Измеритель LCF
|
| |||
  |
LCF-метр, это измеритель индуктивности (от 10нГн до 3Гн), емкости (от 0.1пФ до 2мкФ) и частоты (от 10 Гц до 1.1ГГц). |
На протяжении многих лет разработка частотомеров и электронных шкал занимает по популярности среди радиолюбителей одно из ведущих мест. За это время данный прибор прошел путь от громоздких и прожорливых монстров на жесткой логике до компактных и экономичных устройств на микроконтроллерах. При этом в последнее время предлагаемые конструкции довольно похожи между собой и отличаются лишь названиями микроконтроллеров, на которых они сделаны. Еще одна популярная тема - измерители емкости и индуктивности. Радиолюбители, занимающиеся ВЧ схемотехникой, знают, что иногда при настройке той или иной конструкции необходим подбор катушек или конденсаторов. В этой ситуации наличие под рукой подобного прибора значительно облегчает задачу. Попытка авторов объединить два вышеупомянутых прибора привела к созданию LCF-метра - устройства, позволяющего измерять частоту, емкость и индуктивность.
Основные технические характеристики прибора:
| Чувствительность в диапазоне 1 (10Гц - 50МГц) со входа А, мВ | не хуже 50 |
| Входное сопртивление в диапазоне 1, МОм | 1,0±0,1 |
| Погрешность метода измерений в диапазоне 1, Гц | ±1 |
| Чувствительность в диапазоне 2 (50МГц - 1100МГц)со входа В, мВ | не хуже 50 |
| Входное сопртивление в диапазоне 2, Ом | 50±1 |
| Погрешность метода измерений в диапазоне 2, Гц | ±64 |
| Минимальная измеряемая емкость, пФ | 0,1 |
| Максимальная измеряемая емкость, мкФ | не менее 2 |
| Минимальная измеряемая индуктивность, нГн | 1,0 |
| Максимальная измеряемая индуктивность, Гн | не менее 3 |
Структурная схема прибора
Принципиальная схема измерителя LCF (TIFF CCITT4 300dpi, 40kb)
Полный текст статьи для журнала (PDF, 127kb)
Усилитель-формирователь 1-го диапазона частотомера рассмотрим подробнее, так как обычно радиолюбители не уделяют должного внимания этому ответственному узлу, и как правило ограничиваютя какскадом усиления на одном транзисторе, а в результате не получают возможности даже приблизится к промышленным измерительным приборам (Ч3-75, например). В основу схемы форирователя легла конструкция (2) в которой были заменены транзисторы дифференциального каскада, а также выходной ненасыщяющийся ключ - на каскад усилителя с ОЭ, т.к. предыдущий проявил склонность к возбуждению на частотах выше 40МГц. Формирователь состоит из входного аттенюатора R3, R4, C3, ограничителя VD3, VD4, услилителя с высоким входным сопротивлением VT1, дифференциального каскада VT3, VT4, усилителя VT6 и формирователя ТТЛ-уровня на элементах DD2.2 и DD2.5. В сток транзистора VT1 включен подстроечный резистор R9, с помощью которого балансируетя дифференциальный усилитель. Данная схема имеет небольшую сложность, малое потребление и высокие показатели чувствительности.
Большинство микроконтроллеров PIC позволяет измерять частоту со входа T0CKI выше гарантированных производителем 50МГц, примерно до 60 - 65 МГц.
2-й диапазон частотомера представлен предварительным делителем (прескалером) ф. Philips SA701D в типовой схеме включения делителя на 64. Наличие встроенного усилителя высокой чувствительности (5мВ на частоте 1ГГц) позволило отказаться от внешней схемы и сильно упростить конструкцию, к прочим достоинствам можно отнести малый ток потребления (6мА на частоте 1ГГц) и малые габариты. Элементы VT5, DD2.1, DD2.6, R10, R16 и R17 служат для преобразования сигнала в уровни ТТЛ. Входное сопротивление в этом диапазоне - 50 Ом, стандарт для подобных устройств (см. например технические характеристики счетчиков частоты CUB или SCOUT M40 от Optoelectronics). Проффесиональные частотомеры (Ч3-75) имеют входное сопротивление 1МОм до 1ГГц, но в радиолюбительских условиях обычно этого не требуется, и следовательно, нерационально в данной конструкции.
Для измерения емкости и индуктивности применен частотный метод, при котором измеряемый элемент включается в контур LC-генератора, полученная частота измеряется и зная эталонный элемент L или С можно вычислить искомый по формуле определяющей частоту колебаний контура: f=1/(2*PI*SQR(L*C)). LC-генератор собран на компараторе DA1, идея подобной конструкции принадлежит (1), и практически не претерпела изменений, за исключением замены компаратора LM311 на К554СА3 в корпусе DIP8 - IL311AN (производства ПО ИНТЕГРАЛ), и включении на выходе генератора буферного элемента DD2.4. Это дало возможность расширить верхний предел измерений L и C с 150мГн до 3Гн и с 1.5мкФ до 4мкФ соответственно. На оригинальном LM311 производства SGS-Thomson результаты были подобны полученным в (1). Так что рекомендуем применение отечественного компаратора. (Он веселее работает в режиме автогенератора :) Элементы L1 и C4 образуют основной колебательный контур, к которому подключается измеряемый элемент: индуктивность последовательно с L1, емкость параллельно C4. Переключатели S1 и S2 выбирают режим измерений L или C, если оба переключателя отжаты, то включается режим калибровки. В этом режиме входные клеммы замыкаются между собой, и с помощью реле в контур из элементов L1, C4 подключается эталонный конденсатор C5. По результатам измерений двух частот (с С5 и без него) вычисляются истинные значения образцовых элементов с учетом конструктивных емкостей и индуктивностей всего генератора, а также температурного дрейфа параметров элементов. Вычисленные значения используются в дальнейшем для вычисления значения измеряемого параметра. Измерением частоты и математическими вычислениями занимается микроконтроллер (PIC16C622 или PIC16F628) ф.MICROCHIP (DD4). Измеренная частота пересчитывается по формулам (1) в емкость или индуктивность. Математические библиотеки для вычислений с плавающей точкой взяты из (3). Для измерения частоты используется метод досчета (4), что позволяет измерять частоту до 50МГц с точностью ±1Гц.
Скорость счета во всех режимах - одно измерение в секунду. Тактирование микроконтроллера производится генератором с внешним кварцевым резонатором частотой 4МГц. Для повышения точности измерений рекомендуется использовать в качестве тактового опорный генератор от сотового телефона, мы использовали с частотой 14,85 МГц - как самые распространенные. При этом необходимо использовать микроконтроллер с соответствующей прошивкой для работы с новой тактовой частотой. Режимы работы переключаются с помощью переключателей S1, S2 и кнопок S3 - S5.
- S3 - режим отображения частоты (Гц/кГц/МГц). Позволяет выбрать наиболее удобный для восприятия результат измерений. В режиме измерения "L/C" выбор предела происходит автоматически.
- S4 - режим работы прибора: измерение частоты со входа А (10Гц - 50МГц), измерение частоты со входа B (50МГц - 1000МГц), измерение "L/C" (что именно, определяется положением S1 и S2)
- S5 - принудительная калибровка устройства. Автоматическая калибровка происходит при первой смене режима работы прибора с измерения частоты на измерение L или C.
Еще надо заметить, что распиновка SUNLIKE отличается от всех остальных (Wintek, Bolumin, DataVision) двумя выводами: 1-й +5В, 2-й 0В, у всех других наоборот! Почему так - неясно, надо просто запомнить. Настройка.
При наличии образцовых или эталонных приборов настройка измерителя достаточно проста. При настройке частотомера необходимо с помощью C17 установить точное значение частоты тактового генератора и при помощи R9 сбалансировать дифференциальный каскад VT3, VT4 так, чтобы частотомер со входа А устойчиво измерял сигнал с частотой 50 МГц уровнем 50 мВ. Если модуль ЖКИ размещается вблизи усилителя-формирователя 1-го диапазона, то для предотвращения наводок рекомендуется экранировать ЖК-модуль от основной конструкции. Результатом будет устойчивая индикация "0 Гц" при открытом входе А. При измерениях с входа В, если оставить вход свободным - индицируется частота самовозбуждения прескалера (примерно 640-790МГц), при подключении источника сигнала или заземлении входа самовозбуждение пропадает. Для прескалеров подобного типа это нормально. При настройке LC-метра необходимо подобрать емкость конденсатора C5 с точностью 1020 пФ ± 0,5% или лучше, так как его емкость считается эталонной при измерениях и используется как константа при последующих вычислениях. Конденсатор следует использовать типа К73-9 (К71-7) или аналогичный с хорошей температурной стабильностью. Допускается для получения необходимой емкости параллельно C5 устанавливать керамический конденсатор группы МП0 емкостью несколько десятков пФ. Для компенсации на зажимах "Lx/Cx" паразитной емкости может потребоваться установка на плату подстроечного конденсатора C23, выпаяв его из неисправного СКМ-23, СКМ-24. Работа с прибором.
При подаче питающего напряжения прибор устанавливается в режим измерения частоты со входа А. Индикация частоты - в герцах. Нажатием на S3 при необходимости выбирается режим индикации частоты.
| 9999999999 Гц |
| 9999999.99 кГц |
| 9999999.9 кГц |
| 9999999 кГц |
| 9999.99 МГц |
| 9999.9 МГц |
| 9999 МГц |
При выборе режима измерений "L/C" необходимо откалибровать прибор, о чем сообщает индикатор надписью "NO CALIBRATED". Для этого отжимают оба переключателя S1 и S2, на дисплее появляется надпись "CALIBRATION", начинается процесс калибровки. После его завершения появляется надпись "CALIBRATION ОК". Теперь можно выбрать режим измерений L или C нажатием на соответствующий переключатель S1 или S2. LC-метр имеет 3 поддиапазона для каждого измеряемого параметра с автоматическим переключением между ними.
| Емкость | Индуктивность |
| 0.0 - 999.9 пФ | 0 - 999 нГн |
| 1.00 - 999.99 нФ | 1.00 - 999.99 мкГн |
| 1.00 - 999.99 мкФ | 1.00 - 9999.99 мГн |
Прибор смонтирован на односторонней печатной плате размерами 145x80 мм.
Чертеж печатной платы измерителя LCF(TIFF CCITT4 600dpi, 23kb) Расположение элементов на печатной плате (TIFF CCITT4 600dpi, 23kb) Внимание! На плате 6 проволочных перемычек и 3! "проводных": - между отверстиями 13 и 14 на лицевой стороне платы; - между выводом 11 DD4 и выводом 14 DD3 (сигнал A0); - между выводом 12 DD4 и выводом 2 DD3 (сигнал A1); Две последние на чертеже расположения деталей не показаны, они припаиваются непосредственно к соответствующим выводам микросхем со стороны печати. Как показала практика - без них конструкция не работает :) В устройстве использованы резисторы МЛТ-0,125, электролитические конденсаторы типа К50-35, импортные. Резисторы R1-R2 типа Р1-12-0,125 (безвыводные). Конденсаторы C6-C7 типа К10-17В (безвыводные). Конденсаторы C4 и С5- типа К73-9 или аналогичные пленочные, со стабильными параметрами! Конденсатор C17 - подстроечный типа КТ4-23 или аналогичный.
Остальные конденсаторы типа К10-17б, К10-19. Катушка индуктивности L1 - стандартный дроссель типа ДМ, ДПМ на 60мкГн. Транзистор VT1 - КП305Д, замена на такой же с другой буквой ухудшает чувствительность. VT2 - либой НЧ с коэффициентом усиления не менее 100, VT3 и VT4 - любые высокочастотные pnp, транзисторы VT5 и VT6 - любые высокочастотные npn с высоким коэффициентом усиления. Диоды VD1, VD2 - КД409А9, или аналогичные с меньшей емкостью. Диоды VD3, VD4 - КД409А1, можно применить другие ВЧ с минимальной емкостью, для сравнения - у КД522 емкость в два раза больше, соответственно чувствительность прибора будет хуже. Диод VD5 - любой импульсный. Микросхема DD2 - КР1533ТЛ2 замена на серии 1554, 1594 ухудшает чувствительность. Микросхема DD3 - КР1533КП2, КР1533КП12 замена на серии 1554, 1594 ухудшает помехоустойчивость. Компаратор DA1 - К554СА3 в корпусе DIP8 (IL311AN), замена на импортный ухудшает верхний диапазон измерений. Прескалер SA701D можно заменить на SA702D или применить любой другой с корректировкой схемы и печатной платы. Переключатели S1 - S2 типа PB-22E08 или PS580L по каталогу "Чип и Дип". Кнопки S3 - S5 типа ПКн с длиной толкателя 12 - 16мм. XS1-XS2 - гнезда СР-50-73ФВ или подобные, XS3- зажим для подключения акустических систем. Реле P1 D1A050000 ф.Cosmo (по каталогу "Чип и Дип") или аналогичное малогабаритное. Можно и самодельное :) В качестве корпуса для устройства был использован старинный калькулятор Б3-18А.
Список основных комплектующих:
- PIC16C622A-04/P (PIC16F628A-20/P)- программируемый микроконтроллер (ф. Microchip)
- SA701D - прескалер (ф. PHILIPS)
- К554СА3 (IL311AN)- компаратор (ПО Интеграл)
- КР1533ТЛ2 - триггер Шмитта (ПО Интеграл) - замена на другую серию нежелательна
- КР1533КП2 - мультиплексор (ПО Интеграл) - замена на другую серию нежелательна
- D1A050000 - реле Cosmo или аналогичное малогабаритное
- или РЭС80 ДЛТ4.555.014-03 (-08), или РЭС64 РС4.569.725-01 - с корректировкой платы
- SC1602BULT - ЖКИ (ф.SUNLIKE) или совместимый
- КП305Д - полевой транзистор, замена на другую букву нежелательна, но возможна
- КТ368АМ - транзистор (ПО Интеграл) или аналогичный npn ВЧ
- КТ3126А - транзистор (ПО Интеграл) или аналогичный pnp ВЧ
- КТ3102ГМ - транзистор (ПО Интеграл) или аналогичный
- диод КД522Б - или др.
- PiN диоды КД409А1 - 2шт. (ПО Интеграл) или аналогичные
- PiN диоды КД409А9 - 2шт. (ПО Интеграл) или аналогичные в корпусе SOT23
- кварцевый резонатор 4,0МГц или опорный генератор 14.85МГц ±2.5ppm
- кнопки типа ПКн или аналогичные импортные с высотой толкателя 12-16мм.
- Переключатели типа PB-22E08, PS580L или похожие
- резисторы, конденсаторы и прочие детали
1. http://www.aade.com/lcm2binst/LC2Binst.htm - измеритель LC на PIC-контроллере.
2. А.Н. Сикорский. Цифровая шкала комбинированного НЧ-ВЧ генератора. /Радиолюбитель N6 1991г.
3. AN575, Frank J. Testa. IEEE 754 Compliant Floating Point Routines. Microchip Technology Inc. 1997
4. AN592, Stan D’Souza. Frequency Counter Using PIC16C5X. Microchip Technology Inc. 1997
Запрограммированный микроконтроллер PIC16C622A-04/P (PIC16C622A-20/P, PIC16F628-20/P) можно приобрести у нас.
На главную страницу
