Частотомер, измеритель ёмкости, индуктивности, ESR и генератор

Частотомер, измеритель ёмкости, индуктивности, ESR и генератор – FCLG-meter
Описываемый прибор позволяет измерять
частоты электрических колебаний, ёмкость и
индуктивность электронных компонентов с высокой
точностью, проверять кварцевые резонаторы,
оценивать ESR конденсаторов, а также работать как
генератор частот до 1 MHz. Плюс несколько других
функций.
Технические характеристики:
Питание:
Ток потребления в режиме, mA:
аккумулятор LIR2450 3,6V; 120mA
CL ………………..….. 2*
F1 ………………….… 4 - 10
F2 ……………………. 6 - 10
ESR …………………. 5 - 8
Пределы измерения, в режиме:
F1, МГц ………….….. 0 - 70**
F2, МГц ……….……...50 - 1400
С вход «Lx/Cx»…….0,1pF – 0,1µF
C>0,1 диапазон I … 0,1 – 1000µF ***
C>0,1 диапазон II… 0.1 – 10000µF ***
L ……………………... 0,001µH – 5H
Точность измерения, в режиме:
F1 ………………….… +-1Hz
F2 ………………….… +-64Hz
C ………………….….. 0,5 %
L ……………………… 2 - 10 %****
Период отображения в режиме, сек: F …………………….. 0,2; 1; 10
LC .………………….. 0,25
Чувствительность в режиме, mV:
F1 .……………….….. 20 - 50
F2 .……………………10 - 100
Диапазон перестройки генератора:
…………………….. 244Hz – 1MHz
Проверка кварцев в диапазоне:
……………………..3.2 – 34MHz
Габаритные размеры, см:
……………………..9*3*2,5
* – в режиме калибровки до 8mA на 2с.
** – верхний предел в зависимости от микроконтроллера до 80MHz.
*** – для конденсаторов на номинальное напряжение не менее 3,3V.
**** – 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 Om) и замкнутым магнитопроводом
без зазора погрешность существенно увеличивается.
Принцип работы
В режиме частотомера прибор работает по методу измерения PIC-микроконтроллером числа колебаний в
единицу времени с досчётом предварительного делителя.
При измерении индуктивностей и ёмкостей прибор работает по резонансному принципу. Измеряемый
элемент включается в колебательный контур с известными параметрами, входящий в состав измерительного
генератора. По изменению генерируемой частоты рассчитывается искомое значение. Для определения
собственных параметров контура к нему подключается известная дополнительная ёмкость, высчитываются
индуктивность контура и его ёмкость, включая конструктивную.
Данный метод имеет существенный недостаток, заключающийся в увеличении погрешности при
измерении больших (более 10mH) индуктивностей со значительной собственной ёмкостью. Показания прибора
в таком случае могут быть завышены в 2 - 10 раз. Для его устранения 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 измеряемая
индуктивность более 6 mH, т.е. в 100 раз больше катушки генератора – 60µH, то это влияние ничтожно и
показания прибора близки к истинным.
Схема
Измерительный генератор собран на компараторе LMV7235. Схема работает на начальной частоте около
650kHz, обеспечивая на выходе сигнал близкий к меандру. Напряжение в измерительном контуре LMV7235
зависит от сопротивления резистора обратной связи R12 и ограничено уровнем 0,5V. Это повышает
линейность измерений и в ряде случаев позволяет измерять номиналы элементов внутрисхемно, не опасаясь
открытия полупроводниковых переходов. Частотозадающими элементами генератора являются измерительная
катушка L1 и конденсатор C9, а также коммутируемый эталонный конденсатор C7. В зависимости от режима
работы L1 включается в измерительный генератор последовательно или параллельно. Эталонный конденсатор
коммутируется диодным ключем на D1, D2. В качестве D1, D2 желательно взять коммутационные диоды. С
выхода генератора сигнал поступает на 4 вывод DD2 - 74HC00, выполняющую роль коммутатора сигналов.
Входной усилитель режима F1 собран на VT1. R17 добавляет небольшой гистерезис по входу 9 элемента
DD2.3 устраняющий его самовозбуждение. R10 ставим подстроечный 100 Om, уменьшаем его сопротивление
пока на выводе 8 DD2 не появится логическая "1". Далее замеряем получившееся сопротивление R10,
отнимаем для надежности несколько единиц, запаиваем вместо него такое-же постоянное. От этой настройки
зависит чувствительность входа F1.
Высокочастотный делитель (прескалер) частотомера в режиме F2 включен по типовой схеме. Надо
заметить, что при отсутствии сигнала прескалеры имеют свойство самовозбуждения на высоких частотах, для
его устранения добавлен R7.
Узел измерения больших емкостей собран на VT5. Принцип работы основан на измерении времени
разряда измеряемого конденсатора определенным током. Сначала измеряемый конденсатор заряжается через
открытый транзистор VT5 и R32, затем транзистор закрывается, и конденсатор разряжается через R31, R32. С
момента закрытия VT5 ведется контроль напряжения на 4 выводе PIC16F628. При низком уровне напряжения
измерение прекращается, и результат выводится на экран. D5 служит для коммутации сигнала с генератора.
На МС34119 собран УНЧ, включается при удержании кнопки "-", позволяет:
– контролировать прохождение сигналов звуковой частоты в электрических цепях - на вход F1 подключить
контрольный щуп.
– искать скрытую проводку - при приближении щупа к фазному проводу будет слышен сетевой фон.
– проверять ПДУ - направить его на фотодиод, при работающем пульте будет слышно щелчки.
– проверять различные радиобрелки (от автосигнализаций и т.д.) – SW2 переключить в положение F2, VT1
при этом исполняет роль амплитудного детектора радиочастоты. При работе брелока будет слышно щелчки.
На компараторе LM339 собран узел, позволяющий оценивать примерное значение эквивалентного
последовательного сопротивления (ESR) конденсаторов. Помогает быстро найти высохшие электролиты в
электрических схемах. Трансформатор Tr1 намотан на ферритовом кольце 8*4*4 мм с магнитной
проницаемостью около 1000. Индуктивность первичной обмотки около 3mH, вторичная обмотка 4 (3-5) витка
провода (нужное количество витков определяем при подгонке диапазона, для этих же целей служат R20, R21).
Для внутрисхемной проверки конденсаторов удобно сделать щуп в виде двух иголок из пружинистой стали (для
возможности изменения расстояния между ними в пределах 3…20мм).
На элементах R16, C17, C20, D3, D4 собран источник напряжения -1,5V для вывода 3 индикатора.
Поскольку ток потребления по выводу 3 невелик, меандр для работы источника берется с выхода тактовой
частоты контроллера индикатора HD44780 (резистор номиналом 91k на плате индикатора). Номиналом R16
подстраиваем контрастность отображения.
На VT4 собран таймер автоотключения, время до отключения зависит от обратного тока утечки D7 и
составляет около получаса. Можно выключать вручную и раньше. Узел заряда представлен диодом D8 и
солнечной батареей типа SC-3722-9, которая на солнечном свете дает зарядный ток около 5mA. R34 служат
для установки правильности отображения заряда батареи.
Режим установки констант
Используется при настройке прибора. При нажатой кнопке "S" включаем питание, отпускаем "S" (ждем
прохождения бегущей строки - кнопки не нажимаем!) - входим в режим констант, переключателями SW1–SW3 и
кнопкой "Light, Zero" выбираем нужную константу. Кнопками "+" и "-" можно изменять значения констант.
1) X1 численно равна ёмкости конденсатора С7 в пикофарадах.
2) X2 равна 1.000 и может быть скорректирована позже при настройке измерителя индуктивности.
3) X3 численно равен коэффициенту деления прескалера - по умолчанию 64.
4) X4=0 для 16x2 английский.
X4=1 для 16x2 русский.
X4=2 для 8x2 с двухадресной индикацией.
X4=6 для 8x2.
5) Х5= на сколько процентов вносит изменения в уход частоты ёмкость С9 в режиме "Cx/Lx" - по
умолчанию 60; X5=0 и 100 не ставить. X5=50 не ставить при отрицательном TKE С9. В программе реализована
модель: температура окружающего воздуха изменяется плавно, TKE С9 и TK L1 линейны в измеряемом
температурном диапазоне, TK L1-положительный, других влияний (кроме температуры) на L1 и С9 - нет.
6) X6= частоте работы кварца в схеме (меняется с шагом 4 Гц) - по умолчанию 4000000.
7) X7=0 или 4 обычное отображение разряда батареи - только символ «!».
X7=1 или 5 ступенчатое отображение разряда батареи.
X7=2 или 6 X7=0 + первоначальный вход в режим частотомера при 1сек.
X7=3 или 7 X7=1 + первоначальный вход в режим частотомера при 1сек.
X7=0 - 3 TKE конденсатора С9 положительный.
X7=4 - 7 TKE конденсатора С9 отрицательный.
X7=9 до 5535 будет один из 8 вариантов.
8) X8=200 калибровочный коэффициент при измерении емкостей в режиме I и II.
Константы запоминаются в EEPROM при любом изменении положения кнопок. Выход нажатием на "S" или
выключением питания. Для дальнейшей настройки необходимо иметь конденсаторы и индуктивности с
известными значениями (желательна точность лучше 1%). В режиме измерения ёмкости меряем 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.
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 100µH (лучше несколько из этого диапазона и найти среднее значение).
Если имеется катушка с индуктивностью 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)
Режим калибровки и режим "Cx/Lx"
Нужный режим выбираем с помощью SW1. Для измерения емкостей и индуктивностей прибору
необходимо пройти калибровку. Для этого удерживаем кнопку " Light, Zero" 2с. до появления надписи
«Калибровка». Через 4 – 5с. появиться надпись «ОК» и прибор перейдет в режим измерения емкости. После
калибровки ждем ещё 2с., пока показания (емкость собственных выводов) обнулятся, и нажимаем на кнопку
"S" для сохранения данных о значениях L, С и ёмкости выводов контура в EEPROM (появится надпись «ОК»).
При включении, переключениях и показаниях на экране от 0.10(0.07)pF до 0.20(0.10)pF программа
пересчитывает значения контура, добиваясь показаний 0.00pF. Кнопка "Light, Zero" также включает и
ультраяркий LED, используемый в качестве фонарика. Лампочка L1 служит для ограничения тока через
светодиод на уровне около 30mA.
При калибровке в режиме "Lх", клемма "Lх" должна быть замкнута с массой. Вход в режим двойной
калибровки (для индуктивностей более 3mH) происходит при любом изменении положения SW2 "F1/F2", при
этом помимо индуктивности отображается и собственная ёмкость катушки, что может быть полезно. Выход из
данного режима происходит автоматически при извлечении катушки из зажимов.
Измерение больших ёмкостей - режимы I и II
Для измерения ёмкостей более 0,1 мкФ используем вход "С>0,1". В режиме "Сх" нажатием на "+" или "-"
выбираем диапазоны I (0,1 – 1000µF), II (1000 – 10000µF) или обычный LC - режим. В режимах I и II, если
превышен лимит времени для разряда конденсатора, после символа «I» или «II» появится символ «=».
Режим частотомера
F1/F2 - выбираем переключателем SW2. Кнопками "+" или "-" выбираем время счета 0.2с или 1с или 10с.
Для проверки кварцев вставляем его в соответствующий разъем, на дисплее отобразится его частота.
Режим генератора и измерения ESR
Нажимаем "S" в режиме частотомера (в режим генератора можно входить как при 0.2с так и 1с,10с).
Кнопками "+", "-", "S" выбираем нужную частоту. Частота F=4000000/(4*m*n), где n=1...256, m=1 или 4 или 16.
При переключении SW3 последняя частота запоминается в EEPROM микроконтроллера, генератор не
выключается. Выход из режима отжатием SW1 "L" или SW2 "C".
Для измерения ESR включаем генератор на частоте 125kHz. В зависимости от ESR измеряемого
конденсатора в большей или меньшей степени шунтируется вторичная обмотка трансформатора Τr1,
соответственно меняется ЭДС самоиндукции первичной обмотки, компаратор LM339 отображает это
количеством светящихся светодиодов. При ESR более 3.7 Om светодиоды потушены. Изменением частоты
генератора можно в некоторых пределах менять диапазон отображения значений ESR.
Некоторые виды отказов, такие как повышенные токи утечки и короткие замыкания, не обнаруживаются.
Кроме того, исправные конденсаторы различных номиналов и на разные напряжения имеют разные
допустимые значения ESR. Поэтому, чтобы избежать ошибок, при принятии окончательного решения
рекомендуется сравнить результаты измерений с данными, приведенными ниже. В таблице приведены
ориентировочные максимально допустимые значения ESR (Om) для электролитических конденсаторов в
зависимости от их номинала и допустимого напряжения. Реальные значения будут зависеть от производителя,
типа конденсаторов, их допустимого температурного диапазона.
С помощью SW1-SW3 возможен любой переход между перечисленными выше режимами. Калибровка
необходима, если прибор долгое время находился включенным, и параметры его генератора могли "уйти".
Cap
10 V
25 V
35 V
50 V
63 V
1 µF
2.1
2.4
4.5
4.5
8.5
9.5
8.5
8.7
3.6
2.2 µF
2.0
2.4
4.5
4.5
2.3
4.0
6.1
4.2
3.6
3.3 µF
2.0
2.3
4.7
4.5
2.2
3.1
4.6
1.6
3.5
4.7 µF
2.0
2.2
3.0
3.8
2.0
3.0
3.5
1.6
5.65
8.0
5.3
2.2
1.6
1.9
2.0
1.2
1.4
1.2
6.5
1.5
10 µF
16 V
100 V 160 V 250 V 350 V 450 V
22 µF
5.4
3.6
1.5
1.5
0.8
0.9
1.5
1.1
0.7
1.1
33 µF
4.6
2.0
1.2
1.2
0.6
0.8
1.2
1.0
0.5
1.1
47 µF
2.2
1.0
0.9
0.7
0.5
0.6
0.7
0.5
0.4
1.1
100 µF
1.2
0.7
0.3
0.3
0.3
0.4
0.15
0.3
0.2
220 µF
0.6
0.3
0.25
0.2
0.2
0.1
0.1
0.2
0.2
330 µF
0.24
0.2
0.25
0.1
0.2
0.1
0.1
0.1
0.2
470 µF
0.24
0.18
0.12
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.15
1000 µF
0.12
0.15
0.08
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
2200 µF
0.12
0.14
0.14
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
0.1