Частотометр, измеритель ёмкости и индуктивности – FCL meter (2)
         

Частотометр, измеритель ёмкости и индуктивности – FCL-meter


Качественный и специализированный инструмент
в умелых руках – залог успешной работы и удовлетворения
от её результата.

Личное убеждение автора

В лаборатории радиолюбителя-конструктора (и в особенности коротковолновика) помимо уже “обычных” цифрового мультиметра и осциллографа находят место и более специфические измерительные приборы– генераторы сигналов, измерители АЧХ, анализаторы спектра, ВЧ мосты и т.д. Подобные приборы, как правило, приобретаются из числа списанных за относительно небольшие (по сравнению с новыми) деньги и занимают достойное место на столе конструктора. Самостоятельное их изготовление в домашних условиях практически не возможно, по крайней мере, для рядового любителя.

В то же время есть ряд приборов, самостоятельное повторение которых не только возможно, но и необходимо по причине их редкости, специфичности или же требований к габаритно-массовым показателям. Это всевозможные приставки к мультиметрам и ГИРы, испытатели и частотометры, LC-метры и прочее. Благодаря всё большей доступности программируемых компонент и PIC-микроконтроллеров в частности, а также огромному объёму информации по их использованию в Internet, самостоятельное проектирование и изготовление домашней радиолаборатории стало вполне реальным делом доступным многим.

Описываемый ниже прибор позволяет в широких пределах измерять частоты электрических колебаний, а также ёмкость и индуктивность электронных компонентов с высокой точностью. Конструкция обладает минимальными размерами, массой и энергопотреблением, что позволяет пользоваться ею при работах на крышах, опорах и в полевых условиях.

Технические характеристики:

Частотометр

Измеритель LC

Напряжение питания, В:

6…15

6…15

Ток потребления, мА:

14…17

15*

Пределы измерения, в режиме:

F1, МГц --- 0,01…65**
F2, МГц --- 10…950

С --- 0,01 пФ…0,5 мкФ
L --- 0,001 мкГн…5 Гн

Точность измерения, в режиме:

F1 --- +/- 1 Гц
F2 --- +/- 64 Гц

С --- 0,5 %
L --- 2…10 %***

Период отображения, сек:

1

0.25

Чувствительность, мВ:

F1 --- 10 ... 25
F2 --- 10 ... 100

Габариты, мм:

110х65х30

* – в режиме самокалибровки в зависимости от типа реле до 50 мА на 2 сек.

** – нижний предел можеть быть расширен до единиц Гц, см. ниже; верхний в засимости от микроконтроллера до 68 МГц

*** – погрешность возрастает с ростом активного сопротивления; для компенсации влияния собственной “паразитной” ёмкости имеется функция коррекции показаний и отображения значения этой емкости. Для малогабаритных катушек с большим активным сопротивлением (более 20 Ом) и замкнутым магнитопроводом без зазора погрешность существенно увеличивается.



Детали и конструкция


Большинство использованных в авторском устройстве деталей рассчитано на планарный монтаж (SMD), под них же спроектирована печатная плата. Но вместо них могут быть использованы аналогичные более доступные отечественного производства с ”обычными” выводами без ухудшения параметров прибора и с соответствующим изменением печатной платы.
VT1, VT2 и 2VT2 могут быть заменены на КТ368, КТ339, КТ315 и пр. В случае с КТ315 следует ожидать небольшое падение чувствительности на на верхнем участке диапазона F1.
VT3– КТ315, КТ3102. 2VT1– КП303, КП307.
VD1, 2, 5, 6– КД522, 521, 503. В качестве VD3, 4 желательно применить pin-диоды с минимальной собственной ёмкостью, например КД409 и пр. но вполне можно обойтись и КД503. VD7– для уменьшения падения напряжения желательно выбрать с барьером Шоттки– 1N5819, или обычный из указанных выше.
DA1– LM311, IL311, К544СА3, предпочтение следует отдать IL311 завода «Интеграл», так как они лучше работают в необычной роли генератора [2].
DA2– прямых аналогов не имеет, но допускается замена на обыкновенную КР142ЕН5А с соответствующим изменением схемы и отказом от сигнализации разряда батареи. Вывод 18 DD3 в таком случае необходимо оставить подтянутым к Vdd через резистор R23.
DD1– выпускается множество прескалеров подобного типа, например SA701D, SA702D, совпадающий по выводам с применённым SP8704. DD2– xx4066, 74HC4066, К561КТ3. DD3– PIC16F84A прямых аналогов не имеет, обязательно наличие индекса А (с ОЗУ в 68 байт). При некоторой коррекции программы возможно использование более “продвинутого” PIC16F628A, имеющего вдвое большую память программ и быстродействие до 5 млн. операций в секунду.

В авторском приборе использован алфавитно-цифровой двустрочный по 8 символов в строке дисплей производства Siemens, требующий отрицательного напряжения в 4 вольта и поддерживающий протокол контроллера HD44780. Для такого и подобного дисплеев необходимо загружать программу FCL2x8.hex. Значительно удобнее в работе прибор с дисплеем формата 2*16. Такие индикаторы выпускаются множеством фирм, например Wintek, Bolumin, DataVision, и содержат в своём названии цифры 1602.
При использовании доступного SC1602 фирмы SunLike необходимо поменять местами его выводы 1 и 2 (1–Vdd, 2–Gnd). Для таких дисплеев (2х16) используется программа FCL2x16.hex. Подобные дисплеи обычно не требуют отрицательного напряжения.

Особое внимание небходимо уделить выбору реле К1. Прежде всего, оно должно уверенно срабатывать при напряжении 4,5 вольт. Во-вторых, сопротивление замкнутых контактов (при подаче указанного напряжения) должно быть минимальным, но не более 0,5 Ом. Многие малогабаритные герконовые реле с потреблением в 5-15 мА от импортных телефонных аппаратов имеют сопротивление порядка 2-4 Ом, что недопустимо в данном случае. В авторском варианте использовано реле TIANBO TR5V. В качестве XS1 удобно использовать акустические зажимы или линейку из 8-10 цанговых контактов (половинку панельки под м/с)

Важнейшим элементом, от качества которого зависит точность и стабильность показаний измерителя LC, является катушка L1. Она должна обладать максимальной добротностью и минимальной собственной ёмкостью. Неплохо здесь работают обыкновенные дроссели Д, ДМ, ДПМ индуктивностью 100-125 мкГн.

К конденсатору C1 требования также довольно высокие, особенно по термостабильности. Это может быть КМ5 (M47), К71-7, КСО ёмкостью 510…680 пФ. Таким же должен быть и C2, но в пределах 820…2200 пФ.

Прибор собран на двусторонней плате размерами 72х61 мм. Фольга с верхней стороны практически полностью сохранена (см. файл FCL-meter.lay) за исключением окружения элементов контура (для уменьшения конструктивной ёмкости). Элементы SA1–SA4, VD7, ZQ1, L1, L2, K1, индикатор и пару перемычек расположены с верхней стороны платы. Длина проводников от измерительных зажимов XS1 до соответствующих контактов на печатной плате должна быть минимальна. Разъём питания XS2 установлен со стороны проводников. Плата помещена в стандартный пластмассовый корпус 110х65х30 мм. с отсеком для батареи питания типа “Крона”.

Для расширения нижней границы измерения частоты до единиц герц необходимо параллельно С7, С9 и С15 подключить электролитические конденсаторы 10 мк.


Принцип работы


В режиме частотометра прибор работает по широко известному методу измерения PIC-микроконтроллером числа колебаний в единицу времени с досчётом предварительного делителя, что и обеспечивает такие высокие показатели. В режиме F2 подключается дополнительный внешний высокочастотный делитель на 64 (при небольшой коррекции программы возможно использование делителей с другим коэффициентом).

При измерении индуктивностей и ёмкостей прибор работает по резонансному принципу, хорошо описанному в [1]. Вкратце. Измеряемый элемент включается в колебательный контур с известными параметрами, входящий в состав измерительного генератора. По изменению генерируёмой частоты по общеизвестной формуле f2=1/4р2LC рассчитывается искомое значение. Для определения собственных параметров контура к нему подключается известная дополнительная емкость, по той же формуле высчитываются индуктивность контура и его емкость, включая конструктивную.

Данный метод применительно к работам [1], [2], [3] имеет существенный недостаток, заключающийся в увеличении погрешности при измерении больших (более 10 мГн) индуктивностей со значительной собственной ёмкостью. Показания прибора в таком случае могут быть завышены в 2-10 раз. Для устранения этого недостатка автором применена функция определения собственной “паразитной” ёмкости и пересчёта индуктивности с её учётом. Для этого калибровка проводится при подключенной измеряемой индуктивности. Далее происходит расчёт и отображение ”правильной” индуктивности и её “собственной” ёмкости, точность измерения которой около 2…10% с уклоном в меньшую сторону. Данный метод также не идеален из-за распределения “собственной” ёмкости между измеряемой и измерительной индуктивностями, что заметно проявляется при их соизмеримых значениях. Если же измеряемая индуктивность более 10 мГн, т.е. в 100 раз больше измерительной катушки генератора (100 мкГн), то это влияние ничтожно и показания прибора близки к истинным.



Принципиальная схема


Электрическая схема прибора показана на рис. 1. В схеме можно выделить следующие основные узлы: измерительный генератор на DA1, входной усилитель режима F1 на VT1, входной делитель (прескалер) режима F2– DD1, коммутатор сигналов на DD2, блок измерения и индикации на DD3 и LCD, а также стабилизатор напряжения.

Измерительный генератор собран на микросхеме-компараторе LM311. Данная схема хорошо зарекомендовала себя в качестве генератора частоты до 800 кГц, обеспечивая на выходе сигнал, близкий к меандру. Для обеспечения стабильных показаний генератор требует согласованной по сопротивлению и стабильной нагрузки.

Частотозадающими элементами генератора являются измерительная катушка L1 и конденсатор C1, а также коммутируемый микроконтроллером эталонный конденсатор C2. В зависимости от режима работы L1 подключается к клеммам XS1 последовательно или параллельно. С выхода генератора сигнал через развязывающий резистор R7 поступает на коммутатор DD2 CD4066. На транзисторе VT1 собран усилитель сигнала частотометра F1. Схема особенностей не имеет за исключением резистора R8, необходимого для питания выносного усилителя с малой входной ёмкостью, во многом расширяющего область применения прибора. Его схема показана на рис. 2

. При пользовании прибором без внешнего усилителя необходимо помнить, что его вход находится под напряжением 5 Вольт, и поэтому необходим развязывающий контенсатор в сигнальной цепи.

Предделитель частотометра F2 собран по типовой для большинства подобных прескалеров схеме, лишь введены ограничительные диоды VD3, VD4. Необходимо заметить, что при отсутствии сигнала предделитель самовозбуждается на частотах около 800-850 МГц, что являтся типичным для высокочастотных делителей. Самовозбуждение пропадает с подачей на вход сигнала от источника с входным сопротивлением близким к 50 Ом. Сигнал с усилителя и прескалера поступает на DD2.

Главная роль в приборе принадлежит микроконтроллеру DD3 PIC16F84A. Данный микроконтроллер пользуется огромной и заслуженной популярностью у конструкторов благодаря не только хорошим техническим параметрам и небольшой цене, но и простоте в программировании и обилию различных прамеров его использования как от производителя, компании MicroChip, так и всех, кто применял его в своих конструкциях.
Желающим получить подробную информацию достаточно в любом поисковике Internet'а ввести слова PIC, PIC16F84 или MicroChip. Результат поиска Вам понравится.

Сигнал с DD2 поступает на формирователь, выполненный на транзисторе VT2. Выход формирователя непосредственно подключен к входящему в микроконтроллер триггеру Шмидта. Результат расчётов выводится на алфавитно-цифровой дисплей с интерфейсом HD44780. Микроконтроллер тактируется частотой 4МГц, при этом его быстродействие состаляет 1млн. операций в секунду. В приборе предусмотрена возможность внутрисхемного программирования посредством разъёма ISCP (in circuit serial programming). Для этого необходимо удалить перемычку XF1, изолировав этим цепь питания микроконтроллера от остальной схемы. Далее присоединяем программатор к разъёму и “зашиваем” программу, после чего не забываем установить перемычку. Такой способ особенно удобен при работе с микроконтроллерами в корпусе для поверхностного монтажа (SOIC).

Управление режимами осуществляется тремя кнопочными переключателями SA1–SA3 и будет подробно описано ниже. Данные переключатели не только включают нужный режим, но и обесточивают не задействованные в данном режиме узлы, снижая общее энергопотребление. На транзисторе VT3 собран ключ управления реле, подключающего эталонный конденсатор C2.

Микросхема DA2 является высококачественным стабилизатором 5 Вольт с низким остаточным напряжением и сигнализатором разряда питающей батареи. Эта микросхема специально разрабатывалась для использования в устройствах с низким токопотреблением и батарейным питанием. В питающей цепи установлен диод VD7 для защиты прибора от переплюсовки. Пренебрегать им не стоит!!!

При использовании индикатора, требующего отрицательного напряжения, необходимо по схеме рис. 3



 собрать источник отрицательного напряжения. Источник обеспечивает до –4 Вольт при использовании в качестве 3VD1, 3VD2 германиевых диодов или с барьером Шоттки. Схема программатора JDM, доработанного для внутрисхемного программирования, приведена на рис. 4



. Подробнее о программировании будет сказано ниже в соответствющем разделе.


Программирование и настройка


Включать прибор с установленным, но незапрограммированым микроконтроллером не рекомендуется!!!

Начинать сборку прибора необходимо с установки элементов стабилизатора напряжения и установки подстроечным резистором R22 напряжения 5.0 вольт на выводе 1 микросхемы DA2. После этого можно устанавливать все остальные элементы кроме DD3 и индикатора. Ток потребления не должен превышать 10-15 мА при различных положениях SA1-SA3.

Для программирования микроконтроллера можно воспользоваться разъёмом ISCP. На время программирования перемычка XF1 удаляется (конструкция разъёма иного не допускает). Для программирования рекомендуется использовать некоммерческую программу IC-Prog , последнюю версию которой можно бесплатно загрузить с www.ic-prog.com (около 600 кбайт). В установках программатора (F3) необходимо выбрать JDM Programmer, убрать все птички в разделе Communication и выбрать порт, к которому подключен программатор.

Прежде чем загрузить в программу одну из прошивок FCL2x8.hex или FCL2x16.hex, необходимо выбрать тип микроконтроллера – PIC16F84A, остальные флаги автоматически установятся после открытия файла прошивки и изменять их нежелательно. При программировании важно, чтобы общий провод компьютера не имел контакта с общим проводом программируемого устройства, иначе данные не запишутся.

Усилитель-формирователь и измерительный генератор в настройке не нуждаются. Для достижения максимальной чувствительности можно подобрать резисторы R9 и R14.

Дальнейшая настройка прибора проводится с установленными DD3 и LCD в следующем порядке:
1. Ток потребления не должен превышать 20 мА в любом режиме (кроме момента срабатывания реле).
2. Резистором R16 устанавливается желаемая контрастность изображения.
3. В режиме частотометра F1 конденсатором С22 добиваются правильных показаний по промышленному частотометру или иным способом. Возможно использование в качестве эталонных источников частоты гибридных кварцевых генераторов от радио и сотовых телефонов (12,8МГц, 14,85Мгц и пр.) или, в крайнем случае, компьютерные 14,318МГц и др.
Расположение выводов питания (5 или 3 вольт) у модулей стандартное для цифровых микросхем (7– минус и 14–плюс), сигнал снимается вывода 8. Если настройка происходит при крайнем положении ротора, то придётся подобрать и ёмкость C23.
4. Далее необходимо зайти в режим установки констант (см. ниже в разделе ”Работа с прибором”). Константа X1 устанавливается численно равной ёмкости конденсатора С2 в пикофарадах. Константа X2 равна 1.000 и может быть скорректирована позже при настройке измерителя индуктивности.
5. Для дальнейшей настройки необходимо иметь набор (1-3 штуки) конденсаторов и индуктивностей с известными значениями (желательна точность лучше 1%). Самокалибровка прибора должна проходить с учётом конструктивной ёмкости зажимов (см. ниже описание вариантов самокалибровки).
6. В режиме измерения ёмкости отмеряем известную ёмкость, далее номинал конденсатора делим на показания прибора, это значение будет использовано для корректировки константы X1. Можно повторить эту операцию с другими конденсаторами и найти среднее арифметическое отношений их номиналов к показаниям. Новое значение константы X1 равно произведению найденного выше коэффициента на “старое” её значение. Это значение необходимо записать до перехода к следующему пункту.
7. В режиме измерения индуктивности аналогично находим отношение номинала к показаниям. Найденное отношение будет новой константой X2 и записывается в EEPROM аналогично X1. Для настройки желательно использовать индуктивности от 1 до 100 мкГн (лучше несколько из этого диапазона и найти среднее значение). Если имеется катушка с индуктивностью в несколько десятков-сотен миллигенри с известными значениями индуктивности и собственной ёмкости, то можно проверить работу режима двойной калибровки. Показания собственной ёмкости, как правило, несколько занижены (см. выше).

На этом настройку прибора можно считать завершённой.