Pomiar pojemności 800pF-4nF, wykrywanie uszkodzeń kondensatorów: schemat z NE555, LM331

Potrzebuję mierzyć pojemności z zakresu 800pF do 4nF. Istotne jest również to aby jednocześnie wykrywać uszkodzony - zwarty kondensator. Wymyśliłem następujący sposób aby to zrealizować. Generator oparty o NE555 przestrajany dołączaną pojemnością. Następnie konwersja częstotliwości na napięcie układem LM331 i pomiar uzyskanego napięcia w mikrokontrolerze. Układ ma testować 4 kondensatory jednocześnie. Przy zwarciu na kondensatorze generator przestaje działać a uzyskane napięcie wykosi 0 co mikrokontroler interpretuje jako zwarcie. Dodatkowe wzmacniacze operacyjne mają za zadanie wzmocnić sygnał prądowo oraz dopasować napięciowo dla mikrokontrolera. Proszę zerknijcie okiem na schemat i dajcie znać czy to zadziała i rozrysowane jest prawidłowo.

Układ z tymi wzmacniaczami operacyjnymi nie ma sensu. Tak samo jest z konwerterem f/U. Skoro jest już zastosowany mikrokontroler, to można za jego pomocą bezpośrednio (w sposób cyfrowy) mierzyć częstotliwość sygnału na wyjściu NE555. Jednak nawet to nie ma sensu, bo przy pojemnościach tego rzędu można mierzyć czas ładowania kondensatora przez rezystor o znanej rezystancji. W ten sposób najlepiej mierzyć czas osiągnięcia 63% Ucc (potrzebny komparator). Tak zmierzony czas to stała czasowa.

Dlaczego układ uważasz że nie ma sensu? Zapytałem czy układ będzie działał a nie czy da się to zrobić prościej . Układ z mikrokontrolerem według mnie niepotrzebnie mocno zaprzęgnie procesor w liczenie czasów. A zależy mi nie na jednym pomiarze ale na ciągłym monitorowaniu pojemności. Czyli musi generować cykl pracy:

1. rozładowanie kondensatora - sprawdzenie wartości ADC
2. ładowanie kondensatora zadaną rezystancją do wartości 63%
3. mierzenie czasu ładowania który przy rezystorze 100kOhm będzie w us. błąd pomiaru w okolicy 10us będzie miał mocny wpływ na końcowy wynik

Dodatkowo przypomnę że chce mierzyć 4 kondensatory jednocześnie.

Układ który zaproponowałem pozwala mi nie koncentrować się na czasach ładowania i ich precyzji. Układ w pewnym sensie działa autonomicznie/niezależnie a procesor w dowolnym momencie może pobrać wartość z ADC która jest skalowana do wartości mierzonej pojemności.

Tak, jak pisałem nie ma to sensu. Nawet jeśli założyć, że budujesz tzw. maszynę Goldberga, to kombinacja ze wzmacniaczami operacyjnymi nie ma sensu. Nie mam pojęcia co tym chcesz osiągnąć.

Wracając do tematu należy zastosować podane przeze mnie rozwiązanie. Stosowanie do tego przetwornika A/C nie ma sensu. Do czegoś takiego stosuje się komparator. Wystarczy komparator. Można zrobić wiele ciekawostek. Nawet mierzyć kilka kondensatorów naraz. Obecnie mikrokontrolery mają 32-bitowe układy czasowo-licznikowe, które można taktować sygnałem zegarowym 100 MHz. Nic nie stoi też na przeszkodzie, by zwiększyć rezystancję rezystora przez jaki ładowany jest kondensator. Zatem mikrokontroler STM32 i kilka rezystorów w zupełności wystarczy. Można przecież wykorzystać wbudowany w mikrokontroler komparator analogowy.

trymer01 napisał:

maciej_333 napisał:

przy pojemnościach tego rzędu można mierzyć czas ładowania kondensatora przez rezystor o znanej rezystancji. W ten sposób najlepiej mierzyć czas osiągnięcia 63% Ucc (potrzebny komparator). Tak zmierzony czas to stała czasowa.

Nie przez rezystor, ale ze źródła prądowego, a jeszcze lepiej z dwóch źródeł prądowych (komplementarnych, czyli + i -), dwa komparatory wykrywające poziom napięcia i przełączające z ładowania na rozładowanie i odwrotnie. Taki generator napięcie trójkątnego, coś jak tu: https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic2197633.html#10431563

Można i tak, ale nie ma takiej potrzeby. Źródło prądowe może być programowalne, co uprości zmianę zakresu, ale wystarczy zrobić, jak pisałem. To pomiar pojemności, nie zaś generator przebiegu liniowego.

Jak masz mikrokontroler to po co ci analogowe przetwarzanie częstotliwości na napięcie?
Mikrokontrolery mają gotowy hardware do takich pomiarów i nie psujesz dokładności dodatkowym przetwarzaniem.

Niektóre mikrokontolery mają hardware do pomiaru pojemności, choć tak na prawdę niewiele potrzeba, jak pisze kolega powyżej.

Jeśli mikrokontroler nie ma wystarczających zasobów to można dać drugi, mały który będzie tylko mierzył pojemności, albo po prostu dać większy.

W dalszym momencie nie rozumiem w jaki sposób odciążyć procesor przy takich pomiarach. Prosił bym o wyjaśnienie tej kwestii. Nawet jeśli użyjemy komparatorów to procesor musi liczyć czas między naładowaniem a rozładowaniem dla każdego z 4 kondensatorów osobno. Jeśli komparatory podłączymy pod przerwania i będziemy to próbować liczyć to przerwania będą występować co chwilę i procesor nie będzie w stanie robić nijak pomiar tych czasów. Rozwiązanie które ja proponowałem pozwalało odciążyć procesor który robi sobie coś innego a w memencie kiedy potrzebuje wynik odczytuje tylko wartość adc. Może czegoś nie dostrzegam to proszę o wyjaśnienie.

prociomen007 napisał:

W dalszym momencie nie rozumiem w jaki sposób odciążyć procesor przy takich pomiarach. Prosił bym o wyjaśnienie tej kwestii. Nawet jeśli użyjemy komparatorów to procesor musi liczyć czas między naładowaniem a rozładowaniem dla każdego z 4 kondensatorów osobno.

Układ czasowo-licznikowy, czyli tzw. timer działa "w tle". Jest to przecież niezależny od CPU licznik, który raz zaprogramowany i uruchomiony działa stale. Jego zatrzymanie czy zatrzaśnięcie wartości, bądź generowanie przerwania może przebiegać w bardzo różny sposób. Czas zatem nie jest mierzony poprzez zliczanie cykli maszynowych w pętli. Ponadto rozładowanie można zautomatyzować za pomocą PWM. Dochodzi jeszcze do tego możliwość wykorzystania DMA. Stąd obciążenie mikrokontrolera będzie znikome.

Czyli jak rozumiem musiał by to być osobny zegar dla każdego z mierzonych kondensatorów. Czyli w tym przypadku 4 zegary które startują w momencie rozładowania i liczą do wartości ustawionej przez komparator. Czy któryś avr poradzi sobie z taką funkcjonalnością?

prociomen007 napisał:

Czyli jak rozumiem musiał by to być osobny zegar dla każdego z mierzonych kondensatorów. Czyli w tym przypadku 4 zegary które startują w momencie rozładowania i liczą do wartości ustawionej przez komparator. Czy któryś avr poradzi sobie z taką funkcjonalnością?

Zegar będzie ten sam, układ czasowo-licznikowy może być jeden. Można to różnie zrobić. Przykładowo mierzyć każdy kondensator osobno lub zapisywać stan licznika przy przerwaniach od kolejnych komparatorów.

Czy w takim razie taki schemat ma sens:



Badany kondensator ładowany jest przez źródło prądowe ok. 50uA. Napięcie zasilania to 5V. Komparator ustawiony jest na 63% napięcia dla którego ma następować detekcja. Do resetowania pojemności użyłem Darlingtona aby w krótkim czasie był w stanie szybko rozładować pojemność. Razem z mierzoną pojemnością dołączam kondensator 200pF który pozwoli wykrywać brak badanej pojemności.
Problemem jest tylko fakt że ten układ nie jest wstanie wykryć zwarcia na kondensatorze. Przy zwarciu komparator nigdy nie zmieni stanu i jedyne wyjście to interpretacja programowa. Czy ktoś ma pomysł jak udoskonalić ten układ aby była szansa wykryć zwarcie?

prociomen007 napisał:

Badany kondensator ładowany jest przez źródło prądowe ok. 50uA

Źródła prądowego to ja tu nie widzę, raczej napięciowe.
W układzie w którym próg komparatora będzie zależny, przez dzielnik, od napięcia zasilania dokładniejszy będzie pomiar ładowania przez rezystor, porzuć pomysł na źródło prądowe.

prociomen007 napisał:

Darlingtona aby w krótkim czasie był w stanie szybko rozładować pojemność. Razem z mierzoną pojemnością dołączam kondensator 200pF który pozwoli wykrywać brak badanej pojemności.

Lepiej użyj małego mosfeta, będzie dokładniej, bo napięcie po rozładowaniu będzie bliżej zera.

prociomen007 napisał:

Razem z mierzoną pojemnością dołączam kondensator 200pF który pozwoli wykrywać brak badanej pojemności.

Bez dodatkowego kondensatora też wykryjesz.
LM833 to nie komparator, tylko wzmacniacz operacyjny, użyj komparatora.

prociomen007 napisał:

Czy ktoś ma pomysł jak udoskonalić ten układ aby była szansa wykryć zwarcie?

W przerwaniu przepełnienia timera który będzie liczył czas ładowania.

Nie ma tu żadnego źródła prądu. Jest tylko wtórnik napięciowy i nic więcej. Stosowanie wzmacniaczy operacyjnych w roli komparatorów to z wielu powodów kiepski pomysł. Do rozładowania można zastosować wyjście linii I/O mikrokontrolera. Można przecież przełączyć taką linię w stan trzeci tj. wysoką impedancję. Podłączanie komparatora do wejścia przetwornika A/C nie ma sensu. Przecież na wyjściu komparatora jest sygnał cyfrowy tj. mogą być tylko dwa stany. Wykrycie zwarcia badanego kondensatora można zrealizować za pomocą "time out". Jeżeli w określonym czasie od rozpoczęcia ładowania nie dojdzie do przerwania od komparatora, to jest to równoznaczne ze zwarciem lub przekroczeniem zakresu pomiarowego.

Zobacz choćby ten przykład: Link.

Przepraszam najmocniej ale w źródle prądowym uciekł mi niechcąco tranzystor. Poprawiony schemat łącznie z waszymi sugestiami poniżej. Czy ten komparator spełni swoją rolę?

Referencja źródła prądowego powinna być względem plusa. Na wyjściu komparatora dodaj rezystor pull-up, bo komparatory mają wyjścia OC.
MOSFET i JFET to nie to samo, NJFETa steruje się ujemnym napięciem, miałem na myśli takie jak 2N7002, nie jakiś duży żeby nie miał dużej pojemności wyjściowej
Jakie masz napięcie zasilania?

Nie rozumiem pierwszego zdania o referencji względem plusa. Napięcie zasilania 5V DC.

jarek_lnx napisał:

Referencja źródła prądowego powinna być względem plusa.

Tu akurat wystarczy zamienić R16 z D5 miejscami. Jednak jeśli np. zasilanie to +5 V i jest ono stabilizowane, to można dać tylko dzielnik napięciowy złożony z dwóch jednakowych rezystorów lub zostawić jak jest.

Brakuje też paru kondensatorów odsprzęgających. Ponadto TL431 może nie być stabilny:

Trzeba na podstawie tego wykresu dobrać właściwą pojemność obciążenia.

prociomen007 napisał:

Czy ten komparator spełni swoją rolę?

Twój układ, ten teraz, jest niepotrzebnie przekomplikowany.
Tu dokładność pomiaru zależy od parametrów wielu rzeczy, tzn. napięcia odniesienia, dokładność konwersji napięcie prąd, liniowości źródła prądowego itd. . A zupełnie niepotrzebnie.

Zauważ że jeśli zastąpisz źródło prądowe opornikiem oraz równocześnie drugie wejście komparatora podłączysz, zamiast do napięcia odniesienia, do dzielnika oporowego zasilanego z tego samego napięcia co rezystor ładujący, to otrzymasz układ pracujący praktycznie identycznie jak ten Twój. Czyli konwersja pojemności na czas.
Ale za to jedynymi parametrami w tej konwersji, będzie tylko wartość oporności oporników stałych (trzech) w tym układzie, czyli praktycznie bardzo stabilna, łatwa do uzyskania sprawa. Poza tym żadnego napięcia nie musisz uwzględniać w obliczeniach, czyli nie potrzebujesz żadnych napięć referencyjnych. Jedyny wymóg, by napięcie węzła zasilającego ładujący opornik i dzielnik komparatora było niezmienne (ale nie musi mieć ściśle określonej wartości) podczas pojedynczego pomiaru.

Tu jest schemat tego o czym piszę:
https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3810261.html#19474444

Mam nadzieję że teraz będzie dobrze. Łącznie z doborem elementów. Prąd ładowania kondensatora to około 50uA.

Będę go włączać procesorem który będzie dokonywać pomiaru.

Dlaczego taki dziwny komparator ultraniskoprądowy? Zasilasz to z baterii?
Mały pobór prądu zawsze jest kosztem szybkości.

prociomen007 napisał:

Łącznie z doborem elementów.

Ten komparator, który wybrałeś ma bardzo ładny prąd polaryzacji wejścia 1pA. Wartość do kompletnego zignorowania jak chodzi o wpływ na wynik. Ale jest też bardzo wolny (4us). Nie wiem jaką rozdzielczość pomiaru czasu zakładasz w swoim projekcie ale możliwe że przy małych mierzonych pojemnościach, takie opóźnienie trzeba będzie uwzględnić w obliczeniach.
Dla porównania pospolity LM339 jest przeszło 10x szybszy (300ns), tyle że prąd na wejściu większy (25nA max). Choć to i tak gdzieś z tysiąc razy mniej niż prąd ładowania, czyli szacunkowo wniesie błąd rzędu 0,1%. Jest też mnóstwo innych komparatorów.
Ale to tak tylko sygnalizuję, jako rzecz do przemyślenia.

Miało być na 4 kondensatory ale finalnie będę chciał mierzyć 8 jednocześnie. Przy czym na pomiar mam około 5 sekund więc jednocześnie będzie tak naprawdę po kolei. Planuję zrobić to tak:



Mikrokontroler wysyła sygnał resetu (zdecydowałem użyć driverów dla mosphetów żeby nie obciążać za mocno wyjścia mikrokontrolera i zapewnić szybkie włączanie tranzystora. Dodatkowe zasilanie dla drivera 20V nie jest problemem w tym projekcie ). Sprawdza czas dla pierwszego kondensatora. Wartość powyżej 100ms uznawana jest za błąd albo zwarcie. Potem ponowny sygnał resetu i sprawdzanie następnego kondensatora.

Zastanawiam się jeszcze jak zabezpieczyć wejście komparatora gdyby jakimś cudem badany kondensator był naładowany do jakiegoś napięcia. Może dioda zenera 5V? Pasożytniczą pojemność którą dołoży kompensować będzie mikrokontroler.

Wg mnie bez sensu. Masz 4 lub 8 kanałów do kalibracji, a że nie mierzysz jednocześnie to tym bardziej bez sensu. ja bym zrobił jeden kanał i multpleksowanie na przekaźnikach próżniowych siemensa*. Masz wtedy jeden kanał i pomiar po kolei. wejście zabezpiecz też przekaźnikiem 'zwierającym' z jakimś opornikiem przeciwzwarciowym 20-50om, po podłączeniu przekaźnika z mutipleksera po chwili rozwierasz ten 'zwierający' i robisz pomiar.
Tylko uważaj bo przekaźniki są delikatne i najlepiej je sterować przez kondensator 22-47uF, który drugą nogą podłączasz do wyjścia np ul2003, które jest podciągnięte opornikiem (200-400om) do + np 12V. Takie sterowanie zabezpiecza przed spaleniem cewki przy zawieszeniu procka, przekaźnik zawsze dostaje tylko tyle energii co jest w kondensatorze.


* na to hasło znajdziesz na allegro sprzedawcę sprzętu wojskowego który sprzedaje takie przekaźniki za jakieś śmieszne pieniądze (1zł) .

A jak te przekaźniki są wyłączane? Bo impuls je włącza. Podanie 0 wyłączą? Czy musi być ujemne napięcie?

Przeciwne, jak podłączysz tak

to podanie na wejście sygnału/ zdjęcie go przełączy przekaźnik, a w którym kierunku to musisz wybadać. To jest taki prymitywny półmostek zmieniający biegunowość na przekaźniku, ale zupełnie wystarczający.

Czyli każdy kolejny impuls na przekaźniku zmienia jego stan na przeciwny?

Jakiego mikrokontrolera zamierzasz użyć?
Trudno rozpatrywać budowę układu bez odniesienia do hardware wewnątrz mikrokontrolera który to obsłuży