misuratore LC. Schema, descrizione

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misuratore LC. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Nella pratica di un radioamatore, la misurazione dei parametri degli elementi radio utilizzati è il primo passo fondamentale per raggiungere gli obiettivi prefissati durante la creazione di un complesso di ingegneria radiofonica o elettronica. Senza conoscere le proprietà dei "mattoni elementari", è molto difficile dire quali proprietà avrà una casa costruita con essi. In questo articolo, al lettore viene offerta una descrizione di un semplice dispositivo di misurazione che ogni radioamatore dovrebbe avere in laboratorio.

Il principio di funzionamento del misuratore LC proposto si basa sulla misurazione dell'energia accumulata nel campo elettrico del condensatore e nel campo magnetico della bobina. Per la prima volta in relazione a un progetto amatoriale, questo metodo è stato descritto in [1] e negli anni successivi, con piccole modifiche, è stato ampiamente utilizzato in molti progetti di misuratori di induttanza e capacità. L'uso di un microcontrollore e di un indicatore LCD in questo progetto ha permesso di creare un dispositivo semplice, di piccole dimensioni, economico e facile da usare con una precisione di misurazione sufficientemente elevata. Quando si lavora con il dispositivo, non è necessario manipolare alcun controllo, basta collegare l'elemento misurato e leggere le letture dall'indicatore.

caratteristiche tecniche

Gamma di capacità misurata......0,1pF...5mkF
Intervallo di induttanza misurata......0,1 μH...5 H
Errore del valore misurato, non di più, %......±3
Tensione di alimentazione, V......7,5...9
Consumo di corrente, mA, non di più ...... 15
Selezione automatica della gamma
Software Zero
Dimensioni, mm......140x40x30

Lo schema schematico del dispositivo è mostrato in fig. uno

(clicca per ingrandire)

Il segnale di tensione di eccitazione di forma rettangolare dal pin 6 (PB1) del microcontrollore DD1 attraverso i tre elementi buffer inferiori DD2 secondo lo schema viene alimentato alla parte di misurazione del dispositivo. Durante un livello di tensione elevato, il condensatore misurato Cx viene caricato tramite un resistore R9 e un diodo VD6, mentre a un livello di tensione basso viene scaricato tramite R9 e VD5. La corrente di scarica media, proporzionale al valore della capacità misurata, il dispositivo converte in tensione utilizzando l'amplificatore operazionale DA1. I condensatori C5 e C7 ne attenuano le increspature. Il resistore R14 viene utilizzato per azzerare accuratamente l'amplificatore operazionale.

Quando si misura l'induttanza a un livello alto, la corrente nella bobina sale al valore determinato dal resistore R10 e a un livello basso, la corrente creata dall'EMF di autoinduttanza della bobina misurata viene alimentata anche all'ingresso di il microcircuito DA4 attraverso VD11 e R1.

Pertanto, con una tensione di alimentazione e una frequenza del segnale costanti, la tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale è direttamente proporzionale ai valori della capacità o induttanza misurata. Ma questo è vero solo a condizione che durante la metà del periodo della tensione di eccitazione il condensatore sia completamente carico e durante l'altra metà anche completamente scarico. Lo stesso vale per l'induttore. La corrente al suo interno dovrebbe avere il tempo di raggiungere il valore massimo e scendere a zero. Queste condizioni possono essere garantite scegliendo opportunamente i resistori R9-R11 e la frequenza della tensione di eccitazione.

Una tensione proporzionale al valore del parametro dell'elemento misurato viene alimentata dall'uscita dell'amplificatore operazionale attraverso il filtro R6C2 all'ADC a dieci bit integrato del microcontrollore DD1. Il condensatore C1 è un filtro della sorgente di tensione di riferimento interna dell'ADC.

I primi tre elementi nel circuito DD2, così come VD1, VD2, C4, C11, vengono utilizzati per generare una tensione di -5 V, necessaria per il funzionamento dell'amplificatore operazionale

Lo strumento visualizza il risultato della misurazione su un display LCD HG1 a sette segmenti a dieci cifre (KO-4V, prodotto in serie da Telesystems a Zelenograd). Un indicatore simile viene utilizzato nei telefoni "PANAPHONE".

Per migliorare la precisione, il dispositivo dispone di nove sottointervalli di misurazione. La frequenza della tensione di eccitazione nella prima sottobanda è 800 kHz. A questa frequenza vengono misurati condensatori con una capacità fino a circa 90 pF e bobine con un'induttanza fino a 90 μH. Ad ogni sottointervallo successivo la frequenza viene ridotta rispettivamente di 4 volte e il limite di misurazione viene ampliato dello stesso numero di volte. Nel nono sottointervallo la frequenza è di 12 Hz, il che garantisce la misurazione di condensatori con una capacità fino a 5 μF e di bobine con un'induttanza fino a 5 H. Il dispositivo seleziona automaticamente il sottointervallo richiesto e, dopo aver acceso l'alimentazione, la misurazione inizia dal nono sottointervallo. Durante il processo di commutazione, sull'indicatore viene visualizzato il numero della sottobanda, che consente di determinare con quale frequenza viene eseguita la misurazione.

Dopo aver selezionato il sottointervallo desiderato, sull'indicatore viene visualizzato il risultato della misurazione in pF o μH. Per facilità di lettura, i decimi di pF (μH) e le unità di μF (H) sono separati da uno spazio vuoto e il risultato è arrotondato a tre cifre significative.

Il LED rosso HL1 viene utilizzato come stabistore da 1,5 V per alimentare l'indicatore. Il pulsante SB1 viene utilizzato per la correzione dello zero software, che aiuta a compensare la capacità e l'induttanza dei terminali e dell'interruttore SA1. Questo interruttore può essere eliminato installando terminali separati per il collegamento dell'induttanza e della capacità misurate, ma questo è meno conveniente durante il funzionamento. Il resistore R7 è progettato per scaricare rapidamente i condensatori C9 e C10 quando l'alimentazione è spenta. Senza di esso, la riaccensione, che garantisce il corretto funzionamento dell'indicatore, è possibile non prima di 10 s, il che è alquanto scomodo durante il funzionamento.

Tutte le parti del dispositivo, ad eccezione dell'interruttore SA1, sono montate su un circuito stampato su un solo lato, mostrato in fig. 2.

Misuratore LC

L'indicatore HG1 e il pulsante SB1 vengono installati dal lato di installazione e portati sul pannello frontale. La lunghezza dei cavi verso l'interruttore SA1 e i terminali di ingresso non deve superare 2 ... 3 cm I diodi VD3-VD6 sono ad alta frequenza con una bassa caduta di tensione, è possibile utilizzare D311, D18, D20. Resistenze trimmer R11, R12, R14 di piccole dimensioni tipo SPZ-19. La sostituzione di R11 con un resistore a filo non è auspicabile, poiché comporterà una diminuzione della precisione della misurazione. Il chip 140UD1208 può essere sostituito con qualche altro amplificatore operazionale dotato di circuito di azzeramento e in grado di funzionare con una tensione di ±5 V, mentre il K561LN2 può essere sostituito con qualsiasi chip CMOS delle serie 1561, 1554, 74NS, 74AC , contenente sei inverter, ad esempio 74NS14. L'uso delle serie TTL 155, 555, 1533, ecc. è sconsigliabile. Il microcontrollore ATtinyl 5L di ATMEL non ha analoghi ed è impossibile sostituirlo con un altro tipo, ad esempio il popolare AT90S2313, senza modificare il programma.

Il valore delle capacità dei condensatori C4, C5, C11 non deve essere ridotto. L'interruttore SA1 deve essere piccolo e con una capacità minima tra le uscite.

Quando si programma il microcontrollore, tutti i bit FUSE devono essere lasciati ai valori predefiniti: BODLEVEL=0, BODEN=1, SPIEN=0, RSTDISBL=1, CKSEL1 ...0=00. Il byte di calibrazione deve essere scritto nel byte basso del programma all'indirizzo $000F. Ciò fornirà un'impostazione accurata della frequenza dell'orologio di 1,6 MHz e, di conseguenza, della frequenza della tensione di eccitazione per il circuito di misurazione sulla prima gamma di 800 kHz. Nella copia di ATtinyl 5L posseduta dall'autore, il byte di calibrazione è $8 miliardi.

Codici firmware del microcontrollore

Per la regolazione è necessario selezionare più bobine e condensatori con valori parametrici nel campo di misurazione del dispositivo e con una tolleranza minima di deviazione dal valore nominale. Se possibile, i loro valori esatti dovrebbero essere misurati con un misuratore LC industriale. Questi saranno i tuoi elementi di "riferimento". Considerando che la scala del misuratore è lineare, in linea di principio sono sufficienti un condensatore e una bobina. Ma è meglio controllare l'intera gamma. Come bobine esemplificative sono adatte le induttanze normalizzate dei tipi DM, DP.

La regolazione inizia con l'azzeramento del chip DA1, controllando la tensione in uscita con un multimetro. Questa tensione deve essere impostata entro 0 ... + 5 mV con il resistore R14. Il cursore del resistore R12 dovrebbe trovarsi nella posizione centrale ed è preferibile scollegare l'interruttore SA1 dalla scheda per ridurre la capacità parassita dell'ingresso. In questo caso, le letture dell'indicatore dovrebbero essere comprese tra 0 e 3. Ripristinare quindi la connessione SA1, premere e rilasciare il pulsante SB1. Dopo 2 s l'indicatore dovrebbe mostrare 0...±1. Successivamente, una capacità esemplare viene collegata ai terminali di ingresso e, ruotando il cursore R12, le letture vengono impostate in modo che corrispondano al valore reale della capacità del condensatore selezionato. Il prezzo della cifra meno significativa è 0,1 pF. Quindi è necessario controllare l'intera gamma e, se necessario, chiarire la posizione del motore R12, cercando di ottenere un errore non peggiore del 2 ... 3%. La regolazione dello zero è accettabile anche se le letture alla fine della scala sono leggermente sottostimate o sovrastimate. Ma dopo ogni modifica della posizione del cursore R14, il condensatore misurato deve essere spento e il pulsante di azzeramento deve essere premuto.

Dopo aver impostato il dispositivo nella modalità di misurazione della capacità, è necessario spostare SA1 nella posizione inferiore secondo lo schema, chiudere i jack di ingresso e premere SB1. Dopo la correzione dello zero all'ingresso, collegare la bobina esemplare e impostare le letture richieste con il resistore R11. Il prezzo della cifra meno significativa è 0,1 μH. In questo caso dovreste fare attenzione che la resistenza R11 sia almeno di 800 ohm, altrimenti dovreste ridurre la resistenza della resistenza R10. Se R11 è maggiore di 1 kOhm, R10 deve essere aumentato, cioè R10 e R11 devono avere un valore vicino. Questa impostazione fornisce all'incirca la stessa costante di tempo per "caricare" e "scaricare" la bobina e, di conseguenza, l'errore di misurazione minimo.

Un errore non peggiore di ± 2 ... 3% quando si misurano i condensatori può essere ottenuto senza difficoltà, ma quando si misurano le bobine tutto è un po' più complicato. L'induttanza della bobina dipende in gran parte da una serie di condizioni concomitanti: la resistenza attiva dell'avvolgimento, le perdite nei circuiti magnetici dovute a correnti parassite, isteresi, la permeabilità magnetica dei ferromagneti dipende in modo non lineare dall'intensità del campo magnetico, ecc. Bobine durante la misurazione sono influenzati da vari campi esterni e tutti i veri ferromagneti hanno un valore di induzione residua piuttosto elevato. I processi che avvengono durante la magnetizzazione dei materiali magnetici sono descritti più dettagliatamente in [2]. Come risultato di tutti questi fattori, le letture del dispositivo durante la misurazione dell'induttanza di alcune bobine potrebbero non coincidere con le letture di un dispositivo industriale che misura la resistenza complessa a una frequenza fissa. Ma non affrettarti a rimproverare questo dispositivo e il suo autore. Devi solo tenere conto delle peculiarità del principio di misurazione. Per le bobine senza nucleo magnetico, per i nuclei magnetici non chiusi e per i nuclei ferromagnetici con gap, la precisione della misurazione è abbastanza soddisfacente se la resistenza attiva della bobina non supera 20 ... 30 Ohm. Ciò significa che l'induttanza di tutte le bobine e le induttanze dei dispositivi ad alta frequenza, dei trasformatori per gli alimentatori a commutazione, ecc. può essere misurata in modo molto accurato.

Ma quando si misura l'induttanza di bobine di piccole dimensioni con un gran numero di spire di un filo sottile e un circuito magnetico chiuso senza spazi vuoti (specialmente dall'acciaio del trasformatore), si verificherà un grande errore. Ma in un dispositivo reale, le condizioni operative della bobina potrebbero non corrispondere all'ideale fornito quando si misura la resistenza complessa. Ad esempio, l'induttanza dell'avvolgimento di uno dei trasformatori a disposizione dell'autore, misurata con un misuratore LC industriale, si è rivelata di circa 3 H. Quando è stata applicata una corrente di polarizzazione CC di soli 5 mA, le letture sono diventate circa 450 mH, ovvero l'induttanza è diminuita di un fattore 7! E nei dispositivi funzionanti, la corrente che attraversa le bobine ha quasi sempre una componente costante. Il misuratore descritto ha mostrato l'induttanza dell'avvolgimento di questo trasformatore 1,5 Gn. E non è ancora noto quale cifra sarà più vicina alle reali condizioni di lavoro.

Tutto quanto sopra è vero in una certa misura per tutti i misuratori LC amatoriali, senza eccezioni. È solo che i loro autori tacciono modestamente al riguardo. Anche per questo motivo la funzione di misurazione della capacità è disponibile in molti modelli di multimetri economici e solo dispositivi professionali costosi e complessi possono misurare l'induttanza. In condizioni amatoriali, è molto difficile realizzare un misuratore di resistenza complesso buono e preciso, è più facile acquistarne uno industriale se ne hai davvero bisogno. Se questo non è possibile per un motivo o per l'altro, penso che il design proposto possa servire come un buon compromesso con un rapporto ottimale tra prezzo, qualità e facilità d'uso.

Letteratura

Stepanov A. Misuratore LC semplice. - Radio, 1982, n. 3, p. 47, 48.
Semenov B. Elettronica di potenza. - M.: SOLON-R, 2001.

Autore: I. Khlyupin, Kirov

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