В статье описывается аналог измерителя емкости и ЭПС электролитических конденсаторов, опубликованного здесь, сконструированный в формате пробника аналогично миллиомметру. Кроме того, в нем применен более современный и менее дорогой микроконтроллер PIC16F690. Все параметры и возможности прибора, а так же, порядок работы с ним ничем не отличаются от второй версии прибора.
Схема устройства приведена на рисунке ниже.
Остановимся только на отличиях от схемы второй версии. Входные цепи защиты не претерпели никаких изменений. Изменены номиналы резисторов R6, R7 на более «ходовые» при сохранении коэффициента усиления ОУ. Из-за ограниченного количества портов ввода-вывода примененного МК пришлось организовать питание ОУ через ключ на транзисторе VT2, который остается открытым при наличии отрицательных импульсов на выводе 10 МК (порт RB7) от системы динамической индикации. Благодаря элементам R14, VD4, C3, R8 при наличии этих импульсов на затворе VT2 поддерживается напряжение менее 1В, достаточное для удержания его в открытом состоянии, и на ОУ поступает питание 3.3 Вольт. В спящем режиме на выводе 10 МК присутствует высокий потенциал, ключ VT2 закрывается и, тем самым, ОУ не потребляет тока от батареи.
По той же причине нехватки выводов МК роль входа АЦП, подключенного ко входу прибора непосредственно, минуя ОУ (требуется для анализа условий выхода из спящего режима), выполняет порт RA4 (AN3) через резисторы R1, R10.
Индикатор подключен к МК непосредственно (обоснование корректности такого подключения для данной схемы организации динамической индикации дано в первой версии прибора). Измерение напряжения питания (RC0/AN4) и определение типа индикатора аналогичны упомянутому выше миллиомметру.
Это, пожалуй, все отличия в работе схемы данного прибора от второй версии.
Все детали устройства, включая щуп XN1, установлены на печатной плате размерами 35 на 93 миллиметра, изготовленного из фольгированного стеклотекстолита с односторонней металлизацией. Рисунок и расположение элементов со стороны металлизации и схема расположения элементов с противоположной стороны даны ниже.
Конструкция щупов повторяет оную отсюда. При замене ОУ на MCP602 увеличится погрешность измерения ЭПС емкостей менее 4.7 мкФ. Транзистор VT2 можно заменить на AO3401. Резисторы R5 – R7, R9 и R11 должны быть с допуском не хуже 1%. Для уменьшения пульсаций по питанию, дроссели L1 и L2 следует устанавливать на плате так, чтобы плоскости их витков были взаимно перпендикулярны. Индикатор может быть как с ОА, так и с ОК.
Фотографии собранного устройства.
Программа МК написана на языке C и оттранслирована в среде MikroC.
В прилагаемом архиве исходники кода и платы, а так же Proteus модель.
Описание работы прибора
РЕЖИМ ОЖИДАНИЯ. При неподключенных щупах прибор переходит в режим ожидания и на экране попеременно загораются средние сегменты 2-го и 3-го разрядов. В этом режиме, через 8 секунд и далее, каждые 16 с, в течении 2 с индицируется напряжение батареи питания в виде “bAtt”+”uX.XX” (здесь и далее запись вида “XXXX”+”YYYY” означает попеременную индикацию “XXXX” и “YYYY” с интервалом 0.5 с), где Х.ХХ – напряжение элемента питания. Если к прибору ничего не подключено в течении 60 с, он переходит в спящий режим (выключается) с полным гашением индикатора. В таком состоянии прибор может находиться сколь угодно долго, пока щупы не будут замкнуты между собой либо не будет к ним подключен измеряемый элемент.
РЕЖИМ ОЖИДАНИЯ+РАЗРЯЖЕННАЯ БАТАРЕЯ. Если напряжение батареи питания менее 1.1 В, слегка меняется первая индикация напряжения батареи через 8 с после перехода в режим ожидания – “bat.L”+”uX.XX”, а сразу после этого прибор «засыпает», то есть через 10, а не 60 секунд. При напряжении батареи менее 1.0 В, прибор выключается и включается только после замены элемента питания.
ИЗМЕРЕНИЕ КОНДЕНСАТОРА. При подключении к щупам измеряемого конденсатора, на экране будут выводиться данные типа “cXX.X”+”rX.XX” (собственно, емкость и сопротивление). Первая часть может принимать следующие другие значения: “cXXX” – емкость 1 – 999 мкФ; “XXXX” – емкость 1000 – 9999 мкФ; “F.XXX” – емкость 0.01 – 0.999 Ф; “F.99ˉ” – емкость >0.999 Ф. Вторая часть может принимать следующие другие значения: “rXX.X” – при измерении применялся второй предел тока – 1 мА; “rXXX” — при измерении применялся третий предел тока – 0.1 мА. Все численные значения второй части означают сопротивление в Ом-ах. При слишком малой емкости или слишком большом сопротивлении выводится “c __”+”r99ˉ”.
ИЗМЕРЕНИЕ РЕЗИСТОРА. При подключении к щупам резистора, на экране будут выводиться данные типа “RES_”+”rX.XX”. Другие значения второй части аналогичны предыдущему случаю.
ВНУТРИСХЕМНЫЙ МИЛЛИОММЕТР. Если держать щупы замкнутыми (либо с подключенным резистором) непрерывно в течении 30 сек, то прибор начнет индицировать сообщение типа “dir_” + “_rES”, что означает переход в режим измерения малых сопротивлений при постоянном измерительном токе. Переход в этот режим происходит при размыкании щупов не позднее 4 секунд после появления сообщения. Смены величин каждую секунду здесь не происходит, непрерывно индицируется измеряемое сопротивление. В этом режиме стабильность и точность измерения выше. Измерительный ток 10 мА подается на щупы постоянно (если они разомкнуты, ток течет через диоды VD1, VD2). При этом на результат практически не влияют емкости, подключенные параллельно измеряемой цепи, а так же, при измерении активного сопротивления катушек и трансформаторов, их индуктивность. Диапазон измерений 0.00 – 9.00 Ом, при превышении его прибор индицирует “r.99ˉ”. В этом режиме работа прибора аналогична работе миллиомметра, только дискретность измерений не 1 мОм, а только 10 мОм, но больше предел измерений – 9 Ом против 3.6 Ом. Выход из режима происходит при нахождении прибора с разомкнутыми щупами в течении двух минут.
КАЛИБРОВКА. Этот режим включается, если при появлении сообщения “dir_” + “_rES” из предыдущего пункта не размыкать щупы более 4 секунд. Надпись на две секунды сменяется на “CALI”+”CALI“ (что означает несменяемую надпись), затем, приглашение разомкнуть щупы “OPEn”+”Prob” (Open probes). Если после этого не размыкать щупы в течении 10 с, происходит аварийный выход (“CALI” + “Err_” на 2 с) и переход прибора в спящий режим с выходом по размыканию, так как, это интерпретируется как случайное замыкание щупов во время хранения. Если же вовремя разомкнуть щупы, то через 3 с прибор предложит их опять замкнуть: “CLOS”+”Prob” (Close probes). Опять же, не позднее 10 с надо надежно замкнуть щупы прибора. В процессе калибровки во время размыкания щупов происходит калибровка первого предела тока (10 мА), а во время замыкания – вычисляется собственное сопротивление проводов и щупов, которое потом будет вычитаться от измеренного значения ESR/R. Если в последнем случае не замыкать щупы более 10 секунд, сопротивление щупов сохранится как нулевое. Далее, происходит переход в режим коррекции показаний значения емкости до 20% с шагом 1% как в большую, так и в меньшую стороны. После 3-х секундного уведомления о режиме («c.Cor»+»c.Cor») высвечивается текущее значение коррекции в процентах (0+- 1….20), тоже на 3 секунды, после чего предлагается разъединить щупы — “OPEn”+”Prob” (Open probes). Если этого не делать шесть секунд, выходим из режима не меняя текущего значения. При размыкании же щупов, значение коэффициента ежесекундно меняется по кругу пробегая от -20 до 20 с шагом 1. Для изменения значения коррекции нужно замкнуть щупы в момент индикации нужного значения. Если ничего не делать в течении 2 минут, процесс заканчивается с исходным коэффициентом. Значение по умолчанию 0%. Необходимое значение коэффициента рассчитывается путем измерения эталонной емкости. Результат калибровки записывается в EEPROM (энергонезависимой памяти) и сохраняется даже при отключении батареи питания.
ИЗМЕРЕНИЕ ИОНИСТОРОВ. Особенность возникает при подключении к прибору заряженного ионистора. Предположим, к прибору подключен ионистор емкостью 0.47 Ф, заряженный до 4 В (не забываем про предельную энергию в 10 Дж!). Разряд его прибором до требуемых для начала измерения 50мВ займет примерно 10 с! В это время прибор информирует пользователя о процессе разряда ионистора: “ion_”+”Uˉ-_”. Однако, здесь есть один нюанс: прибор сможет определить подключенный заряженный ионистор только если его положительный вывод соединен с верхним по схеме контактом входного разъема S1, а отрицательный – с нижним. В противном случае, прибор определит его как резистор с нулевым сопротивлением. При этом, все равно, примерно через 15 — 20 с ионистор разрядится и прибор измерит его параметры. Это единственный случай, когда для устройства имеет значение полярность подключения щупов, хотя корректная работа прибора сохраняется в любом случае.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DD1 | МК PIC 8-бит | PIC16F690 | 1 | DIP | ||
| DA1 | Операционный усилитель | MCP6022 | 1 | SOP-8 | ||
| DA2 | DC-DC | NCP1402SN33 | 1 | |||
| HL1 | Индикатор | FYQ3641BH | 1 | FYQ3641AH | ||
| VT1 | MOSFET-транзистор | IRLML2502 | 1 | |||
| VT2 | MOSFET-транзистор | IRLML6401 | 1 | AO3401 | ||
| VD1, VD2 | Выпрямительный диод | HER508 | 2 | HER507 | ||
| VD3 | Стабилитрон | 1N4728A | 1 | 3 — 3.9 V | ||
| VD4 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 1 | |||
| VD5, VD6 | Диод Шоттки | 1N5817 | 2 | |||
| L1 | Дроссель | 47 мкГн | 1 | 47 — 68 мкГн | ||
| L2 | Дроссель | 33 мкГн | 1 | > 33 | ||
| C1 | Конденсатор | 1500 пФ | 1 | |||
| C2 | Конденсатор | 47 пФ | 1 | |||
| C3, C5, C8 | Конденсатор | 1 мкФ | 3 | SMD 1206 | ||
| C4 | Конденсатор | 10 мкФ | 1 | SMD 120ò | ||
| C6 | Электролитический конденсатор | 220 мкФ 10В | 1 | |||
| C7 | Электролитический конденсатор | 47 мкФ 10В | 1 | |||
| R1 | Резистор | 3.3 Ом 5Вт | 1 | |||
| R2 | Резистор | 680 Ом 1Вт | 1 | |||
| R3 | Резистор | 1.2 МОм | 1 | |||
| R4 | Резистор | 100 Ом | 1 | SMD 0805 | ||
| R5 | Резистор | 2 Ом 0.5 Вт | 1 | 0.5 % | ||
| R6 | Резистор | 1.5 кОм | 1 | 0.5 % | ||
| R7 | Резистор | 47 кОм | 1 | 0.5 % | ||
| R8 | Резистор | 300 кОм | 1 | SMD 0805 | ||
| R9 | Резистор | 33 кОм | 1 | 0.5 % | ||
| R10 | Резистор | 220 Ом | 1 | |||
| R11 | Резистор | 3.3 кОм | 1 | 0.5 % | ||
| R12 | Резистор | 82 кОм | 1 | SMD 0805 | ||
| R13 | Резистор | 1 кОм | 1 | SMD 0805 | ||
| R14 | Резистор | 330 Ом | 1 | SMD 0805 | ||
| R15 | Резистор | 10 кОм | 1 | SMD 0805 | ||