LC 미터. 계획, 설명

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무선 아마추어의 실습에서 사용되는 무선 요소의 매개변수를 측정하는 것은 무선 엔지니어링 또는 전자 단지를 만들 때 설정한 목표를 달성하기 위한 첫 번째 기본 단계입니다. "기본 벽돌"의 속성을 모르면 벽돌로 지은 집이 어떤 속성을 갖게 될지 말하기가 매우 어렵습니다. 이 기사에서 독자는 모든 라디오 아마추어가 실험실에 있어야 하는 간단한 측정 장치에 대한 설명을 제공받습니다.

제안된 LC 미터의 작동 원리는 커패시터의 전기장과 코일의 자기장에 축적된 에너지를 측정하는 것입니다. 아마추어 설계와 관련하여 처음으로 이 방법이 [1]에 기술되었으며, 이후 몇 년 동안 약간의 변경을 거쳐 인덕턴스 및 커패시턴스 미터의 많은 설계에 널리 사용되었습니다. 이 디자인에서 마이크로 컨트롤러와 LCD 표시기를 사용하면 측정 정확도가 상당히 높은 단순하고 작고 저렴하며 사용하기 쉬운 장치를 만들 수 있습니다. 장치로 작업할 때 컨트롤을 조작할 필요가 없으며 측정된 요소를 연결하고 표시기에서 판독값을 읽기만 하면 됩니다.

명세서

측정된 커패시턴스 범위......0,1pF...5mkF
측정된 인덕턴스 범위......0,1μH...5H
측정값의 오차, 더 이상, %......±3
공급 전압, V.......7,5...9
소비 전류, mA, 더 이상 ....... 15
자동 범위 선택
소프트웨어 제로
치수, mm.......140x40x30

장치의 개략도가 그림 1에 나와 있습니다. 하나

(확대하려면 클릭하십시오)

구성표에 따라 마이크로 컨트롤러 DD6의 핀 1(PB1)에서 2개의 하부 버퍼 요소 DD9를 통해 직사각형 모양의 여기 전압 신호가 장치의 측정 부분에 공급됩니다. 측정 커패시터 Cx는 고전압 레벨에서 저항 R6와 다이오드 VD9을 통해 충전되고, 저전압 레벨에서 R5와 VD1를 통해 방전된다. 측정된 커패시턴스 값에 비례하는 평균 방전 전류는 장치가 연산 증폭기 DA5을 사용하여 전압으로 변환합니다. 커패시터 C7 및 C14은 리플을 부드럽게 합니다. 저항 RXNUMX는 연산 증폭기를 정확하게 제로화하는 데 사용됩니다.

하이 레벨에서 인덕턴스를 측정할 때 코일의 전류는 저항 R10에 의해 결정된 값으로 상승하고, 로우 레벨에서 측정된 코일의 자기 인덕턴스 EMF에 의해 생성된 전류도 입력으로 공급됩니다. VD4 및 R11을 통한 DA1 마이크로 회로.

따라서 일정한 공급 전압과 신호 주파수로 연산 증폭기 출력의 전압은 측정된 커패시턴스 또는 인덕턴스 값에 정비례합니다. 그러나 이것은 여기 전압 기간의 절반 동안 커패시터가 완전히 충전되고 나머지 절반 동안 완전히 방전되는 조건에서만 해당됩니다. 인덕터도 마찬가지입니다. 그것의 전류는 최대 값으로 성장하고 9으로 떨어질 시간이 있어야 합니다. 이러한 조건은 저항 R11-RXNUMX의 적절한 선택과 여자 전압의 주파수에 의해 보장될 수 있습니다.

측정 요소의 매개 변수 값에 비례하는 전압은 연산 증폭기의 출력에서 필터 R6C2를 통해 DD1 마이크로 컨트롤러의 내장형 1비트 ADC로 공급됩니다. 커패시터 CXNUMX은 ADC의 내부 기준 전압원 필터입니다.

회로 DD2의 상위 1개 요소와 VD2, VD4, C11, C5은 연산 증폭기 작동에 필요한 -XNUMXV의 전압을 생성하는 데 사용됩니다.

기기는 1자리 4세그먼트 LCD HGXNUMX(KO-XNUMXV, Zelenograd의 Telesystems에서 연속 생산)에 측정 결과를 표시합니다. 유사한 표시기가 "PANAPHONE" 전화기에 사용됩니다.

정확도를 향상시키기 위해 장치에는 800개의 측정 하위 범위가 있습니다. 첫 번째 부대역의 여기 전압 주파수는 90kHz입니다. 이 주파수에서 최대 약 90pF의 커패시턴스를 가진 커패시터와 최대 4μH의 인덕턴스를 가진 코일이 측정됩니다. 각 후속 하위 범위에서 주파수는 각각 12배 감소하고 측정 한계는 동일한 횟수만큼 확장됩니다. 아홉 번째 하위 범위에서 주파수는 5Hz이며 최대 5μF의 커패시턴스를 가진 커패시터와 최대 XNUMXH의 인덕턴스를 가진 코일을 측정할 수 있습니다. 장치는 필요한 하위 범위를 자동으로 선택하고 전원을 켜면 XNUMX번째 하위 범위부터 측정을 시작합니다. 전환 프로세스 중에 표시기에 서브밴드 번호가 표시되어 측정이 수행되는 주파수를 결정할 수 있습니다.

원하는 하위 범위를 선택한 후 pF 또는 μH 단위의 측정 결과가 표시기에 표시됩니다. 쉽게 읽을 수 있도록 pF(μH)의 XNUMX분의 XNUMX과 μF(H)의 단위는 빈 문자 공간으로 구분하고 결과는 유효 숫자 XNUMX개로 반올림합니다.

빨간색 HL1 LED는 표시기에 전원을 공급하는 1,5V 스태비스터로 사용됩니다. SB1 버튼은 소프트웨어 영점 수정에 사용되며 터미널과 스위치 SA1의 커패시턴스와 인덕턴스를 보상하는 데 도움이 됩니다. 이 스위치는 측정된 인덕턴스와 커패시턴스를 연결하기 위해 별도의 단자를 설치하여 제거할 수 있지만 조작 편의성이 떨어집니다. 저항 R7은 전원이 꺼지면 커패시터 C9 및 C10을 빠르게 방전하도록 설계되었습니다. 그것 없이는 표시기의 올바른 작동을 보장하는 다시 켜기가 10 초 이후에 가능하므로 작동 중에 다소 불편합니다.

SA1 스위치를 제외한 장치의 모든 부품은 단면 인쇄 회로 기판에 장착되며 그림에 나와 있습니다. 2.

LC 미터

HG1 표시기 및 SB1 버튼은 설치 측면에서 설치되어 전면 패널로 가져옵니다. SA1 스위치와 입력 단자의 전선 길이는 2 ~ 3cm를 초과해서는 안되며 VD3-VD6 다이오드는 전압 강하가 낮은 고주파수이며 D311, D18, D20을 사용할 수 있습니다. 트리머 저항 R11, R12, R14 소형 유형 SPZ-19. R11을 와이어 저항으로 교체하면 측정 정확도가 떨어지므로 바람직하지 않습니다. 140UD1208 칩은 영점 설정 회로가 있고 ±5 V의 전압에서 작동할 수 있는 다른 연산 증폭기로 교체할 수 있으며 K561LN2는 1561, 1554, 74NS, 74AC 시리즈의 모든 CMOS 칩으로 교체할 수 있습니다. , 예를 들어 74NS14와 같은 155개의 인버터를 포함합니다. TTL 시리즈 555, 1533, 5 등의 사용은 바람직하지 않습니다. ATMEL의 ATtinyl 90L 마이크로 컨트롤러에는 아날로그가 없으며 프로그램을 조정하지 않고 인기있는 AT2313SXNUMX과 같은 다른 유형으로 교체하는 것은 불가능합니다.

커패시터 C4, C5, C11의 커패시턴스 값은 감소되어서는 안됩니다. 스위치 SA1은 작아야 하고 출력 사이에 최소 커패시턴스가 있어야 합니다.

마이크로컨트롤러를 프로그래밍할 때 모든 FUSE 비트는 기본값인 BODLEVEL=0, BODEN=1, SPIEN=0, RSTDISBL=1, CKSEL1 ...0=00으로 두어야 합니다. 보정 바이트는 주소 $000F에 있는 프로그램의 하위 바이트에 기록되어야 합니다. 이렇게 하면 1,6MHz의 클록 주파수와 800kHz의 첫 번째 범위에서 측정 회로의 여기 전압 주파수를 정확하게 설정할 수 있습니다. 작성자가 가지고 있는 ATtinyl 5L 사본에서 보정 바이트는 $8V입니다.

마이크로컨트롤러 펌웨어 코드

조정을 위해서는 장치의 측정 범위에 있는 매개 변수 값과 액면가에서 최소 편차 허용 오차를 갖는 여러 코일 및 커패시터를 선택해야 합니다. 가능하면 정확한 값은 산업용 LC 미터로 측정해야 합니다. 이들은 "참조" 요소가 됩니다. 미터의 눈금이 선형임을 고려하면 원칙적으로 하나의 커패시터와 하나의 코일이면 충분합니다. 그러나 전체 범위를 제어하는 것이 좋습니다. DM, DP 유형의 표준화된 초크는 예시적인 코일로 매우 적합합니다.

조정은 DA1 칩을 영점 조정하는 것으로 시작하여 멀티 미터로 출력 전압을 제어합니다. 이 전압은 저항 R0를 사용하여 5 ... + 14mV 범위 내에서 설정해야 합니다. 저항 R12의 슬라이더는 중간 위치에 있어야 하며 입력의 기생 커패시턴스를 줄이기 위해 보드에서 SA1 스위치를 분리하는 것이 바람직합니다. 이 경우 표시기 판독값은 0...3 범위 내에 있어야 합니다. 그런 다음 SA1 연결을 복원하고 SB1 버튼을 눌렀다 놓습니다. 2초 후 표시기는 0...±1을 표시해야 합니다. 그런 다음 예시적인 커패시턴스가 입력 단자에 연결되고 R12 슬라이더를 회전하여 선택한 커패시터의 실제 커패시턴스 값에 해당하도록 판독값이 설정됩니다. 최하위 숫자의 가격은 0,1pF입니다. 그런 다음 전체 범위를 확인하고 필요한 경우 R12 엔진의 위치를 명확히하여 2 ... 3 %보다 나쁘지 않은 오류를 얻으려고 노력해야합니다. 스케일 끝의 판독값이 약간 과소 평가되거나 과대 평가되는 경우 영점 조정도 허용됩니다. 그러나 R14 슬라이더의 위치가 변경될 때마다 측정된 커패시터를 끄고 영점 설정 버튼을 눌러야 합니다.

커패시턴스 측정 모드에서 장치를 설정한 후 다이어그램에 따라 SA1을 아래쪽 위치로 이동하고 입력 잭을 닫은 다음 SB1을 눌러야 합니다. 입력에 대한 영점 보정 후 모범 코일을 연결하고 저항 R11로 필요한 판독값을 설정합니다. 최하위 숫자의 가격은 0,1μH입니다. 이 경우 저항 R11이 800옴 이상이 되도록 주의해야 하며, 그렇지 않으면 저항 R10의 저항을 줄여야 한다. R11이 1kOhm보다 크면 R10을 늘려야 합니다. 즉, R10과 R11은 값이 비슷해야 합니다. 이 설정은 코일의 "충전" 및 "방전"에 대해 거의 동일한 시간 상수를 제공하므로 최소 측정 오류가 발생합니다.

커패시터를 측정할 때 ± 2 ... 3%보다 나쁘지 않은 오류는 어려움 없이 달성할 수 있지만 코일을 측정할 때는 모든 것이 다소 복잡합니다. 코일의 인덕턴스는 권선의 능동 저항, 맴돌이 전류로 인한 자기 회로의 손실, 히스테리시스, 강자성체의 자기 투자율이 자기장 강도 등에 비선형적으로 의존하는 여러 가지 조건에 따라 크게 달라집니다. 코일 측정 중 다양한 외부 필드의 영향을 받으며 모든 실제 강자성체는 잔류 유도 값이 다소 높습니다. 자성 재료의 자화 동안 발생하는 프로세스는 [2]에 자세히 설명되어 있습니다. 이러한 모든 요소의 결과로 일부 코일의 인덕턴스를 측정할 때 장치의 판독값이 고정 주파수에서 복잡한 저항을 측정하는 산업용 장치의 판독값과 일치하지 않을 수 있습니다. 그러나이 장치와 작성자를 꾸짖기 위해 서두르지 마십시오. 측정 원리의 특성을 고려하기만 하면 됩니다. 자기 코어가 없는 코일, 폐쇄되지 않은 자기 코어 및 갭이 있는 강자성 코어의 경우 코일의 활성 저항이 20 ... 30 옴을 초과하지 않으면 측정 정확도가 매우 만족스럽습니다. 이는 고주파 장치의 모든 코일과 초크, 스위칭 전원용 변압기 등의 인덕턴스를 매우 정확하게 측정할 수 있음을 의미합니다.

그러나 얇은 와이어의 권선 수가 많은 소형 코일과 틈이없는 폐쇄 자기 회로 (특히 변압기 강철)의 인덕턴스를 측정하면 큰 오차가 발생합니다. 그러나 결국 실제 장치에서 코일의 작동 조건은 복잡한 저항을 측정할 때 제공되는 이상과 일치하지 않을 수 있습니다. 예를 들어 저자가 소유한 변압기 중 하나의 권선 인덕턴스는 산업용 LC 미터로 측정한 결과 약 3H로 밝혀졌습니다. 5mA의 DC 바이어스 전류가 적용되었을 때 판독값은 약 450mH가 되었습니다. 즉, 인덕턴스가 7배 감소했습니다! 그리고 실제 작동 장치에서 코일을 통과하는 전류는 거의 항상 일정한 구성 요소를 갖습니다. 설명 된 미터는이 변압기 권선의 인덕턴스 1,5Gn을 보여주었습니다. 그리고 어떤 수치가 실제 작업 조건에 더 가까운지는 아직 알 수 없습니다.

위의 모든 내용은 예외 없이 모든 아마추어 LC 미터에 대해 어느 정도 사실입니다. 그들의 저자가 그것에 대해 겸손하게 침묵하는 것뿐입니다. 특히 이러한 이유로 커패시턴스 측정 기능은 저렴한 멀티미터의 많은 모델에서 사용할 수 있으며 값비싸고 복잡한 전문 장치에서만 인덕턴스를 측정할 수 있습니다. 아마추어 조건에서는 훌륭하고 정확한 복합 저항 측정기를 만드는 것이 매우 어려우며 실제로 필요한 경우 산업용 측정기를 구입하는 것이 더 쉽습니다. 이런저런 이유로 이것이 가능하지 않다면 제안된 디자인이 가격, 품질 및 사용 편의성의 최적 비율로 좋은 절충안이 될 수 있다고 생각합니다.

문학

Stepanov A. 단순 LC-미터. - 라디오, 1982, 3번, p. 47, 48.
Semenov B. 전력 전자. - M.: SOLON-R, 2001.

저자: I. Khlyupin, 키로프

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