Измеритель RLC USB

\главная\р.л. конструкции\разное\...

Измеритель RLC USB.

Все электронные детали содержат сопротивление, емкость или индуктивность или комбинацию их. Прибор, описанный в этой статье, обеспечивает измерение комбинации двух параметров одновременно.

Технические характеристики прибора

Прибор измеряет, следующие параметры и выводит одновременно на экран (рис. 14, 16):

- параллельную и последовательную индуктивность L_p, L_s;

- параллельную и последовательную емкость С_p, C_s;

- параллельное и последовательное сопротивление R_p, R_s;

- тангенс угла потерь D(tg d);

- добротность Q;

- импеданс Z.

Измеряемый параметр	Частота измеряемого сигнала
Измеряемый параметр	100 Гц	1 кГц	10 кГц
R	0.001 Ом - 20 Мом	0.001 Ом - 20 Мом	0.001 Ом - 20 Мом
L	2 мкГн - 20 кГн	0.1 мкГн - 2 кГн	0.01 мкГн - 200 Гн
C	2 рФ - 22 000 мкФ	0.05 пФ - 2200 мкФ	0.002* пФ - 220 мкФ

* при питании от ноутбука, не включенного в сеть.

Описание и работа .

В основу работы прибора положен метод вольтметра-амперметра т.е на измеряемом элементе измеряем напряжение и проходящий через него ток. Отношение комплексного напряжения и тока и есть измеряемое сопротивление. Структурная схема прибора приведена на рис . 1

Рис.1

Напряжение рабочей частоты от генератора подается на измеряемый объект, подключаемый к преобразователю Y ® U_T, U_H. Преобразователь формирует два напряжения, одно из которых (U_T)пропорционально току, протекающему через измеряемый объект, другое (U_H) – напряжению на нем. Отношение этих напряжений равно комплексному сопротивлению (Z) объекта. Измерение отношения напряжений проводится аппаратно-программным логометром.

Аппаратная часть логометра состоит из коммутатора, масштабного усилителя, фильтра низкой частоты, аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В программной части дискретная рабочая частота дополнительно пропускается через цифровой фильтр (полосовой КИХ - фильтр) и итогом работы программной части логометра является расчет отношений напряжений. Получаем комплексное сопротивление Z=R+i*X, где R- активное сопротивление, а X реактивное сопротивление. Последовательное сопротивление R_s=R. Если X<0 то имеем последовательную емкость C_s= 1/(2*3.14*f*X). При X>0 имеем последовательную индуктивность L_s=X/(2*3.14*f ), где f - частота измерения. Добротность вычисляется Q=X/R, а тангенс угла потерь D=1/Q.

Схема устройства приведена на рис.2

В зависимости от выбранного режима цифро-аналоговым преобразователем DA5 формируется синус с частотой 100 Гц, 1кГц, 10 кГц. Сигнал фильтруются фильтром низкой частоты DA4 и подается на усилитель тока DA3. Микроконтроллер сигналами управления R_A, R_B, подаваемыми на коммутатор DA1, подключает один из с резисторов R4, R5, R6, R7 последовательно измеряемому элементу(Z), выбирая ток в зависимости от номинала последнего.

Падение напряжения на Z через резисторы R8, R31, DA8, R42 подается на вход инструментального усилителя DA10. Ток через Z снимается в виде напряжения с образцовых резисторов R23+R32,R28,R29,R30 . Один из резисторов в зависимости от величины тока подключен через коммутатор DA7 в обратную связь усилителя DA6. Напряжение через элементы R31, DA7, DA8, R42 подается также на вход усилителя DA10. С него сигнал поступает на масштабный усилитель DA11. В зависимости от уровня сигнала сигналами управления PGA0, PGA1 выставляется необходимый коэффициент усиления 1, 10, 100. На микросхеме DA9 собран активный фильтр низкой частоты(ФНЧ). Сигнал после масштабного усилителя и ФНЧ подается на АЦП DA12. Оцифрованные сигналы тока и напряжения через преобразователь интерфейса UART-USB (DD1) поступают на компьютер, где происходит дальнейшая фильтрация (цифровой КИХ фильтр) и обработка. Информация выводится на монитор компьютера.

Питание прибора производится от разъема miniUSB +5В. Напряжение +-7.2 В формируется импульсным преобразователем напряжения DA2. Предохранитель F2 защищает компьютер от коротких замыканий в приборе. Элементы F1, R8, VD2, R25, VD5 защищают элементы прибора при подключении не разряженных конденсаторов. Через микросхемы DA2 , DD2 происходит гальваническая развязка сигналов и питания для уменьшения помех поступающих на входные разъемы устройства.

Плата и детали.

Детали смонтированы на печатной плате из двухстороннего фольгированного текстолита. Плата выполнена по технологии “лазерного принтера и утюга”. Вкратце о примененной технологии изготовления двухсторонних плат: вырезается плата с размерами 5x15 см. Защищается мелкозернистой шкуркой. Обезжиривается. Переводится одна из сторон печатки на плату. На противоположных краях платы сверлятся два отверстия A (см. рис. 4) сверлом 0.4-0.5 мм. Эти же отверстия прокалываются на переводимой бумаге второй стороны. Бумагу кладем на плату и 2 иголками через проколотые отверстия ловим просверленные отверстия на плате. Переводим вторую сторону печатки. Травим. Не на сквозь сверлим переходные отверстия с одной стороны. Досверливаем их с другой стороны( сначала под прямым углом потом можно при необходимости немного наклонить). При такой технологии удается компенсировать не совпадение осей отверстий и разрывов проводников при выходе сверла из платы. В переходные отверстия монтируются отрезки луженого провода. Рисунки печатных плат в файле печатка.pdf. Их необходимо распечатать без масштаба, т. е 1:1.

В устройстве использованы в основном элементы для поверхностного монтажа: резисторы типоразмеров 0805; конденсаторы 0603, 0805,1210; оксидные конденсаторы – танталовые для поверхностного монтажа. Конденсаторы C51, C65 типа К73-17 на 63В. Микроконтроллер ATmega88 заменим на ATmega168. Дифференциальный усилитель INA126 заменим на INA128, INA129, AD620 без переделки платы. В этом случае необходимо подобрать сумму резисторов R43 и R44 (при применении INA126 они не устанавливаются) для получения усиления 5. Усилители TL072, TL071 заменимы на TL082, TL081. Резисторы R30, R29, R28 ,сумма R23 и R32 имеют отклонение от номинала 0.1%. Отношение резисторов R49/R49 и R55/R56 должно быть в пределах 9.99…10.01, а R55/R56 и R59/R60 в пределах 9.9…10.1. Преобразователь AM1D-0507 заменим на AM2D-0507 или аналогичный с частотой преобразования выше 100 кГц и токами +-50 мА. Разъемы, соединяющие платы изготовлены из PLD-14 и PBD-14. Их необходимо разрезать и обработать края напильником для получения 3-х и 9-и контактных разъемов. Предохранители F1, F2 типа ESF.

Верхняя и нижняя крышка корпуса сделана из одностороннего текстолита. Боковая состоит из двух полосок железа (банка сгущенки) шириной 12 мм , соединенных винтами( рис.18).

Монтаж и настройка.

Прибор состоит из двух плат соединенных между собой через разъемы (рис.18, 19). Через них же производится программирование микроконтроллеров . Нумерация выводов для программирования ,соответствующая рис. 3, а также расположение элементов показано на рис. 4, 5.

Рис.3

image description

Рис.4

image description

Рис.5

Монтаж устройства производим в следующей последовательности:

1. DD1 и обвязка. Прошиваем DD1 прошивкой AVR309_ATmega8.hex.

Рис.6 Рис.7

Конфигурационные ячейки на рис .6 и 7. Подключаемся к порту USB. Компьютер должен увидеть подключенное устройство как “AVR309:USB to UART protocol convertor”. Устанавливаем драйвера из папки Driver. Более подробная информация по установке драйверов и устройству AVR309 в файле http://www.gaw.ru/data/Atmel/avr/AVR309.zip .

2. DA2 и обвязка. Убеждаемся в наличии питания +-7.2…9 В.

3. Монтируем оставшиеся элементы на маленькую плату.

4. Соединяем платы. Монтируем VT1, C13, C7, C9, C14, R9, C12, C8, VD7, R54, C64, C66, C52, C53, R40. Проверяем стабилизированное питание +5В, +2.5В.

5. Монтируем дополнительные фильтры питания R11, C20, C17, R12, C18, C21 и т.д. Убеждаемся в наличии питания на выводах питания аналоговых микросхем +-7.2…9 В.

6. DD3, R22, ZQ2, C34, C35. Прошиваем DD3 прошивкой Uotladka.hex. Новый ATmega88 можно прошить AVRprog V1.40, встроенным AVR Studio 4. Для этого в настройках выбираем ATmega8.

Конфигурационные ячейки на рис. 8 и 9.

Рис.8 рис.9

7. DA5. Контролируем синус на выводе 1.

8. DA3, DA4 и обвязка. Контролируем синус на выводе 6 DA3 с размахом 1.0 В. Подбираем резистором R21.

9. DA1, R4, R5, R6, R7, F1, R1, R24, R8, VD2, R31, DA8, R42. Замыкаем временно P1 и P2, также P3 и P4 садим на землю. Контролируем синус на выводе 5 DA8 и 3 выв.DA10.

10. DA10, DA11, DA9 и обвязка. Контролируем прохождение сигнала на выв. 6 DA10, выв.1, 7 DA7, выв.1, 7 DA9. На выв. 7 DA9 должен быть неискаженный синус с амплитудой около 2.3 В относительно +2.5 В. Припаиваем DA12, R51, VD6, C65.

11. Прошиваем DD3 прошивкой Jotladka.hex. P3 и P4 отсоединяем от земли. Замыкаем P1, P2, P3, P4 между собой. Монтируем DA7, DA6 и обвязка. Убеждаемся в прохождении сигнала на верхнем выводе C65. Напряжение на выводе 2 DA6 должно быть близко к нулю.

12. Прошиваем DD3 рабочей прошивкой LCR_USB_V1.0.hex.

13. Монтируем входные разъемы. Конструкция входных разъемов взята с http://www.pro-radio.ru/measure/6873/. Внешний вид на рис. 10, 11, 12, 13. Пинцет сделан из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита. Разводка рисунка в файле Щупы.pdf. Вторая сторона - сплошной экран.

Рис.10

Рис.11

Рис.12 рис.13

Работа с прибором.

Подключив прибор, запускаем программу LCR.exe. Запуститься окно на рис.14. В окошке частота измерения выбираем частоту сигнала, а в окошке правее -размах синуса, подаваемого на измеряемый элемент. На каждой частоте при разомкнутых контактах нажимаем на кнопку “с разомкнутыми щупами”. Замкнув входные выводы, также на каждой частоте нажимаем на туже кнопку. Данные о входном импедансе щупов сохранятся. Прибор готов к работе. В разделе настройки можно вручную менять режимы измерения, вкл. и выкл. цифровой КИХ фильтр(на рис.15 включен, а на рис.14 выключен), и изменять длину фильтра ”Бегущего среднего”. При измерении малых емкостей и индуктивностей можно выбрать отображение ”только емкость” или “только индуктивность”, чтобы контролировать уход “нуля” и в минус. При первом включении программа создаст файл bob1.DAT. В нем будут, сохраняются калибровочные данные прибора. При включении прибора на другом компьютере не забываем перенести данный файл в каталог с программой.

Корректировка.

Для более точных показаний прибор можно дополнительно прокалибровать. В разделе настройки на каждой частоте и режиме возможна корректировка фазы сигнала напряжения относительно сигнала тока. До корректировки фазы необходимо включить режим ”сопротивление со знаком” и выключить КИХ фильтр. Для компенсации отклонений образцовых резисторов, частоты кварца возможна корректировка значении L и C на “прямую”( рис.15). Расчетное значение емкости умножается (индуктивности делится) на данный коэффициент.