Artykuł przedstawia amatorskie urządzenie pomiarowe na ATMega8. Niektóre rozwiązania układowe podpatrzono w podobnych projektach, firmware napisano od początku.
Opis zawiera informacje o pomiarze rozmaitych wielkości elektrycznych przy pomocy mikrokontrolera. Płytka drukowana i wsad w załączniku.
Wideo przedstawiające pracę urządzenia:
Opis urządzenia
Urządzenie jest przeznaczone do pomiaru pojemności, indukcyjności, rezystancji oraz ESR kondensatorów elektrolitycznych.
ESR można mierzyć w układzie.
Urządzenie zaprojektowano na własne potrzeby i nie pretenduje ono do najwyższej dokładności pomiaru.
Dokładności pomiaru przedstawione w poniższej tabeli ustalono na podstawie parametrów znanych elementów, których rozrzut może wynosić do 10%.
Tabela Zakresy pomiarów i dokładność
Przy dodatkowych poprawkach można zwiększyć dokładność pomiaru nawet bez wprowadzania zmian w schemacie. Autor z tego nie skorzystał, ponieważ urządzenie w stanie obecnym spełnia jego oczekiwania.
Na przednim panelu urządzenia znajduje się wyświetlacz LCD (8 znaków), gniazdo do pomiaru R, L, C, gniazdo do pomiaru ESR i przycisk zerujący. Z boku znajdują się przyciski przełączania trybu i włączania zasilania. ESR w układzie można alternatywnie mierzyć sondami dodanymi do przedniego panelu.
Obudowa pochodzi z rutera DLink DI-524.
Zasada działania
Pomiar rezystancji
Aby zmierzyć rezystancję elementu, podłącza się go szeregowo z elementami o znanej wartości rezystancji. Takich elementów jest w schemacie 4 (R22-R25) dla różnych zakresów, które po kolei są podłączane do mikrokontrolera.
Z powodu osobliwości schematu mierzony rezystor został podłączony szeregowo z rezystorem R21 (100Ω) w celu wykluczenia wystąpienia zwarcia podczas przełączania przełączników SW1-SW4.
Jako klucze przełączające rezystory pomiarowe wykorzystano tranzystory 2N7002, które zostały wylutowane z płyty głównej.
Na obwód (R21 + Rx + Rcal) kolejno podaje się przefiltrowane napięcie zasilania (Uavcc, 5V) i mierzy się spadek napięcia (Usence) na rezystorach (R22-R25).
Rx = Rcal * Uavcc / Usence – Rcal – R21
Ignorujemy rezystancję wejście-wyjście na otwartych i zamkniętych tranzystorach.
Ze wszystkich wartości pomiaru wybieramy te, które dają najlepszą dokładność. W tym celu urządzenie wylicza uproszczoną pochodną wskazanej funkcji. Zakładając, że ilość pozycji przetwornika analogowo-cyfrowego wynosi 1024 jednostki, wystarczy obliczyć pomiar Rx przy zwiększeniu Usence na Uavcc/1024. Najmniejsza wartość pomiaru jest uznawana za najbardziej dokładną.
Pomiar pojemności
Pomiar pojemności odbywa się na podstawie pomiaru częstotliwości oscylacji obwodu LC. W tym celu należy podłączyć równolegle element o nieznanej wartość pojemności z L1 o znanej wartości indukcyjności i C1 o znanej pojemności.
Częstotliwość drgań obwodu oblicza się następująco:
f = 1/ (2 * pi * sqrt ( L * C ) )
Rozrzut parametrów poszczególnych elementów może znacząco zmieniać częstotliwość drgań, dlatego prosty pomiar częstotliwości może nie dać dokładnych rezultatów. Dlatego urządzenie kalibruje się automatycznie wykorzystując elementy L1, C1 i C4.
W tym celu urządzenie mierzy częstotliwość oscylujących obwodów L1C1 i L1(C1+C4) - obwód D4D5C12 umożliwia podłączenie kondensatora C4 do drgającego obwodu, zmieniając potencjał na wyjściu C1EN mikrokontrolera.
Zwiększone wymagania dotyczące dokładności pomiaru dotyczą jedynie wzorcowego kondensatora C4.
Częstotliwość obwodu oscylującego L1C1:
f1 = 1 / ( 2 * pi * sqrt( L1 * C1 ) )
Częstotliwość obwodu oscylującego L1( C1 + C4 ):
f2 = 1 / ( 2 * pi * sqrt( L1 * ( C1 + C4 ) )
Częstotliwość obwodu oscylującego L1( C1 + Cx ):
f3 = 1 / ( 2 * pi * sqrt( L1 * ( C1 + Cx ) ) )
Z powyższych równań wyprowadzamy wartość Cx, która zależy tylko od C4:
Cx = C4 * ( f1 / f3 )^2 / ( f1 / f2 )^2
Kalibracja urządzenia (pomiar f1 i f2) odbywa się przy przejściu w tryb pomiaru pojemności, dlatego w tym czasie do gniazda urządzenia nic nie należy wpinać. Również można ponownie przeprowadzić kalibrację za pomocą przycisku zerującego (z pustym gniazdem). Kalibracja urządzenia jest zapisywana w EEPROM.
Wartość pojemności C1 niekoniecznie musi odpowiadać wartości przedstawionej na schemacie. Zamiast tego wystarczy zmierzyć C1 przy pomocy dokładnego urządzenia i wpisać wartość pojemności w firmware.
Pomiar indukcyjności
Pomiar indukcyjności przeprowadza się według tej samej zasady, co pomiar pojemności. Element o nieznanej indukcyjności podłącza się szeregowo z L1.
Zwiększone wymagania dotyczące dokładności pomiaru dotyczą jedynie wzorcowego kondensatora C4.
Częstotliwość obwodu oscylującego L1C1:
f1 = 1 / ( 2 * pi * sqrt( L1 * C1 ) )
Częstotliwość obwodu oscylującego (L1C1+С4):
f2 = 1 / ( 2 * pi * sqrt( L1 * ( C1 + C4 ) ) )
Częstotliwość obwodu oscylującego (L1+Lx)C1:
f2 = 1 / ( 2 * pi * sqrt( ( L1 + Lx ) * C1 ) )
Wyprowadzamy wzór na obliczenie Lx, zależny od C4:
Lx = ( ( f1/f3 ) ^2 – 1 ) * ( ( f2/f3 ) ^2 – 1 ) * ( 1/C4 ) * ( 1 / ( 4 * pi^2 * f1^2 ) )
Ze względu na rozwiązania układowe, kalibracji nie można przeprowadzać w trybie pomiaru indukcyjności, a jedynie w trybie pomiaru pojemności. Dlatego przed pierwszym użyciem urządzenia lub w celu uzyskania bardziej dokładnych wyników należy na chwilę przełączyć się w tryb pomiaru pojemności. Następnie wszystkie ustawienia kalibracji są zapisywane w EEPROM.
Pomiar ESR
Pomiar ESR przeprowadza się poprzez zmierzenie spadku napięcia na elemencie o nieznanej wartości przy sygnale sinusoidalnym 100kHz. Na tej częstotliwości rezystancja kondensatora jest bliska 0 i można ją zignorować. Wielkość spadku napięcia odzwierciedla rezystancję elementu.
Amplituda podawanego sygnału sinusoidalnego nie przekracza 80mV, co umożliwia zmierzenie ESR bez wylutowywania kondensatorów z płytki. Przy takim napięciu złącza półprzewodników nie otwierają się i nie wpływają na wynik pomiaru. Należy jednak zwrócić uwagę, że niska rezystancja nie świadczy o dobrym stanie kondensatorów, ponieważ mierzona jest ogólna rezystancja obwodu, np. szeregowo podpiętych kondensatorów. Z drugiej strony jednak, wysoka rezystancja najczęściej świadczy o uszkodzeniu.
Przebieg prostokątny 100kHz jest tworzony przez mikrokontroler na wyjściu MOSI i przechodzi przez filtry R28, C24, R29, C23, R30, C25, które przepuszczają tylko podstawową harmoniczną 100kHz.
Wtórnik emiterowy Q1 tworzy prąd sinusoidalne na obwodzie R27 R14 TR1-1.
Równolegle z uzwojeniem TR1-1 jest podpięty obwód R37C16Rx. W ten sposób rezystancja Rx wpływa na prąd, przechodzący przez uzwojenie pierwotne TR1.
Diody D5 i D7 oraz kondensator C16 są wykorzystywane jako zabezpieczenie urządzenia przy podłączeniu do układu naładowanych kondensatorów.
Rezystora R37 potrzebujemy, aby wykluczyć oddziaływanie pasożytnicze obwodu oscylującego, który tworzą kondensator C16, uzwojenie transformatora i przewody sond. Wprowadzając dodatkową rezystancję, obniżamy „dobroć” obwodu i amplitudę drgań.
Napięcie podniesione przez transformator jest prostowane przez obwód D8C17, a następnie wzmacniane przez wzmacniacze operacyjne U5:A b U5:B 3 i (3*21) razy. Pierwsza wartość jest wykorzystywana do pomiaru dużych wartości rezystancji (>3Ω), a druga - małych.
W urządzeniu zastosowano transformator impulsowy WYEE-16C z zasilacza od komputera Codegen-300X bez przezwajania.
Mierzona rezystancja nieliniowo wpływa na prąd, przechodzący przez uzwojenie TR1. Transformator i rozrzut parametrów elementów również mocno wpływają na wartość napięcia na wyjściu. Dlatego urządzenie kalibruje się poprzez dobór znanych wartości rezystancji. Kalibracja jest zapisywana w EEPROM.
Zasilanie
Krótkie wciśnięcie przycisku SW5 podaje zasilanie na urządzenie, a następnie podtrzymuje je mikrokontroler przy pomocy przekaźnika kontaktronowego RL1. Urządzenie automatycznie się wyłącza po 5 minutach braku aktywności, jeśli do gniazd nic nie podpięto, lub po 15min, jeśli coś jest podłączone.
W celu wymuszenia wyłączenia zasilania należy wcisnąć i przytrzymać przycisk SW5 do momentu wygaszenia ekranu.
Urządzenie mierzy napięcie akumulatora (w celu sprawdzenia stopnia naładowania) poprzez rezystor RV3.
Płytka i schemat są przewidziane dla wariantu z zasilaniem przez ogniwo 9V. Przy realizacji autor wykorzystał 3 akumulatory AA. W tym przypadku zamiast 78L05 dodano zworkę, a stabilne zasilanie 5V jest podawane z przetwornicy na mc34063.
Kalibracja urządzenia
Do kalibracji urządzenia będzie potrzebny oscyloskop i kabel RS232-TLL oraz zestaw rezystorów o wartościach 0,1Ω (3 szt.), 0,2; 0,3; 0,6; 1,0; 2,2; 3,6; 4,7;6 i 10Ω.
Kalibracja pomiaru rezystancji
Taka kalibracja ogranicza się do sprawdzenia poprawności otwierania bramek tranzystorów polowych dla odpowiednich wartości mierzonych.
Rezystory R21-R25 powinny mieć możliwie najwyższą dokładność, ale wartość rezystancji nie musi dokładnie odpowiadać wartościom zaznaczonym na schemacie. Wystarczy zmierzyć rezystory odpowiednio dokładnym urządzeniem i wpisać wartości w firmware.
Kalibracja pomiaru pojemności
Należy sprawdzić, czy na wejściu układu scalonego U1 jest przebieg prostokątny, którego częstotliwość zależy od podłączonej wartości pojemności.
Kalibracja pomiaru indukcyjności
Należy sprawdzić, czy na wejściu układu scalonego U1 jest przebieg prostokątny, którego częstotliwość zależy od podłączonej wartości indukcyjności.
Kalibracja pomiaru ESR
Kalibracja trybu ESR jest najtrudniejsza.
1. Podpinamy kabel RS232-TTL do złącza J6.
2. Ustawiamy SW4 w pozycji „włączony”.
Ustawiamy „0” na pinie 19 U4, urządzenie przechodzi w tryb „ESR”. Terminal wyświetla wiersze:
MODEESR: ….
3. Za pomocą oscyloskopu sprawdzamy obecność impulsów przebiegu prostokątnego 100kHz na pinie 17 U4 (pakiety impulsów po 0,5s z przerwą 1s).
4. Po przejściu przez filtry R28, C24, R29, C23, R30 i C25 impulsy przekształcają się prawie w sinusoidę
i są podawane na bazę tranzystora Q1 poprzez dzielnik R15R33, który powinien być tak dobrany, żeby przy podłączeniu do sond rezystora 10Ω dolny wierzchołek sinusoidy był niewiele wyższy od napięcia otwarcia tranzystora (~600mV), a spadek napięcia na rezystorze R14 miał amplitudę ok ~80mV.
5. Sprawdzamy obecność sinusoidy na uzwojeniu wtórnym transformatora.
6. Wykonujemy kalibrację wzmacniaczy operacyjnych.
Zwieramy sondy miernika ESR. Regulujemy napięcie początkowe U5:A za pomocą rezystora RV1 tak, żeby w momencie pojawienia się impulsów sinusoidy napięcie na wyjściu 1 U5:A wzrastało do ~300mV.
7. Następnie przeprowadzamy taką samą regulację wzmacniacza U5:B z użyciem rezystora RV2, równocześnie oscyloskopem kontrolując wyjście 7.
8. Podłączamy sondy miernika ESR do potencjometru 10Ω (to górny zakres pomiaru urządzenia).
W momencie wystąpienia impulsów, napięcie na wyjściu 1 U5:A powinno wzrosnąć do poziomu ~3,5V. Jeśli napięcie przekroczy 3,7V, należy dobrać współczynnik wzmocnienia określany przez rezystancję R20, R13.
Rezystory R32, R18, R31 określają współczynnik wzmocnienia na drugim wzmacniaczu, który jest wykorzystywany do pomiaru małych wartości rezystancji.
W oryginalnym układzie współczynniki wzmocnienia wynoszą 3 i 21. Jeśli będą ulegać zmianie, należy skorygować stałą ESR2_MUL = 21/3 w firmware.
9. Zanim podłączymy różne znane wartości rezystancji do sond miernika ESR, należy się upewnić, czy mniejszym wartościom rezystancji odpowiadają mniejsze wartości napięcia na wyjściu 1 U5:A i na odwrót (zależność nieliniowa).
10. Rozpoczynamy kalibrację programu urządzenia.
Zwieramy sondy miernika ESR i wciskamy przycisk SB1 (trzymamy przez 1s).
Urządzenie zapamiętuje napięcia na liniach ESR1 i ESR2. Wyświetlają się one na wyświetlaczu jako 0=... i powinny się zmieścić w zakresie 10-200, jeśli poziomy na wyjściach wzmacniaczy operacyjnych zostały poprawnie ustawione.
MODEESR: ESR1=67(zero:67)
ESR2=21(zero:20)
ESR=1
res*1000=0
11. Podajemy rezystancję kalibrującą 0,05Ω (dwa rezystory 0,1 równolegle), wprowadzamy w terminalu symbole „c”, „a”. W ten sposób urządzenie zapamiętuje wartości kalibrujące dla rezystancji 0,1Ω w EEPROM. Po zapamiętaniu pojawia się napis:
Done: xx
i tworzy się tabela kalibracji. To samo powtarzamy w przypadku pozostałych rezystorów, odpowiednio wybierając „c”, „b”, „c”, „d” itd. Wartości rezystorów można zmieniać w firmware w tabeli s_ESR_CAL_R.
U autora wygląda to tak:
Wgrywanie firmware
Robimy to poprzez złącze J3 (niestandardowe złącze pod programator autora).
Podczas programowania należy przełączyć urządzenie do dowolnego trybu z wyjątkiem ESR i przytrzymywać przycisk włączenia zasilania przez cały czas.
Korzystanie z projektu i użyte elementy
Autor wykonał projekt dla siebie, więc korzystał z elementów, którymi dysponował. W urządzeniu został wykorzystany specyficzny wyświetlacz LCD na mpd7225 ze starego magnetofonu Sony. Przy ponownej realizacji projektu trzeba go będzie zamienić na dowolny 8-segmentowy wyświetlacz z interfejsem SPI oraz zmienić procedurę komunikacji z wyświetlaczem w firmware (pliki LCD_D7225.h, LCD_D7225.c). Również można zrezygnować z obwodów R9-R12, D1-D3, U3, służących do konwersji poziomów 5V-3,3V.
Autor: Roman Lut
W załączniku źródła projektu.
Link do tłumaczonego tekstu: http://www.radiokot.ru/circuit/digital/measure/93/
Cool? Ranking DIY
