LC-Meter – Präfix zum Multimeter. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik

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Dieser Artikel setzt das Thema der Erweiterung der Fähigkeiten der beliebten Multimeter der 83x-Serie fort. Der geringe Stromverbrauch der Set-Top-Box ermöglicht die Stromversorgung über den internen ADC-Stabilisator des Multimeters. Mit diesem Aufsatz können Sie die Induktivität von Spulen und Drosseln sowie die Kapazität von Kondensatoren messen, ohne diese von der Platine zu entfernen.

Die Konstruktionen von Messaufsätzen für Multimeter unterscheiden sich neben den unterschiedlichen Schaltungskonstruktionen und Methoden zur Messung des einen oder anderen Parameters auch in ihrer Fähigkeit, mit oder ohne eigene Stromquelle zu arbeiten, indem der ADC-Spannungsstabilisator des Multimeters verwendet wird. Nach Meinung des Autors sind Set-Top-Boxen, die mit dem ADC-Stabilisator des Multimeters betrieben werden, bequemer zu verwenden, insbesondere „außerhalb des Hauses“. Bei Bedarf können sie über eine externe 3-V-Quelle mit Strom versorgt werden, beispielsweise über zwei galvanische Zellen. Natürlich stellt sich die Frage nach dem Stromverbrauch einer solchen Set-Top-Box, der mehrere Milliampere nicht überschreiten sollte, aber der Einsatz moderner Komponenten in Kombination mit einer optimalen Schaltung löst dieses Problem. Die Frage des Stromverbrauchs war und bleibt jedoch immer relevant, insbesondere bei Messgeräten mit autonomer Stromversorgung, bei denen die Betriebsdauer aus einer autonomen Quelle häufig die Wahl des Geräts bestimmt.

Bei der Entwicklung des LC-Meters wurde das Hauptaugenmerk nicht nur auf die Minimierung des Stromverbrauchs gelegt, sondern auch auf die Möglichkeit, die Induktivität von Spulen und Drosseln sowie die Kapazität von Kondensatoren zu messen, ohne diese von der Platine abzulöten. Diese Möglichkeit sollte bei der Entwicklung solcher Messgeräte stets berücksichtigt werden. Es gibt viele Beispiele, bei denen Funkamateure bei ihren Entwürfen leider nicht darauf achten. Wenn Sie beispielsweise die Kapazität eines Kondensators messen, indem Sie ihn mit einem stabilen Strom laden, ist eine zuverlässige Bestimmung oft nicht möglich, selbst wenn die Spannung am Kondensator mehr als 0,3...0,4 V beträgt, ohne ihn von der Platine abzulöten die Kapazität.

Das Funktionsprinzip eines LC-Messgeräts ist nicht neu [1, 2], es basiert auf der Berechnung des Quadrats der gemessenen Periode natürlicher Schwingungen in einem LC-Resonanzkreis, der durch die Beziehungen mit den Parametern seiner Elemente in Beziehung steht

T = 2π √LC oder LC = (T/2π)².

Aus dieser Formel folgt, dass die gemessene Induktivität bei konstanter Kapazität im Stromkreis linear mit dem Quadrat der Schwingungsperiode zusammenhängt. Offensichtlich bezieht sich die gleiche lineare Abhängigkeit auf die gemessene Kapazität bei konstanter Induktivität, und um die Induktivität oder Kapazität zu messen, reicht es aus, die Schwingungsperiode in einen geeigneten Wert umzuwandeln. Aus der obigen Formel wird deutlich, dass bei einer konstanten Kapazität von 25330 pF bzw. einer Induktivität von 25,33 mH für Multimeter der 83x-Serie die minimale Messauflösung 0,1 µH und 0,1 pF in den Intervallen 0...200 µH und 0 beträgt ...200 pF entsprechend, und die Schwingfrequenz beträgt bei einer gemessenen Induktivität von 1 μH 1 MHz.

Der Aufsatz enthält einen Messgenerator, dessen Frequenz durch den LC-Kreis und je nach Art der Messung durch die an die Eingangsbuchsen der Spule angeschlossene Induktivität oder die Kapazität des Kondensators bestimmt wird, eine Generatorausgangsspannungsstabilisierungseinheit , ein Impulsformer, Frequenzteiler zur Erweiterung der Messintervalle und ein Impulswiederholungsperiodenwandler in eine zu seinem Quadrat proportionale Spannung, die von einem Multimeter gemessen wird.

Wichtigste technische Merkmale

• Induktivitätsmessgrenzen......200 µH; 2 mH; 20 mH; 200 mH; 2 Gn; 20 Gn
• Kapazitätsmessgrenzen ...... 200 pF; 2 nF; 20 nF; 0,2 µF; 2 µF; 20 µF
• Messfehler in den ersten vier Grenzen ab 0,1 Grenzwert und darüber, nicht mehr, % ......3
• Messfehler innerhalb von 2 μF und 2 H, nicht mehr, % ......10
• Messfehler innerhalb von 20 μF und 20 H, nicht mehr, % ......20
• Maximale Stromaufnahme, nicht mehr als mA ....... 3

Der Fehler bei der Messung der Induktivität im Bereich von 2 und 20 H hängt von der Eigenkapazität der Spule, ihrem aktiven Widerstand, der Restmagnetisierung des Magnetkreises ab, und die Kapazität im Bereich von 2 und 20 μF hängt vom aktiven Widerstand der Spule ab Spule im LC-Kreis und dem ESR des zu messenden Kondensators.

Das Befestigungsdiagramm ist in Abb. dargestellt. 1. Messen Sie in der Position „Lx“ des Schalters SA1 die Induktivität der an die Buchsen XS1, XS2 angeschlossenen Spule, parallel zu der der Kondensator C1 geschaltet ist, und in der Position „Cx“ die Kapazität des Kondensators parallel zu welcher Induktor L1 angeschlossen ist. Mit den Transistoren VT1, VT2 wird ein messender Sinusspannungsgenerator aufgebaut, dessen Frequenz, wie oben erwähnt, durch die Elemente des LC-Kreises bestimmt wird. Dies ist ein Verstärker mit positiver Rückkopplung (POS).

Die erste Stufe des Verstärkers ist nach einer Schaltung mit gemeinsamem Kollektor (Emitterfolger) aufgebaut, sie hat einen großen Eingangswiderstand und einen niedrigen Ausgang, und die zweite – nach einer Schaltung mit gemeinsamer Basis (CB) – hat einen niedrigen Eingang und großer Ausgangswiderstand. Somit wird eine gute Koordination erreicht, wenn der Ausgang des zweiten mit dem Eingang des ersten geschlossen wird. Da beide Stufen nicht invertierend sind, deckt diese Verbindung den Verstärker eines XNUMX % PIC ab, der in Kombination mit der hohen Eingangsimpedanz des Emitterfolgers und der Ausgangsstufe mit OB dafür sorgt, dass der Generator mit der Resonanzfrequenz des arbeitet LC-Schaltung über einen weiten Frequenzbereich.

Reis. 1 (zum Vergrößern anklicken)

Betrachten wir den Betrieb eines LC-Meters mit einer Induktivität oder einem Kondensator, der an die Buchsen XS1, XS2 „Lx, Cx“ angeschlossen ist. Die Spannung vom Generatorausgang wird einem Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz zugeführt, der auf einem VT3-Transistor aufgebaut ist und ihn um das Fünffache verstärkt, was für den normalen Betrieb der Generatorausgangsspannungsstabilisierungseinheit erforderlich ist. Die Stabilisierungseinheit besteht aus den Dioden VD1, VD2, den Kondensatoren C3, C5 und dem Transistor VT4. Es hält die Ausgangsspannung des Generators auf einem konstanten Niveau von etwa 100 mV rms, bei dem Messungen ohne Entlöten von Elementen von der Platine durchgeführt werden können, und erhöht außerdem die Stabilität der Generatorschwingungen auf diesem Niveau.

Die Ausgangsspannung des Verstärkers, gleichgerichtet durch die Dioden VD1, VD2 und geglättet durch den Kondensator C5, wird der Basis des Transistors VT4 zugeführt. Wenn die Spannungsamplitude am Generatorausgang weniger als 150 mV beträgt, wird dieser Transistor durch den durch den Widerstand R7 fließenden Basisstrom geöffnet und die volle Versorgungsspannung von +3 V wird dem Generator zugeführt (diese Spannung muss an den Generator angelegt werden). für den zuverlässigen Anlauf sowie bei der Induktivitätsmessung 1...3 µH). Wenn während der Messung die Spannungsamplitude des Generators mehr als 150 mV beträgt, erscheint am Ausgang des Gleichrichters eine Spannung mit der Polarität, die den VT4-Transistor schließt. Sein Kollektorstrom nimmt ab, was zu einer Verringerung der Versorgungsspannung des Generators und einer Wiederherstellung der Amplitude seiner Ausgangsspannung auf einen bestimmten Wert führt. Andernfalls erfolgt der umgekehrte Vorgang.

Die Ausgangsspannung des Verstärkers am Transistor VT3 wird über die Schaltung C4, C6, R8 einem auf den Transistoren VT5 und VT6 aufgebauten Impulsformer unter Verwendung einer Schmitt-Triggerschaltung mit Emitterkopplung zugeführt. An seinem Ausgang entstehen Rechteckimpulse mit der Frequenz des Generators, einer kurzen Abklingzeit (ca. 50 ns) und einem Hub gleich der Versorgungsspannung. Diese Abfallzeit ist für den normalen Betrieb der Dezimalzähler DD1-DD3 erforderlich. Der Widerstand R8 sorgt für einen stabilen Betrieb des Schmitt-Triggers bei niedrigen Frequenzen. Jeder der Zähler DD1 - DD3 teilt die Signalfrequenz durch 10. Die Ausgangssignale der Zähler werden an den Messgrenzschalter SA2 gesendet.

Vom beweglichen Kontakt des Schalters, je nach gewählter Messgrenze „x1“, „x10“²“, „x10⁴" Rechteckimpulssignale U_и (Abb. 2, a) werden einem Periodenspannungswandler zugeführt, der auf dem Operationsverstärker DA1.1, den Feldeffekttransistoren VT7-VT9 und dem Kondensator C8 aufgebaut ist. Mit Eintreffen des nächsten Signalimpulses mit einer Dauer von 0,5 T schließt der Transistor VT7 für diese Zeit. Die Spannung vom Widerstandsteiler R13R14 (ca. 2,5 V) wird dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers DA 1.1 zugeführt. Mit diesem Operationsverstärker und dem Transistor VT9 wird eine stabile Stromquelle (IT) aufgebaut. Der IT-Strom von 140 μA wird durch Parallelschaltung der Widerstände R16 und R17 bei geschlossenen Kontakten des Schalters SA3 (Position „x1“) und zehnmal weniger – 14 μA – durch Widerstand R16 bei offenen Kontakten (Position „x10“) eingestellt.

Fig. 2

Beim Eintreffen eines Impulses mit einer Dauer von 0,5 T öffnet der Transistor VT8 über die Differenzierschaltung C7R15 für 5...7 μs und entlädt während dieser Zeit den Kondensator C8. Danach schließt er und beginnt, den Kondensator C8 stabil aufzuladen Strom aus IT (Abb. 2, b). Am Ende des Impulses öffnet der Transistor VT7, schließt den Widerstand R13 und der IT-Strom wird Null. Während des nächsten 0,5T-Intervalls bleibt die Spannung U1 am Kondensator C8 unverändert und gleich

U₁ = U._С8 = Ich_IT1xT/(2xC8) = K₁xT,

wo K₁ = Ich_IT1/(2xC8) – konstanter Koeffizient.

Aus diesem Ausdruck folgt, dass die Spannung am geladenen Kondensator C8 proportional zur Periode T der eingehenden Impulse ist. In diesem Fall entspricht eine Spannung von 2 V dem Maximalwert des gemessenen Parameters an jeder Messgrenze. Der Eingang eines Pufferverstärkers am Operationsverstärker DA1.2 mit einer Verstärkung von eins ist mit dem Kondensator verbunden, dessen Eingangsstrom vernachlässigbar ist (mehrere Pikoampere) und die Entladung (und Aufladung) des Kondensators C8 nicht beeinflusst.

Vom Ausgang des Pufferverstärkers geht es zum nächsten Wandler – „Spannung-Strom“ zum Operationsverstärker DA2.1. Mit diesem Operationsverstärker und den Widerständen R18–R21 wird ein weiterer IT (IT2) zusammengebaut. Der Strom dieses IT wird durch die Eingangsspannung bestimmt, die im Diagramm am linken Anschluss des Widerstands R18 anliegt, und durch seinen Widerstandswert. Das Vorzeichen hängt davon ab, welcher der Widerstände (in unserem Fall R18 oder R20) eingeschaltet ist Eingang. Es wird auf den Kondensator C9 geladen. Während der Einwirkung eines Eingangsimpulses mit einer Dauer von 0,5 T ist der Transistor VT10 geöffnet und die Spannung U₂ am Kondensator C9 ist gleich Null (Abb. 2,c). Am Ende des Impulses schließt der Transistor und der Kondensator beginnt mit dem Laden mit Gleichstrom aus der Spannung, die dem Widerstand R18 vom Pufferverstärker zum Operationsverstärker DA1.2 zugeführt wird. Wie aus dem Diagramm (Abb. 2, c) ersichtlich ist, steigt die Spannung am Kondensator linear in Form einer Säge an, bis nach einer Zeit von 0,5 T der nächste Impuls erscheint. Wenn es erscheint, wird die Spannung am Kondensator den Wert erreichen

U_2max = U._C9max = Ich_IT2xT/(2xC9) = U_C8xT/(2xR18xC9) = K₂xU_C8xT = K₁хК₂хТ²,

wo K₁, K.₂ - konstante Koeffizienten; Zu₂ = 1/(2xR18xC9).

Aus diesem Ausdruck folgt, dass die Spannungsamplitude am Kondensator C9 proportional zum Quadrat der Periode der eingehenden Impulse ist, d. h. sie hängt linear von der gemessenen Induktivität oder Kapazität ab. Diese Transformation „zum Quadrat der Periode“ ist auch ohne den obigen Ausdruck logisch verständlich, da die Spannung am Kondensator C9 gleichzeitig linear von der Periode und von der Spannung am IT-Eingang abhängt, die ebenfalls linear von der Periode abhängt. In diesem Fall entspricht eine Spannung U2max von 2 V dem Maximalwert des gemessenen Parameters an jeder Messgrenze.

Der Eingang des Pufferverstärkers zum Operationsverstärker DA9 ist mit dem Kondensator C2.2 verbunden. Von seinem Ausgang wird eine Sägezahnspannung, die durch den Teiler R22R23 auf das erforderliche Niveau reduziert wird, dem „VΩmA“-Eingang des Multimeters (Anschluss XP2) zugeführt. Die eingebaute integrierende RC-Schaltung des Multimeters, verbunden mit dem ADC-Eingang (Zeitkonstante 0,1 s), und die externe Schaltung - R22C12 - glätten die Sägezahnimpulse auf einen Durchschnittswert über die Periode, der einem Viertel entspricht Amplitude. Bei einer Amplitude der „Säge“ am XP2-Anschluss „VΩmA“ von 0,8 V beträgt die Spannung am Eingang des ADC des Multimeters also 200 mV, was der Obergrenze der Gleichspannungsmessung bei der Grenze von 200 mV entspricht .

Die Konsole ist beidseitig auf einem Brett aus Glasfaserfolie montiert. Die Leiterplattenzeichnung ist in Abb. dargestellt. 3, und die Position der Elemente darauf ist in Abb. 4.

Fig. 3

Fig. 4

Fotos der Leiterplatte sind in Abb. dargestellt. 5, 6. Pin XP1 „NPNC“ – passend vom Stecker. Die Pins XP2 „VΩmA“ und XP3 „COM“ stammen von defekten Multimeter-Messleitungen. Eingangsbuchsen XS1, XS2 - Schraubklemmenblock 350-02-021-12 Serie 350 von DINKLE. Schiebeschalter: SA1 - SS12D07; SA2, SA3 – MSS-, MS-, IS-Serie, zum Beispiel MSS-23D19 (MS-23D18) bzw. MSS-22D18 (MS-22D16). Spule L1 ist hausgemacht, enthält ungefähr (bei der Installation anzugeben) 160 Windungen PEV-2 0,2-Draht, gewickelt in vier Abschnitten von 40 Windungen auf einem Ringmagnetkreis der Standardgröße 10x6x4,5 aus Ferrit 2000NM1, 2000NM3 oder N48 ( EPCOS). Ferrite dieser Qualitäten haben einen niedrigen Temperaturkoeffizienten der magnetischen Permeabilität. Die Verwendung von Ferriten anderer Marken, beispielsweise N87, führt zu einer Erhöhung des Fehlers bei der Kapazitätsmessung, wenn sich die Temperatur um 5...10 ändert ^оC.

Fig. 5

Fig. 6

Die Kondensatoren C1, C8 und C9 sind importierte Folienkondensatoren für eine Spannung von 63 V (z. B. WIMA, EPCOS). Die Kapazitätsabweichung der Kondensatoren C8, C9 sollte nicht mehr als 5 % betragen. Der Rest ist für die Aufputzmontage vorgesehen: C2, C10, C11 – Größe 0805; C4, C6, C7 – 1206; Oxid C3, C5, C12 - Tantal B. Alle Widerstände haben die Größe 1206. Die Widerstände R13, R14, R16-R21 sollten mit einer Toleranz von nicht mehr als 1 % verwendet werden, und die Widerstände R18, R20 und R19, R21 sollten mit ausgewählt werden ein Multimeter mit möglichst nahe beieinander liegenden Widerständen in jedem Paar Oftmals reicht zur Auswahl ein Streifenpaket aus 10...20 Widerständen der Serie E24 mit einer Genauigkeitsklasse von fünf Prozent aus.

Die Transistoren VT1 -VT5 müssen einen Stromübertragungskoeffizienten von mindestens 500 haben, VT6 - von 50 bis 200. BSS84-Transistoren sind mit IRLML6302 und IRLML2402 mit FDV303N austauschbar. Bei einem anderen Austausch ist zu berücksichtigen, dass die Schwellenspannung der Transistoren nicht mehr als 2 V, der Leerlaufwiderstand nicht mehr als 0,5 Ohm und die Eingangskapazität nicht mehr als 200 pF betragen sollte eine Drain-Source-Spannung von 1 V. Die Micropower-Operationsverstärker AD8542ARZ sind austauschbar, zum Beispiel MSR602 oder der heimische KF1446UD4A. Es empfiehlt sich, Letzteres mit einer Nullpunkt-Offset-Spannung von nicht mehr als 2 mV auszuwählen, um den Messfehler zu reduzieren, wenn das Ergebnis 10 % des eingestellten Grenzwerts nicht überschreitet. Die Dezimalzähler 74HC4017D mit Hochgeschwindigkeitslogik können durch ähnliche Zähler aus der 4000B-Serie von NXP (PHILIPS) - HEF4017B - ersetzt werden. Sie sollten keine ähnlichen Messgeräte anderer Hersteller verwenden, insbesondere nicht die inländischen Messgeräte K561IE8. Bei einer Versorgungsspannung von 3 V ist die Eingangsfrequenz des Messgenerators mit 1 MHz für solche Zähler zu hoch und die Impulsabklingzeit an ihrem Eingang (50 ns) kurz. Möglicherweise „spüren“ sie ein solches Signal nicht.

Die Anschlüsse der Kondensatoren C8, C9, die zum gemeinsamen Draht führen, sind auf beiden Seiten der Leiterplatte angelötet. Ebenso werden die Anschlüsse des Schalters SA3 und der vom beweglichen Kontakt SA2 kommende Anschluss sowie der XP1-XP3-Stecker verlötet. Darüber hinaus werden XP2 und XP3 zunächst durch Löten befestigt, dann wird ein Loch „an Ort und Stelle“ gebohrt und der XP1-Stecker eingelötet. In die Löcher der Pads in der Nähe der Source des Transistors VT10 und des Widerstands R14 werden verzinnte Drahtstücke eingeführt und auf beiden Seiten verlötet. Vor der Installation auf den Mikroschaltungen DD2, DD3 sollte Pin 4 gebogen oder entfernt werden.

Beim Arbeiten mit einem LC-Meter wird der Schalter für die Betriebsart des Multimeters auf die Position Gleichspannungsmessung am Grenzwert „200mV“ gestellt. Die Messgrenzen des LC-Meters entsprechend den Stellungen der Schalter SA2, SA3 sind in der Tabelle angegeben.

Die Kalibrierung des LC-Meters erfolgt je nach Verfügbarkeit der notwendigen Instrumente und Qualifikationen. Im einfachsten Fall benötigen Sie eine Spule mit einer genau bekannten Induktivität, deren Wert nahe an der entsprechenden Messgrenze liegt, und den gleichen Kondensator mit einer gemessenen Kapazität. Um den Fehler der Eingangskapazität des LC-Messgeräts zu beseitigen, muss die Kapazität des Kondensators mindestens 1800 pF betragen (z. B. 1800 pF, 0,018 µF, 0,18 µF). Die Set-Top-Box wird zunächst an eine autonome Stromquelle mit einer Spannung von 3 V angeschlossen und der Stromverbrauch gemessen, der 3 mA nicht überschreiten sollte, und anschließend an ein Multimeter angeschlossen.

Stellen Sie anschließend den SA1-Schalter auf die Position „Lx“ und schließen Sie eine Spule mit bekannter Induktivität an die Buchsen XS1, XS2 „Lx, Cx“ an. Die Schalter SA2 und SA3 werden auf den entsprechenden Grenzwert eingestellt und erreichen auf dem Indikator Messwerte, die numerisch der Induktivität entsprechen (das Komma des Indikators wird nicht berücksichtigt). Bei Bedarf wird eine zusätzliche Kapazität von bis zu 1 parallel zum Kondensator C3300 geschaltet pF. Die Kondensatoren C1, C8, C9 verfügen über Pads auf der Leiterplatte zum Auslöten zusätzlicher Größen 0805 für die Oberflächenmontage.

Eine genauere Anpassung der Messwerte ist möglich, indem der Widerstandswert des Widerstands R22 oder R23 innerhalb kleiner Grenzen geändert wird. Ein LC-Messgerät wird bei der Kapazitätsmessung auf die gleiche Weise kalibriert, die entsprechenden Messwerte auf dem Indikator werden jedoch durch Ändern der Windungszahl der Spule L1 eingestellt.

Bei der Messung der Kapazität einer Set-Top-Box muss deren Eingangskapazität berücksichtigt werden, die im Beispiel des Autors 41,1 pF beträgt. Dieser Wert wird von der Multimeteranzeige angezeigt, wenn Sie Schalter SA1 auf die Position „Cx“ und SA2 und SA3 auf die Position „x1“ stellen. Bei einer Änderung der Topologie der Leiterplatte müssen die Verbindungen zwischen den Anschlüssen der Kondensatoren C8 und C9 mit den Anschlüssen der Transistoren VT9 und VT10 über separate Leiter hergestellt werden.

Die Set-Top-Box kann als Generator fester Frequenzen in Sinus- und Rechteckform verwendet werden. Vom Emitter des Transistors VT0,1 wird ein Sinussignal mit einer Spannung von 3 V abgenommen, vom beweglichen Kontakt des Schalters SA3 wird ein Rechtecksignal mit einer Amplitude von 2 V abgenommen. Die erforderlichen Frequenzen werden durch den Anschluss von Kondensatoren entsprechender Kapazität an den Eingang der Set-Top-Box in der Position „Cx“ des Schalters SA1 erhalten.

Die PCB-Zeichnung im Format Sprint Layout 5.0 kann von ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/08/Lc-metr.zip heruntergeladen werden.

Literatur

1. Universeller LC-Generator. - Radio, 1979, Nr. 5, p. 58.
2. L-Meter mit linearer Skala. - Radio, 1984, Nr. 5, p. 58, 61.

Autor: S. Glibin

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