Приставка для измерения ESR и емкости конденсаторов.

Приставка для прибора описанного в (1). При помощи ее также возможно измерение температуры, постоянного напряжения и сопротивления резисторов в широком диапазоне и автоматическом выборе пределов измерения.

 

Возможности приставки.

1. ESR и сопротивления от 0 до 100 Ом с разрешением 0.001 Ом, (измерение на частоте 100кГц).

2. Емкости от 5 – 25 000мкф (измерение на частоте 4 кГц или 100 Гц). Отображение одновременно с ESR.

3. Пост. напряжения -320 до 320 В (разрешение  0.1 мВ на диапазоне до 10В).

    Автоматический выбор  пределов измерения.

4. Сопротивления от 0.01 Ом до 50 Мом. Автоматический выбор пределов измерения.

5. Измерение температуры -40 до 105 С. Точность 2 градуса.

  В комнатном диапазоне точность лучше.

 

Описание и работа .

Принцип работы приставки взят из (2). Но в данной приставке, по сравнению с прибором, описанным в (2), исключена систематическая ошибка присущая прибору(2), возникающая из-за того, что последовательно с R1 включено ESR измеряемого конденсатора. Также тому прибору свойственна погрешность,  занижающая показания ESR при измерении емкости меньше 15 мкФ. В данной приставке погрешность уменьшена. К примеру, показания ESR конденсатора К73-17 емкостью 1 мкФ равны 0.006 Ом.

   Схема  приставки прибора  показана на рис.  1, 2.

 

Установка дополнительных элементов на основную плату прибора на рис. 3.

 

 

Вращением переключателя режимов переводим  прибор в режим  “Калибровка”. Режим калибровки заменен режимом ESR.  Калибровка в режиме С/L производится в этом же режиме при  нажатии на кнопку SB4. Проверяемый конденсатор подключается к разъему X1.Через  него пропускается ток прямоугольной формы с частотой 100кГц. Напряжение на конденсаторе будет меняться  согласно диаграмме X1 на рис.4.

 

 

Наклон горизонтальных участков определяет емкостью конденсатора, а высота вертикальных перепадов диаграммы соответствует ESR. Используя синхронное выпрямление, при котором в качестве опорного напряжения используются относительно короткие импульсы , соответствующие середине наклонных участков ( четвертая диаграмма ) получаем на входе АЦП падение напряжения Uesr на сопротивлении(ESR) испытуемого конденсатора.

По формуле вычисляем [1] , где Uv. напряжении питания 5В, R –сопротивление резистора R1. В зависимости от емкости изменяем частоту на 4кГц или 100Гц тем самым увеличиваем наклон горизонтальных участков диаграммы X1 и изменив порядок следования коротких импульсов согласно пятой диаграммы  получаем на входе АЦП  изменение напряжения  Uc на конденсаторе в течение полупериода заряда. Согласно известной формулы вычисляем емкость , где f –частота измерения. Напряжение в начале заряда вычисляем по формуле . Формула определения емкости с погрешностью <0.2% при Uc<0,3В преобразуется в выражение [2].

По  формулам [1] и [2] микроконтроллер PIC16F873a вычисляет значения емкости C и ESR и выводит на экран прибора.

 

 

Задающим генератором для измерении ESR и С используется микроконтроллер DD1 ATtiny15. По командам от PIC16F873а он генерирует в зависимости от режима 100кГц, 4кГц или100 Гц. ATtiny15 также управляет мультиплексором DD2 К561КП2, открывая нужные ключи в определенные моменты времени. Конденсаторы С8 и С9 запоминают напряжение на время разомкнутого состояния ключей. С них через фильтры R11C15, R12C12 подается на вход АЦП. При использовании других режимов прибора ATtiny15 находится в режиме сна, потребляя незначительный ток. В приставке в качестве АЦП использована микросхема DD3 AD7793, имеющая в своем составе 24 битный аналого-цифровой преобразователь, встроенный   высокостабильный опорный источник, на входе инструментальный усилитель с программно изменяемым коэффициентом усиления от 1 до 128. В составе также имеется датчик температуры. Приставка питается, принимает  и передает  сигналы на основной прибор по 7 проводам длиной 20-30 см. Для защиты прибора при подключении заряженного конденсатора служат диоды VD1, VD2. Напряжение на выводах не превышает 150 мВ при измерении емкостей больше 2 мкФ. Этого напряжения не достаточно для открывания p-n переходов  кремниевых транзисторов т.е. можно измерять не выпаивая конденсаторы из платы. При этом следует учитывать, что если параллельно измеряемого оксидному конденсатору стоит другой, то показания будут отличаться от действительных. 

 

При нажатии на кнопку SB3 прибор переходит в режим измерения только ESR. Данный режим удобен, если требуется сделать выборку только по ESR из большой партии. Напряжение на выводах в этом режиме не превышает 50 мВ.

 

При подключенной приставке выбираем режим “U”. Измеряемое напряжение подключается к разъему X2. Входное постоянное напряжение делится делителем на  резисторах R6R7R8 и через R9R10 подается на вход АЦП. AD7793 предварительно производит серию измерений и по результатам их выставляется максимально возможный коэффициент  усиления входного инструментального усилителя. Коэффициенты усиления принимают значения 1, 2, 4, 8, 16 и 32.

 

 

Переменная составляющая напряжения фильтруется элементами R6C10R9C13R7C11R10C14. При отключенной приставке прибор измеряет напряжение, как и прежде с разъема XW1.

 

При вращении резистора выбора  режимов в крайнем правом добавился шестой режим - режим измерения сопротивлений. Измеряемое сопротивление подключается  к разъему X3. Напряжение питания делится делителями R19R13R14R15  и с резистора R14 через R16R17 подается на вход АЦП. При включении режима производится измерение напряжения Uin. При подключении измеряемого резистора напряжение поменяется на U. Расчет сопротивления ведется по формуле . Индикация:

 

Пульсации напряжения питания гасятся фильтром R19C22. Наводки на измерительные провода фильтрами С16R16C20 и C17R17C21.  Не выходя из режима измерения сопротивлений, при нажатии на кнопку SB3 прибор переходит в режим измерения температуры.

 

 

Для получения корректных результатов при измерении ESR  и сопротивления R разъемы X1, X3 должны быть свободны при выборе этих режимов. При отсутствии приставки, при выборе режимов работающих с ней моргает надпись “No module”.

 

В статье (1) обнаружено несколько неточностей:

1) При применении LM1600 диоды VD3, VD4 необходимо заменить более высокочастотными. Происходит завал на частотах выше 1,4 ГГц.

2) Транзистор BF998 в корпусе SOT-143 при применении печатки с сайта журнала радио необходимо припаять вверх ногами.

Широкий вывод к R14,C11. Транзистор BF998 в корпусе SOT-143R также широким выводом к R14,C11.

3) У примененного в статье индикатора поменять выводы питания 1выв(+5), 2выв("земля")

 

  Ниже приведены изменения по прежней работе прибора. Переход между режимами измерения емкости С(римская I)и С(римская II) происходит автоматически. Вместо символов I и II отображаются батарейка состояния аккумулятора. Уменьшен порог срабатывания температурной коррекции 0,07-0,1 pF. В режиме измерения малой емкости изменяющие показания нуля от 0 до 0.1 pF заменены показанием 0,00pF. Действительные показания запоминаются и вычитаются от полученного результата. В режиме частотомера до 1ГГц отображаются все цифры. Выравнивание по правому краю при гашении незначащих нулей (было по левому). В режиме F2 частотомера изменено разрешение c 120 на 100 Гц. (Кдел=25 Тсчета=0.25с). В режиме F3 для LMX1600(LMX1601) соответственно изменено разрешение  на 384(200) Гц.

 

Детали.

В приставке использованы в основном элементы для поверхностного монтажа: резисторы типоразмерами 0805 (за исключением R6,R7-типоразмер 1206); конденсаторы типоразмеров 0805,0603; оксидные конденсаторы – танталовые для поверхностного монтажа. Микросхема DD2 К564КП2 заменима на 74HC4051BD. Микроконтроллер ATtiny15L фирмы ATMEL аналогов не имеет и заменить на другой невозможно  без корректировки программы.

 

Настройка.

При выборе режима ESR, при замкнутых выводах X1 происходить корректировка нуля. При замкнутых выводах X1  нажав на SB4 запоминаем данные в энергонезависимой памяти EEPROM. В дальнейшем после включения режима ESR при замыкании выводов X1 показания будут 0.000 Ом. ATtiny15 имеет в своем составе встроенный синтезатор частоты, формирующий сигнал с частотой, в 16 раз превышающей частоту тактового сигнала встроенного RC-генератора. Он используется для регулировки ширины короткого импульса при измерении на частоте 100 КГц и   позволяет регулировать нуль прибора при подключении емкости. Тем самым компенсирует занижение показаний ESR при измерении емкости меньше 15 мкФ присущие прибору (2). Калибровочные байты “ширины импульса” и частоты RC-генератора записаны в программе по адресу $03FE и $03FF(последний байт). По умолчанию значения $15 и $70. Для точной установки тактовой частоты 1.6 МГц, предварительно установив X4=8, входим в режим ESR. Подаем сигнал с верхнего по схеме вывода X1 на вход частотомера XW1. На индикаторе будут показания частоты 100 кГц. Для точной установки меняем калибровочный байт частоты RC-генератора. Предварительно установив нуль при замкнутых выводах X1, подключаем к разъему X1 конденсатор К73-17 емкостью 1-2 мкФ и изменяя калибровочный байт “ширины импульса” добиваемся положительных показаний близких к нулю (<0.02 Ом). Для изменения последнего байта и программирования микроконтроллера ATtiny15L можно воспользоваться программой PonyProg2000 и адаптером (3). При программировании FUSE биты следует установить следующие: BODLEVEL=1, BODEN=1, SPIEN=0, RSTDISBL=1, CKSEL1…0=11. Перед прошивкой микроконтроллера PIC16F873a рекомендую записать константы X, чтобы повторно не калибровать прежние режимы. Изменения по константам X (при нажатой кнопке SB3 вкл. прибор). X2=0 для LMX1600. X2=1 для LMX1601. X2=4 другой внешний делитель. X3 – корректирует показания напряжения с разъема XW1. X8 и X9 –коэффициенты деления при использовании других внешних делителей. При нажатой кнопке SB4 включаем прибор и входим в блок констант Y. Изменив константу, выбираем другую и выключаем прибор. Коэффициент Y1 - корректирует показания ESR. Значения Y1-Y5 прямо пропорциональны показаниям. К примеру, для корректировки Y1 режиме ESR подключаем известный резистор 5-10 Ом к разъему X1. Чтобы найти новое значение Y1 нужно  номинал известного резистора разделить на  показания ESR и умножить на Y1. Подключив емкость 47 мкФ и изменяя Y2 добиваемся совпадения показаний. Y2 - корректирует показания емкости  в диапазоне 5 – 82 мкФ. Аналогично подключив емкость 1000-2200 мкФ и изменяя Y3  добиваемся совпадения показаний. Y3 - корректирует показания емкости выше 82 мкФ. Выбрав режим измерения R  замыкаем выводы X3 и выждав паузу 3-4 секунды нажимаем на кнопку SB4 для сохранения сопротивления измерительных проводов и монтажа в EEPROM микроконтроллера. При последующих замыканиях выводов показания будут 0.00 Ом.  Подключив к разъему X3 известное сопротивление и корректируя Y4  добиваемся совпадения показаний. Выбрав режим U, подаем  на разъем X2 напряжение 9 В, параллельно подключаем образцовый вольтметр. Корректируя Y5  добиваемся совпадения показаний. Коэффициенты Y6,Y7 корректируют показания температуры. Для корректировки значение температуры производим замер при двух разных известных температурах t1 и t2 окружающего воздуха. К примеру можно произвести замеры в морозильной камере (около -18С) и при комнатной температуре (около 25С). Получим показания температуры T1 и T2 соответственно. Новые значения Y6, Y7 рассчитываем по формулам , .

Заменяем старые значения  Y6 иY7 новыми. На этом настройка прибора с приставкой завершена.

 

Литература

1. В. Никитин.”Универсальный измерительный прибор на микроконтроллере”. - Радио N8 2007 г. Стр.20

2. С. Бирюков. “Цифровой измеритель ESR”. -  Схемотехника N2-3. 2006 г.

3. А. Долгий. Программаторы и программирование микроконтроллеров.- Радио 2004г N2-7 стр.51-54.

 

В.Никитин, п. Андра  ХМАО