Opisane poniżej urządzenie powstało w oparciu o układ z Rosyjskiego Radio 8/2007. Można go rzeczywiście można nazwać uniwersalnym, ponieważ mierzy on napięcie prądu stałego, częstotliwości, pojemność, indukcyjność cewek, sprawdza rezonatory kwarcowe, oraz wysyła impulsy o poziomie sygnału TTL, częstotliwości, które można zmieniać w szerokich granicach. Dodatkowo, po dobudowaniu przystawki, można mierzyć ESR dla kondensatorów. Podstawą urządzenia jest mikrokontroler PIC16F873A.
Schemat przyrządu.
Specyfikacja przyrządu – zakresy pomiarowe :
- częstotliwości w MHz: (3 zakresy)
"F1" 0,01 ... 50
"F2" 40 ... 500
"F3" 200 ... 2000
- pojemność : (2 zakresy)
"C" od 0,2 pF do 0,1 µF
"C1" z 0,1 uF do 10 mF
- indukcyjność od 0.1 µH do 5 H
- napięcie DC 0,02 ... 15 V
- częstotliwość rezonansowa kwarcu 0,1 ... 30 MHz
- częstowliwość wyjściowa w trybie generatora 244 Hz ... 1 MHz
Możliwości pomiarowe przystawki ESR :
- ESR i oporność od 0 do 100 Ω (rozdzielczość 0.001 Ω) – pomiar dokonywany jest przy 100kHz
- pojemność od 5 – 25000 uF
- oporność 0.01 Ω do 50 MΩ (automatyczny wybór zakresu)
- temperatura -40 do 105 °C (dokładność 2 stopnie)
Napięcie zasilania przyrządu 7 ... 15 V DC.
Pobór prądu w zależności od wybranej funkcji i zakresu,około 14 - 21 mA przy pomiarze częstotliwości i około 6 - 11 mA przy pomiarze pojemności i indukcyjności (bez podświetlenia LCD)
Błędy pomiaru w trybie (bez niestabilności kwarcu):
Częstotliwość:
Zakres "F1" dla okresu 0,2 s, 1 s, a 10s – odpowiednio 5Hz, 1Hz i 0,1 Hz
"F2" 120 Hz
"F3" 480 Hz
"C", "C1" 2%
"L" 2 ... 10%
"U" 0,05 V
Jako elementy kontrolne służą potencjometr R33 i Przyciski SB1, SB4. Podczas zmiany rezystancji potencjometru R33 zmieniają się kolejne pozycje w menu w następującej kolejności:
- przy oprogramowaniu bez ESR:
L/C – F1 – F2 – U
- przy oprogramowaniu z ESR:
ESR – L/C – F1 – F2 – U – R
Opisy na wyświetlaczu :
ESR – Inductance / Capacitance – Frequency – Frequency – Voltage - Resistance
Poszczególne wartości podmenu wybierane są za pomocą przełączników SB1, SB3 i SB4. Jako wyświetlacz zastosowano LCD 2x16 WH1602D. Pierwsza linia wyświetla informacje o trybie pracy, druga natomiast wartość mierzoną.
Do pomiaru częstotliwości poniżej 500 MHz, sygnał jest podawany do gniazda XW1. Przy tym, przy częstotliwościach powyżej 50 MHz stosowany jest dzielnik oparty na syntezatorze częstotliwości LMX1600TM (DD1). Jego pracą steruje mikrokontroler (DD3) Układ DD2 spełnia funkcję multipleksera.
Sygnał wejściowy podany na gniazdo XW1, wzmacniany jest przez tranzystor VT1.
W trybie "F1" (rys. 2) następuje dalsze wzmocnienie sygnału na tranzystorze VT4 i przez bramki DD2.2, DD2.4 i rezystor R32 podawany jest do mikrokontrolera.
W trybie "F2" sygnał po wzmocnieniu na tranzystorze VT1 podawany jest na wejście dzielnika częstotliwości DD1 syntezatora, a następnie po podzieleniu przez 24 sygnał wyjściowy podawany jest (wyjście 1 DD1) poprzez bramki DD2.3, DD2.4 i rezystora R32 do mikrokontrolera.
W trybie "F3" mierzony sygnał jest doprowadzany do gniazda XW2, a następnie przez kondensator C4, diody VD3, VD4 i kondensator C14 sygnał jest podawany na wejście drugiego dzielnika częstotliwości w syntezatorze DD1. Po podzieleniu przez 96 sygnał wyjściowy przechodzi przez bramki DD2.3, DD2.4 i rezystora R32 do mikrokontrolera.
Zmiana z trybu "F2" na tryb "F3" następuje za pomocą przełącznika SB3, następne naciśnięcie powoduje przejście w tryb sprawdzania rezonatorów kwarcowych umieszczonych w gnieździe "ZQX".
Do pomiaru kondensatorów o pojemności do 0,1 uF, oraz cewek indukcyjnych, używany jest układ generatora na komparatorze DA1 (LM311D). Sygnał z wyjścia generatora doprowadzony jest bezpośrednio do wejścia mikrokontrolera, który mierzy się jego częstotliwość i oblicza na tej podstawie wartości mierzonych elementów.
W trybie "Kalibracja” określona jest pojemność „pasożytnicza” gniazda XS1 i zapisana zostaje w pamięci EEPROM mikrokontrolera do wykorzystania w dalszych obliczeniach. Program do obliczania wartości elementów obwodu składającego się z induktor L1 i kondensator C6, zgodnie model matematyczny, zakładając się, że współczynnik temperaturowy cewki i kondensatora są stałe. Jeśli po włączeniu wskazania miernika wskazania są różne od zera, oznacza to, że częstotliwość oscylatora zmieniła się i nie jest równa, wartości, który został zapisany w pamięci EEPROM mikrokontrolera podczas poprzedniej kalibracji. Korzystając z tego modelu, skorygowanej wartości elementów L1, C6 i obliczyć nową wartość częstotliwości (tzw. „zerowej”). Obliczenia uwzględniają współczynnik X6, biorąc pod uwagę jaką zmianę częstotliwości oscylatora (w%) dokonała zmiany w pojemności kondensator C6.
Pomiar pojemności kondensatorów 0,1 uF do 10 mF dokonywany jest za pomocą tranzystora VT3. Poprzez rezystor R22 z wyjścia mikrokontrolera doprowadzany jest niski poziom do tranzystora VT3, tranzystor zostaje otwarty i mierzony kondensator (zaciski zacisków 8 i 9 gniazda XS1) jest ładowany. Następnie z wyjścia mikrokontrolera podawany jest wysoki poziom, tranzystor VT3 zostaje zatkany, i mierzony kondensator jest rozładowywany przez rezystor R13.
Czas rozładowania mierzony jest przez mikrokontrolera, a ponieważ wyraźnie zależy od pojemności kondensatora, mikrokontroler oblicza pojemność na podstawie znanych relacji.
Pomiar napięcia stałego (tryb Voltage) w zakresie od 0 do 15 V, realizowany jest przez podanie na gniazdo XW1.
Aby ustawić tryb"generatora" musimy wejść w tryb „Voltage” i nacisnąć switch SB3.
W tym trybie tranzystor VT3 pracuje w trybie przełącznika na gniazdo „Fwyj” (8 i 10 kontaktów XS1 gniazd) podawany jest sygnał na poziomie TTL o częstotliwości Wyj = produkuje TTL poziomu i częstotliwości Fwyj = Fxt / (4mn), gdzie Fxt – częstotliwość rezonatora kwarcowego mikrokontrolera, a n może przyjmować (ustawiane w menu za pomocą przełącznika L/C)) wartości 1,4, 16, a parametr m wartości (zmieniane przez SB3 i SB4) w przedziale od 1 do 256. Wartości te są wyświetlane w prawym górnym rogu ekranu, w drugim wierszu - sygnał wyjściowy częstotliwości.
-----------------------------------------------------------------------------
Zasilanie z przyrządu następuje z baterii akumulatorów. Napięcie zasilania wszystkich układów stabilizowane jest za pomocą regulatora DA2. Można także użyć zewnętrznego, napięcia zasilania 7 ... 15 V, który podłącza się do gniazda XS3. W tym przypadku włącza się również automatycznie podświetlenie LCD. Podczas zasilania z zewnętrznego źródła ładowane są również akumulatorów. Na wyświetlaczu cały czas widoczny jest wskaźnik ich naładowania. Wskaźnik naładowania baterii wyświetlany jest cały czas, jako symbol baterii. Gdy bateria jest rozładowana, pusty symbol miga. Aby naładować baterię bez wyjmowania go z urządzenia, należy użyć zasilania o napięciu 12 ... 15 V, i wcisnąć-SB2 przełączyć przycisk włączona .. Gdy bateria jest naładowana, wskaźnik na obrazku ogniwo galwaniczne zastępuje się symbolem "Z".
Większość elementów przyrządu, za wyjątkiem wyświetlacza LCD, diod VD7, VD8, gniazd i potencjometru R33 zamontowane na dwustronnej płytce drukowanej.
Układ scalony LMX1600TM może być zmieniony na LMX1601TM, ale granica mierzonych częstotliwości w trybie "F3" zostanie zm,niejszona do 1,1 ... 1,2 GHz.
Mikrokontroler PIC16F873A można zastąpić PIC16F873, PIC16F876A. Układ LM311D dowolnej serii (uA, LM itp.) w obudowie SO-8, Tranzystory MOSFET IRF7314 - IRF7316.
Wyświetlacz LCD, typ dowolny, obsługujący protokół HD44780, o organizacji 2x16 znaków.
Przekaźnik K1 - SIL05-1A72-71d firmy Meder Electronic ze zintegrowaną diodą zabezpieczającą, lub SIL05-1A72-71 (wtedy dołączyć zewnętrzną diodę równolegle do cewki).
Gniazda XS1, XS2, to fragment precyzyjnej podstawki do układów scalonych.
XW1, XW2 - CP-50-73FV, lub inne dowolne, np. SMA.
Cewka L1 to dławik CECL-100/260 101k (100 uH), cewka L2 - do montażu powierzchniowego LQH32M rozmiar 1210. Pojemność kondensatorów C6 może być w zakresie 510 ... 680 pF, o bardzo małym współczynniku temperaturowym,
Kondensator C1 ma pojemność 1000 ... 2000 pF.
Tranzystor BFR93A może zostać zastąpiony dowolnym innym małej mocy i wysokiej częstotliwości (co najmniej 900 MHz) w obudowie SOT-23.
Tranzystor VT3 powinien mieć współczynnik h21E nie mniej niż 150.
Jako rezonator kwarcowego użyto 4MHz - HC49U z wysoką stabilność termiczną, zależy od tego błąd pomiaru urządzenia.
Programowanie mikrokontrolera za pomocą złącza XP1 przy pomocy IC-Prog i adaptera AN589, zworka S1 musi być usunięta. Podczas programowania kontrolera ustawić bity konfiguracji WDT, PWRT, a następnie wybrać rodzaj generatora - XT.
Montaż i uruchomienie:
Moje płytki drukowane.
Bardzo początkowy etap budowy.
Widok panelu czołowego i maskownicy do LCD, wykonane w programie FrontDesigner
Po sieci krąży wiele różnych projektów płytek drukowanych, jednak najlepsza, co zostało potwierdzone przez większość użytkowników, również autora projektu, jest płytka zaprojektowana przez Waldka SP2JJH.
Widok płytek w programie SprintLayout 5.
Montaż elementów i jego kolejność, według uznania
, ale zalecam rozpoczęcie od mikrokontrolera, przyległych do niego elementów i LCD.
Ustalić wartości kontrastu za pomocą rezystora R39. Można oczywiście zastosować potencjometr montażowy.
Następnie zmontować elementy generatora wraz z LM311. Kiedy naciskamy "L / C" na wyjściu 7 układu LM311D powinien być sygnał prostokątnym o częstotliwości 750 ... 850 kHz.
W trybie "F1" w przypadku braku wyboru sygnału wejściowego doborem wartości rezystora R15 ustawić niski poziom wyjścia bramki DD2.4.
W trybach "F2" i "F3" w przypadku braku sygnału wejściowego sprawdzić układ samowzbudzenia układów dzielników częstotliwości DD1 - to jest ich funkcja.
Prąd ładowania akumulatora ustawiany jest za pomocą rezystora R34, a napięcia wskaźnika ładowania za pomocą wyboru wartości rezystora R31.
Po montażu całości należy dokładnie sprawdzić płytkę.
Do poprawnej pracy przyrządu wymagane jest wprowadzenie kilku stałych do pamięci EEPROM mikrokontrolera. Aby to wykonać należy nacisnąć przycisk SB3 i włączyć zasilanie przyrządu, a następnie puścić przycisk.
Zmieniając wartość potencjometru R33 wybieramy numer stałej od X0 do X9, a przyciskami SB3 i SB4 zmieniamy wartość konkretnej stałej. Zmienione wartości są zapisywane automatycznie w pamięci EEPROM mikrokontrolera, po zmianie numeru stałej.
Wartości początkowe i znaczenie stałych:
X0=1000 – wartość pojemności C1 w pF
X1=1000 – autor nie zaleca zmian (korekcja przy pomiarze indukcyjności)
X2=0000 – typ syntezera DD1 0 dla LMX1600 i 1 dla LMX1601
X3=1539 - koryguje wskazania napięcia stałego w trybie Voltage
X4=0004 – tryb i język pracy
X5=4.000.008 - częstotliwość rezonatora kwarcowego – wartości od 3.868.934 - 4.131.068 ustawiana co 4 Hz
X6=0060 – wartości od 0 do X6=100 , wartość mniejsza niż 50 przy ujemnym współczynniku
temperaturowym kondensatora C6.
X7=1472 - koryguje prawidłowe odczyty podczas pomiaru pojemności
X8=domyślne
X9=domyślne
X8 i X9 to współczynniki dzielenia przy zastosowaniu innego zewnętrznego preskalera, nie zmieniać !
X4 = 0, 2, 4, 6 - dla angielskiej wersji przyrządu (menu angielskie)
X4 = 1, 3, 5, 7 - dla rosyjskiej wersji przyrządu (menu rosyjskie)
X4 = 0, 1, 4, 5 - początkowy czas pomiaru 0,2s dla trybu "F1"
X4 = 2, 3, 6, 7 - początkowy czas pomiaru 1s dla trybu "F1"
X4 = 0, 1, 2, 3, - wartość współczynnika temperaturowego C6 dodatnia
X4 = 4, 5, 6, 7, - wartość współczynnika temperaturowego C6 ujemna
Na przykład, zestaw X4 = 4 angielskie menu, początkowy czas pomiaru dla trybu „F1” 0,2s ujemny współczynnik temperaturowy C6
Procedura kalibracji przyrządu:
1. Kalibrację przyrządu rozpoczynamy od kalibracji częstościomierza podając sygnał wzorcowy 30-40MHz a następnie korygujemy wskazania miernika przy pomocy trymera i stałej X=5 tak,żeby miernik pokazywał F wzorcowa.Przy czym miernik powinien być ustawiony w pozycji F1,wejście 0-500Mhz 0.2sek.
2. Kalibracja stałej X0.
- w stałą X0 wpisujemy dokładna (zmierzona pewnym miernikiem) pojemność kondensatora C1 (w pF).
- obracając gałką potencjometru R33, ustawiamy tryb "L / C" a przełącznikiem SB1 ustawić tryb "C".
- wybrać tryb "Calibration". Po jej ukończeniu na wyświetlaczu będzie widać wartość 0,00 pF.
- podłączamy kondensator wzorcowy (b. dokładny np.0,5%) ze zmierzoną wcześniej z dużą dokładnością.
- wykonujemy obliczenia : Cwz/Odczyt * X0
- wynik wpisujemy do X0
3. przełączamy „C/L” w pozycję „L”
4. podłączamy zworę i dokonujemy kalibracji w trybie „Calibration”
5. usuwamy zworę i mierzymy znaną (b. dokładną np. 1%) indukcyjność
6. ewentualne korekty wykonujemy dokonując wpisów w X1.
Ważna uwaga. Wszystkich kalibracji dokonujemy po wygrzaniu miernika min.20-30min.
Miernik wykonany na podstawie artykułu w Rosyjskim Radio 8/2007. Przy budowie i uruchomieniu wiele pomocy i cierpliwości wykazał Waldek Sp2JJH, za co serdecznie mu w tym miejscu dziękuję.
Praktyczna praca z miernikiem:
Przykład:
1.włączamy miernik w pozycji C, ale widzimy, że wskazania nie wynoszą 0001 tylko kilka kilakanaście pF. Należy odczekać kilka minut na wygrzanie miernika. Potem gałką potencjometru przestawiamy na inny pomiar np.częstotliwość i od razu wracamy z powrotem na pomiar C. Miernik się wyzeruje i przyjmie wartości podczas kalibracji tzn. LCD pokaże 000pF.Włączy się także autozerowanie. Tzn. dryft częstotliwości generatora będzie automatycznie kompensowany. Zauważmy ,że wskazania zerowe dla pomiaru pojemności będą płynąc do np.0,1pF a następnie miernik wyzeruje je do 000pF.
Oczywiście autokalibracja nie ma miejsca przy pomiarze L, po prostu obwód generatora jest rozwarty, ale wystarczy przełączyć z powrotem na C, gałką potencjometru na inny tryb i suwak z powrotem na C i włączyć pomiar L i juz mamy skalibrowny L -teraz możemy założyć zworkę na kontakty pomiarowe i zobaczymy wskazania L=0000(0001,0002)uH.
Jeżeli chcemy wykonać bardzo dokładne pomiary L czy C to polecam:
Włączyć miernik w C(wygrzać miernik) i skalibrować tak jak opisałem wyżej
(gałka na F i z powrotem):
1.Przełączamy na L i zakładamy zworkę ,kalibrujemy poprzez przyśnięcie SB4.Zdejmujemy zworkę i dokonujemy pomiaru. Po dłuższej przerwie miernik może połynąć więc skalibrujmy go go ponownie i znów mierz i tak dalej.Piszę o pomiarach L z dokładnością do kilku nH.
2.Przy dokładnych pomiarach C też kalibrujesz po prostu przed każdym dokładnym pomiarem(suwak potencjometru na inny tryb i od razu z powrotem).Oczywiście mowa dokładności pomiaru rzędu mniej 0,1pF.
Widok płytki drukowanej przystawki ESR.
Schemat przystawki ESR.
Przystawka ESR będzie opisana w następnym artykule, jak ją uruchomię i przetestuję.
Pliki FCLU-meter i FCLU_new, to skan i dokument worda oryginalnego artykułu.
Plik viewlayout, to darmowa przeglądarka płytek w formacie SprintLayout.
Plik PCB+Front wiadomo płytka + front.
Plik ESR to kompletna dokumentacja przystawki ESR.
Plik LCFG873 wsad mikroprocesora PIC, tylko wersja .HEX autor nie udostępnia innej wersji softu !
Podaję opisy plików, bo nie wszyscy sie tego domyślili.
Forum rosyjsko języczne na temat w/w przyrządu http://www.cqham.ru/forum/showthread.php?p=183113
Zdjęcie "tytułowe" pochodzi z miernika Waldka SP2JJH z powodu chwilowego braku aparatu
.
Cool? Ranking DIY
sprawa "krzywych" otworów, to niestety przesunięcie podczas termotransferu, a nie krzywe wiercenie.
gdzie Uv=5V, R oporność R1.
gdzie f-częstotliwość pomiarów.
