Алгоритм измерения емкости конденсаторов на авр. Цифровой измеритель емкости

Обнаружив в интернете статью Digital Capacitance Meter , я захотел собрать этот измеритель. Однако под рукой не оказалось микроконтроллера AT90S2313 и светодиодных индикаторов с общим анодом. Зато были ATMEGA16 в DIP-корпусе и четырехразрядный семисегментный жидкокристаллический индикатор. Выводов микроконтроллера как раз хватало на то, чтобы подключить его к ЖКИ напрямую. Таким образом, измеритель упростился всего до одной микросхемы (на самом деле, есть и вторая – стабилизатор напряжения), одного транзистора, диода, горстки резисторов-конденсаторов, трех разъемов и кнопки.Прибор получился компактный и удобный в использовании. Теперь у меня нет вопросов о том, как измерить емкость конденсатора. Особенно это важно для SMD-конденсаторов с емкостями в несколько пикофарад (и даже в доли пикофарада), которые я всегда проверяю перед тем, как в паять в какую-нибудь плату. Сейчас выпускается множество настольных и портативных измерителей, производители которых заявляют о нижнем пределе измерений емкости в 0.1 пФ и достаточной точности измерений таких малых емкостей. Однако во многих из них измерения проводятся на довольно низкой частоте (единицы килогерц). Спрашивается, можно ли получить приемлемую точность измерений в таких условиях (даже если параллельно измеряемому подключить конденсатор большей емкости)? Кроме того, в интернете можно найти довольно много клонов схемы RLC-метра на микроконтолллере и операционном усилителе (той самой, что с электромагнитным реле и с одно- или двухстрочным ЖКИ). Однако такими приборами малые емкости померить «по-человечески» не удается. В отличие от многих других, этот измеритель специально спроектирован для измерения малых значений емкости.

Что касается измерения малых индуктивностей (единицы наногенри), то я для этого с успехом использую анализатор RigExpert AA-230 , который выпускает наша компания.

Фотография измерителя емкости:

Параметры измерителя емкости

Диапазон измерения: от 1 пФ до примерно 470 мкФ.
Пределы измерения: автоматическое переключение пределов – 0…56 нФ (нижний предел) и 56 нФ … 470 мкФ (верхний предел).
Индикация: три значащие цифры (две цифры для емкостей меньших, чем 10 пФ).
Управление: единственная кнопка для установки «нуля» и калибровки.
Калибровка: однократная, при помощи двух образцовых конденсаторов, 100 пФ и 100 нФ.

Большая часть выводов микроконтроллера подключена к ЖКИ. К некоторым из них также подключен разъем для внутрисхемного программирования микроконтроллера (ByteBlaster). Четыре вывода задействованы в схеме измерения емкости, включая входы компаратора AIN0 и AIN1, выход управления пределами измерения (при помощи транзистора) и выход выбора порогового напряжения. К единственному оставшемуся выводу микроконтроллера подключена кнопка.

Стабилизатор напряжения +5 В собран по традиционной схеме.

Индикатор – семисегментный, на 4 знака, с прямым подключением сегментов (т.е. не-мультиплексный). К сожалению, на ЖКИ не было маркировки. Такую же цоколевку и размеры (51×23 мм) имеют индикаторы многих фирм, например, AND и Varitronix.

Схема приведена ниже (на схеме не показан диод для защиты от «переполюсовки», через него рекомендуется подключить разъем питания):

Программа микроконтроллера

Поскольку ATMEGA16 – из серии «MEGA», а не из серии «tiny», особого смысла писать ассемблерную программу нет смысла. На языке Си удается сделать ее гораздо быстрей и проще, а приличный объем flash-памяти микроконтроллера позволяет пользоваться встроенной библиотекой функций с плавающей точкой при расчете емкости.

Микроконтроллер проводит измерение емкости за два шага. В первую очередь, определяется время заряда конденсатора через резистор сопротивлением 3.3 МОм (нижний предел). Если необходимое напряжение не достигнуто в течение 0.15 секунд (что соответствует емкости около 56 пФ), заряд конденсатора повторяется через резистор 3.3 кОм (верхний предел измерения).

При этом микроконтроллер сперва разряжает конденсатор через резистор сопротивлением 100 Ом, а затем заряжает его до напряжения 0.17 В. Только после этого замеряется время заряда до напряжения 2.5 В (половина напряжения питания). После этого, цикл измерения повторяется.

При выводе результата на выводы ЖКИ подается напряжение переменной полярности (относительно его общего провода) с частотой около 78 Гц. Достаточно высокая частота полностью устраняет мерцание индикатора.

В электрических цепях применяются конденсаторы разного типа. В первую очередь они отличаются по емкости. Для того чтобы определить этот параметр, используются специальные измерители. Указанные устройства могут производиться с различными контактами. Современные модификации выделяются высокой точностью замеров. Для того чтобы сделать простой измеритель емкости конденсаторов своими руками, необходимо ознакомиться с основными составляющими прибора.

Как устроен измеритель?

Стандартная модификация включает в себя модуль с расширителем. Данные о выводятся на дисплей. Некоторые модификации функционируют на базе релейного транзистора. Он способен работать на разных частотах. Однако стоит отметить, что такая модификация не подходит для многих типов конденсаторов.

Устройства низкой точности

Сделать низкой точности измеритель ЭПС емкости конденсаторов своими руками можно при помощи переходного модуля. Однако в первую очередь используется расширитель. Контакты для него целесообразнее подбирать с двумя полупроводниками. При выходном напряжении 5 В ток должен составлять не более 2 А. Для защиты измерителя от сбоев применяются фильтры. Настройку осуществлять следует при частоте 50 Гц. Тестер в данном случае должен показывать сопротивление не выше 50 Ом. У некоторых возникают проблемы с проводимостью катода. В данном случае следует заменить модуль.

Описание моделей высокой точности

Делая измеритель емкости конденсаторов своими руками, расчет точности следует производить исходя из линейного расширителя. Показатель перегрузки модификации зависит от проводимости модуля. Многие эксперты советуют для модели подбирать дипольный транзистор. В первую очередь он способен работать без тепловых потерь. Также стоит отметить, что представленные элементы редко перегреваются. Контактор для измерителя можно использовать низкой проводимости.

Чтобы сделать простой точный измеритель емкости конденсаторов своими руками, стоит позаботиться о тиристоре. Указанный элемент должен работать при напряжении не менее 5 В. При проводимости 30 мк перегруженность у таких устройств, как правило, не превышает 3 А. Фильтры используются разного типа. Устанавливать их следует за транзистором. Также стоит отметить, что дисплей можно подключать только через проводниковые порты. Для зарядки измерителя подойдут батареи на 3 Вт.

Как сделать модель серии AVR?

Сделать измеритель емкости конденсаторов своими руками AVR можно только на базе переменного транзистора. В первую очередь для модификации подбирается контактор. Для настройки модели стоит сразу замерить выходное напряжение. Отрицательное сопротивление у измерителей не должно превышать 45 Ом. При проводимости 40 мк перегрузка в устройствах составляет 4 А. Чтобы обеспечить максимальную точность измерений, используются компараторы.

Некоторые эксперты рекомендуют подбирать только открытые фильтры. Они не боятся импульсных помех даже при большой загруженности. Полюсные стабилизаторы в последнее время пользуются большим спросом. Для модификации не подходят только сеточные компараторы. Перед включением устройства делается замер сопротивления. У качественных моделей данный параметр составляет примерно 40 Ом. Однако в данном случае многое зависит от частотности модификации.

Настройка и сборка модели на базе PIC16F628A

Сделать измеритель емкости конденсаторов своими руками на PIC16F628A довольно проблематично. В первую очередь для сборки подбирается открытый трансивер. Модуль разрешается использовать регулируемого типа. Некоторые эксперты не советуют устанавливать фильтры высокой проводимости. Перед пайкой модуля проверяется выходное напряжение.

При повышенном сопротивлении рекомендуется заменить транзистор. С целью преодоления импульсных помех применяются компараторы. Также можно использовать проводниковые стабилизаторы. Дисплеи часто применяются текстового типа. Устанавливать их стоит через канальные порты. Настройка модификации происходит при помощи тестера. При завышенных параметрах емкости конденсаторов стоит заменить транзисторы с малой проводимостью.

Модель для электролитических конденсаторов

При необходимости можно сделать измеритель емкости электролитических конденсаторов своими руками. Магазинные модели этого типа выделяются низкой проводимостью. Многие модификации производятся на контакторных модулях и работают при напряжении не более 40 В. Система защиты у них используется класса РК.

Также стоит отметить, что измерители данного типа отличаются пониженной частотностью. Фильтры у них применяются только переходного типа, они способны эффективно справляться с импульсными помехами, а также гармоническими колебаниями. Если говорить про недостатки модификаций, то важно отметить, что у них малая пропускная способность. Они показывают плохие результаты в условиях повышенной влажности. Также эксперты указывают на несовместимость с проводными контакторами. Устройства нельзя применять в цепи переменного тока.

Модификации для полевых конденсаторов

Устройства для полевых конденсаторов выделяются пониженной чувствительностью. Многие модели способны работать от прямолинейных контакторов. Устройства чаще всего используются переходного типа. Для того чтобы сделать модификацию своими руками, надо применять регулируемый транзистор. Фильтры устанавливаются в последовательном порядке. Для проверки измерителя применяются сначала конденсаторы малой емкости. При этом тестером фиксируется отрицательное сопротивление. При отклонении свыше 15 % необходимо проверить работоспособность транзистора. Выходное напряжение на нем не должно превышать 15 В.

Устройства на 2 В

На 2 В измеритель емкости конденсаторов своими руками делается довольно просто. В первую очередь эксперты рекомендуют заготовить открытый транзистор с низкой проводимостью. Также важно подобрать для него хороший модулятор. Компараторы, как правило, используются низкой чувствительности. Система защиты у многих моделей применяется серии КР на фильтрах сеточного типа. Для преодоления импульсных колебаний используются волновые стабилизаторы. Также стоит отметить, что сборка модификации предполагает применение расширителя на три контакта. Для настройки модели следует использовать контактный тестер, а показатель сопротивление не должен быть ниже 50 Ом.

Модификации на 3 В

Складывая измеритель емкости конденсаторов своими руками, можно использовать переходник с расширителем. Транзистор целесообразнее подбирать линейного типа. В среднем проводимость у измерителя должна равняться 4 мк. Также перед установкой фильтров важно зафиксировать контактор. Многие модификации также включают в себя трансиверы. Однако данные элементы не способны работать с полевыми конденсаторами. Предельный параметр емкости у них равняется 4 пФ. Система защиты у моделей применяется класса РК.

Модели на 4 В

Собирать измеритель емкости конденсаторов своими руками разрешается только на линейных транзисторах. Также для модели потребуется качественный расширитель и переходник. Если верить экспертам, то фильтры целесообразнее применять переходного типа. Если рассматривать рыночные модификации, то у них может использоваться два расширителя. Работают модели при частоте не более 45 Гц. При этом чувствительность у них часто меняется.

Если собирать простой измеритель, то контактор можно использовать без триода. У него малая проводимость, однако он способен работать при большой загруженности. Также стоит отметить, что модификация должна включать в себя несколько полюсных фильтров, которые будут уделять внимание гармоническим колебаниям.

Модификации с однопереходным расширителем

Сделать измеритель емкости конденсаторов своими руками на базе однопереходного расширителя довольно просто. В первую очередь рекомендуется подобрать для модификации модуль с низкой проводимостью. Параметр чувствительности при этом должен составлять не более 4 мВ. У некоторых моделей имеется серьезная проблема с проводимостью. Транзисторы применяются, как правило, волнового типа. При использовании сеточных фильтров быстро нагревается тиристор.

Чтобы избежать подобных проблем, рекомендуется устанавливать сразу два фильтра на сеточных переходниках. В конце работы останется только припаять компаратор. Для повышения работоспособности модификации устанавливаются канальные стабилизаторы. Также стоит отметить, что существуют устройства на переменных контакторах. Они способны работать при частоте не более 50 Гц.

Модели на базе двухпереходных расширителей: сборка и настройка

Сложить на двухпереходных расширителях цифровой измеритель емкости конденсаторов своими руками довольно просто. Однако для нормальной работы модификаций подходят только регулируемые транзисторы. Также стоит отметить, что при сборке нужно подбирать импульсные компараторы.

Дисплей для устройства подойдет строчного типа. При этом порт разрешается использовать на три канала. Для решения проблем с искажением в цепи применяются фильтры низкой чувствительности. Также стоит отметить, что модификации нужно собирать на диодных стабилизаторах. Настройка модели осуществляется при отрицательном сопротивлении 55 Ом.

С помощью данного измерителя ёмкости можно легко измерить любую ёмкость от единиц пФ до сотен мкФ. Существует несколько методов измерения емкости. В данном проекте используется интеграционный метод.

Главное преимущество использования этого метода в том, что измерение основано на измерении времени, что может быть выполнено на МК довольно точно. Этот метод очень подходит для самодельного измерителя ёмкости, к тому же он легко реализуем на микроконтроллере.

Принцип работы измерителя ёмкости

Величины выражены в СИ единицах, t секунды, R омы, C фарады. Время за которое напряжение на конденсаторе достигнет значения V C1 , приближенно выражается следующей формулой:

Из этой формулы следует, что время t1 пропорционально емкости конденсатора. Следовательно, ёмкость может быть вычислена из времени зарядки конденсатора.

Схема

Формула 2 выражает время зарядки конденсатора от 0 вольт. Однако с напряжением близким к нулю сложно работать из-за следующих причин:

• Напряжение не падает до 0 Вольт. Для полной разрядки конденсатора необходимо время. Это приведет к увеличению времен иизмерения.
• Необходимо время между стартом зарядки и запуском таймера. Это вызовет погрешность измерения. Для AVRэто не критично т.к. на это необходим всего один такт.
• Утечка тока на аналоговом входе. Согласно даташиту AVR, утечка тока возрастает при напряжении на входе близком к нулю вольт.

Для предотвращения данных сложностей использовано два пороговых напряжения VC 1 (0.17 Vcc) и VC 2 (0.5 Vcc). Поверхность печатной платы должна быть чистой для минимизации токов утечки. Необходимое напряжение питания микроконтроллера обеспечивается DC-DCпреобразователем,работающего от 1.5VAA батарейки. Вместо DC-DC преобразователя, желательно использовать 9 V батарейку и преобразователь 78 L 05, желательно также не выключать BOD , иначе могут возникнуть проблемы с EEPROM .

Калибровка

Для калибровки нижнего диапазона: С помощью кнопки SW1. Затем, соедините pin #1 и pin #3 на разъёме P1, вставьте конденсатор 1nF и нажмите SW1.

Для калибровки верхнего диапазона: Замкните pin #4 и #6 разъёма P1, вставьте конденсатор на 100nFи нажмите SW1.

Надпись "E4" при включении означает, что калибровочное значение в EEPROM не найдено.

Использование

Автоматическое определениедиапазона

Зарядка начинается через резистор 3.3М. Если напряжение на конденсаторе не достигнет 0.5 Vccменее чем за 130 mS (>57nF), происходит разрядка конденсатора и новая зарядка, но уже через резистор 3.3кОм. Если напряжение на конденсаторе не достигает 0.5 Vccза 1 секунду (>440µF),надпись "E2". Когда время замерено, происходит вычисление и отображение ёмкости. Последний сегмент отображает диапазон измерения (pF, nF, µF).

Зажим

В качестве зажима можно использовать часть какого-нибудь сокета. При измерении малых ёмкостей (единицы пикофарад) использование длинных проводов нежелательно.

На микроконтроллере, но после некоторых обсуждений с коллегами-радиолюбителями и серии экспериментов, пришли в голову мысли о его дальнейшем улучшении. Новый прибор отличается повышенной точностью и более широким диапазоном. В его основе - контроллер PIC16F90.

Схема измерителя ёмкости и индуктивности

Характеристики LCR метра

Конденсаторы :

• от 1pF до 1nF - разрешение: 0,1 ПФ, точность: 1%
• от 1nF до 100nF - разрешение: 1pF, точность: 1%
• от 100nF до 1uF - разрешение 1nF, погрешность: 2.5%

Электролиты :

• от 100 НФ до 100 000uF - разрешение 1nF, точность: 5%

Индуктивность :

• от 10nH к 20H - разрешение 10nH, точность: 5%

Сопротивление :

• от 1 мОм до 0,5 Ом - разрешение 1 мОм, точность: 5%

Тут нужно поправиться - устройство работает скорее как миллиомметр. Резисторы больше одного Ома оно почти не меряет. Печатная плата для прибора разработана таким образом, что можно подключить ЖК-дисплей на верхней части. Для регулировки контрастности дисплея служит подстроечный резистор R10.

Все резисторы металлоплёночные, 1%. Два 1nF конденсатора тоже с отклонением 1%. Ёмкость CX1 - 33nF, также критична - это должен быть полипропилен с высоким рабочим напряжением конденсатора (несколько сот вольт). Дроссель должен быть с низким Rdc. Есть в измерителе разъем для отдельного сетевого адаптера, который обходит кнопку выключения.

Если устройство работает с внешним адаптером питания, вы можете увеличить яркость подсветки экрана за счет уменьшения значения сопротивления резистора R11. Изучите документацию на дисплей, чтобы выбрать правильное значение сопротивления резистора.

Имейте в виду, что электролитические конденсаторы должны быть разряжены до измерения, иначе есть опасность сжечь контроллер. Все файлы для сборки схемы (несколько вариантов прошивок, печатные платы) - находятся в архиве. .

Этот измеритель емкости может измерять емкость конденсаторов с разрешением 1 пФ в нижнем конце диамазона. Максимальная измеряемая емкость - 10000 мкФ. Реальная точность не известна, но линейная ошибка лежит в пределах максимум 0.5 % , и обычно меньше 0.1% (получено измерением параллельно подключенных нескольких конденсаторов). Наибольшие затруднения возникают при измерении электролитических конденсаторов большой емкости.

Измеритель емкости работает в режиме автоматического выбора пределов измерения, либо в нижнем или верхнемдиапазоне емкостей принудительно. Прибор имеет два различных предела измерения, реализуя два измерения для одного и того же конденсатора. Это дает возможность проверить правдивость измерения и узнать, действительно ли измеряемая деталь является конденсатором. При этом методе электролиты проявляют свою характерную нелинейность, давая разные значения при разных пределах измерения.

Измеритель емкости имеет систему меню, которая в том числе позволяет откалибровать нулевое значение и емкость в 1 мкФ. Калибровка сохраняется в EEPROM.

Для проекта был выбран один из самых маленьких чипов - Атмега8. Схема питается от 9-вольтовой батарейки через линейный регулятор 7805.

Прибор может работать в трех режимах: измерение в нижнем диапазоне, в верхнем диапазоне, и в режиме разрядки. Эти режимы определяются состоянием выводов PD5 и PD6 контроллера. Во время разрядки PD6 имеет лог. 0 и кондерсатор разряжается через резистор R7 (220 Ом). В верхнем диапазоне измерений PD5 имеет лог. 1, заряжая конденсатор через R8 (1.8K) и PD6 находится в Z-состоянии чтобы позволить аналоговому компаратору сравнивать напряжение. В нижнем диапазоне измерений PD5 также находится в Z-состоянии, и конденсатор заряжается только через R6 (1.8MОм).

В качестве индикатора может использоваться любой дисплей на контроллере HD44780 размером 16x2 символов. Разводка коннектора дисплея показана на этом рисунке:

Устройство собрано на макетной плате и размещено в простом прямоугольном пластиковом корпусе. В крышке корпуса вырезаны отверстия под индикатор, кнопку и светодиод, которые закреплены термоклеем:

Программа измерителя емкости

В устройстве можно использовать контроллера atmega8 и atmega48/88/168 семейства. При замене контроллера в программе нужно изменить строку, отвечающую за конфигурацию таймера конкретного контроллера.