www.cqham.ru

\главная\р.л. конструкции\разное\...

Измеритель RLC USB.

 Все электронные детали содержат сопротивление, емкость или индуктивность или комбинацию их. Прибор, описанный в этой статье, обеспечивает измерение комбинации двух параметров одновременно.  

 

  Технические характеристики прибора

Прибор измеряет, следующие параметры и выводит одновременно на экран (рис. 14, 16):

- параллельную и последовательную индуктивность  Lp, Ls;

- параллельную и последовательную емкость                Сp, Cs;

- параллельное и последовательное сопротивление  Rp, Rs;

- тангенс угла потерь                    D(tg d);

- добротность                                   Q;

- импеданс                                         Z.

 

Измеряемый параметр

Частота измеряемого сигнала

100 Гц

1 кГц

10 кГц

R

0.001 Ом - 20 Мом

0.001 Ом - 20 Мом

0.001 Ом - 20 Мом

L

2 мкГн - 20 кГн

0.1 мкГн - 2 кГн

0.01 мкГн - 200 Гн

C

2 рФ - 22 000 мкФ

0.05 пФ - 2200 мкФ

0.002* пФ - 220 мкФ

     * при питании от ноутбука, не включенного в сеть.

 

Описание и работа .

В основу работы прибора положен метод вольтметра-амперметра т.е на измеряемом элементе измеряем напряжение и проходящий через него ток. Отношение комплексного напряжения и тока и есть измеряемое сопротивление. Структурная схема прибора приведена на рис . 1

 

 

Рис.1

Напряжение рабочей частоты от генератора подается на измеряемый объект, подключаемый к преобразователю Y ® UT, UH. Преобразователь формирует два напряжения, одно из которых (UT) пропорционально току, протекающему через измеряемый объект, другое (UH) – напряжению на нем. Отношение этих напряжений равно комплексному сопротивлению (Z) объекта. Измерение отношения напряжений проводится аппаратно-программным логометром.

Аппаратная часть логометра состоит из коммутатора, масштабного усилителя, фильтра низкой частоты, аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В программной части дискретная рабочая частота  дополнительно пропускается через цифровой фильтр (полосовой  КИХ - фильтр) и итогом работы программной части логометра является расчет отношений напряжений. Получаем комплексное сопротивление Z=R+i*X, где R- активное сопротивление, а X реактивное сопротивление. Последовательное сопротивление Rs=R. Если X<0 то  имеем последовательную емкость                                Cs= 1/(2*3.14*f*X). При X>0 имеем последовательную индуктивность Ls=X/(2*3.14*f ), где f - частота измерения. Добротность вычисляется  Q=X/R, а тангенс угла потерь D=1/Q.

Схема устройства приведена на рис.2

 

Подробнее

 

 В зависимости от выбранного режима  цифро-аналоговым преобразователем DA5 формируется синус с частотой 100 Гц, 1кГц, 10 кГц. Сигнал фильтруются фильтром низкой частоты DA4 и подается на усилитель тока DA3. Микроконтроллер сигналами управления R_A, R_B, подаваемыми на коммутатор DA1, подключает один из  с резисторов R4, R5, R6, R7 последовательно измеряемому элементу(Z),  выбирая ток в зависимости от номинала последнего.

Падение напряжения на Z через резисторы R8, R31, DA8, R42 подается на вход инструментального усилителя DA10. Ток через Z снимается в виде напряжения с образцовых резисторов R23+R32,R28,R29,R30 . Один из резисторов в зависимости от величины тока подключен через коммутатор  DA7 в обратную связь усилителя DA6.  Напряжение  через элементы R31, DA7, DA8, R42  подается также на вход  усилителя DA10. С него сигнал поступает на масштабный усилитель DA11.  В зависимости от уровня сигнала сигналами управления PGA0, PGA1 выставляется необходимый коэффициент усиления 1, 10, 100. На микросхеме DA9 собран активный фильтр низкой частоты(ФНЧ). Сигнал после масштабного усилителя и ФНЧ подается на АЦП DA12. Оцифрованные сигналы тока и напряжения через преобразователь интерфейса UART-USB (DD1) поступают на компьютер, где происходит дальнейшая фильтрация (цифровой КИХ фильтр) и обработка. Информация выводится на монитор компьютера.

Питание прибора производится от разъема miniUSB +5В. Напряжение +-7.2 В формируется импульсным преобразователем напряжения DA2. Предохранитель  F2 защищает компьютер от коротких замыканий в приборе. Элементы F1, R8, VD2, R25, VD5 защищают элементы прибора при подключении не разряженных конденсаторов. Через микросхемы DA2 , DD2 происходит  гальваническая  развязка сигналов и питания для уменьшения помех поступающих на входные разъемы устройства.

 

Плата и детали.

Детали смонтированы на печатной плате из двухстороннего фольгированного текстолита. Плата выполнена по технологии “лазерного принтера и утюга”. Вкратце о примененной технологии изготовления двухсторонних плат: вырезается плата с размерами 5x15 см.  Защищается мелкозернистой шкуркой. Обезжиривается. Переводится одна из сторон печатки на плату. На противоположных краях платы сверлятся два отверстия A (см. рис. 4) сверлом 0.4-0.5 мм. Эти же отверстия прокалываются на переводимой бумаге второй стороны.  Бумагу кладем на плату и 2 иголками через проколотые отверстия ловим просверленные отверстия на плате. Переводим вторую сторону печатки. Травим.  Не на сквозь сверлим переходные отверстия с одной стороны.  Досверливаем их с другой стороны( сначала под прямым углом потом можно при необходимости немного наклонить). При такой технологии удается компенсировать не совпадение осей отверстий и разрывов проводников при выходе сверла из платы. В переходные отверстия  монтируются отрезки луженого провода. Рисунки печатных плат в файле печатка.pdf. Их необходимо распечатать без масштаба, т. е 1:1.

В устройстве использованы в основном элементы для поверхностного монтажа: резисторы типоразмеров 0805; конденсаторы 0603, 0805,1210; оксидные конденсаторы – танталовые  для поверхностного монтажа. Конденсаторы C51, C65 типа К73-17 на 63В. Микроконтроллер ATmega88 заменим на ATmega168. Дифференциальный усилитель INA126 заменим на INA128, INA129, AD620 без переделки платы. В этом случае необходимо подобрать сумму резисторов R43 и R44 (при применении INA126 они не устанавливаются) для получения усиления 5. Усилители TL072, TL071 заменимы на TL082, TL081. Резисторы R30, R29, R28 ,сумма R23 и R32  имеют отклонение от номинала 0.1%. Отношение резисторов R49/R49 и R55/R56 должно быть в пределах 9.99…10.01, а R55/R56 и R59/R60 в пределах 9.9…10.1. Преобразователь AM1D-0507 заменим на AM2D-0507 или аналогичный с частотой преобразования выше 100 кГц и токами +-50 мА. Разъемы, соединяющие платы изготовлены из PLD-14 и PBD-14. Их необходимо разрезать и обработать края напильником для получения 3-х и 9-и контактных разъемов.  Предохранители  F1, F2 типа ESF.

Верхняя и нижняя крышка корпуса сделана из одностороннего текстолита. Боковая состоит из двух полосок железа (банка сгущенки) шириной 12 мм , соединенных винтами( рис.18).

 

Монтаж и настройка.

Прибор состоит из двух плат соединенных между собой через разъемы (рис.18, 19). Через них же производится программирование микроконтроллеров . Нумерация выводов для программирования ,соответствующая рис. 3, а также расположение элементов показано на рис. 4, 5.

 

                                                                              

                              Рис.3

 

image description

Рис.4

 

image description

Рис.5

 

Монтаж устройства производим в следующей последовательности:

1.      DD1 и обвязка. Прошиваем DD1 прошивкой AVR309_ATmega8.hex.

 

       

              Рис.6                                                                            Рис.7

 

Конфигурационные ячейки на рис .6 и 7. Подключаемся к порту USB. Компьютер должен увидеть подключенное устройство как  “AVR309:USB to UART protocol convertor”. Устанавливаем драйвера из папки Driver. Более подробная информация по установке  драйверов и устройству  AVR309  в файле http://www.gaw.ru/data/Atmel/avr/AVR309.zip .

2.      DA2 и обвязка. Убеждаемся в наличии питания +-7.2…9 В.

3.      Монтируем  оставшиеся элементы на маленькую плату.

4.      Соединяем платы. Монтируем  VT1, C13, C7, C9, C14, R9, C12, C8, VD7, R54, C64, C66, C52, C53, R40. Проверяем стабилизированное питание +5В, +2.5В.

5.      Монтируем дополнительные  фильтры питания R11, C20, C17, R12, C18, C21 и т.д. Убеждаемся в наличии питания на выводах питания аналоговых микросхем +-7.2…9 В.

6.      DD3, R22, ZQ2, C34, C35. Прошиваем DD3 прошивкой Uotladka.hex. Новый  ATmega88 можно прошить AVRprog V1.40, встроенным AVR Studio 4. Для этого в настройках выбираем ATmega8.

Конфигурационные ячейки на рис. 8 и 9.

 

              

 Рис.8                                                                                                                  рис.9

        

7.      DA5. Контролируем синус на выводе 1.

8.      DA3, DA4 и обвязка. Контролируем синус на выводе 6 DA3 с размахом 1.0 В. Подбираем резистором R21.

9.      DA1, R4, R5, R6, R7, F1, R1, R24, R8, VD2, R31, DA8, R42. Замыкаем временно P1 и P2, также P3 и P4 садим на землю. Контролируем синус на выводе 5 DA8 и 3 выв.DA10.

10.   DA10, DA11, DA9 и обвязка. Контролируем прохождение сигнала на выв. 6 DA10,  выв.1, 7 DA7, выв.1, 7 DA9. На выв. 7 DA9 должен быть неискаженный синус с амплитудой около 2.3 В относительно +2.5 В. Припаиваем DA12, R51, VD6, C65.

11.   Прошиваем DD3 прошивкой Jotladka.hex. P3 и P4 отсоединяем от земли. Замыкаем P1, P2, P3, P4 между собой. Монтируем DA7, DA6 и обвязка. Убеждаемся в прохождении сигнала на верхнем выводе C65. Напряжение на выводе 2 DA6 должно быть близко к нулю.

12.   Прошиваем DD3 рабочей прошивкой LCR_USB_V1.0.hex.

13.   Монтируем входные разъемы. Конструкция входных разъемов взята с http://www.pro-radio.ru/measure/6873/.  Внешний вид на рис. 10, 11, 12, 13. Пинцет сделан из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита. Разводка рисунка в файле Щупы.pdf. Вторая сторона - сплошной экран.

 

 

DSC04558.JPG

Рис.10

 

Рис.11

 

DSC04528.JPG   

Рис.12                                                                        рис.13

 

 

Работа с прибором.

Подключив  прибор,  запускаем программу LCR.exe. Запуститься окно на рис.14. В окошке частота измерения выбираем частоту сигнала, а в окошке правее -размах синуса, подаваемого на измеряемый элемент. На каждой частоте при разомкнутых контактах нажимаем на кнопку “с разомкнутыми щупами”. Замкнув входные выводы, также на каждой частоте нажимаем на туже кнопку. Данные о входном импедансе щупов сохранятся. Прибор готов к работе. В разделе настройки можно вручную менять режимы измерения, вкл. и выкл. цифровой КИХ фильтр(на рис.15 включен, а на рис.14 выключен), и изменять длину фильтра ”Бегущего среднего”. При измерении малых емкостей и индуктивностей можно выбрать отображение ”только емкость” или “только индуктивность”, чтобы контролировать уход “нуля” и в минус. При первом включении программа создаст файл bob1.DAT.  В нем  будут, сохраняются калибровочные данные прибора. При включении прибора на другом компьютере не забываем перенести данный файл в каталог с программой.

Корректировка.

 Для более точных показаний прибор можно дополнительно прокалибровать. В разделе настройки на каждой частоте и режиме возможна корректировка фазы сигнала напряжения относительно сигнала тока. До корректировки фазы необходимо включить режим ”сопротивление со знаком” и выключить КИХ фильтр. Для компенсации отклонений образцовых резисторов, частоты кварца возможна  корректировка значении L и C на “прямую”( рис.15). Расчетное значение емкости умножается (индуктивности делится) на данный коэффициент.

 

    

                           Рис.14                                                                                                                                                                                          Рис.15

 

                              Рис.16

 

Фото готового прибора.

Рис.17

 

Рис.18

 

Рис.19

 

 

Отдельная благодарность Павлу Боюкову за помощь в реализации проекта!!

 

Обсуждение прибора, программа LCR.exe в одной из веток форума http://forum.cqham.ru/viewforum.php?f=37

Коммерческое использование прибора запрещено!!!!

 

В.Никитин, п. Андра  ХМАО.

Возврат