Принципиальная электрическая схема цифрового широкодиапазонного измерителя емкости показана на рисунке. Принцип работы прибора – измерение длительности импульса автогенератора, в состав времязадающей цепи которого входит измеряемый конденсатор. Далее, формируется пачка импульсов образцовой частоты с количеством импульсов, пропорциональным длительности измеряемого импульса.
В отличие от других цифровых измерителей, образцовая частота заполнения измеряемого импульса является постоянной во всех диапазонах – примерно 200 Гц (5 мс). Выбор такой частоты обусловлен реализацией идеи использования светодиода «Переполнение” в качестве дополнительного значащего разряда, что позволило применить двухразрядный цифровой индикатор. Оптимальной частотой при устном счете является частота 2 Гц (500 мс), а двухразрядный десятичный счетчик импульсов с периодом 5 мс вырабатывает импульс переноса как раз через 500 мс. Низкая частота заполнения улучшает помехозащищенность прибора, температурную стабильность, а также позволяет упростить узлы индикации и установки в «0” десятичных счетчиков. С другой стороны, практически все измерения производятся в режиме мигания показаний индикатора, что, впрочем, не создает особых неудобств в работе с прибором.
При постоянном периоде импульсов заполнения изменение времязадающей цепи автогенератора по диапазонам осуществляется с помощью резисторов, для деления частоты при измерении малых емкостей применен двоичный счетчик с тремя различными коэффициентами деления.
Автогенератор, построенный на базе быстродействующего компаратора DA1 (см. рисунок), генерирует частоты от миллигерц до нескольких мегагерц. Галетный переключатель в цепи обратной связи позволяет изменять времязадающий резистор в 9 диапазонах. Резистор и соответствующий коэффициент деления счетчика DD1 дают диапазонный множитель 10. Коэффициенты деления счетчика DD1: на выводе 5 – 32768, на выводе 4 – 16384, на выводе 1 – 512, на выводе 12 – повторение входного сигнала.
Увеличение длительности измеряемого импульса за счет емкости монтажа вычитается цепями компенсации емкости монтажа R15, R17, VD2, C5 – в диапазоне «10 пФ” и R16, VD1, C6 в диапазоне «100 пФ”. В остальных диапазонах емкость монтажа мало влияет на результат измерения.
Импульс, длительность которого пропорциональна измеряемой емкости, запускает генератор частоты заполнения – интегральный таймер DA2 и закрывает ключ индикации – VT1, фронтом обнулив десятичные счетчики DD3, DD4 (дифференцирующая цепь R14 C3). Происходит подсчет импульсов заполнения.
После окончания измеряемого импульса прекращается генерация частоты заполнения, открывается ключ индикации, на индикаторах высвечивается результат измерения. Далее процесс повторяется.
Если количество импульсов заполнения больше или равно 100, вспыхивает светодиод «Переполнение” – HL1. Импульс «Переполнение” вырабатывается по спаду импульса переноса старшего разряда десятичного счетчика (вывод 2 DD4). Элемент DD2.2 и дифференцирующая цепь R18C4 служат для запрета индикации импульса «Переполнение” в случаях, когда количество импульсов менее 100 и более 50 (импульс переноса вырабатывается после 50-го импульса и, при количестве импульсов заполнения менее100, сбрасывается при установке счетчиков в «0”). Таким образом, количество вспышек HL1 соответствует значению следующего разряда номинала измеряемой емкости.
В режиме счета прибор потребляет 10 мА, в режиме индикации ток зависит от показаний индикатора – при индикации «88” ток потребления 52 мА (3 мА на сегмент). Прибор питается от внешнего источника питания, имеет гнездо для подключения сетевого адаптера на 9 В.
Конструкция и детали. Прибор собран в пластмассовом корпусе размерами 135х65х35 мм, конструктивно оформлен как пробник: щуп Х1 жестко установлен в торце корпуса, щуп Х2 соединен с корпусом проводником минимально необходимой длины. Корпус состоит из двух половин. Та половина, которую охватывает ладонь в процессе работы, оклеена изнутри медной фольгой, соединенной с общим проводом (для уменьшения влияния руки на результат измерения). В месте, прилегающем к щупу Х1, фольга отсутствует. Разъем питания и резистор установки «0” в диапазоне «10 пФ” установлены в противоположном торце корпуса. Названия диапазонов соответствуют максимальному значению каждого диапазона.
Печатная плата не разрабатывалась. Схема распаяна на универсальной макетной плате. Микросхемы и индикаторы установлены с одной стороны, остальные детали и перемычки – с другой. Такой монтаж компактнее, чем печатная плата. Времязадающие резисторы распаяны на выводах галетного переключателя, в процессе настройки их номиналы составлялись из двух-трех резисторов. Генератор DA1 и счетчик DD1 располагают, по возможности, ближе к галетному переключателю и щупу Х1.
Особых требований к типу применяемых резисторов и конденсаторов нет. Для температурной стабильности конденсаторы С5, С6, С10 должны иметь минимальный ТКЕ. Автор применил конденсаторы С5, С6 типа К10347В, конденсатор С10 – слюдяной К-1-11. В качестве семисегментных индикаторов можно применить другие с общим анодом (цоколевка может не совпадать).
Можно также использовать индикаторы с общим катодом, соединив входы С (выводы 6) счетчиков DD3, DD4 с общим проводом, коллектор VT1 – с общим проводом, эмиттер VT1 – с катодами индикаторов. Для лучшей «читаемости” показаний при ярком освещении желательно применить импортные индикаторы с высокой светоотдачей. Галетный переключатель – 11П2НПМ, резистор R15 – СП3-9а.
Настройка прибора. Для настройки прибора можно воспользоваться набором точно измеренных емкостей или подобрать в качестве эталонных конденсаторы с минимальным допуском. Следует учесть, что некоторые промышленные измерители емкости (использующие мостовой метод, вышеупомянутые недорогие мультиметры) занижают величину емкости конденсаторов, имеющих повышенные потери, а это, в основном, электролитические конденсаторы. В качестве эталонных конденсаторов для верхних диапазонов лучше всего использовать танталовые.
Описываемый измеритель не чувствителен к потерям в диэлектрике конденсаторов. Даже с подключенным последовательно резистором сопротивлением 1 кОм емкость конденсатора практически не изменяется. В большинстве случаев необходимо знать как раз «чистую” емкость, например, для времязадающих цепей в схемах с использованием КМОП-структур.
Для настройки прибора керамические конденсаторы предпочтительнее пленочных. Некоторые типы пленочных конденсаторов дают расхождение результатов при сопряжении диапазонов (не более 3…4%), по-видимому, из-за различия индуктивных составляющих на различных частотах диапазонов.
Если нет в наличии прецизионных резисторов, номиналы всех времязадающих резисторов R3–R11, R16, R17, R19 необходимо проверять, выбирая из нескольких экземпляров одного номинала наиболее подходящий. Настройка прибора и заключается в подборе этих резисторов.
Настраивать каждый диапазон желательно по максимальному показанию, например, «99” или «00” плюс вспышка HL1. Рабочая зона каждого диапазона (кроме первого и последнего) будет лежать от показаний «20”–”50” до 2–5 вспышек светодиода «Переполнение”. Ниже этой зоны снижается точность из-за неполного использования двухразрядных показаний, выше – тратится лишнее время на подсчет вспышек.
Данное схемотехническое решение повлекло за собой ряд особенностей в эксплуатации прибора. Настроенный прибор при неподключенной емкости и разнесенных щупах показывает следующее: в диапазонах от «1 мкФ” и выше – «00”, в диапазонах «1 нФ”, «10 нФ”, «100 нФ” – «01”, в диапазонах «10 пФ” и «100 пФ” – случайное число. При таком расположении щупов, в двух нижних диапазонах, цепи компенсации емкости монтажа не пропускают импульсы на узел измерения (импульсы слишком короткие), так как настраиваются на вычитание приращения длительности импульса за счет емкости монтажа с учетом наведенной емкости рук при достаточно близком расположении щупов. При сближении щупов и параллельном их расположении показания индикаторов начинают изменяться. В этих диапазонах заметное мигание индикаторов начинается с показаний «01”–”02”. Переход от индикации показаний «01” (с миганием) в немигающее состояние и будет соответствовать установке в «0”.
На результат измерений в диапазоне «10 пФ” дополнительно влияет близость больших металлических поверхностей, железобетонных стен. Поэтому для установки «0” в этом диапазоне введен резистор R15, а также проверочный конденсатор С1, выведенный на торец прибора рядом со щупом Х1 как головка небольшого болта – Х3.
Точность измерений зависит от качества настройки. В авторском экземпляре отклонение от измеренных на приборе Е7-11 (класс точности 1.0) эталонных конденсаторов составило в большинстве диапазонов не более 1…2%. Диапазоны «100 мкФ” и «1000 мкФ” настраивались по конденсаторам, измеренным в диапазоне «10 мкФ” из3за отсутствия конденсаторов соответствующей емкости с малыми потерями.
Методика измерения. Полярные конденсаторы подключают с учетом полярности – щуп Х2 к «минусу” конденсатора.
Нельзя проверять конденсаторы с рабочим напряжением менее 4,5 В, а также не разряженные высоковольтные конденсаторы.
Если после подключения конденсатора измерение начинается с режима счета (индикаторы не светятся), то самым первым показанием следует пренебречь, так как при этом цикл измерения был неполным. Количество вспышек светодиода «Переполнение” соответствует третьему разряду номинала измеряемой емкости, к нему прибавляют показания младших разрядов. С учетом выбранного диапазона получают результат измерения. При измерении емкости конденсаторов в десятки и сотни тысяч микрофарад светодиод «Переполнение” заменяет четвертый и пятый разряды индикатора.
Литература
ж. Радiоаматор 2005\12 Автор:С.Н. Таран, г. Севастополь
Загрузка...