Цифровой LC-метр на контроллере PIC16F84
Каждый радиолюбитель знает, как необходим в домашней лаборатории LC измеритель. Особенно, если возникло желание использовать “бэушные” SMD компоненты без маркировки. В магазине LC-метры достаточно дорогие, с другой стороны всякому настоящему радиолюбителю иногда хочется что-то сделать своими руками. Из схем, опубликованных в интернете, больше всего понравился прибор [2] и позднее опубликованные "русскоязычные" версии. Привлекла возможность измерять емкости и индуктивности с точностью, достаточной для применения в КВ и УКВ аппаратуре. Режим калибровки позволяет компенсировать емкость монтажа и выносного щупа для SMD компонентов. После изготовления подобного прибора и разработки программы к PIC’у на основе математики, приведенной в [2], стало ясно, что время потрачено зря. Точность измерения невозможно описать печатными словами. Хотя идея хороша. Пораскинув черным веществом головного мозга, понял, что прибор рассчитан на измерение "идеальных" емкостей и индуктивностей. Реальные конденсаторы имеют собственную паразитную индуктивность, которая не учитывается и вызывает погрешность измерения до 500 %. В случае с измерением индуктивности, аналогично, всю картину мироздания портит паразитная емкость катушек. Я еще стыдливо умолчу о влиянии на частоту измерительного генератора паразитного сопротивления измеряемых деталей. Переварив все вышеизложенное, прибор был разработан заново и написано соответствующее программное обеспечение.
Надеемся, что радиолюбители оценят и то, что в нашем варианте используется более распространенный микроконтроллер PIC16F84(A), и простой цифровой индикатор, который на порядок дешевле многострочных алфавитно-цифровых модулей ЖКИ. Прибор в первую очередь предназначен для радиолюбителей, занимающихся ремонтом и изготовлением КВ и УКВ аппаратуры. В настоящее время ведутся дальнейшие работы по расширению диапазона измерения и пр.
Технические характеристики устройства:
Напряжение питания........................…........9-15 В
Средний потребляемый ток..................…...9 мА
Диапазон измерения емкости..............……0,1 пФ - 0,1 мкФ
Диапазон измерения индуктивности.....….0,01 мкГн -10мГн
Точность измерения…………………..….. не хуже 5%
Принципиальная схема устройства (рис. 1)
Схема LC измерителя приведена на рис. 1. Желающие могут ознакомиться, также, с работами [1], [2], [3] . Кратко изложу принцип работы. В состав LC метра входят измерительный LC-генератор, выполненный на компараторе DD2 LM311N, и узел на контроллере DD3 PIC16А84(А), который измеряет частоту на входе TMR и вычисляет значение измеряемой величины. В связи с его популярностью, подробно описывать данный контроллер не имеет смысла (подробную информацию по нему вы можете найти здесь). Схема практически целиком позаимствована из интернета. Принцип основан на измерении частоты LC генератора и ее изменения при подключении к контуру генератора с помощью реле К1 образцовой емкости С2. Зная величину этой емкости, нетрудно вычислить параметры LC контура генератора [2]. При этом емкость контура складывается из емкости собственно конденсатора, паразитной емкости катушки индуктивности и емкости монтажа. Аналогично с индуктивностью – учитываются индуктивность монтажа и паразитная индуктивность конденсатора.
Так как принцип измерения L и С одинаков, рассмотрим процесс измерения емкости.
Перед измерением нажимаем клавишу калибровки S3, контроллер вычисляет значение L1 и C1 контура генератора и заносит их в память. Затем подключаем параллельно контуру генератора измеряемый конденсатор и включаем режим измерения (клавиша S4). Контроллер вычисляет новые значения параметров контура и выводит на индикатор величину емкости измеряемого конденсатора. При этом и процесс измерения, и процесс калибровки происходят аналогично, с использованием калибровочного конденсатора С2. Это позволило исключить влияние паразитной индуктивности измеряемого конденсатора на точность измерения.
Так как калибровочный конденсатор тоже не является идеальным, в приборе предусмотрена возможность скорректировать его емкость программным способом. Практически это можно сделать так: запастись горстью точно измеренных на промышленном LC-метре конденсаторов и катушек разных номиналов. Затем подбирая значение константы для режима измерения "Сх", добиться соответствия емкости измеряемого конденсатора показаниям индикатора. Убедиться, что прибор не "врет" во всем диапазоне измерения. Затем перейти в режим измерения "Lx" и аналогично подобрать константу для измерения катушек индуктивности. На практике с калибровочным конденсатором КСО 1500 пФ константа для режима "Cx" - 1550, для режима "Lx"- 1360. К подбору констант нужно отнестись очень серьезно, так как от этого зависит точность прибора. Константы достаточно подобрать один раз, они автоматически заносятся во FLASH память контроллера.
На начальной стадии разработки предполагалось, что прибор будет питаться от собственной 9ти вольтовой батареи. Для этого в нем реализована функция сохранения энергии: после 4,5 минут простоя процессор при помощи транзистора VT1 отключает питание генератора DD2, а сам входит в режим SLEEP. Те, кто захочет собрать устройство с внутренней батареей, оценят данную функцию. Потребляемый ток в этом режиме около 300мкА + Iпот. DD1.
Настройка устройства
При наладке устройства емкость конденсатора C1 и индуктивность дросселя L1 большого значения не имеют. Необходимо лишь придерживаться двум правилам: 1) емкость C1 в пФ должна быть примерно в 6-15 раз больше, чем индуктивность L1 в мкГн; 2) Частота контура L1C1 должна лежать в пределах 550...750 кГц. По возможности, лучше придерживаться тех значений, которые указаны на схеме. Желательно использовать конденсатор С1 с малым значением ТКЕ (температурный коэффициент емкости), так как этот параметр напрямую зависит от того, как часто придется делать калибровку. Дроссель L1 должен также иметь хорошую температурную стабильность и малую собственную емкость. Конденсатор C2 считается эталонным и при вычислении принимается за константу, поэтому он также должен иметь очень малое значение ТКЕ. Для таких целей отлично подойдет конденсатор типа КСО (именно под габариты такого конденсатора и отведено место на плате), который отличается предельно малым значением ТКЕ. Емкость эталонного конденсатора может быть любой (желательно, она должна быть больше емкости С1), т.к. пользователь должен ввести ее во FLASH память процессора сам, предварительно измерив ее точным измерителем емкости. Для этого реализован соответствующий режим. Активизируется он следующим образом: при включении питания (включатель "S2") нужно удерживать клавишу "Calibration" до тех пор, пока на индикаторе не отобразится: "XXXX PF", где ХХХХ - емкость эталонного конденсатора C2 в пФ. Причем, если при входе в этот режим, переключателем S1 был установлен режим измерения "Cx", то введенная константа будет использоваться только при калибровке для режима "Cx", а если был установлен режим измерения "Lx", то она будет использоваться только при калибровки для режима измерения "Lx". Далее, в режиме записи константы переключатель используется для изменения шага перестройки значения константы: режим "Cx" будет соответствовать шагу '1', а режим "Lx" шагу '10'. Для изменения значения на один шаг вверх или вниз используются соответственно клавиши S3 ("Calibration") и S4 ("Measure"). При удержании клавиши значение константы будет изменяться со скоростью пять шагов в секунду. Для записи константы в память - не нажимать ни какие клавиши в течении пяти секунд, после чего произойдет повторная калибровка, и прибор начнет нормальную работу (режим ожидания измерения). Следует также не забыть подстроить кварцевый генератор процессора, при помощи подстроечного конденсатора С13. Для удобства настройки реализован специальный режим отображения, при активизации которого происходит обход всех вычислений, и на индикатор выводится реальная измеренная частота на входе TMR (вывод 3 DD3). Формат отображение частоты: "XXX, XX" кГц. Активизируется она установкой перемычки XS1. Для этого процесса потребуется частотомер, подключенный к выводу TMR DD3. Подстройкой конденсатора С13 следует добиться того, чтобы частота на индикаторе соответствовала частоте частотомера с точностью не менее 0,05 процента. На этом процесс настройки LC-метра завершен. Если пользователю необходимо посмотреть истинные вычисленные значения емкости и индуктивности колебательного контура, то это можно сделать следующим образом: при включении питания удерживать клавишу "Measure". В этом режиме будет циклически происходить калибровка с последующим выводом на индикатор вычисленных значений до тех пор, пока клавиша не будет отпущена. Вычисленные значения емкости и индуктивности будут отображаться в формате изображенном соответственно на рисунках 2 и 3. После отжатии клавиши произойдет повторная калибровка, и прибор начнет нормальную работу.
Эксплуатация устройства
Включение прибора осуществляется включателем "S2", после чего производится автоматическая калибровка с вычислением нужных значениях. В процессе калибровки на индикаторе должны наблюдаться "бегущие тире" слева на право. Длительность этого процесса около одной секунды. При включении и после выхода из режима "SLEEP" калибровка проводится два раза, в остальных случаях один раз. Переключение режима измерения "Lx/Cx" осуществляется переключателем S1. При каждой смене режима измерения, также производится автоматическая калибровка. Принудительная
калибровка осуществляется нажатием на клавишу "S3". Для калибровки в режиме измерения "Lx" необходимо в клеммы "Lx" вставлять перемычку. Такой принцип калибровки используется в большинстве промышленных измерителей и отличается более точным определением всех паразитных величин конструкции платы и клемм. Если пользователь забудет установить перемычку, то в процессе калибровки на индикаторе высветятся символы "PP", и следующие 10 секунд будет ожидаться повторная калибровка, по истечению которых калибровка будет пропущена. Измерение значений "Lx/Cx" производится при нажатии клавиши "Measure" со скоростью от 2 до 10 раз в секунду (в зависимости от значения измеряемого элемента) и отображается на индикаторе в формате, показанном на рис. 2 и рис. 3. На индикаторе отображаются только четыре активных старших разрядов, если число на индикаторе большое, то младшие разряды обнуляются. При долгой работе прибора, не следует забывать периодически производить калибровку. Если в течении четырех с половиной минут не будет нажата ни одна из клавиш, то устройство перейдет в режим энергосбережения, а на индикаторе высветится "OFF". Некоторые индикаторы имеют свойство, при отсутствии подачи сигналов в течение долгого времени, переходить в режим таймера. Выход из режима "сна" производится при нажатии любой клавиши или при смене режима измерения переключателем "S1", после чего производится калибровка и прибор продолжает нормальную работу. Если необходимо измерить конденсаторы в корпусе SMD, то после подключения внешнего щупа следует произвести повторную калибровку с учетом емкостных характеристик этого щупа и его кабеля.
Детали и конструкция платы
Устройство выполнено на двухсторонней плате размером 10,25 x 6,5 мм. Слой платы со стороны монтажа деталей используется в качестве общего провода.
В устройстве применены следующие детали в корпусе SMD, которые запаиваются на плату со стороны проводников: все резисторы, конденсатор С10, а также перемычка между эмиттером VT1 и шиной питания +5 В (на чертеже платы обозначена как резистор со значением "000"). Электролитические конденсаторы малогабаритные от импортной аппаратуры. Микросхема DD2 - LM311N в корпусе DIP8. Авторы [1] рекомендуют использовать отечественный аналог К554СА3. Это дает возможность повысить верхний предел измерения. Под микроконтроллер DD3 в корпусе DIP18 устанавливается соответствующая панелька. Стабилизатор DD1 - любой малогабаритный с напряжением стабилизации +5 В. Если устройство будет питаться от собственной батареи, то желательно использовать стабилизаторы с малым собственным потребляемым током, типа LM2936-25 (Iпот. <1 мА) или КР1170ЕН5 (Iпот. ~1 мА). Транзистор VT1 любой 'pnp' структуры с большим коэффициентом усиления. Если прибор будет питаться от внешнего блока питания, то транзистор можно не устанавливать, а вместо него запаять перемычку: между эмиттером и коллектором. Реле К1 - герконовое от импортного телефона или любое другое малогабаритное с напряжением срабатывания не более 5 В. Защитный диод VD1 любой с Iпр. макс. не менее 100 мА (1N4001, 1N4004). Модуль DD4 - десятиразрядный индикатор с последовательным вводом и контроллером управления - типа НТ1613 или НТ1611. Индикатор крепится непосредственно к плате на стойках, как показано на чертеже платы. На элементы генератора устанавливается экран размером 3 x 3 x 0,8 см (ДxШxВ), изготовленный из жести (на чертеже обозначен штриховой линией). Готовая плата устройства помещается в корпус с внутренними размерами 10,3 х 6,7 х 1,2 см (ДхШхВ).
Программное обеспечение
Программа для данного устройства была написана практически полностью "с нуля". Коды для прошивки контроллера (биты конфигурации, EEPROM программы и EEPROM данных) находятся в файле "LC_Prog.hex" в формате INHX32.
Возможные неисправности
Здесь рассмотрены возможные трудности при первом запуске устройства, и советы по их устранению:
1) При включении ничего не работает:
Проверьте напряжение на входе и выходе стабилизатора DD1, возможно он неисправен. Если напряжение в норме, проверьте еще раз правильность подключения индикатора - возможно устройство работает, но индикатор не отображает информацию. Это можно определить следующим способом: при нажатии на клавишу "Calibration", должен прослушиваться щелчок срабатывания реле К1.
2) При включении индикатор отображает непонятную информацию:
Возможно, перепутаны местами выводы индикатора Clk и Data, или занижено его питание. Оно должно находиться в пределах 1,3 В-1,6 В. Если все в порядке, то следует уменьшить пропорционально сопротивление резисторов R9, R10.
3) При включении отображается таймер индикатора, и прибор не реагирует на нажатия клавиш:
Причина в контроллере. Проверьте правильность установки его в панельку. Также следует проверить с помощью программатора его работоспособность и зашитую в него программу. Контроллер нужно программировать полностью со всеми параметрами и данными, находящиеся в файле "LC_Prog.hex" (биты конфигурации, EEPROM программы и EEPROM данных). Если все в порядке, то, возможно, не функционирует кварцевый резонатор ZQ1.
4) При калибровке постоянно отображаются символы "PP":
Причина в генераторе. Символы "PP" означают, что частота на входе TMR, ниже 1 кГц. Если калибровка происходит в режиме измерения "Lx", то, возможно, вы забыли вставить в клеммы "Lx" перемычку (см. раздел по эксплуатации устройства). Иначе не функционирует LC-генератор. Проверьте напряжение на выводе 8 DD2. Если оно отсутствует, то не исправен транзистор VT1. Запаяйте вместо него перемычку между выводами коллектора и эмиттера. Если не помогло, то проверьте исправность электролитических конденсаторов С3 и С6, а также дросселя L1. Если ни чего не помогло, то, возможно, потребуется заменить компаратор DD2.
P.S. У индикаторов применяемых в данном устройстве угол обзора напрямую зависит от его напряжения. При увеличении напряжения угол обзора перемещается вверх, но наблюдать показания индикатора снизу становится невозможно. В авторском варианте используется заниженное напряжение индикатора (1,35 В), т.к. корпус прибора сконструирован для работы в горизонтальном (лежачем) положении и, обычно, смотреть на него приходиться снизу. Напряжение индикатора устанавливается делителем R8, R11.
1. http://www.picmicro.by.ru – LCF-метр. Ю. Чирков, В. Ларионов.
2. http://www.aade.com/lcm2binst/LC2Binst.htm – LC метр на контроллере PIC16C622.
Аникин Александр (RA4LCH), Аникин Дмитрий (RW4LED)
E-mail: ra4lch@mail.ru
г Ульяновск. Ноябрь 2003г.
