Измеритель емкости
(самый простой цифровой измеритель емкости на микроконтроллере AVR)
Обнаружив в интернете статью Digital Capacitance Meter, я захотел собрать этот измеритель. Однако под рукой не оказалось микроконтроллера AT90S2313 и светодиодных индикаторов с общим анодом. Зато были ATMEGA16 в DIP-корпусе и четырехразрядный семисегментный жидкокристаллический индикатор. Выводов микроконтроллера как раз хватало на то, чтобы подключить его к ЖКИ напрямую. Таким образом, измеритель упростился всего до одной микросхемы (на самом деле, есть и вторая – стабилизатор напряжения), одного транзистора, диода, горстки резисторов-конденсаторов, трех разъемов и кнопки.Прибор получился компактный и удобный в использовании. Теперь у меня нет вопросов о том, как измерить емкость конденсатора. Особенно это важно для SMD-конденсаторов с емкостями в несколько пикофарад (и даже в доли пикофарада), которые я всегда проверяю перед тем, как в паять в какую-нибудь плату. Сейчас выпускается множество настольных и портативных измерителей, производители которых заявляют о нижнем пределе измерений емкости в 0.1 пФ и достаточной точности измерений таких малых емкостей. Однако во многих из них измерения проводятся на довольно низкой частоте (единицы килогерц). Спрашивается, можно ли получить приемлемую точность измерений в таких условиях (даже если параллельно измеряемому подключить конденсатор большей емкости)? Кроме того, в интернете можно найти довольно много клонов схемы RLC-метра на микроконтолллере и операционном усилителе (той самой, что с электромагнитным реле и с одно- или двухстрочным ЖКИ). Однако такими приборами малые емкости померить «по-человечески» не удается. В отличие от многих других, этот измеритель специально спроектирован для измерения малых значений емкости.
Что касается измерения малых индуктивностей (единицы наногенри), то я для этого с успехом использую анализатор RigExpert AA-230, который выпускает наша компания.
Фотография измерителя емкости:
Параметры измерителя емкости
Диапазон измерения: от 1 пФ до примерно 470 мкФ.
Пределы измерения: автоматическое переключение пределов – 0…56 нФ (нижний предел) и 56 нФ … 470 мкФ (верхний предел).
Индикация: три значащие цифры (две цифры для емкостей меньших, чем 10 пФ).
Управление: единственная кнопка для установки «нуля» и калибровки.
Калибровка: однократная, при помощи двух образцовых конденсаторов, 100 пФ и 100 нФ.
Схема
Большая часть выводов микроконтроллера подключена к ЖКИ. К некоторым из них также подключен разъем для внутрисхемного программирования микроконтроллера (ByteBlaster). Четыре вывода задействованы в схеме измерения емкости, включая входы компаратора AIN0 и AIN1, выход управления пределами измерения (при помощи транзистора) и выход выбора порогового напряжения. К единственному оставшемуся выводу микроконтроллера подключена кнопка.
Стабилизатор напряжения +5 В собран по традиционной схеме.
Индикатор – семисегментный, на 4 знака, с прямым подключением сегментов (т.е. не-мультиплексный). К сожалению, на ЖКИ не было маркировки. Такую же цоколевку и размеры (51×23 мм) имеют индикаторы многих фирм, например, AND и Varitronix.
Схема приведена ниже (на схеме не показан диод для защиты от «переполюсовки», через него рекомендуется подключить разъем питания):
(нажмите, чтобы увеличить)
Программа микроконтроллера
Поскольку ATMEGA16 – из серии «MEGA», а не из серии «tiny», особого смысла писать ассемблерную программу нет смысла. На языке Си удается сделать ее гораздо быстрей и проще, а приличный объем flash-памяти микроконтроллера позволяет пользоваться встроенной библиотекой функций с плавающей точкой при расчете емкости.
Микроконтроллер проводит измерение емкости за два шага. В первую очередь, определяется время заряда конденсатора через резистор сопротивлением 3.3 МОм (нижний предел). Если необходимое напряжение не достигнуто в течение 0.15 секунд (что соответствует емкости около 56 пФ), заряд конденсатора повторяется через резистор 3.3 кОм (верхний предел измерения).
При этом микроконтроллер сперва разряжает конденсатор через резистор сопротивлением 100 Ом, а затем заряжает его до напряжения 0.17 В. Только после этого замеряется время заряда до напряжения 2.5 В (половина напряжения питания). После этого, цикл измерения повторяется.
При выводе результата на выводы ЖКИ подается напряжение переменной полярности (относительно его общего провода) с частотой около 78 Гц. Достаточно высокая частота полностью устраняет мерцание индикатора.
Использовался компилятор WinAVR (AVR-GCC) и программатор AVRISP mkII. Микроконтроллер можно запрограммировать и при помощи AVReAl, но придется подобрать параметры командной строки.
Конструкция
Измеритель собран на отрезке макетной платы. Как микроконтроллер, так и ЖКИ имеют 40-выводный корпус с шагом выводов 2.54 мм и разным расстоянием между рядами. Благодаря этому можно установить их друг под другом:
При этом уменьшается размер платы и упрощается монтаж, поскольку большинство выводов соединено между собой короткими проводниками. Для того, чтобы появилась возможность использовать для этого провод без изоляции, контактные площадки между рядами выводов можно удалить:
На той же стороне платы, что и микроконтроллер и ЖКИ, размещены транзистор, разъем программирования и разъем питания. Здесь же находится разъем для подключения измеряемой емкости (отрезок панельки для микросхем) и контакты для подключения емкостей в SMD-корпусе (выполнены из изогнутых отрезков провода без изоляции). Чем меньше длина соединительных проводов в цепях измерения, тем выше стабильность показаний, особенно, для емкостей в единицы пикофарад. По этой же причине все резисторы и конденсаторы – в SMD-исполнении.
Кварцевый резонатор, микросхема стабилизатора, диод и резисторы-конденсаторы установлены на стороне монтажа:
При помощи четырех стоек плата закреплена на основании, снабженном резиновыми ножками.
Работа с измерителем емкости
Для того, чтобы определить емкость неизвестного конденсатора, нужно просто подключить его к измерителю. Предел измерений будет выбран автоматически, отображая «p» – пикофарады, «n» – нанофарады и «μ» – микрофарады. Также, будет меняться положение десятичной точки. При подключении слишком большой емкости на ЖКИ будет выведено «999μ».
Нижний и верхний пределы измерения переключаются при значении емкости около 56 нФ. При подключении такой емкости возможны незначительные скачки показаний, поскольку два разных предела измерений калибруются при помощи разных образцовых конденсаторов.
Калибровка и установка «нуля»
Если при включении питания держать кнопку нажатой, измеритель перейдет в режим калибровки. При этом на ЖКИ загорится надпись «CAL». Затем, отобразится значение «100p». При этом нужно подключить к измерителю емкость 100 пФ и нажать кнопку. Далее появится значение «100n» – нужно подключить конденсатор емкостью 100 нФ и еще раз нажать кнопку. После этого измеритель перейдет в обычный режим.
Установка «нуля» происходит при нажатии кнопки в режиме измерения (на ЖКИ отобразится значение «000»). Она необходима для того, чтобы скомпенсировать емкость монтажа (несколько пикофарад).
Файлы
Денис Нечитайлов, UU9JDR
05.02.2008
P.S. от 7.11.2009:
Ссылки по теме:
Цифровой измеритель ёмкости – японская статья, переведенная на русский язык
Цифровой измеритель ёмкости elm-chan`а – обсуждение схемы
Измеритель ёмкости – конструкция на PIC-контроллере
Измеритель емкости и частотомер на AVR микроконтроллере
P.S. от 18.11.2009:
Меня не раз спрашивали, как переделеть этот измеритель для подключения к светодиодным индикаторам. Отвечаю: Светодиодные индикаторы, как и ЖКИ с контроллером (а также черно-белые ЖКИ от всяческих телефонов) не обеспечивают того качества «картинки», которое меня устроило бы. Поэтому предлагаю не мучаться, а сходить на ближайший радиобазар или в ближайшую фирму, торгующую электронными компонентами, и купить такой же индикатор, какой я поставил в свой измеритель.
P.S. от 29.03.2010:
Ссылки по теме:
Измеритель емкости конденсаторов от 1пФ до 470 мкФ – статья на сайте Easy Electronics с печатной платой и расстановкой фьюзов для программатора AVRDUDE (игнорируем замечание узколобых юзеров о якобы невозможности компенсации емкости разъема а также очередное предложение поставить другой индикатор).
На этой же странице – схема измерителя емкости с увеличенным пределом измерений, программа. Другой ЖКИ.