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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Kondensator-Kapazitätsmessgerät mit Selbstkalibrierung. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik In der Amateurfunkpraxis stellt sich häufig die Aufgabe, Kapazitäten von Kondensatoren zu messen. Industriemultimeter zur Messung der Kapazität sind recht teuer und nicht für jedermann erhältlich. Vorgeschlagen wird der Entwurf eines einfachen Messgeräts, das auf drei Mikroschaltungen aufgebaut ist und die Messung der Kapazität von Kondensatoren sowie der Frequenz eines periodischen Signals ermöglicht und als Oszillatoren mit digitaler Frequenzsteuerung verwendet werden kann. Das schematische Diagramm des Zählers ist in der Abbildung dargestellt.
Das Gerät enthält einen Mikrocontroller DD1 Typ PIC16.84A, einen digitalen Flüssigkristallanzeiger von AON DD2 Typ K0-4B2 (oder ähnlich) und einen Timer DA1 NE555 (KR1006VI1). Der Kapazitätsmesser basiert auf der Abhängigkeit der Ausgangsfrequenz des RC-Generators am DA1-Timer vom Kapazitätswert des Kondensators Cx: fout≈1/kRCx, wobei K eine Konstante ist. Da diese Abhängigkeit umgekehrt proportional ist, berechnet der Mikrocontroller den Kehrwert y=1/fout. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen und die Einrichtung zu vereinfachen, wird eine Selbstkalibrierung basierend auf vorgewählten bekannten Werten der Kapazitäten der Referenzkondensatoren (C3, C5, C6) verwendet. Das Messgerät verfügt über drei Kapazitätsmessbereiche: 1. - 10...1000 pF, 2. - 470...4700 pF, 3. - 4700 pF...0,47 µF. Im ersten Bereich wird zur Selbstkalibrierung ein Referenzkondensator C5 mit einer Kapazität von 470 pF verwendet, im zweiten Bereich C6 mit einer Kapazität von 2000 pF und im dritten C3 mit einer Kapazität von 15 nF. Bevor diese Kondensatoren in das Gerät eingebaut werden, müssen sie mithilfe eines Kapazitätsmessgeräts anhand ihrer Nennkapazität ausgewählt werden. Es empfiehlt sich, Kondensatoren mit Mindestwerten des Temperaturkoeffizienten der Kapazität auszuwählen. Um die Linearität des Messgeräts zu erhöhen, verwendet der Timer eine Stromquelle am Transistor VT1, deren Stromwert in verschiedenen Bereichen über die Widerstände R9R11 eingestellt wird. Die Umschaltung erfolgt durch den Mikrocontroller DD1, indem er die Ports B0-B7 von Eingang auf Ausgang umschaltet. Die Auswahl der Messbereiche und Betriebsart des Messgerätes erfolgt über die Schalter S1 und S2 gemäß Tabelle:
Die Selbstkalibrierung wird regelmäßig durchgeführt, etwa einmal pro Minute. In diesem Moment zeigt die LCD-Anzeige den Kapazitätswert des Referenzkondensators an. In allen drei Bereichen wird der Kapazitätswert in Picofarad angegeben und die Buchstaben „P.“ werden in der linken Ecke des Indikators angezeigt. Im Frequenzmesser- und Generatormodus werden diese Buchstaben nicht angezeigt. Bei der Selbstkalibrierung wird anstelle von Cx automatisch einer der Referenzkondensatoren an den Stromkreis angeschlossen und dessen Kapazität gemessen. In diesem Fall wird der Wert des Korrekturcodes N0 berechnet, der im Arbeitsspeicher des Mikrocontrollers Nout=N0Nin abgelegt wird. Parallel zum Messkondensator Cx ist ein kleiner Kondensator C4 geschaltet. Dies geschieht, um einen lineareren Messabschnitt zu erreichen, und der Wert der Kapazität C4 wird in DD1 automatisch vom Wert der gemessenen Kapazität Cx subtrahiert. Bei der Messung kleiner Kapazitäten (bis zu 100 pF) im ersten Teilbereich können auf dem Indikator Messwerte ungleich Null erscheinen, wenn der gemessene Kondensator Cx abgeklemmt wird. Dieser unkompensierte Kapazitätswert (Einheiten Pikofarad) muss vom gemessenen CX-Wert abgezogen werden. Im Selbstoszillatormodus ist ein variabler Widerstand R1 mit der Stromquelle VT13 verbunden, durch dessen Einstellung die Frequenz der freien Schwingungen fgen eingestellt wird. Wenn der Schalter S3 ausgeschaltet ist, misst der Mikroprozessor die Erzeugungsfrequenz. Der fgen-Ausgang ist ein Impulssignal. Wenn Sie ein Signal mit der gleichen Impuls- und Pausendauer benötigen, muss der fgen-Ausgang einem Frequenzteiler zugeführt werden (z. B. auf einer K561IE10-Mikroschaltung). Vom Ausgang „a“ können Sie ein Sägezahnsignal abnehmen. Wenn der Ausgang „a“ an den Eingang eines Integrators eines logischen Elements angelegt wird, können Sie ein Signal erhalten, das einer Sinusform ähnelt. Der Frequenzbereich des Generators reicht von mehreren zehn Hertz bis 20...30 kHz. Um den Bereich hin zu niedrigen Frequenzen zu erweitern, können Sie den Wert des Widerstands R13 erhöhen. Taste S4 – mit Öffnerkontakten. Es dient zum Zurücksetzen des Mikrocontrollers durch Unterbrechen der Stromkreise beim Umschalten von einem Messbereich auf einen anderen. Die Taste muss mehrere Sekunden lang gedrückt gehalten werden. Quarz Q1 – beliebig bei 1 MHz. Das Gerät kann einen MOS-Timer vom Typ 7555 verwenden. Mit der in [1] beschriebenen Methode können Sie den Mikrocontroller selbst programmieren. Bei der Messung der Frequenz externer Schwingungen muss der Schalter S3 ausgeschaltet sein. Литература:
Autor: A.M. Savolyuk
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