Алгоритм измерения емкости конденсаторов на авр. Измерение параметров конденсаторов

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.

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. .

Конденсаторы очень широко применяются во всех типах электронных цепей и без них не обходится практически не одна радиосхема. В этом проекте, мы обсудим технику построения цифрового измерителя емкости используюя микроконтроллер PIC. Этот проект может измерить величины емкости с 1 nF до 99 uF (соответственно пикофарады тоже мерит). Использованный в этом проекте микроконтроллер это PIC16F628A.

Схема состоит из двух частей, первая часть схемы представлены ниже:

Вторая часть:

Вывода второй части с хемы подключаются к выводам микроконтроллера, сооствественно обозначениям на них.

Этот имеритель емкости основан на принципе заряжаемом конденсатор через последовательный резистор. Если мы знаем время, которое необходимо для конденсатора, чтобы заряжаться вплоть до известного напряжения, тогда мы можем решить это уравнение для C, знающий величина R.

Зная величину резистора (в этом случае это - 22K) и заряжаемое время, мы можем теперь решить конденсаторное уравнение, чтобы вычислять емкость C. В программе используется именно этот принцип. Измерение начинается когда нажата кнопка измерения. Измеренная емкость отображается на дисплее LCD. Для питания схемы требуется источник питания напяжением 5V.

Микропрограмма для микроконтроллера написана в C. Про для компилятора PIC. Максимальная величина измеримой емкости 99.99 uF. Программа отображает сообщение "Из Дипазона” если измеряемая величина выходит за пределы. Понятное дело, что микрофарады будут измерять дольше чем пико или нанофарады. Прибор достаточно точный и погрешность составляет всего 1 nF.

Примечание: Высоковольтные конденсторы перед началом измерение необходимо разрядить высокоомным резистором.

Примеры измеренный емкостей:

/c]

Нашел я как-то в интернете одну статейку азиатского разработчика, в которой описывалось устройство измеритель емкости. Собрано оно было на микроконтроллере и куче "лишних" деталей. Так как были приведены формулы и принцип расчета емкости я решил сделать свое устройство с минимально необходимым количеством элементов, которое удовлетворит мои потребности. Так как осталась свободная память, решил еще добавить функцию частотомера.

В устройстве всего две кнопки, кнопка сброса (установка "0") и кнопка переключения режимов работы:

"Частотомер", "Измерение pF", "Измерение nF"

Принцип работы устройства основан на измерении времени заряда конденсатора до определенного "порогового" напряжения. Расчет производится в микроконтроллере по нижеприведенной формуле:

где T- время заряда, R- сопротивление цепи заряда, C- емкость конденсатора, VC1- напряжение на конденсаторе в момент T, E- ЭДС цепи.

Измеритель емкости работает в двух диапазонах измерений: "pF- градация 1pF" и "nF- градация 1nF".

Диапазон измерений первого режима...........................1 пФ - 20 нФ, точность 1пФ
Диапазон измерений второго режима...........................1 нФ - 22 мкФ, точность 1нФ
Диапазон измерений третьего режима.........................1 мкФ - 2000 мкФ, точность 1мкФ
Диапазон измерения частоты........................................10 Гц(*1Гц) - 8 МГц, точность 10Гц(*1Гц)
* - Для версии прибора с индикатором на контроллере HD44780

КОНСТРУКЦИЯ:

Фьюз биты микроконтроллера могут быть прошиты на тактирование от внутреннего RC-генератора на частоте 8МГц, либо на тактирование от внешнего кварцевого резонатора.

Для тех, кто испытывает проблемы с поиском подходящего дисплея, выкладываю схему подключения и прошивку для символьного дисплея с драйвером KS0066U (HD4478).

Дисплей TIC 8148...Аналог TIC55M

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.