simile segnale.

I terminali dei condensatori C8, C9, che vanno al filo comune, sono saldati su entrambi i lati del circuito stampato. Allo stesso modo, i terminali dell'interruttore SA3 e il terminale proveniente dal contatto mobile SA2, nonché la spina XP1-XP3, sono saldati. Inoltre, XP2 e XP3 vengono prima fissati mediante saldatura, quindi viene praticato un foro “in posizione” e la spina XP1 viene saldata. Pezzi di filo stagnato vengono inseriti nei fori dei pad vicino alla sorgente del transistor VT10 e del resistore R14 e saldati su entrambi i lati. Prima dell'installazione sui microcircuiti DD2, DD3, il pin 4 deve essere piegato o rimosso.

Quando si lavora con un misuratore LC, l'interruttore per il tipo di funzionamento del multimetro è impostato sulla posizione di misurazione della tensione continua al limite di "200 mV". I limiti di misurazione del misuratore LC corrispondenti alle posizioni degli interruttori SA2, SA3 sono riportati nella tabella.

La calibrazione del misuratore LC viene effettuata in base alla disponibilità degli strumenti e delle qualifiche necessarie. Nel caso più semplice avrete bisogno di una bobina con un'induttanza nota con precisione, il cui valore è vicino al limite di misurazione corrispondente, e dello stesso condensatore con una capacità misurata. Per eliminare l'errore dalla capacità di ingresso del misuratore LC, la capacità del condensatore deve essere almeno 1800 pF (ad esempio, 1800 pF, 0,018 µF, 0,18 µF). Il set-top box viene prima collegato a una fonte di alimentazione autonoma con una tensione di 3 V e viene misurato il consumo di corrente, che non deve superare i 3 mA, quindi collegato a un multimetro.

Successivamente, impostare l'interruttore SA1 sulla posizione “Lx” e collegare una bobina con un'induttanza nota alle prese XS1, XS2 “Lx, Cx”. Gli interruttori SA2 e SA3 sono impostati sul limite appropriato e ottengono letture sull'indicatore numericamente uguali all'induttanza (la virgola dell'indicatore non viene presa in considerazione), se necessario, collegando in parallelo al condensatore C1 una capacità aggiuntiva fino a 3300 pF. I condensatori C1, C8, C9 sono dotati di piazzole sul circuito stampato per la dissaldatura di dimensioni aggiuntive 0805 per il montaggio superficiale.

È possibile regolare con maggiore precisione le letture modificando la resistenza del resistore R22 o R23 entro limiti ridotti. Un misuratore LC viene calibrato allo stesso modo quando si misura la capacità, ma le letture corrispondenti sull'indicatore vengono impostate modificando il numero di giri della bobina L1.

Quando si misura la capacità di un set-top box, è necessario tenere conto della sua capacità di ingresso, che nel campione dell'autore è 41,1 pF. Questo valore viene visualizzato dall'indicatore del multimetro se si imposta l'interruttore SA1 sulla posizione "Cx" e SA2 e SA3 sulla posizione "x1". Quando si modifica la topologia del circuito stampato, i collegamenti tra i terminali dei condensatori C8 e C9 con i terminali dei transistor VT9 e VT10 devono essere realizzati con conduttori separati.

Il set-top box può essere utilizzato come generatore di frequenze fisse di forma sinusoidale e rettangolare. Un segnale sinusoidale con una tensione di 0,1 V viene rimosso dall'emettitore del transistor VT3, un segnale rettangolare con un'ampiezza di 3 V viene rimosso dal contatto mobile dell'interruttore SA2. Le frequenze richieste si ottengono collegando condensatori di capacità adeguata all'ingresso del set-top box nella posizione “Cx” dell'interruttore SA1.

Il disegno PCB in formato Sprint Layout 5.0 può essere scaricato da ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/08/Lc-metr.zip.

Letteratura

1. Generatore LC universale. - Radio, 1979, n. 5, p. 58.
2. L-metro con scala lineare. - Radio, 1984, n. 5, p. 58, 61.

Autore: S. Glibin

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