Меню
ГлавнаяТехника

Цифровой измеритель ёмкости. Измеритель емкости конденсаторов своими руками. Описание и настройка устройства Алгоритм измерения емкости конденсаторов на авр

Этот измеритель емкости может измерять емкость конденсаторов с разрешением 1 пФ в нижнем конце диамазона. Максимальная измеряемая емкость - 10000 мкФ. Реальная точность не известна, но линейная ошибка лежит в пределах максимум 0.5 % , и обычно меньше 0.1% (получено измерением параллельно подключенных нескольких конденсаторов). Наибольшие затруднения возникают при измерении электролитических конденсаторов большой емкости.

Измеритель емкости работает в режиме автоматического выбора пределов измерения, либо в нижнем или верхнемдиапазоне емкостей принудительно. Прибор имеет два различных предела измерения, реализуя два измерения для одного и того же конденсатора. Это дает возможность проверить правдивость измерения и узнать, действительно ли измеряемая деталь является конденсатором. При этом методе электролиты проявляют свою характерную нелинейность, давая разные значения при разных пределах измерения.

Измеритель емкости имеет систему меню, которая в том числе позволяет откалибровать нулевое значение и емкость в 1 мкФ. Калибровка сохраняется в EEPROM.

Для проекта был выбран один из самых маленьких чипов - Атмега8. Схема питается от 9-вольтовой батарейки через линейный регулятор 7805.

Прибор может работать в трех режимах: измерение в нижнем диапазоне, в верхнем диапазоне, и в режиме разрядки. Эти режимы определяются состоянием выводов PD5 и PD6 контроллера. Во время разрядки PD6 имеет лог. 0 и кондерсатор разряжается через резистор R7 (220 Ом). В верхнем диапазоне измерений PD5 имеет лог. 1, заряжая конденсатор через R8 (1.8K) и PD6 находится в Z-состоянии чтобы позволить аналоговому компаратору сравнивать напряжение. В нижнем диапазоне измерений PD5 также находится в Z-состоянии, и конденсатор заряжается только через R6 (1.8MОм).

В качестве индикатора может использоваться любой дисплей на контроллере HD44780 размером 16x2 символов. Разводка коннектора дисплея показана на этом рисунке:

Устройство собрано на макетной плате и размещено в простом прямоугольном пластиковом корпусе. В крышке корпуса вырезаны отверстия под индикатор, кнопку и светодиод, которые закреплены термоклеем:

Программа измерителя емкости

В устройстве можно использовать контроллера atmega8 и atmega48/88/168 семейства. При замене контроллера в программе нужно изменить строку, отвечающую за конфигурацию таймера конкретного контроллера.

Это простой измеритель емкости. Имеется несколько методов измерения емкости, например, с помощью моста сопротивлений или измеряя отклонение магнитной стрелки. В последнее время типовые измерители емкости измеряют емкость и некоторые дополнительные характеристики измеряя вектор тока, подавая на измеряемую емкость переменное напряжение. Некоторые простые измерители емкости используют метод интегрирования, измеряя кратковременный отклик RC цепочки при переходном процессе. Существуют готовые наборы для сборки измерителей емкости, реализующих этот метод.

В этом проекте используется метод интегрирования. Преимущество этого метода в том, что результат легко может быть получен сразу в цифровом виде, потому как метод основан на измерении временных интервалов, точной аналоговой схемы не требуется, измеритель легко может быть откалиброван при использовании микроконтроллера. Таким образом метод интегрирования наиболее подходит для измерителя емкости ручной сборки.

Переходный процесс

Явление, проявляющее до тех пор пока состояние цепи не стабилизируется после изменения состояния, называется переходным процессом. Переходный процесс это одно из фундаментальных явлений в импульсных схемах. Когда выключатель на рисунке 1а разомкнется, конденсатор С будет заряжаться через резистор R и напряжение Vc будет изменяться так, как показано на рисунке 1b. Для изменения состояния цепи на рисунке 1а, также возможно изменять ЭДС Е, вместо использования выключателя, эти два метода будут эквивалентны. Зависимость напряжения Vc от времени t выражается формулой.

(1)

Размерности величин: t - секунды, R - Омы, C - Фарады, число - е, приблизительно 2,72. когда напряжение Vc достигнет некоторого значения Vc1, время t1 может быть выражено по формуле:

(2)

Это означает, что время t1 пропорционально С. Таким образом емкость может быть вычислена из времени заряда и других фиксированных параметров.

Аппаратная часть

Чтобы измерить время заряда потребуются только компаратор напряжения, счетчик и некоторая соединительная логика. Однако, микроконтроллер (AT90S2313) используемый в этом проекте позволяет реализовать это проще. Сначала я думал, что аналоговый компаратор в контроллерах AVR бесполезен, но я обнаружил, что сигнал с выхода компаратора может быть подан на вход триггера ТС1. Это прекрасная возможность для нашего случая.

Интегрирующая схема может быть упрощена, как показано на схеме устройства. Опорное напряжение создается резистивным делителем. С виду кажется, что использование делителя делает результат нестабильным к изменения питающего напряжения, однако время заряда не зависит от питающего напряжения. Используя формулу (2), вы можете обнаружить, что напряжение вообще можно заменить параметром Vc1/E, который зависит только от соотношения сопротивлений делителя. Это преимущество используется в микросхеме таймера NE555 . разумеется, питающее напряжение должно быть стабильным во время измерения.

В соответствии с фундаментальными принципами, при измерении емкости может быть использовано только одно опорное напряжение. Однако использование входного напряжения близкого к нулю проблематично по следующим причинам.

  • Напряжение никогда не упадет до нуля вольт. Напряжение на конденсаторе не может упасть до 0 вольт. Требуется время, чтобы разрядить конденсатор до достаточно для низкого уровня напряжения, позволяющего производить измерения. Это будет увеличивать интервал измерений. Падение напряжения на ключе разряда также увеличит этот эффект.
  • Имеется время между запуском заряда и стартом таймера. Это может вызвать ошибку измерений. Этим можно пренебречь на AVR, потому как им требуется только один цикл тактовой частоты, для этого. На других контроллерах возможно потребуется решать эту проблему.
  • Ток утечки в аналоговой цепи. В соответствии со спецификацией AVR, ток утечки на аналоговых входах возрастает при напряжении на них близком к нулю. Это может стать причиной ошибки измерений.

Чтобы избежать использования близкого к нулевому напряжения, используются два опорных напряжения Vc1(0,17 Vcc) и Vc2(0,5 Vcc) и измеряется разность временных интервалов t2-t1 (0,5RC). Это позволяет избежать вышеописанных проблем и задержка компаратора также компенсируется. Печатная плата устройства должна содержаться в чистоте, чтобы минимизировать утечку тока по поверхности.

Питающее напряжение генерируется преобразователем, питаемым от 1,5 вольтовой батарейки. Ключевой источник питания неприменим для схемы измерений, хотя с виду кажется что схема не подвержена колебаниям напряжения, поскольку в цепи питания применены два фильтра. Я рекомендую использовать 9-ти вольтовую батарейку с 5 ти вольтовым стабилизатором 78 L05 вместо него, и не исключайте функцию BOD или вы будете страдать от порчи данных в энергонезависимой памяти контроллера.

Градуировка

Чтобы калибровать нижний диапазон: В первую очередь установите 0 кнопкой SW1. Затем подключите прецизионный конденсатор емкостью 1 нФ, замкните контакты #1 и #3 разъема Р1 и нажмите кнопку SW1.

Чтобы калибровать верхний диапазон: подключите прецизионный конденсатор емкостью 100 нФ, замкните контакты #4 и #6 разъема Р1 нажмите кнопку SW1.

«Е4» при включении означает, что калибровочное значение в энергонезависимой памяти повреждено. Это сообщение никогда не будет показано, если калибровка уже проводилась. Что касается установки нуля, это значение не записывается в энергонезависимую память и требует повторной установки при каждом включении и перед каждым измерением.

Использование

Автоматическое переключение диапазона

Процесс измерения запускается с интервалом 500 миллисекунд, с момента подключения измеряемой емкости. Измерение начинается с нижнего диапазона (3,3 мОм). Если напряжение на конденсаторе не достигнет 0,5 Vcc в течении 130 миллисекунд (>57 нФ), конденсатор разряжается и измерение перезапускается на верхнем диапазоне (3,3 кОм). Если напряжение на конденсаторе не достигнет 0,5 Vcc в течении 1 секунды (>440 мкФ), измерение отменяется и выводится сообщение «E2». В случае, когда допустимое значение времени измерено, емкость вычисляется и отображается. Значение емкости отображается таким образом, что на дисплее отображаются только первые три цифры слева. Таким образом автоматически выбираются два диапазона измерений и три диапазона отображения.

В электрических цепях применяются конденсаторы разного типа. В первую очередь они отличаются по емкости. Для того чтобы определить этот параметр, используются специальные измерители. Указанные устройства могут производиться с различными контактами. Современные модификации выделяются высокой точностью замеров. Для того чтобы сделать простой измеритель емкости конденсаторов своими руками, необходимо ознакомиться с основными составляющими прибора.

Как устроен измеритель?

Стандартная модификация включает в себя модуль с расширителем. Данные о выводятся на дисплей. Некоторые модификации функционируют на базе релейного транзистора. Он способен работать на разных частотах. Однако стоит отметить, что такая модификация не подходит для многих типов конденсаторов.

Устройства низкой точности

Сделать низкой точности измеритель ЭПС емкости конденсаторов своими руками можно при помощи переходного модуля. Однако в первую очередь используется расширитель. Контакты для него целесообразнее подбирать с двумя полупроводниками. При выходном напряжении 5 В ток должен составлять не более 2 А. Для защиты измерителя от сбоев применяются фильтры. Настройку осуществлять следует при частоте 50 Гц. Тестер в данном случае должен показывать сопротивление не выше 50 Ом. У некоторых возникают проблемы с проводимостью катода. В данном случае следует заменить модуль.

Описание моделей высокой точности

Делая измеритель емкости конденсаторов своими руками, расчет точности следует производить исходя из линейного расширителя. Показатель перегрузки модификации зависит от проводимости модуля. Многие эксперты советуют для модели подбирать дипольный транзистор. В первую очередь он способен работать без тепловых потерь. Также стоит отметить, что представленные элементы редко перегреваются. Контактор для измерителя можно использовать низкой проводимости.

Чтобы сделать простой точный измеритель емкости конденсаторов своими руками, стоит позаботиться о тиристоре. Указанный элемент должен работать при напряжении не менее 5 В. При проводимости 30 мк перегруженность у таких устройств, как правило, не превышает 3 А. Фильтры используются разного типа. Устанавливать их следует за транзистором. Также стоит отметить, что дисплей можно подключать только через проводниковые порты. Для зарядки измерителя подойдут батареи на 3 Вт.

Как сделать модель серии AVR?

Сделать измеритель емкости конденсаторов своими руками AVR можно только на базе переменного транзистора. В первую очередь для модификации подбирается контактор. Для настройки модели стоит сразу замерить выходное напряжение. Отрицательное сопротивление у измерителей не должно превышать 45 Ом. При проводимости 40 мк перегрузка в устройствах составляет 4 А. Чтобы обеспечить максимальную точность измерений, используются компараторы.

Некоторые эксперты рекомендуют подбирать только открытые фильтры. Они не боятся импульсных помех даже при большой загруженности. Полюсные стабилизаторы в последнее время пользуются большим спросом. Для модификации не подходят только сеточные компараторы. Перед включением устройства делается замер сопротивления. У качественных моделей данный параметр составляет примерно 40 Ом. Однако в данном случае многое зависит от частотности модификации.

Настройка и сборка модели на базе PIC16F628A

Сделать измеритель емкости конденсаторов своими руками на PIC16F628A довольно проблематично. В первую очередь для сборки подбирается открытый трансивер. Модуль разрешается использовать регулируемого типа. Некоторые эксперты не советуют устанавливать фильтры высокой проводимости. Перед пайкой модуля проверяется выходное напряжение.

При повышенном сопротивлении рекомендуется заменить транзистор. С целью преодоления импульсных помех применяются компараторы. Также можно использовать проводниковые стабилизаторы. Дисплеи часто применяются текстового типа. Устанавливать их стоит через канальные порты. Настройка модификации происходит при помощи тестера. При завышенных параметрах емкости конденсаторов стоит заменить транзисторы с малой проводимостью.

Модель для электролитических конденсаторов

При необходимости можно сделать измеритель емкости электролитических конденсаторов своими руками. Магазинные модели этого типа выделяются низкой проводимостью. Многие модификации производятся на контакторных модулях и работают при напряжении не более 40 В. Система защиты у них используется класса РК.

Также стоит отметить, что измерители данного типа отличаются пониженной частотностью. Фильтры у них применяются только переходного типа, они способны эффективно справляться с импульсными помехами, а также гармоническими колебаниями. Если говорить про недостатки модификаций, то важно отметить, что у них малая пропускная способность. Они показывают плохие результаты в условиях повышенной влажности. Также эксперты указывают на несовместимость с проводными контакторами. Устройства нельзя применять в цепи переменного тока.

Модификации для полевых конденсаторов

Устройства для полевых конденсаторов выделяются пониженной чувствительностью. Многие модели способны работать от прямолинейных контакторов. Устройства чаще всего используются переходного типа. Для того чтобы сделать модификацию своими руками, надо применять регулируемый транзистор. Фильтры устанавливаются в последовательном порядке. Для проверки измерителя применяются сначала конденсаторы малой емкости. При этом тестером фиксируется отрицательное сопротивление. При отклонении свыше 15 % необходимо проверить работоспособность транзистора. Выходное напряжение на нем не должно превышать 15 В.

Устройства на 2 В

На 2 В измеритель емкости конденсаторов своими руками делается довольно просто. В первую очередь эксперты рекомендуют заготовить открытый транзистор с низкой проводимостью. Также важно подобрать для него хороший модулятор. Компараторы, как правило, используются низкой чувствительности. Система защиты у многих моделей применяется серии КР на фильтрах сеточного типа. Для преодоления импульсных колебаний используются волновые стабилизаторы. Также стоит отметить, что сборка модификации предполагает применение расширителя на три контакта. Для настройки модели следует использовать контактный тестер, а показатель сопротивление не должен быть ниже 50 Ом.

Модификации на 3 В

Складывая измеритель емкости конденсаторов своими руками, можно использовать переходник с расширителем. Транзистор целесообразнее подбирать линейного типа. В среднем проводимость у измерителя должна равняться 4 мк. Также перед установкой фильтров важно зафиксировать контактор. Многие модификации также включают в себя трансиверы. Однако данные элементы не способны работать с полевыми конденсаторами. Предельный параметр емкости у них равняется 4 пФ. Система защиты у моделей применяется класса РК.

Модели на 4 В

Собирать измеритель емкости конденсаторов своими руками разрешается только на линейных транзисторах. Также для модели потребуется качественный расширитель и переходник. Если верить экспертам, то фильтры целесообразнее применять переходного типа. Если рассматривать рыночные модификации, то у них может использоваться два расширителя. Работают модели при частоте не более 45 Гц. При этом чувствительность у них часто меняется.

Если собирать простой измеритель, то контактор можно использовать без триода. У него малая проводимость, однако он способен работать при большой загруженности. Также стоит отметить, что модификация должна включать в себя несколько полюсных фильтров, которые будут уделять внимание гармоническим колебаниям.

Модификации с однопереходным расширителем

Сделать измеритель емкости конденсаторов своими руками на базе однопереходного расширителя довольно просто. В первую очередь рекомендуется подобрать для модификации модуль с низкой проводимостью. Параметр чувствительности при этом должен составлять не более 4 мВ. У некоторых моделей имеется серьезная проблема с проводимостью. Транзисторы применяются, как правило, волнового типа. При использовании сеточных фильтров быстро нагревается тиристор.

Чтобы избежать подобных проблем, рекомендуется устанавливать сразу два фильтра на сеточных переходниках. В конце работы останется только припаять компаратор. Для повышения работоспособности модификации устанавливаются канальные стабилизаторы. Также стоит отметить, что существуют устройства на переменных контакторах. Они способны работать при частоте не более 50 Гц.

Модели на базе двухпереходных расширителей: сборка и настройка

Сложить на двухпереходных расширителях цифровой измеритель емкости конденсаторов своими руками довольно просто. Однако для нормальной работы модификаций подходят только регулируемые транзисторы. Также стоит отметить, что при сборке нужно подбирать импульсные компараторы.

Дисплей для устройства подойдет строчного типа. При этом порт разрешается использовать на три канала. Для решения проблем с искажением в цепи применяются фильтры низкой чувствительности. Также стоит отметить, что модификации нужно собирать на диодных стабилизаторах. Настройка модели осуществляется при отрицательном сопротивлении 55 Ом.

На микроконтроллере, но после некоторых обсуждений с коллегами-радиолюбителями и серии экспериментов, пришли в голову мысли о его дальнейшем улучшении. Новый прибор отличается повышенной точностью и более широким диапазоном. В его основе - контроллер PIC16F90.

Схема измерителя ёмкости и индуктивности

Характеристики LCR метра

Конденсаторы :

  • от 1pF до 1nF - разрешение: 0,1 ПФ, точность: 1%
  • от 1nF до 100nF - разрешение: 1pF, точность: 1%
  • от 100nF до 1uF - разрешение 1nF, погрешность: 2.5%

Электролиты :

  • от 100 НФ до 100 000uF - разрешение 1nF, точность: 5%

Индуктивность :

  • от 10nH к 20H - разрешение 10nH, точность: 5%

Сопротивление :

  • от 1 мОм до 0,5 Ом - разрешение 1 мОм, точность: 5%

Тут нужно поправиться - устройство работает скорее как миллиомметр. Резисторы больше одного Ома оно почти не меряет. Печатная плата для прибора разработана таким образом, что можно подключить ЖК-дисплей на верхней части. Для регулировки контрастности дисплея служит подстроечный резистор R10.

Все резисторы металлоплёночные, 1%. Два 1nF конденсатора тоже с отклонением 1%. Ёмкость CX1 - 33nF, также критична - это должен быть полипропилен с высоким рабочим напряжением конденсатора (несколько сот вольт). Дроссель должен быть с низким Rdc. Есть в измерителе разъем для отдельного сетевого адаптера, который обходит кнопку выключения.

Если устройство работает с внешним адаптером питания, вы можете увеличить яркость подсветки экрана за счет уменьшения значения сопротивления резистора R11. Изучите документацию на дисплей, чтобы выбрать правильное значение сопротивления резистора.

Имейте в виду, что электролитические конденсаторы должны быть разряжены до измерения, иначе есть опасность сжечь контроллер. Все файлы для сборки схемы (несколько вариантов прошивок, печатные платы) - находятся в архиве. .

Я уверен, что этот проект не является новым, но это собственная разработка и хочу, чтобы этот проект так, же был известен и полезен.

Схема LC метра на ATmega8 достаточно проста. Осциллятор является классическим и выполнен на операционном усилителе LM311. Основная цель, которую я преследовал при создании данного LC метра — сделать его не дорогим и доступным для сборки каждым радиолюбителем.

Принципиальная схема измерителя емкости и индукции

Характеристики LC-метра:

  • Измерение емкости конденсаторов: 1пФ — 0,3мкФ.
  • Измерение индуктивности катушек: 1мкГн-0,5мГн.
  • Вывод информации на ЖК индикатор 1×6 или 2×16 символов в зависимости от выбранного программного обеспечения

Для данного прибора я разработал программное обеспечение, позволяющее использовать тот индикатор, который есть в распоряжении у радиолюбителя либо 1х16 символьный ЖК-дисплей, либо 2х 16 символов.

Тесты с обоих дисплеев, дали отличные результаты. При использовании дисплея 2х16 символов в верхней строке отображается режим измерения (Cap – емкость, Ind – ) и частота генератора, в нижней же строке результат измерения. На дисплее 1х16 символов слева отображается результат измерения, а справа частота работы генератора.

Однако, чтобы поместить на одну строку символов измеренное значение и частоту, я сократил разрешение дисплея. Это ни как не сказывается на точность измерения, только чисто визуально.

Как и в других известных вариантах, которые основаны на той же универсальной схеме, я добавил в LC-метр кнопку калибровки. Калибровка проводится при помощи эталонного конденсатора емкостью 1000пФ с отклонением 1%.

При нажатии кнопки калибровки отображается следующее:

Измерения, проведенные с помощью данного прибора на удивление точны, и точность во многом зависит от точности стандартного конденсатора, который вставляется в цепь, когда вы нажимаете кнопку калибровки. Метод калибровки устройства заключается всего лишь в измерении емкости эталонного конденсатора и автоматической записи его значения в память микроконтроллера.

Если вы не знаете точное значение, можете откалибровать прибор, изменяя значения измерений шаг за шагом до получения наиболее точного значения конденсатора. Для подобной калибровки имеются две кнопки, обратите внимание, на схеме они обозначены как «UP» и «DOWN». Нажимая их можно добиться корректировки емкости калибровочного конденсатора. Затем данное значение автоматически записывается в память.

Перед каждым замером емкости необходимо сбросить предыдущие показания. Сброс на ноль происходит при нажатии «CAL».

Для сброса в режиме индуктивности, необходимо сначала замкнуть выводы входа, а затем нажать «CAL».

Весь монтаж разработан с учетом свободной доступности радиодеталей и с целью достижения компактности устройства. Размер платы не превышают размеров ЖК-дисплея. Я использовал как дискретные компоненты, так и компоненты поверхностного монтажа. Реле с рабочим напряжением 5В. Кварцевый резонатор — 8MHz.