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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK LC-Meter. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik In der Praxis eines Funkamateurs ist die Messung der Parameter der verwendeten Funkelemente der erste grundlegende Schritt zur Erreichung der gesetzten Ziele bei der Erstellung eines funktechnischen oder elektronischen Komplexes. Ohne die Eigenschaften von „Elementarziegeln“ zu kennen, ist es sehr schwierig zu sagen, welche Eigenschaften ein daraus gebautes Haus haben wird. Dieser Artikel bietet dem Leser eine Beschreibung eines einfachen Messgeräts, das jeder Funkamateur in seinem Labor haben sollte. Das Funktionsprinzip des vorgeschlagenen LC-Messgeräts basiert auf der Messung der im elektrischen Feld des Kondensators und im Magnetfeld der Spule akkumulierten Energie. Diese Methode wurde erstmals in Bezug auf Amateurdesign in [1] beschrieben und in den folgenden Jahren mit geringfügigen Modifikationen in vielen Designs von Induktivitäts- und Kapazitätsmessgeräten weit verbreitet. Die Verwendung eines Mikrocontrollers und einer LCD-Anzeige in diesem Design ermöglichte die Entwicklung eines einfachen, kleinen, kostengünstigen und benutzerfreundlichen Geräts mit einer relativ hohen Messgenauigkeit. Bei der Arbeit mit dem Gerät müssen Sie keine Bedienelemente manipulieren; Sie müssen lediglich das zu messende Element anschließen und die Messwerte vom Indikator ablesen. Technische Eigenschaften
Das schematische Diagramm des Geräts ist in Abb. 1 dargestellt. eines
Das rechteckige Erregerspannungssignal von Pin 6 (PB1) des Mikrocontrollers DD1 wird über die drei unteren Pufferelemente DD2 im Stromkreis dem Messteil des Geräts zugeführt. Bei einem hohen Spannungspegel wird der gemessene Kondensator Cx über den Widerstand R9 und die Diode VD6 geladen und bei einem niedrigen Spannungspegel wird er über R9 und VD5 entladen. Der durchschnittliche Entladestrom, proportional zum Wert der gemessenen Kapazität, wird vom Gerät mithilfe des Operationsverstärkers DA1 in Spannung umgewandelt. Die Kondensatoren C5 und C7 glätten die Wellen. Der Widerstand R14 wird verwendet, um den Operationsverstärker genau auf Null zu stellen. Bei der Messung der Induktivität während eines hohen Pegels steigt der Strom in der Spule auf einen durch den Widerstand R10 bestimmten Wert an, und während eines niedrigen Pegels gelangt der durch die Selbstinduktivitäts-EMK der gemessenen Spule erzeugte Strom auch durch in den Eingang der DA4-Mikroschaltung VD11 und R1. Somit ist bei konstanter Versorgungsspannung und Signalfrequenz die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers direkt proportional zu den Werten der gemessenen Kapazität oder Induktivität. Dies gilt jedoch nur, wenn der Kondensator während der halben Periode der Erregerspannung vollständig geladen und in der anderen Hälfte auch vollständig entladen ist. Das Gleiche gilt für den Induktor. Der darin enthaltene Strom muss Zeit haben, auf den Maximalwert anzusteigen und auf Null abzufallen. Diese Bedingungen können durch entsprechende Wahl der Widerstände R9-R11 und der Frequenz der Erregerspannung gewährleistet werden. Eine zum Parameterwert des zu messenden Elements proportionale Spannung wird vom Ausgang des Operationsverstärkers über den Filter R6C2 an den integrierten Zehn-Bit-ADC des Mikrocontrollers DD1 geliefert. Der Kondensator C1 ist ein Filter der internen Referenzspannungsquelle des ADC. Die drei oberen Elemente in der Schaltung, DD2 sowie VD1, VD2, C4, C11, werden verwendet, um die für den Betrieb des Operationsverstärkers erforderliche Spannung von -5 V zu erzeugen Das Gerät zeigt das Messergebnis auf einem zehnstelligen Sieben-Segment-LCD HG1 (KO-4V, serienmäßig hergestellt von Telesystems in Selenograd) an. Ein ähnlicher Indikator wird in PANAPHONE-Telefonen verwendet. Um die Genauigkeit zu erhöhen, verfügt das Gerät über neun Messteilbereiche. Die Frequenz der Erregerspannung im ersten Teilband beträgt 800 kHz. Bei dieser Frequenz werden Kondensatoren mit einer Kapazität bis etwa 90 pF und Spulen mit einer Induktivität bis 90 μH gemessen. In jedem weiteren Teilbereich wird die Frequenz um das Vierfache reduziert und die Messgrenze entsprechend um den gleichen Betrag erweitert. Im neunten Teilband beträgt die Frequenz 4 Hz, was die Messung von Kondensatoren mit einer Kapazität von bis zu 12 μF und Spulen mit einer Induktivität von bis zu 5 H gewährleistet. Das Gerät wählt automatisch den gewünschten Teilbereich aus und nach dem Einschalten beginnt die Messung ab dem neunten Teilbereich. Während des Umschaltvorgangs wird die Subbandnummer auf der Anzeige angezeigt, sodass Sie feststellen können, bei welcher Frequenz die Messung durchgeführt wird. Nach Auswahl des gewünschten Teilbereichs wird das Messergebnis in pF oder μH auf dem Anzeigegerät angezeigt. Zur besseren Lesbarkeit werden Zehntel pF (μH) und Einheiten von μF (H) durch ein Leerzeichen getrennt und das Ergebnis wird auf drei signifikante Ziffern gerundet. Die rote LED HL1 dient als 1,5-V-Stabilistor zur Stromversorgung der Anzeige. Die Taste SB1 wird zur Software-Nullpunktkorrektur verwendet, die dabei hilft, die Kapazität und Induktivität der Anschlüsse und des Schalters SA1 auszugleichen. Dieser Schalter kann durch die Installation separater Anschlüsse zum Anschluss der gemessenen Induktivität und Kapazität eingespart werden, dies ist jedoch weniger praktisch. Der Widerstand R7 dient dazu, die Kondensatoren C9 und C10 schnell zu entladen, wenn der Strom ausgeschaltet wird. Ohne sie ist eine erneute Aktivierung, die den ordnungsgemäßen Betrieb des Indikators gewährleistet, frühestens nach 10 s möglich, was im Betrieb etwas umständlich ist. Alle Teile des Geräts, mit Ausnahme des SA1-Schalters, sind auf einer einseitigen Leiterplatte montiert, die in Abb. dargestellt ist. 2.
Die HG1-Anzeige und die SB1-Taste sind auf der Montageseite installiert und werden auf der Frontplatte angezeigt. Die Länge der Drähte zum Schalter SA1 und den Eingangsklemmen sollte 2...3 cm nicht überschreiten. Die Dioden VD3-VD6 sind Hochfrequenzdioden mit geringem Spannungsabfall, Sie können D311, D18, D20 verwenden. Die Trimmerwiderstände R11, R12, R14 sind kleine Widerstände vom Typ SPZ-19. Das Ersetzen von R11 durch einen Drahtwiderstand ist unerwünscht, da dies zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit führt. Die Mikroschaltung 140UD1208 kann durch jeden anderen Operationsverstärker ersetzt werden, der über eine Nullstellungsschaltung verfügt und mit einer Spannung von ±5 V betrieben werden kann, und der K561LN2 kann durch jede CMOS-Mikroschaltung der Typen 1561, 1554, 74NS ersetzt werden. 74AC-Serie, bestehend aus sechs Wechselrichtern, zum Beispiel 74NS14. Die Verwendung von TTL-Serien 155, 555, 1533 usw. ist unerwünscht. Der ATtinyl 5L-Mikrocontroller von ATMEL hat kein Analogon und ein Austausch durch einen anderen Typ, beispielsweise den beliebten AT90S2313, ist ohne Anpassung des Programms nicht möglich. Die Nennkapazität der Kondensatoren C4, C5, C11 sollte nicht verringert werden. Der Schalter SA1 sollte klein sein und eine minimale Kapazität zwischen den Pins aufweisen. Bei der Programmierung des Mikrocontrollers sollten alle FUSE-Bits auf der Standardeinstellung belassen werden: BODLEVEL=0, BODEN=1, SPIEN=0, RSTDISBL=1, CKSEL1 ...0=00. Das Kalibrierbyte muss in das Low-Byte des Programms an der Adresse $000F geschrieben werden. Dadurch wird eine präzise Einstellung der Taktfrequenz von 1,6 MHz und damit der Frequenz der Ansteuerspannung für die Messschaltung im ersten Bereich von 800 kHz gewährleistet. In der Kopie von ATtinyl 5L, die dem Autor zur Verfügung stand, beträgt das Kalibrierungsbyte 8 Billiarde US-Dollar. Firmware-Codes für Mikrocontroller Für die Einrichtung ist es notwendig, mehrere Spulen und Kondensatoren auszuwählen, deren Parameterwerte im Messbereich des Gerätes liegen und eine minimale Abweichungstoleranz entsprechend dem Nennwert aufweisen. Ihre genauen Werte sollten nach Möglichkeit mit einem industriellen LC-Messgerät gemessen werden. Dies werden Ihre „Modell“-Elemente sein. Da die Skala des Messgeräts linear ist, genügen im Prinzip ein Kondensator und eine Spule. Es ist jedoch besser, den gesamten Bereich zu kontrollieren. Als Modellspulen sind normierte Drosseln der Typen DM und DP gut geeignet. Der Aufbau beginnt damit, dass die DA1-Mikroschaltung auf Null gesetzt und die Spannung an ihrem Ausgang mit einem Multimeter überwacht wird. Diese Spannung sollte mit dem Widerstand R0 im Bereich von 5...+14 mV eingestellt werden. Der Schieber des Widerstands R12 sollte sich in der mittleren Position befinden, und es wird empfohlen, den Schalter SA1 von der Platine zu trennen, um die parasitäre Eingangskapazität zu reduzieren. Die Anzeigewerte sollten innerhalb von 0...3 liegen. Anschließend wird die SA1-Verbindung wiederhergestellt und die SB1-Taste gedrückt und wieder losgelassen. Nach 2 s sollte die Anzeige 0...±1 anzeigen. Danach wird eine Referenzkapazität an die Eingangsklemmen angeschlossen und durch Drehen des R12-Schiebers wird der Messwert so ermittelt, dass er dem wahren Wert der Kapazität des ausgewählten Kondensators entspricht. Der Preis der niedrigstwertigen Ziffer beträgt 0,1 pF. Anschließend müssen Sie den gesamten Bereich überprüfen und ggf. die Position des R12-Motors klären und dabei versuchen, einen Fehler von nicht mehr als 2...3 % zu erhalten. Der Nullabgleich ist auch dann akzeptabel, wenn die Messwerte am Ende der Skala etwas zu niedrig oder zu hoch sind. Aber nach jeder Änderung der Position des R14-Schiebers sollten Sie den zu messenden Kondensator ausschalten und die Nulltaste drücken. Nachdem Sie das Gerät im Kapazitätsmessmodus konfiguriert haben, sollten Sie SA1 gemäß der Abbildung in die unterste Position bewegen, die Eingangsbuchsen schließen und SB1 drücken. Schließen Sie nach der Nullpunktkorrektur eine Referenzspule an den Eingang an und stellen Sie mit dem Widerstand R11 die erforderlichen Messwerte ein. Der Preis der niedrigstwertigen Ziffer beträgt 0,1 μH. In diesem Fall sollten Sie darauf achten, dass der Widerstand von R11 mindestens 800 Ohm beträgt, andernfalls sollten Sie den Widerstand von Widerstand R10 verringern. Wenn R11 größer als 1 kOhm ist, muss R10 erhöht werden, d. h. R10 und R11 müssen im Nennwert nahe beieinander liegen. Diese Einstellung gewährleistet eine annähernd gleiche Zeitkonstante für das „Laden“ und „Entladen“ der Spule und damit einen minimalen Messfehler. Bei der Messung von Kondensatoren ist ein Fehler von maximal ±2...3 % problemlos zu erreichen, bei der Messung von Spulen ist alles etwas komplizierter. Die Induktivität der Spule hängt weitgehend von einer Reihe von Begleitbedingungen ab – dem aktiven Widerstand der Wicklung, Verlusten in den Magnetkreisen durch Wirbelströme, Hysterese, die magnetische Permeabilität von Ferromagneten hängt nichtlinear von der Magnetfeldstärke ab usw. Bei der Messung , Spulen sind verschiedenen externen Feldern ausgesetzt und alle echten Ferromagnete haben einen recht hohen Wert der Restinduktion. Die bei der Magnetisierung magnetischer Materialien ablaufenden Prozesse werden in [2] ausführlicher beschrieben. Aufgrund des Einflusses all dieser Faktoren stimmen die Messwerte des Geräts bei der Messung der Induktivität einiger Spulen möglicherweise nicht mit den Messwerten eines Industriegeräts überein, das den komplexen Widerstand bei einer festen Frequenz misst. Aber beeilen Sie sich nicht, dieses Gerät und seinen Autor zu kritisieren. Man muss lediglich die Besonderheiten des Messprinzips berücksichtigen. Bei Spulen ohne Magnetkern, bei offenen Magnetkernen und bei ferromagnetischen Magnetkernen mit Spalt ist die Messgenauigkeit durchaus zufriedenstellend, wenn der Wirkwiderstand der Spule 20...30 Ohm nicht überschreitet. Dadurch kann die Induktivität aller Spulen und Drosseln von Hochfrequenzgeräten, Transformatoren für Schaltnetzteile usw. sehr genau gemessen werden. Bei der Messung der Induktivität kleiner Spulen mit vielen Windungen aus dünnem Draht und einem geschlossenen Magnetkreis ohne Lücke (insbesondere aus Transformatorstahl) tritt jedoch ein großer Fehler auf. In einem realen Gerät entsprechen die Betriebsbedingungen der Spule jedoch möglicherweise nicht dem Ideal, das bei der Messung komplexer Widerstände gewährleistet ist. Beispielsweise betrug die Induktivität der Wicklung eines der dem Autor zur Verfügung stehenden Transformatoren, gemessen mit einem industriellen LC-Meter, etwa 3 H. Wenn ein DC-Vorstrom von nur 5 mA angelegt wurde, betrugen die Messwerte etwa 450 mH, d. h. die Induktivität verringerte sich um das Siebenfache! Aber in echten Arbeitsgeräten hat der Strom durch die Spulen fast immer eine konstante Komponente. Das beschriebene Messgerät zeigte die Induktivität der Wicklung dieses Transformators mit 7 H an. Und es bleibt abzuwarten, welcher Wert den realen Arbeitsbedingungen näher kommt. All das oben Gesagte gilt bis zu einem gewissen Grad ausnahmslos für alle Amateur-LC-Messgeräte. Es ist nur so, dass ihre Autoren bescheiden darüber schweigen. Nicht zuletzt aus diesem Grund findet sich die Funktion der Kapazitätsmessung in vielen Modellen preisgünstiger Multimeter, während die Messung der Induktivität nur mit teuren und aufwändigen Profigeräten möglich ist. Unter Amateurbedingungen ist es sehr schwierig, ein gutes und genaues komplexes Widerstandsmessgerät herzustellen; es ist einfacher, ein Industriemessgerät zu kaufen, wenn Sie es wirklich brauchen. Sollte dies aus dem einen oder anderen Grund nicht möglich sein, kann das vorgeschlagene Design meiner Meinung nach als guter Kompromiss mit einem optimalen Verhältnis von Preis, Qualität und Benutzerfreundlichkeit dienen. Literatur
Autor: I. Chlyupin, Kirow
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