|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Вимірювання ємності та ЕПС конденсаторів комбінованим приладом. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Вимірювальна техніка Автор пропонує радіоаматорам, які зібрали прилад [1], приставку до нього, за допомогою якої можна вимірювати ємність та ЕПС конденсаторів. Знати ці параметри, особливо ЕПС, сьогодні потрібно досить часто, наприклад при виготовленні різних імпульсних пристроїв. Під час модернізації комбінованого приладу [1] я вирішив, створюючи невеликі приставки до нього, вводити в прилад нові порівняно рідко використовувані функції, які неможливо реалізувати лише програмно. Це дає можливість не змінювати в ньому що-небудь, крім програми мікроконтролера. Реалізацію такого способу модернізації забезпечує наявність у приладі роз'єму, на який виведені чотири інформаційні лінії його мікроконтролера та напруга живлення. До цього роз'єму підключаються приставки. Першим кроком у цьому напрямі було створення приставки для вимірювання індуктивності, описаної у [2]. Нова приставка розроблена для добірки конденсаторів, які лише передбачається встановити в якийсь пристрій, а не для вимірювання їх параметрів без випаювання з пристрою. Виходячи з цього, я вважав за можливе підвищити напругу на вимірюваному конденсаторі, що дозволило зменшити похибку вимірювання. З пропонованою приставкою прилад в режимі вимірювання ємності та ЕПС має наступні характеристики:
В основу вимірювання ємності та ЕПС покладено принцип зарядки вимірюваного конденсатора стабільним струмом та фіксація моментів досягнення напругою на ньому двох контрольних рівнів (порогів). Такий принцип використано у багатьох інших приладах, наприклад [3]. Структурно приставка, що розглядається, повторює вимірювальну частину цього приладу.
Схему приставки зображено на рис. 1. Порівняно з [3] до неї внесено такі зміни: - Видалені діоди, які повинні захистити елементи пристрою від пошкодження при підключенні до нього зарядженого конденсатора великої ємності. Причин дві. По-перше, на думку автора, свою захисну функцію виконують дуже обмежено. Наприклад, від випадково підключеного до пристрою конденсатора ємністю кілька тисяч мікрофарад, зарядженого до напруги 50 і більше, вони все одно не врятують. По-друге, діоди не дозволяють зробити напругу на вимірюваному конденсаторі більшим, ніж рівень їхнього відкривання. При відмові від діодів захисну функцію у межах можна реалізувати з допомогою транзистора VT3 при належному управлінні ним із боку микроконтроллера. А з точки зору безпеки роботи з приладом правильним буде перед тим, як підключати до приладу конденсатор великої ємності (особливо високовольтний), обов'язково розрядити його; - у приставці використано лише один генератор стабільного струму (ГСТ), який забезпечує вимірювання у всьому зазначеному вище інтервалі ємності. Він відрізняється від вихідного вищою стабільністю вихідного струму. Це досягнуто за рахунок застосування в ньому паралельного інтегрального стабілізатора напруги підвищеної точності транзистора з великим коефіцієнтом передачі струму бази. Крім того, збільшено вихідний струм ГСТ, що зменшило похибку вимірювання (особливо ЕПС), пов'язану зі струмом витоку конденсатора. Управління роботою приставки, обробку сигналів, що надходять від неї, і необхідні розрахунки виконує мікроконтролер комбінованого приладу. Відлік інтервалів часу ведуть його 32-розрядні таймери, що тактуються з частотою 32 МГц, що забезпечує не тільки високу точність вимірювань, а й велику теоретичну верхню межу вимірюваної ємності (кілька фарад). Однак досягнення такої межі на практиці утруднено тим, що швидкість наростання напруги на конденсаторі, що вимірюється, зі збільшенням його ємності стає дуже малою, внаслідок чого зростає похибка визначення компаратором моменту досягнення порога. Тому максимальна ємність, що вимірюється програмно обмежена значенням 99999 мкФ, чого цілком достатньо для більшості практичних цілей. Після підключення приставки до приладу та переведення його в режим вимірювання ємності та ЕПС мікроконтролер відкриває транзистор VT3 та закриває транзистор VT1, чим вимикає ГСТ. На входи компараторів мікросхеми DA2, що інвертують, подані зразкові напруги з дільника R4-R6, що задають пороги їх спрацьовування (U1≈0,25; U2≈0,5 В). На виходах обох компараторів у вихідному стані встановлено логічно низькі рівні напруги. Далі вимірюваний конденсатор Cx підключають до роз'єму X1 приставки та натисканням відповідної клавіші на приладі запускають процес вимірювання. Протягом трьох секунд після запуску програма утримує транзистор VT3 у відкритому стані, щоб видалити можливий залишковий заряд вимірюваного конденсатора, після чого закриває цей транзистор і відкриває транзистор VT1, включаючи ГСТ. З цього моменту вихідний струм ДСТ Iст починає заряджати конденсатор Cx. Вхідний струм компараторів можна не враховувати, оскільки порівняно з Iствін надзвичайно малий. У процесі заряджання напруга на конденсаторі зростає за лінійним законом. Одночасно з включенням ГСТ програма запускає два 32-розрядні таймери мікроконтролера, щоб визначити тривалість наростання напруги на конденсаторі до порогів спрацювання компараторів. У момент спрацьовування кожного компаратора рівень напруги з його виході стає високим. Зафіксувавши це, програма зупиняє таймер. Після спрацьовування обох компараторів процес вимірювання закінчується, програма закриває транзистор VT1, вимикаючи цим ГСТ, і відкриває VT3, розряджаючи через відкритий канал вимірюваний конденсатор, щоб підготувати приставку до наступного циклу вимірювання. Потім вона виконує розрахунок ємності та ЕПС та відображає отримані результати на екрані РКІ комбінованого приладу. Формула розрахунку ємності: C = Iст (t2 - т1)/(U2 - У1) де t1, Т2 - моменти досягнення напругою на вимірюваному конденсаторі відповідно першого та другого порогових рівнів; U1, АБО2 - напруги першого та другого порогових рівнів. Після обчислення ємності програма розраховує ЕПС. Методику його розрахунку ілюструють графіки на рис. 2. Червона лінія на ньому – графік зарядки реального вимірюваного конденсатора. Через наявність ЕПС напруга на ньому в момент початку зарядки стрибком збільшується до UR - падіння напруги на ЕПС конденсатора при протіканні за ним зарядного струму Icr. Порогових значень U1 і U2 напруга на конденсаторі досягає відповідно у моменти t1 і t2. Синьою лінією показаний графік зарядки ідеального конденсатора тієї ж ємності (нагадаємо, що ємність вже виміряна). Оскільки ЕПС ідеального конденсатора дорівнює нулю, напруга на конденсаторі починає лінійно наростати з нульового значення. Синя лінія йде паралельно червоною, оскільки зарядний струм Iст стабілізовано та від ЕПС не залежить. Напруга на ідеальному конденсаторі досягла б рівня U2 у момент часу t3, який можна визначити за формулою t3 = У2 · Сx/Iст. Тепер розглянемо два трикутники ABC та A'B'C. Вони подібні, отже, можна скласти пропорцію: B'C/BC = A'C/AC
З рис. 2 слідує, що: BC = t2; AC = U2 - УR; В'С = t3; А'С = U2. Підставивши ці значення у наведену вище пропорцію, отримаємо t3 / т2 = У2 / (U2 - УR). З урахуванням формули для обчислення t3 після нескладних перетворень легко визначити, що падіння напруги на ЕПС дорівнює UR = У2 -ст (t2/Cx). І нарешті, потрібне значення ЕПС отримаємо, розділивши на Iст ліву та праву частини попередньої формули: R = (U2/Iст) - (t2/Cx). Цей розрахунок можна проводити і першим порогом, замінивши змінні U2 і t2 відповідно на U1 і t1. Знайдені значення ємності та ЕПС вимірюваного конденсатора програма виводить на екран РКІ комбінованого приладу. Приставка зібрана на друкованій платі розмірами 30x60 мм, креслення якої показано на рис. 3. Вона розрахована на встановлення компонентів для поверхневого монтажу.
Усі резистори та конденсатори типорозміру 1206. До роз'єму XS1 приладу [1] приставку підключають плоским кабелем з вилкою Х2 (PLS8). До контакту 2 роз'єму XS1 повинна бути підведена напруга +5 від внутрішнього джерела живлення приладу. Замість транзистора ВС857С можна застосувати інший малопотужний транзистор структури р-п-р з коефіцієнтом передачі струму бази не менше 250, а замість транзистора ВС847С будь-який малопотужний транзистор структури npn. Обидва транзистори повинні бути в корпусі SOT23, інакше знадобиться переробка друкованої плати. Заміна транзистора IRLL024Z - польовий з ізольованим затвором та n-каналом. Він має бути розрахований на управління логічними рівнями напруги, мати опір відкритого каналу не більше 50...80 мОм, ємність затвора - не більше 500...850 пФ, допустимий постійний струм стоку - не менше 4 А. Мікросхема компаратора MCP6542-I /P можна замінити на LM293. Плату поміщають у будь-який зручний корпус. Як роз'єм X1 для підключення до приставки вимірюваного конденсатора зручно використовувати пружинні затискачі. Налагодження подібних пристроїв зазвичай найскладніший етап їх виготовлення. Усі прилади для вимірювання ємності та ЕПС, описи яких мені зустрічалися, вимагають точної добірки кількох деталей, а деякі (наприклад, [3]) ще й виконання ряду розрахунків та модифікації програми мікроконтролера під конкретний екземпляр виготовленого приладу. Це досить трудомісткий процес, тому при проектуванні приставки, що розглядається, я замінив апаратне налагодження вимірюванням значень визначальних параметрів і введенням їх в діючий пристрій для подальшого використання. Іншими словами, процес добірки деталей замінений операцією програмного калібрування. Результати калібрування зберігаються в EEPROM мікроконтролера комбінованого приладу, тому його достатньо виконати один раз. Для калібрування потрібно мультиметр, здатний вимірювати постійний струм 5...20 мА з точністю не менше двох десяткових знаків після коми і постійна напруга 0...2 В з точністю не менше трьох десяткових знаків після коми. Цим вимогам цілком задовольняють більшість недорогих цифрових мультиметрів. У мікроконтролер приладу повинна бути завантажена програма версії 2.05, що додається до статті. Приставку, до роз'єму X1 якої нічого не підключено, з'єднайте з приладом та подайте на нього живлення. На екран РКІ буде виведено головне меню, показане на рис. 4. Дайте приладу прогрітися дві-три хвилини для встановлення теплових режимів. У режим вимірювання ємності та ЕПС входять за третім натисканням на клавішу "ГН". Це не дуже оперативно та зручно, але на клавіатурі приладу вже давно немає вільних клавіш.
При першому переході в режим вимірювання ємності та ЕПС програма мікроконтролера, не знайшовши в його EEPROM значень коефіцієнтів калібрування, які можна правильно інтерпретувати, автоматично викличе підпрограму калібрування. Якщо цього не сталося, викличте її натисканням клавіші "2". Екран РКІ набуде вигляду, показаного на рис. 5.
Програма попросить по черзі ввести значення чотирьох параметрів: струму ГСТ, напруги першого і другого порогів і опору підключення, супроводжуючи запити докладним інтерактивним меню. Точне значення кожного параметра, що запитується, слід виміряти мультиметром і набрати на клавіатурі приладу. Струм ГСТ (Iст) вимірюють, підключивши мультиметр у режимі вимірювання струму до гнізда X1 приставки. Він повинен лежати не більше 10...25 мА. Напруга U1 вимірюють на виведенні 6 мікросхеми DA2. Допустимі межі - 0,2...0,32 В. Напруга U2 вимірюють на виведенні 2 тієї ж мікросхеми. Допустимі межі - 0,42...0,55 Ст. Значення опору підключення поки задайте нульовим. Це опір з'єднувальних проводів і контактів роз'ємів, за допомогою яких конденсатор, що вимірюється, підключений до приставки. Найчастіше воно можна порівняти з ЕПС цього конденсатора. Але про його облік поговоримо згодом. Після введення всіх необхідних параметрів на екрані на 2 с з'явиться напис "ВІДКАЛІБОВАНО" і прилад перейде в режим вимірювання ємності та ЕПС. Вигляд екрана РКІ після переходу в цей режим показано на рис. 6, а після виконання виміру - на рис. 7. Якщо виміряне значення ЕПС менше 0,01 Ом, виводиться воно рівним нулю.
Тепер прилад працездатний та дозволяє виконати останній етап калібрування визначення опору підключення. Для цього слід підключити до роз'єму X1 конденсатор ємністю 3300...4700 мкФ і натиснувши на кнопку "D", запустити вимірювання його ємності та ЕПС. Запам'ятавши виміряне значення ЕПС, слід повторити операцію, підключивши той же конденсатор безпосередньо до контактних майданчиків для цього роз'єму на друкованій платі приставки. Різниця двох отриманих значень ЕПС буде значенням опору підключення. Тепер залишилося перевести прилад у режим калібрування, натиснувши кнопку "2", і ввести у програму отримане значення. Прилад готовий до роботи. Час виконання одного виміру лежить в інтервалі 3...6 с. Воно не може бути менше 3 с, оскільки саме стільки часу у програмі відведено на розрядку конденсатора, що вимірюється. Ще трохи більше 3 з займає власне процес виміру. У ході вимірювань на екран приладу можуть бути виведені повідомлення про вихід вимірюваного значення ємності за верхню або нижню допустиму межу, а також про несправність приставки. Останнє свідчить про порушення роботи системи переривань мікроконтролера, яке може статися при будь-яких маніпуляціях з діючою приставкою за допомогою приладів, що мають мережне живлення. Для відновлення нормальної роботи комбінований прилад слід вимкнути та ввімкнути знову. Описана приставка дає можливість виміряти мале активне опір в інтервалі 0,01 ... 0,2 Ом, з чим прості мультиметри справляються погано. Для цього резистор, що вимірюється, слід підключити до роз'єму X1 послідовно з конденсатором, ЕПС якого виміряно заздалегідь. Після вимірювання ЕПС такого ланцюга з результату віднімають значення ЕПС конденсатора. Залишок - опір вимірюваного резистора. В інші режими роботи пристрій переводять натисканням на кнопки "ОС", "ЛА" або "ГН". Якщо у розпорядженні користувача є конденсатор, параметри якого відомі з високою точністю, доцільно виміряти їх за допомогою виготовленої приставки, щоб оцінити правильність її роботи. Якщо виявлено суттєві відмінності виміряних параметрів від відомих, слід шукати причини. Ними можуть бути несправні деталі або помилки вимірювання та введення в програму параметрів під час калібрування. Наявність несправних деталей або радикально в кілька разів спотворює результати виміру, або призводить до їх значних стрибків від виміру до виміру. Останнє притаманно нестабільно працюючих компараторів. При помилках вимірювання та введення калібрувальних параметрів результати виходять стабільними, але не відповідними істині. Саме ці помилки – основні джерела похибки приладу. Особливо сильно впливають результат помилкові значення порогів. Тут помилка на 2...3 мВ призводить до зміни виміряного значення ЕПС на кілька ом. Не маючи точного мультиметра, але за наявності еталонного конденсатора, похибку можна усунути експериментально, змінюючи калібрувальні параметри, що вводяться в невеликих межах. Програму мікроконтролера версії 2.05 та файл друкованої плати у форматі Sprint Layout 5.0 можна завантажити з ftp://ftp.radio.ru/pub/2017/02/2-05.zip. література
Автор: О. Савченко
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Годинник Huawei Watch D з тонометром та ЕКГ ▪ Ресторани завтрашнього дня від Burger King ▪ Твердотільні диски Samsung 3,2 ТБ NVMe з технологією 3D V-NAND ▪ Пеніцилін викликає зміни у поведінці
▪ розділ сайту Кольорові установки. Добірка статей ▪ стаття Страти не можна помилувати. Крилатий вислів ▪ статья Який народ користувався тривимірними картами, вирізьбленими з дерева? Детальна відповідь ▪ стаття Ідентифікація небезпек ▪ стаття Глазурі, емалі. Прості рецепти та поради
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page