Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Multimetr FlukeMultimetr Fluke
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

6 sposobów pomiaru pojemności kondensatora. Jak zmierzyć pojemność kondensatora?

Urgon 09 Jun 2021 13:25 2259 21
  • 6 sposobów pomiaru pojemności kondensatora. Jak zmierzyć pojemność kondensatora?
    Obecnie praktycznie każdy multimetr w cenie powyżej 50-100 złotych posiada zdolność pomiaru pojemności kondensatorów. Pomiar ten przydaje się szczególnie wtedy, gdy mamy do czynienia z kondensatorami, na których oznaczenia są nieczytelne, lub ich zwyczajnie brak. W tym przypadku pomiar z dokładnością do kilku procent w zupełności wystarczy, gdyż w większości przypadków same kondensatory nie są aż tak dokładne, i w wielu zastosowaniach nie muszą być. Czasami tylko potrzeba dokładnie znać wartość pojemności kondensatora. Dla mnie potrzeba owa pojawiła się, gdy chciałem zbudować miernik LC, który wymagał precyzyjnego kondensatora 1000pF do autokalibracji. Kondensatory tak precyzyjne są trudnodostępne i raczej kosztowne. Jedyne co mi pozostało, to kupić worek kondensatorów foliowych i je pomierzyć w domu. Ale jak? Jak się mierzy pojemność kondensatora? Jest na to przynajmniej sześć sposobów.

    Sposób pierwszy: mostek Wiena.

    Jest to jedna z pierwszych metod precyzyjnego pomiaru pojemności, wynaleziona przez Maxa Wiena w 1891 roku. Z pomocą mostka Wiena można precyzyjnie mierzyć zarówno pojemność, jak i rezystancję. A po przekształceniu na mostek Maxwella także indukcyjność. Wszystkie analogowe mostki RLC są oparte na zasadzie działania tego układu. Spójrzmy na schemat:

    6 sposobów pomiaru pojemności kondensatora. Jak zmierzyć pojemność kondensatora?


    Wejście Uwe połączone jest do generatora sinusoidalnego o stałej lub regulowanej częstotliwości. Do Uwy podłączony jest woltomierz. Rx i Cx to poszukiwane rezystancja i pojemność. R3 i C2 są znane i stałe. R2 i R4 to potencjometry wyposażone w skale, z których odczytuje się wartość Rx i Cx. Potencjometry te reguluje się do momentu, w którym mostek zostanie zbalansowany, a woltomierz wskaże zero. Spełnione wtedy są dwie zależności:
    $$ f^2 = \frac{1}{Rx*R2*Cx*C2}$$ oraz $$\frac{Cx}{C2} = \frac{R4}{R3} - \frac{R2}{Rx}$$
    Dokładność pomiaru zależy od stabilności generatora zasilającego mostek i znajomości wartości rezystorów i pojemności C2. Używając znanych wartości Rx i Cx można go skalibrować.

    Sposób drugi: pomiar częstotliwości generatora LC.

    Tak działał miernik, który chciałem zbudować. Dokładny opis, schemat i firmware można znaleźć tutaj. Układ używał prostego oscylatora LC z komparatorem. W obwodzie rezonansowym pracuje znana pojemność i znana indukcyjność. Dodatkowa pojemność dołączana przekaźnikiem pozwala obliczyć dokładnie wartości L i C użytych komponentów. W czasie pomiaru dołączana zewnętrzna pojemność lub indukcyjność zmienia częstotliwość oscylacji generatora, i ta zmiana pozwala na obliczenie mierzonej wartości. Układ ten występuje w kilku wariantach, często używających wbudowanych w mikrokontroler komparatorów (wersja na PIC16F628). Dokładność obliczeń w oryginalnej wersji wynosi 0,1%. Dokładność kalibracji zaś zależy od precyzji kondensatora kalibracyjnego.

    Sposób drugi i pół: pomiar pojemności z NE555.

    Źródła tego projektu znaleźć nie mogę. Opierał się on na generatorze astabilnym na bazie NE555 ze znaną pojemnością oraz dołączaną pojemnością zewnętrzną. Układ podłączany był do wejścia mikrofonowego komputera, na którym pracował program w TurboPascalu napisany, którego zadaniem było dokonywanie pomiaru. Część sprzętowa zadziałała bezproblemowo. Program jednak już nie. Obecnie wariacje tego rozwiązania, gdzie rolę komputera przejmuje mikrokontroler są dostępne w internecie. Opcjonalnie mógłbym też podłączyć układ do miernika częstotliwości i wartość pojemności obliczyć sam. Jednakże w czasie gdy budowałem ten układ, nie dysponowałem takim miernikiem. Dla potomnych załączam materiały, które mam, wliczając projekt układu wykonany w Proteusie...

    Sposób trzeci: pomiar z użyciem CTMU.

    CTMU czyli Charge Time Measurement Unit to moduł w wielu mikrokontrolerach PIC, przeznaczony głównie do obsługi klawiatur i interfejsów dotykowych. Microchip nazywa ten system mTouch, by odróżnić się od innych producentów, którzy robią dokładnie to samo, tylko w formie wyspecjalizowanych układów dla ekranów dotykowych.
    Moduł też pozwala na dokładny pomiar pojemności poprzez pomiar napięcia na badanym kondensatorze zasilanym ze źródła prądowego przez określony czas. Podstawą działania układu jest wzór na ładunek:
    $$I = C * \frac{dV}{dt}$$
    Ponieważ znamy prąd I i czas t oraz możemy zmierzyć napięcie V, możemy obliczyć wartość C:
    $$C = \frac{(I * t)}{V}$$
    Sposób działania układu przedstawia poniższy rysunek pochodzący z noty aplikacyjnej AN1375. Na nim widzimy sposób kalibracji i przeprowadzania pomiaru pojemności.

    6 sposobów pomiaru pojemności kondensatora. Jak zmierzyć pojemność kondensatora?


    Warunkami dokładnego pomiaru bezwzględnej wartości pojemności jest dokładne skalibrowanie źródła prądowego, w miarę precyzyjny zegar mikrokontrolera i dobre źródło referencyjne dla ADC. Źródło prądowe można skalibrować bardzo łatwo - wystarczy dołączyć do niego zewnętrzny, precyzyjny rezystor i zmierzyć napięcie, jakie się na nim odłoży. O precyzyjne rezystory jest łatwiej niż o precyzyjne kondensatory.
    Pomiar pojemności bezpośrednio ma jednak jeszcze jedną wadę - cały obwód jest obarczony różnymi pojemnościami pasożytniczymi. Dlatego warto dołączyć na stałe kondensator równolegle do wejścia pomiarowego, dokonać pomiaru i użyć tej wartości jako "zera".

    Sekwencja kroków jest prosta:
    1. Konfiguracja i kalibracja źródła prądowego używając wejścia ANx i rezystora.
    2. Przełączenie na wejście ANy i rozładowanie pojemności układu.
    3. Timer rozpoczyna pracę źródła prądowego, odmierza określony czas i zatrzymuje źródło. ADC dokonuje pomiaru.
    4. Dołączony zostaje zewnętrzny kondensator, kroki drugi i trzeci są powtarzane.
    5. Jeśli wartość z ADC będzie bliska zeru, należy powtórzyć cały pomiar z większym prądem lub dłuższym czasem. Przy wartości bliskiej maksymalnej czas pomiaru się skraca.
    6. Wyniki obu pomiarów zostają przeliczone na wartość w pF.
    7. Od wyniku drugiego pomiaru odejmowany jest wynik pierwszego pomiaru by odliczyć pojemności pasożytnicze układu.
    8. Wynik zostaje sformatowany i wyświetlony.

    Źródło prądowe CTMU ma cztery możliwe wartości: 0,55μA, 5,5μA, 55μA i 550μA oraz możliwość regulacji w zakresie 0,341μA dla podstawowego zakresu, z krokiem 0,011μA. Pomiar dużych pojemności będzie wymagał wydłużenia czasu ładowania źródłem, ale tak zbudowany miernik powinien mieć przyzwoitą dokładność na poziomie 0,1% i zakres pomiaru od pojedynczych pikofaradów do tysięcy mikrofaradów. Przy pomiarze dużych pojemności może być konieczne dodanie zewnętrznego tranzystora do rozładowywania pojemności, albowiem wewnętrzny może nie przeżyć dużych prądów.

    Sposób czwarty: pomiar z zewnętrznym źródłem prądowym.

    Jest to mój autorski pomysł, choć zapewne ktoś już gdzieś zrobił coś podobnego.
    Ten sposób wymaga trzech tranzystorów PNP dobranych pod względem Vbe i wzmocnienia, połączonych termicznie razem oraz garści precyzyjnych rezystorów 0,1%. Spójrzmy na schemat poglądowy:

    6 sposobów pomiaru pojemności kondensatora. Jak zmierzyć pojemność kondensatora?

    R10 ma wartość 10kΩ
    Rezystory R1-R3 oraz tranzystory Q1-Q3 tworzą lustro prądowe. Rezystory R4 do R8 są połączone do wyjść cyfrowych mikrokontrolera. Ustawiając stan niski na którymś z nich, gdy na pozostałych jest stan wysokiej impedancji pozwala wybrać jedną z pięciu wartości prądu: 1uA, 10uA, 100uA, 1mA i 10mA. Z kolei ustawienie stanu niskiego na jednym z wyjść połączonych do R9, R10 lub R11 pozwala zmierzyć prąd generowany przez źródło poprzez pomiar napięcia na stosownym rezystorze. Q4 i R12 służą do rozładowywania pojemności między pomiarami. Pomiar odbywa się dokładnie tak samo, jak w przypadku metody CTMU. Wybieramy prąd ładowania, odmierzamy określony czas, wstrzymujemy przepływ prądu, mierzymy napięcie na kondensatorze. W razie potrzeby zmieniamy czas ładowania albo prąd ładowania. Przed każdym pomiarem należy rozładować kondensator i zmierzyć prąd wybranego zakresu.
    Pomiar tą metodą ogranicza jedynie rozdzielczość ADC, stabilność napięcia referencyjnego i precyzja rezystorów. Wpinając w miejsce Cx przyzwoity multimetr można wstępnie dokładnie skalibrować wszystkie zakresy. Większość nienajtańszych multimetrów ma dość dokładne zakresy prądowe, choć pomiar napięcia na rezystorach R9-R11 może być dokładniejszy.

    Sposób piąty pomiar z użyciem modułu CVD.

    Moduł CVD, Capacitive Voltage Divider, czyli pojemnościowy dzielnik napięcia, występuje w nielicznych mikrokontrolerach PIC. Jest to kolejny pomysł Microchipa na wykonywanie klawiatur dotykowych. Wydawało mi się, że Michrochip zrezygnował z tego pomysłu, bo było bardzo niewiele mikrokontrolerów go wspierających, ale okazuje się, że jednak nie - ten moduł "żyje", na przykład w rodzinie PIC18FQ41.
    Co ciekawe, pomiar tą metodą można przeprowadzić bez tego modułu, manipulując odpowiednio bitami konfiguracyjnymi portu mikrokontrolera i jego modułu ADC.
    Załóżmy, że jest sobie kondensator 1nF naładowany napięciem 5V. Podłączmy do niego drugi kondensator 1nF. Jakie będzie napięcie na obu? Prawidłowa odpowiedź brzmi 2,5V. Teraz weźmy dwa inne kondensatory: 10nF i 22nF. Ładujemy pierwszy napięciem 5V, drugi zwieramy do masy. Potem łączymy oba ze sobą. Jakie będzie napięcie? 1,5625V. Teraz naładujmy drugi kondensator do 5V, rozładujmy pierwszy i połączmy oba. Jakie będzie napięcie? 3,4375V. Moduł CVD dokonuje dokładnie takiego pomiaru, przy czym w roli pierwszego kondensatora pracuje kondensator próbkujący ADC (plus opcjonalnie dołączane pojemności wewnątrz mikrokontrolera), a w roli kondensatora 2 wszystko, co jest dołączone do pinu ADC, na którym dokonywany jest pomiar.
    Moduł CVD automatycznie najpierw ładuje pojemność wewnętrzną, dołącza zewnętrzną i dokonuje pomiaru, następnie rozładowuje pojemność wewnętrzną, ładuje zewnętrzną i dokonuje drugiego pomiaru. Wyniki są od siebie automatycznie odejmowane, a uzyskana wartość jest porównywana z zadaną wartością progową - w ten sposób moduł jest wykorzystywany głównie do obsługi przycisków dotykowych, ale równie dobrze można mierzyć wartość dołączonej pojemności zewnętrznej jako zmianę napięcia różnicowego. Pomiar jednak będzie mniej dokładny, niż pomiar metodą CTMU.

    Sposób szósty: pomiar metodą Romana Blacka.

    Jest to metoda pokrewna do metody numer dwa. Podstawą jest generator RC, gdzie wartość R jest równa dokładnie 10kΩ. Autor zaleca rezystor 1%, ale ja polecam poszukać rezystora 0,1%, zwłaszcza jak nie można aż tak dokładnie zmierzyć jego wartości. Generator RC jest skonfigurowany tak, by pracować cały czas i generować przebieg w zakresie 1/3-2/3 napięcia zasilania. Imć Black zastosował algorytm pozwalający na precyzyjniejszy pomiar pojemności na podstawie częstotliwości generatora. Schemat całego układu wygląda tak:

    6 sposobów pomiaru pojemności kondensatora. Jak zmierzyć pojemność kondensatora?


    Sercem jest PIC16F628(A) taktowany kwarcem 16MHz, co oznacza, iż wewnętrzny zegar wynosi 4MHz. W czasie pomiaru moduł Capture/Compare/PWM (CCP1) zlicza wartości modułu Timer1 za każdym zboczem narastającym sygnału z komparatora. Program zlicza i sumuje wartości timera oraz liczbę odliczonych zboczy narastających, aż skumuluje wartość powyżej 2 milionów zliczeń, czyli >0,5 sekundy. Wynik ten jest skalowany w górę tysiąckrotnie, a potem dzielony przez liczbę odmierzonych zboczy. Wynik jest konwertowany i wyświetlany jako wartość pojemności w piko-, nano- lub mikrofaradach:
    0.00-18000.00pF
    18.000-999.000nF
    1.0000-50.0000µuF

    Rozdzielczość pomiaru jest zdecydowanie wyższa, niż w przypadku innych, amatorskich rozwiązań. według testów autora, dokładność pomiaru jest lepsza niż 0,2%. Układ posiada możliwość zerowania oraz tryb pomiaru względnego do porównywania kondensatorów. Schemat, opis po angielsku, plik .hex oraz zdjęcia przykładowych mierników można znaleźć na stronie Romana Blacka pod tym linkiem.

    Od siebie dodam, iż zbudowałem ten układ, i działał mi przyzwoicie, przynajmniej dopóki nie uszkodziłem taśmy idącej do wyświetlacza. Teraz nie mogę znaleźć ani tego układu, ani wspomnianej wyżej wersji na NE555...

    A wy potrzebowaliście kiedyś zmierzyć pojemność kondensatora?
    Jak sobie poradziliście?
    Napiszcie.

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    Urgon
    Editor
    Offline 
  • Multimetr FlukeMultimetr Fluke
  • #2
    TechEkspert
    Editor
    Mój pierwszy miernik pojemności opierał się właśnie o NE555, przełączane zakresy rezystorami i licznik impulsów,
    bardzo wygodną miarką kondensatorów są tanie testery elementów elektronicznych: M328, LCR-T4, które zagościły nawet w gadżetach elektroda.pl

    Przydał by się materiał o ESR i właściwościach kondensatorów elektrolitycznych oraz typach kondensatorów stałych, wiadomo MKT, KMP ale także np. różne dielektryki w SMD wpływają na tak nieoczekiwane właściwości jak mikrofonowanie kondensatorów.


    Link
  • #3
    Urgon
    Editor
    AVE...

    Zobaczę, co się da zrobić. ;)

    Odnośnie :mikrofonowania", to Dave Jones od EEVBlog pokazał ciekawy eksperyment związany z cyfrowymi oscyloskopami. Mianowicie ustawiał różne modele w tryb jednorazowego wyzwalania, 2mV/działka i 2ms/działka, wszystkie kanały włączone, próg wyzwalania tuż powyżej poziomu szumów. Następnie pukał oscyloskopy dłonią z wierzchu, plastikowym wskaźnikiem z wierzchu i plastikowym wskaźnikiem w bok gniazd BNC. Różne oscyloskopy rejestrowały przebiegi niskiej i wysokiej częstotliwości wywołane właśnie zjawiskiem mikrofonowania kondensatorów MLCC SMD w obwodach wejściowych. Przy czym modele drogie okazywały się czasami gorsze pod tym względem od budżetowych. Oczywiście zwykle oscyloskopów się nie bije, ale bardziej podatne modele mogą się "wyzwolić" od stuknięcia w blat stołu albo od puknięcia sondą. Dave odkrył problem pukając palcem w ekran dotykowy nowego oscyloskopu - to wystarczyło by wygenerować napięcie na kondensatorach w obwodach wejściowych...


    Link
  • Multimetr FlukeMultimetr Fluke
  • #4
    jarek_lnx
    Level 43  
    Lustro prądowe daje fajne możliwości, ale nie jest to dobre rozwiązanie do celów pomiarowych.
    6 sposobów pomiaru pojemności kondensatora. Jak zmierzyć pojemność kondensatora?
    Jak widać z symulacji prąd zmienia się o 20% pod wpływem zmiany napięcia

    Lepsze było by lustro Wilsona 0,2%
    6 sposobów pomiaru pojemności kondensatora. Jak zmierzyć pojemność kondensatora?

    Moim zdaniem projekt układu pomiarowego jest tym lepszy im mniej parametrów wpływa na wynik pomiaru, w twoim projekcie nawet nie mam chęci liczyć tyle tego jest, ja bym zrobił źródło prądowe na LM4041, jak poniżej tylko z FETem zamiast bipolarnego darlingtona
    6 sposobów pomiaru pojemności kondensatora. Jak zmierzyć pojemność kondensatora?
    Albo znany układ na wzmacniaczu operacyjnym
    6 sposobów pomiaru pojemności kondensatora. Jak zmierzyć pojemność kondensatora?
    W starszych publikacjach spotykało się jeszcze taki układ
    6 sposobów pomiaru pojemności kondensatora. Jak zmierzyć pojemność kondensatora?
    Albo tak (źródło prądowe w miernikach V543 działa na podobnej zasadzie)
    https://www.ti.com/lit/pdf/sbva001

    Z dziwnych metod szacowania (dużych) pojemności, używałem V543 na zakresie pomiaru rezystancji, ma źródło prądowe i mierzy napięcie :) potrzebny był jeszcze stoper.
  • #5
    Urgon
    Editor
    AVE...

    Masz jak najbardziej rację, dlatego zarówno w metodzie ze źródłem, jak i CTMU dodana jest możliwość, a nawet potrzeba wstępnej kalibracji. Dodatkowo wypadałoby zapewnić instrumentowi stabilne zasilanie. Na przykład w formie ogniwa Li-Ion z zabezpieczeniem i przetwornicy Boost oraz filtra LC lub/i stabilizatora liniowego...

    A pomiar ze stoperem to zasadniczo jak CTMU, tylko bardziej "analogowo". ;)
  • #6
    jarek_lnx
    Level 43  
    Urgon wrote:
    Masz jak najbardziej rację, dlatego zarówno w metodzie ze źródłem, jak i CTMU dodana jest możliwość, a nawet potrzeba wstępnej kalibracji. Dodatkowo wypadałoby zapewnić instrumentowi stabilne zasilanie.
    Zacząłeś temat od tego jak zmierzyć pojemność nie mając wzorcowego kondensatora.
    Kalibracja tylko częściowo rozwiązuje problem, opiera się na założeniu że niestabilność krótkoterminowa jest mniejsza od długoterminowej - zazwyczaj jest, ale trudno oczekiwać że układ który "płynie" o kilkadziesiąt procent będzie trzymał np 0,1% po kalibracji.
    W dobrze zaprojektowanym układzie pomiarowym wpływ zasilania jest znikomy - inaczej trzeba by stosować ultraprecyzyjne stabilizatory napięcia - po co jeśli wystarczy zapewnić stabilne napięcie tylko tam gdzie to niezbędne.

    Jak projektujesz układ pomiarowy wypadało by wyprowadzić wzór na wynik, biorąc wszystko pod uwagę, przykładowo twój układ będzie zależny od rezystacji portu mikrokontrolera załączającego I_set i I_sense, jaka ona jest? jak zmienia się z temperaturą? Jak zmienia się napięcie na liniach portu w wyniku zmian prądu płynącego przez nóżkę GND - to też wpłynie na twój układ - przykładowo załączysz LEDa i wynik się trochę zmieni.

    Tłumaczę jakie są dobre i złe praktyki inżynierskie w tej dziedzinie.
    Zrobienie słabej analogówki i poprawnianie w uC jest kiepską techniką i ma ograniczone możliwości.
  • #7
    Urgon
    Editor
    jarek_lnx wrote:
    Urgon wrote:
    Masz jak najbardziej rację, dlatego zarówno w metodzie ze źródłem, jak i CTMU dodana jest możliwość, a nawet potrzeba wstępnej kalibracji. Dodatkowo wypadałoby zapewnić instrumentowi stabilne zasilanie.
    Zacząłeś temat od tego jak zmierzyć pojemność nie mając wzorcowego kondensatora.
    Kalibracja tylko częściowo rozwiązuje problem, opiera się na założeniu że niestabilność krótkoterminowa jest mniejsza od długoterminowej - zazwyczaj jest, ale trudno oczekiwać że układ który "płynie" o kilkadziesiąt procent będzie trzymał np 0,1% po kalibracji.

    W dobrze zaprojektowanym układzie pomiarowym wpływ zasilania jest znikomy - inaczej trzeba by stosować ultraprecyzyjne stabilizatory napięcia - po co jeśli wystarczy zapewnić stabilne napięcie tylko tam gdzie to niezbędne.

    Symulowałeś układ i jego płynięcie w zakresie kilku woltów. A jak bardzo będzie "płynął" przy zmianie napięcia o 50mV? O tyle "popłynie" stabilizator LM7805 w całym zakresie temperatury przy prądzie obciążenia 500mA. Tak to wygląda wedle noty. Załóżmy że będzie płynąć o 200mV. Jak szybkie będą te zmiany? I czy układ nie ustabilizuje się po tym, jak wewnętrzna struktura LM7805 się nagrzeje w trakcie pracy?
    Pomiar kalibracyjny będzie trwał jakieś 10µs przy typowej prędkości ADC 100ksps. Ale załóżmy że nam się nie śpieszy i damy aż 1ms, by wszystko się ustabilizowało. Ile czasu będzie trwało właściwe ładowanie? No, to już zależy od programu, ale ja bym sugerował górną granicę na poziomie 10-50ms. Ale idźmy na całość i róbmy ten krok przez 131ms, dla dużych pojemności, na tyle pozwala Timer1 przy zegarze 16MHz w ośmiobitowym PICu. Twoim zdaniem jak bardzo będzie się zmieniał prąd lustra i napięcie zasilania ze stabilizatora LM7805 w czasie od kalibracji do końca pomiaru?

    jarek_lnx wrote:
    Jak projektujesz układ pomiarowy wypadało by wyprowadzić wzór na wynik, biorąc wszystko pod uwagę, przykładowo twój układ będzie zależny od rezystacji portu mikrokontrolera załączającego I_set i I_sense, jaka ona jest? jak zmienia się z temperaturą? Jak zmienia się napięcie na liniach portu w wyniku zmian prądu płynącego przez nóżkę GND - to też wpłynie na twój układ - przykładowo załączysz LEDa i wynik się trochę zmieni.

    Tu masz rację. Okazuje się, że nie tak łatwo o charakterystyki I/O mikrokontrolerów, zwłaszcza PICów, ale impedancja wyjść konfiguracji, którą zasugerowałem w tekście może wynosić zależnie od modelu 35-200Ω. Zdecydowanie za dużo dla części rezystorów w układzie. Potrzebne zatem będą bufory na tranzystorach MOSFET o niskiej wartości Rdson, 100mΩ lub mniej. Inaczej stosowanie precyzyjnych rezystorów mijałoby się z celem.
    W praktyce chyba łatwiej będzie poszukać mikrokontrolera z modułem CTMU.

    jarek_lnx wrote:
    Tłumaczę jakie są dobre i złe praktyki inżynierskie w tej dziedzinie.
    Zrobienie słabej analogówki i poprawnianie w uC jest kiepską techniką i ma ograniczone możliwości.

    Najważniejsze, że robisz to merytorycznie. I za to dziękuję. Ale czy algorytmicznie nie da się poprawić problemów sprzętowych? Te tanie testery elementów mają raczej prostą część analogową i wszystko robią w oprogramowaniu...
  • #8
    acctr
    Level 19  
    Ze źródłami prądowymi zawsze są problemy dlatego łatwiej wykorzystać źródło napięcia referencyjnego, kilka rezystorów precyzyjnych i komparator do sprawdzania czasu ładowania kondensatora.
  • #9
    jarek_lnx
    Level 43  
    Urgon wrote:
    Symulowałeś układ i jego płynięcie w zakresie kilku woltów. A jak bardzo będzie "płynął" przy zmianie napięcia o 50mV? O tyle "popłynie" stabilizator LM7805 w całym zakresie temperatury przy prądzie obciążenia 500mA. Tak to wygląda wedle noty. Załóżmy że będzie płynąć o 200mV. Jak szybkie będą te zmiany? I czy układ nie ustabilizuje się po tym, jak wewnętrzna struktura LM7805 się nagrzeje w trakcie pracy?
    Symulowałem zmiany prądu w funkcji napięcia na kondensatorze, a nie napięcia zasilania, te zmiany spowodują nieliniowość miernika, żeby coś skompensować w softwarze najpierw musiał byś o tym wiedzieć :) chętnie pokazał bym błędy spowodowane niedoskonałym sprzężeniem termicznym ale to trzeba w realu nie w symulacji.
    U mnie, w realnym układzie, lustra prądowego, zmiana prądu kolektora w funkcji napięcia Uce przekraczała 50% ale po pierwsze miałem szeroki zakres Uce (50V) po drugie nie miało to znaczenia bo pętla sprzężenia korygowała.

    Wpływ dryfu napięcia zasilania będzie z grubsza proporcjonalny i powinien się dać skalibrować. Ale nagła zmiana prądu obciążenia stabilizatora może być problemem.

    Urgon wrote:
    Ale czy algorytmicznie nie da się poprawić problemów sprzętowych? Te tanie testery elementów mają raczej prostą część analogową i wszystko robią w oprogramowaniu...

    Poprawić algorytmicznie możesz tylko zjawiska o których wiesz i które są przewidywalne/wolnozmienne. Zanim nie napisałem o nieliniowości, nie mógł byś jej skorygować, bo musiałbyś się jakoś o niej dowiedzieć albo mieć zestaw kondensatorów wzorcowych. A ile jest zjawisk o których ja nie wiem?
    Kolega z pracy sądził że szum zawsze da się zredukować uśrednianiem większej liczby pomiarów, ale "szum" był w istocie zakłóceniami skorelowanymi z częstotliwością pomiarów i softwarowe poprawianie kiepskiej analogówki nie zadziałało.

    Tester to nie miernik, ma pokazać czy kondensator jest sprawny czy mniej więcej trzyma pojemność, a nie czy ma np 0,5% odchyłki od nominału
    Tanie testery mają być przede wszystkim tanie, parametry nie są priorytetem, jak działa wszyscy będą szczęśliwi jak nie zadziała albo źle zmierzy to mówimy a czego oczekiwałeś od testera za x złotych.

    Masz podejście jak się pojawi problem to się go poprawi, na każdy argument masz pomysł jak poprawić, pomysł oczywiście warto mieć, ale trzeba mieć też ustalony cel (1%? 0,1%?), twój będzie się zmieniał w trakcie dyskusji ale na takie cwaniactwo jest prosty sposób. Powiedz jakie konkretne parametry może zaoferować twój przyrząd dzisiaj, jaki będzie miał dryft, jaką niestabilność wskazań, i na koniec jedną liczbę, jaką niepewność pomiaru możesz zagwarantować.

    Nie twierdzę że parametrów nie można poprawić, stosujesz metodę odkładania rzetelnej pracy na jutro, a następnego dnia okaże się że znowu jest dzisiaj ;)

    Urgon wrote:
    Pomiar pojemności bezpośrednio ma jednak jeszcze jedną wadę - cały obwód jest obarczony różnymi pojemnościami pasożytniczymi. Dlatego warto dołączyć na stałe kondensator równolegle do wejścia pomiarowego, dokonać pomiaru i użyć tej wartości jako "zera".
    Ale nadal pojemności pasożytnicze będą istniały, stały kondensator to dobre rozwiązanie do mierników które przy zbyt małej pojemności przestają działać problem pojemności pasożytniczych rozwiązuje się inaczej są mierniki nie wrażliwe na pojemność każdej z elektrod do masy, w takim można stosować ekranowanie i mierzyć tylko to co potrzeba.
  • #10
    rb401
    Level 37  
    Sposób drugi i trzy czwarte:


    6 sposobów pomiaru pojemności kondensatora. Jak zmierzyć pojemność kondensatora?

    Tutaj nie ma problemów z kalibracją, rozjeżdżaniem parametrów czy zależności od jakiegoś wzorcowego napięcia czy prądu. Znając dokładnie wartości R1, R2, R3, z czasu pomiędzy otwarciem klucza a pojawieniem się stany niskiego na komparatorze wyliczamy pojemność. Jeśli stopień podziału dzielnika R2, R3 ustalimy na 63,2% to dostajemy okrągły przelicznik czas-pojemność. Ale to nie jest konieczne.

    Kiedyś coś takiego zrobiłem jako przystawkę do PC. Ale nie z potrzeby by mierzyć pojedyncze kondensatory, lecz by z dużej populacji kondensatorów (kilkaset), wysortować komplety o maksymalnie do siebie zbliżonych pojemnościach na potrzeby pewnych urządzeń. No i po to by się nie narobić ani nie robić błędów.
    Wyglądało to tak że mierząc kolejno kondensatory i ustawiając zmierzone na ponumerowanych kratkach, po zmierzeniu całej partii program sortował wyniki i podawał numeracje tych kondensatorów które trzeba było już tylko wrzucać do osobnych woreczków.
  • #11
    Urgon
    Editor
    jarek_lnx wrote:
    Symulowałem zmiany prądu w funkcji napięcia na kondensatorze, a nie napięcia zasilania, te zmiany spowodują nieliniowość miernika, żeby coś skompensować w softwarze najpierw musiał byś o tym wiedzieć :) chętnie pokazał bym błędy spowodowane niedoskonałym sprzężeniem termicznym ale to trzeba w realu nie w symulacji.

    Mój błąd - przy "normalnym" powiększeniu obrazka czcionki w opisie wykresu są dla mnie niezbyt czytelne. Myślałem, że badałeś wpływ napięcia zasilania. Co do minimalizacji różnic w temperaturze, to zwykłe klejenie tranzystorów Twoim zdaniem wystarczy, czy może lepiej przykleić je do metalowej blaszki i całość zalać żywicą dla większej masy termicznej?

    jarek_lnx wrote:
    U mnie, w realnym układzie, lustra prądowego, zmiana prądu kolektora w funkcji napięcia Uce przekraczała 50% ale po pierwsze miałem szeroki zakres Uce (50V) po drugie nie miało to znaczenia bo pętla sprzężenia korygowała.


    Wpływ dryfu napięcia zasilania będzie z grubsza proporcjonalny i powinien się dać skalibrować. Ale nagła zmiana prądu obciążenia stabilizatora może być problemem.[/quote]
    Nie sądzę, by obciążenie zmieniało się bardziej niż o kilka do kilkunastu mA. Nie w układzie, który tylko dokonuje pomiaru i wyświetla wynik...

    jarek_lnx wrote:
    Urgon wrote:
    Ale czy algorytmicznie nie da się poprawić problemów sprzętowych? Te tanie testery elementów mają raczej prostą część analogową i wszystko robią w oprogramowaniu...

    Poprawić algorytmicznie możesz tylko zjawiska o których wiesz i które są przewidywalne/wolnozmienne. Zanim nie napisałem o nieliniowości, nie mógł byś jej skorygować, bo musiałbyś się jakoś o niej dowiedzieć albo mieć zestaw kondensatorów wzorcowych. A ile jest zjawisk o których ja nie wiem?

    Pewnie bym się zorientował, że coś jest nie tak testując zwykłe kondensatory. Skoro błąd pomiaru może wynieść w tym przypadku nawet 20%. Zwłaszcza że pewnie testowałbym różne czasy ładowania by ten fragment algorytmu zoptymalizować...
    Ja wiem, że mało wiem. Dlatego cieszy mnie, gdy ktoś z większą wiedzą poucza mnie merytorycznie.

    jarek_lnx wrote:
    Kolega z pracy sądził że szum zawsze da się zredukować uśrednianiem większej liczby pomiarów, ale "szum" był w istocie zakłóceniami skorelowanymi z częstotliwością pomiarów i softwarowe poprawianie kiepskiej analogówki nie zadziałało.

    Analizator widma albo oscyloskop cyfrowy z analizą FFT podpięty do wejścia ADC by tego nie wykazał? Czy szum występował w samym ADC?

    jarek_lnx wrote:
    Masz podejście jak się pojawi problem to się go poprawi, na każdy argument masz pomysł jak poprawić, pomysł oczywiście warto mieć, ale trzeba mieć też ustalony cel (1%? 0,1%?), twój będzie się zmieniał w trakcie dyskusji ale na takie cwaniactwo jest prosty sposób. Powiedz jakie konkretne parametry może zaoferować twój przyrząd dzisiaj, jaki będzie miał dryft, jaką niestabilność wskazań, i na koniec jedną liczbę, jaką niepewność pomiaru możesz zagwarantować.

    Pomysł z lustrem przyszedł mi do głowy bo zadałem sobie pytanie: skoro sercem CTMU jest programowalne źródło prądowe, to czy da się je zrealizować sprzętowo. Da się, ale jak wykazałeś, moje rozwiązanie jest kiepskie i wymaga poprawek. Ale da się je poprawić.

    Pierwotnie, gdy robiłem poszukiwania metod pomiaru kondensatorów dostępnych amatorom te 6 lat temu, celem było dobranie kondensatora 1nF z niepewnością pomiaru 0,1%, a najlepiej dwóch takich samych kondensatorów. Zrealizowałem wtedy dwa mierniki: na NE555 i Romana Blacka. Ten drugi działał krótko, ale działał. Wtedy miałem podejście "jak jest problem, to daję sobie spokój", czyli typowego lenia. Teraz mam podejście "jak jest problem, to szukam rozwiązania". Chyba tak jest lepiej, nie sądzisz?

    jarek_lnx wrote:
    Nie twierdzę że parametrów nie można poprawić, stosujesz metodę odkładania rzetelnej pracy na jutro, a następnego dnia okaże się że znowu jest dzisiaj ;)

    Sam napisałeś wyżej, że aby rozwiązać jakiś problem, trzeba wpierw o nim wiedzieć. Jak mogę naprawić błąd w projekcie, jeśli nie wiem, że to błąd?

    jarek_lnx wrote:
    Urgon wrote:
    Pomiar pojemności bezpośrednio ma jednak jeszcze jedną wadę - cały obwód jest obarczony różnymi pojemnościami pasożytniczymi. Dlatego warto dołączyć na stałe kondensator równolegle do wejścia pomiarowego, dokonać pomiaru i użyć tej wartości jako "zera".
    Ale nadal pojemności pasożytnicze będą istniały, stały kondensator to dobre rozwiązanie do mierników które przy zbyt małej pojemności przestają działać problem pojemności pasożytniczych rozwiązuje się inaczej są mierniki nie wrażliwe na pojemność każdej z elektrod do masy, w takim można stosować ekranowanie i mierzyć tylko to co potrzeba.

    Ewentualnie można nie wyposażać miernika w przewody pomiarowe, tylko w samo gniazdo, a wszystkie połączenia wewnętrzne realizować na PCB lub umocować przewody do obudowy. Tak zrealizowany miał być miernik z projektu Romana Blacka, i podobnie był zrealizowany układ na NE555. Oczywiście nie jest to raczej rozwiązanie stuprocentowo skuteczne, ani zapewne stuprocentowo poprawne, ale lepsze to, niż nicnierobienie...
  • #12
    acctr
    Level 19  
    rb401 wrote:

    Tutaj nie ma problemów z kalibracją, rozjeżdżaniem parametrów czy zależności od jakiegoś wzorcowego napięcia czy prądu.

    Oczywiście że są. Obwód R1Cx posiada pewną stałą czasową a obwód R2R3 nie. Zmiany wartości Vcc względem masy powodują różne zmiany napięcia na R3 i na Cx.
  • #13
    rb401
    Level 37  
    acctr wrote:
    Oczywiście że są. Obwód R1Cx posiada pewną stałą czasową a obwód R2R3 nie. Zmiany wartości Vcc względem masy powodują różne zmiany napięcia na R3 i na Cx.


    Owszem, ale to o czym piszesz dotyczy tylko hipotetycznego przypadku zmiany wartości zasilania podczas cyklu pomiaru. A tego można w prosty sposób uniknąć. Tym bardziej że sama wartość napięcia, zasilającego jednocześnie dzielnik R2, R3 oraz układ R1,Cx, o ile tylko jest stała w cyklu pomiaru, nie ma kompletnie wpływu na wynik pomiaru. I to właśnie jest wielką zaletą tej metody. Bo, pomijając takie szczegóły jak offset i bias (oraz ich dryfty) komparatora, wynik (zmierzony czas) teoretycznie zależy tylko od wartości trzech oporników i mierzonej pojemności
  • #14
    acctr
    Level 19  
    rb401 wrote:
    Tym bardziej że sama wartość napięcia, zasilającego jednocześnie dzielnik R2, R3 oraz układ R1,Cx, o ile tylko jest stała w cyklu pomiaru, nie ma kompletnie wpływu na wynik pomiaru.

    Skoro zakładasz, że jest stała to znaczy, że mamy do czynienia ze źródłem napięcia odniesienia :)
  • #15
    Urgon
    Editor
    AVE...

    Jeśli pomiar będzie trwał ułamki sekund, a obwód zasilania ma dostatecznie duże kondensatory (preferowane LowESR), to pomiar powinien być dokładny. Można użyć układu multiplikatora pojemności by poprawić jakość zasilania. A i dobre źródła referencyjne nie są jakoś ekstremalnie drogie...
  • #16
    rb401
    Level 37  
    acctr wrote:
    że jest stała to znaczy, że mamy do czynienia ze źródłem napięcia odniesienia


    Nie za bardzo trafny wniosek. Tu zasilanie nie jest żadnym odniesieniem do niczego w pomiarze a jego wartość może być dowolna dla kolejnych pomiarów bez wpływu na wynik.
    Bo tu pośrednim wynikiem pomiaru jest zmierzony czas, który wynika ze wzoru t=R1*Cx, dla podziału dzielnika 63,2% a przy innym podziale do wzoru dochodzi tylko stały współczynnik. Czyli nie mamy tu zależności wyniku od napięcia zasilania tych dwóch gałęzi. A wymogiem dla poprawnego pomiaru w tym układzie jest tylko niezmienność napięcia na czas pomiaru a nie gwarancja by to napięcie miało ściśle konkretną wartość jak rozumiemy pojęcie napięcia odniesienia. Czyli wystarczy choćby przyblokowanie zasilania (niekoniecznie nawet stabilizowanego) odpowiednio dużym kondensatorem by w czasie pomiaru fluktuacja napięcia na nim była do pominięcia.
  • #17
    acctr
    Level 19  
    rb401 wrote:
    Tu zasilanie nie jest żadnym odniesieniem do niczego w pomiarze a jego wartość może być dowolna dla kolejnych pomiarów bez wpływu na wynik.

    Jak nie jest jak jest :) Napięcie na rezystorze R3 jest wprost proporcjonalne do napięcia zasilania Vcc. W swoim układzie mierzysz różnicę między napięciami na Cx i R3 (dokładniej to dostajesz na wyjściu informację o znaku tej różnicy).
    $$V_m=V_{R3}-V_C$$
    gdzie napięcie na R3 jest równe
    $$V_{R3}=\frac{R3}{R2+R3}V_{cc}$$
    rb401 wrote:
    A wymogiem dla poprawnego pomiaru w tym układzie jest tylko niezmienność napięcia na czas pomiaru a nie gwarancja by to napięcie miało ściśle konkretną wartość jak rozumiemy pojęcie napięcia odniesienia.

    Napięcie odniesienia charakteryzuje przede wszystkim stałość w czasie, temperaturze a nie stricte jego wartość.
  • #18
    CYRUS2
    Level 42  
    rb401 wrote:
    6 sposobów pomiaru pojemności kondensatora. Jak zmierzyć pojemność kondensatora?
    Układ jest dobry do amatorskich zastosowań bo nie wymaga wzorca pojemności.
    Wynik pomiaru nie zależy od wartości napięcia zasilania.

    Ale należy posiadać czasomierz cyfrowy.
    Można mierzyć czas oscyloskopem cyfrowym.

    rb401 wrote:
    Tu zasilanie nie jest żadnym odniesieniem do niczego w pomiarze a jego wartość może być dowolna dla kolejnych pomiarów bez wpływu na wynik.
    Kolega rb401 ma rację.
    Bo wartość chwilowa napięcia jest stała.
  • #19
    acctr
    Level 19  
    CYRUS2 wrote:
    Kolega rb401 ma rację.
    Bo wartość chwilowa napięcia jest stała.

    Skąd ta pewność? Wiesz jak wygląda schemat całego układu, wraz z zasilaczem? Przecież tu nawet nie ma odsprzęgania.
  • #20
    CYRUS2
    Level 42  
    acctr wrote:
    Skąd ta pewność? Wiesz jak wygląda schemat całego układu, wraz z zasilaczem? Przecież tu nawet nie ma odsprzęgania.
    To schemat pokazujący zasadę pomiaru.
    Tego też kolega nie przeczytał.
    rb401 wrote:
    Czyli wystarczy choćby przyblokowanie zasilania (niekoniecznie nawet stabilizowanego) odpowiednio dużym kondensatorem by w czasie pomiaru fluktuacja napięcia na nim była do pominięcia.
    Post #17
    acctr wrote:
    gdzie napięcie na R3 jest równe
    $$V_{R3}=\frac{R2+R3}{R3}V_{cc}$$.
    Popraw to kolego.
  • #21
    acctr
    Level 19  
    Wystarczy ujemna szpilka 1V względem Vcc w trakcie pomiaru do spowodowania znacznego błędu. Skąd szpilka na szynie zasilania? Kiepski zasilacz, układy cyfrowe na szynie zasilania, zakłócenia EM, wyładowanie elektrostatyczne, itp.

    Można poczynić kroki w celu wyeliminowania wpływu zakłoceń - odsprzęgnięcie zasilania kilkoma kondensatorami, dodanie stabilizatora, itd - ale to potwierdza tylko, że pomiar jest uzależniony od wartości napięcia zasilania.
  • #22
    CYRUS2
    Level 42  
    acctr wrote:
    Wystarczy ujemna szpilka 1V względem Vcc w trakcie pomiaru do spowodowania znacznego błędu.
    Skąd szpilka na szynie zasilania?
    acctr wrote:
    układy cyfrowe na szynie zasilania
    Co kolega wymyśla, gdzie te uklady cyfrowe ?
    acctr wrote:
    , zakłócenia EM
    Zakłócenia EMC mają wartość średnią napięcia zero. Nietrafione.

    Tyle warte są opinie kolegi co kolegi obliczenia.
    Nie potrafi kolega obliczyć napięcia na rezystorze.
    Popraw swój błąd w poście #17
    acctr wrote:
    gdzie napięcie na R3 jest równe
    $$V_{R3}=\frac{R2+R3}{R3}V_{cc}$$.