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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Compteur LC. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Technique de mesure Dans la pratique d'un radioamateur, la mesure des paramètres des éléments radio utilisés est la première étape fondamentale pour atteindre les objectifs fixés lors de la création d'un complexe d'ingénierie radio ou électronique. Sans connaître les propriétés des "briques élémentaires", il est très difficile de dire quelles propriétés une maison construite à partir de celles-ci aura. Dans cet article, le lecteur se voit proposer une description d'un appareil de mesure simple que tout radioamateur devrait avoir en laboratoire. Le principe de fonctionnement du LC-mètre proposé est basé sur la mesure de l'énergie accumulée dans le champ électrique du condensateur et le champ magnétique de la bobine. Pour la première fois en relation avec une conception amateur, cette méthode a été décrite dans [1], et dans les années suivantes, avec des modifications mineures, elle a été largement utilisée dans de nombreuses conceptions d'inductance et de capacité. L'utilisation d'un microcontrôleur et d'un indicateur LCD dans cette conception a permis de créer un appareil simple, de petite taille, bon marché et facile à utiliser avec une précision de mesure assez élevée. Lorsque vous travaillez avec l'appareil, vous n'avez pas besoin de manipuler de commandes, connectez simplement l'élément mesuré et lisez les lectures de l'indicateur. caractéristiques techniques
Le schéma de principe de l'appareil est illustré à la fig. une
Le signal de tension d'excitation de forme rectangulaire provenant de la broche 6 (PB1) du microcontrôleur DD1 via les trois éléments tampons inférieurs DD2 selon le schéma est transmis à la partie de mesure de l'appareil. Pendant un niveau de tension élevé, le condensateur mesuré Cx est chargé à travers une résistance R9 et une diode VD6, et pendant un niveau de tension bas, il est déchargé à travers R9 et VD5. Le courant de décharge moyen, proportionnel à la valeur de la capacité mesurée, le dispositif le convertit à l'aide de l'amplificateur opérationnel DA1 en tension. Les condensateurs C5 et C7 lissent ses ondulations. La résistance R14 est utilisée pour mettre à zéro avec précision l'ampli-op. Lors de la mesure de l'inductance pendant un niveau haut, le courant dans la bobine monte à la valeur déterminée par la résistance R10, et pendant un niveau bas, le courant créé par l'auto-inductance EMF de la bobine mesurée est également alimenté à l'entrée de le microcircuit DA4 via VD11 et R1. Ainsi, avec une tension d'alimentation et une fréquence de signal constantes, la tension à la sortie de l'amplificateur opérationnel est directement proportionnelle aux valeurs de la capacité ou de l'inductance mesurée. Mais cela n'est vrai qu'à condition que le condensateur soit complètement chargé pendant la moitié de la période de la tension d'excitation et également complètement déchargé pendant l'autre moitié. Il en est de même pour l'inducteur. Le courant dans celui-ci devrait avoir le temps de croître jusqu'à une valeur maximale et de tomber à zéro. Ces conditions peuvent être assurées par un choix approprié des résistances R9-R11 et de la fréquence de la tension d'excitation. Une tension proportionnelle à la valeur du paramètre de l'élément mesuré est envoyée de la sortie de l'amplificateur opérationnel à travers le filtre R6C2 au CAN intégré à dix bits du microcontrôleur DD1. Le condensateur C1 est un filtre de la source de tension de référence interne du CAN. Les trois premiers éléments du circuit DD2, ainsi que VD1, VD2, C4, C11, sont utilisés pour générer une tension de -5 V, nécessaire au fonctionnement de l'ampli-op L'instrument affiche le résultat de la mesure sur un écran LCD à dix chiffres et sept segments HG1 (KO-4V, produit en série par Telesystems à Zelenograd). Un indicateur similaire est utilisé dans les téléphones "PANAPHONE". Pour améliorer la précision, l'appareil dispose de neuf sous-gammes de mesure. La fréquence de la tension d'excitation dans la première sous-bande est de 800 kHz. A cette fréquence, des condensateurs avec une capacité jusqu'à environ 90 pF et des bobines avec une inductance jusqu'à 90 μH sont mesurés. À chaque sous-gamme suivante, la fréquence est réduite de 4 fois, respectivement, la limite de mesure est élargie du même nombre de fois. Sur la neuvième sous-gamme, la fréquence est de 12 Hz, ce qui assure la mesure de condensateurs d'une capacité jusqu'à 5 μF et de bobines d'une inductance jusqu'à 5 H. L'appareil sélectionne automatiquement la sous-gamme requise et, après la mise sous tension, la mesure commence à partir de la neuvième sous-gamme. Pendant le processus de commutation, le numéro de sous-bande est affiché sur l'indicateur, ce qui vous permet de déterminer à quelle fréquence la mesure est effectuée. Après avoir sélectionné la sous-gamme souhaitée, le résultat de la mesure en pF ou μH s'affiche sur l'indicateur. Pour faciliter la lecture, les dixièmes de pF (μH) et les unités de μF (H) sont séparés par un espace vide et le résultat est arrondi à trois chiffres significatifs. La LED rouge HL1 est utilisée comme stabilisateur 1,5 V pour alimenter l'indicateur. Le bouton SB1 est utilisé pour la correction logicielle du zéro, qui aide à compenser la capacité et l'inductance des bornes et du commutateur SA1. Ce commutateur peut être éliminé en installant des bornes séparées pour connecter l'inductance et la capacité mesurées, mais cela est moins pratique en fonctionnement. La résistance R7 est conçue pour décharger rapidement les condensateurs C9 et C10 lorsque l'alimentation est coupée. Sans cela, la remise sous tension, qui garantit le bon fonctionnement de l'indicateur, n'est possible qu'après 10 s, ce qui est quelque peu gênant pendant le fonctionnement. Toutes les pièces de l'appareil, à l'exception du commutateur SA1, sont montées sur une carte de circuit imprimé simple face, illustrée à la fig. 2.
L'indicateur HG1 et le bouton SB1 sont installés du côté de l'installation et amenés sur le panneau avant. La longueur des fils vers le commutateur SA1 et les bornes d'entrée ne doit pas dépasser 2 ... 3 cm.Les diodes VD3-VD6 sont à haute fréquence avec une faible chute de tension, D311, D18, D20 peuvent être utilisées. Résistances ajustables R11, R12, R14 de petite taille type SPZ-19. Le remplacement de R11 par une résistance filaire n'est pas souhaitable, car cela entraînerait une diminution de la précision de la mesure. La puce 140UD1208 peut être remplacée par un autre amplificateur opérationnel doté d'un circuit de mise à zéro et pouvant fonctionner sur une tension de ± 5 V, et le K561LN2 peut être remplacé par n'importe quelle puce CMOS des séries 1561, 1554, 74NS, 74AC , contenant six onduleurs, par exemple, 74NS14. L'utilisation des séries TTL 155, 555, 1533, etc. n'est pas souhaitable. Le microcontrôleur ATtinyl 5L d'ATMEL n'a pas d'analogue et il est impossible de le remplacer par un autre type, par exemple le populaire AT90S2313, sans ajuster le programme. La valeur des capacités des condensateurs C4, C5, C11 ne doit pas être réduite. Le commutateur SA1 doit être petit et avec une capacité minimale entre les sorties. Lors de la programmation du microcontrôleur, tous les bits FUSE doivent être laissés à leurs valeurs par défaut : BODLEVEL=0, BODEN=1, SPIEN=0, RSTDISBL=1, CKSEL1 ...0=00. L'octet de calibrage doit être écrit dans l'octet de poids faible du programme à l'adresse $000F. Cela fournira un réglage précis de la fréquence d'horloge de 1,6 MHz et, en conséquence, de la fréquence de la tension d'excitation pour le circuit de mesure sur la première plage de 800 kHz. Dans la copie d'ATtinyl 5L que l'auteur avait, l'octet d'étalonnage est $8V. Codes du micrologiciel du microcontrôleur Pour le réglage, il est nécessaire de sélectionner plusieurs bobines et condensateurs avec des valeurs de paramètres dans la plage de mesure de l'appareil et ayant une tolérance d'écart minimale à la valeur nominale. Si possible, leurs valeurs exactes doivent être mesurées avec un compteur LC industriel. Ceux-ci seront vos éléments "de référence". Considérant que l'échelle du compteur est linéaire, en principe, un condensateur et une bobine suffisent. Mais il vaut mieux contrôler toute la gamme. Des bobines d'arrêt normalisées de types DM, DP conviennent bien comme exemples de bobines. Le réglage commence par la mise à zéro de la puce DA1, en contrôlant la tension à sa sortie avec un multimètre. Cette tension doit être réglée entre 0 ... + 5 mV avec la résistance R14. Le curseur de la résistance R12 doit être en position médiane et il est souhaitable de déconnecter le commutateur SA1 de la carte pour réduire la capacité parasite de l'entrée. Dans ce cas, les lectures de l'indicateur doivent être comprises entre 0 et 3. Puis rétablissez la connexion SA1, appuyez et relâchez le bouton SB1. Après 2 s, l'indicateur doit afficher 0...±1. Après cela, une capacité exemplaire est connectée aux bornes d'entrée et, en faisant tourner le curseur R12, les lectures sont réglées pour correspondre à la valeur réelle de la capacité du condensateur sélectionné. Le prix du chiffre le moins significatif est de 0,1 pF. Ensuite, il est nécessaire de vérifier toute la gamme et, si nécessaire, de clarifier la position du moteur R12, en essayant d'obtenir une erreur ne dépassant pas 2 ... 3%. L'ajustement du zéro est également acceptable si les lectures à la fin de l'échelle sont légèrement sous-estimées ou surestimées. Mais après chaque changement de position du curseur R14, le condensateur mesuré doit être éteint et le bouton de réglage du zéro doit être enfoncé. Après avoir configuré l'appareil en mode de mesure de capacité, vous devez déplacer SA1 vers la position inférieure selon le schéma, fermer les prises d'entrée et appuyer sur SB1. Après correction du zéro à l'entrée, connectez l'exemple de bobine et réglez les lectures requises avec la résistance R11. Le prix du chiffre le moins significatif est de 0,1 μH. Dans ce cas, il faut faire attention à ce que la résistance R11 soit d'au moins 800 ohms, sinon la résistance de la résistance R10 doit être réduite. Si R11 est supérieur à 1 kOhm, R10 doit être augmenté, c'est-à-dire que R10 et R11 doivent avoir une valeur proche. Ce réglage fournit approximativement la même constante de temps pour « charger » et « décharger » la bobine et, par conséquent, l'erreur de mesure minimale. Une erreur pas pire que ± 2 ... 3% lors de la mesure des condensateurs peut être obtenue sans difficulté, mais lors de la mesure des bobines, tout est un peu plus compliqué. L'inductance de la bobine dépend en grande partie d'un certain nombre de conditions d'accompagnement - la résistance active de l'enroulement, les pertes dans les circuits magnétiques dues aux courants de Foucault, l'hystérésis, la perméabilité magnétique des ferromagnétiques dépend de manière non linéaire de l'intensité du champ magnétique, etc. Bobines pendant la mesure sont affectés par divers champs externes, et tous les ferromagnétiques réels ont une valeur d'induction résiduelle assez élevée. Les processus se produisant lors de l'aimantation des matériaux magnétiques sont décrits plus en détail dans [2]. En raison de tous ces facteurs, les lectures de l'appareil lors de la mesure de l'inductance de certaines bobines peuvent ne pas coïncider avec les lectures d'un appareil industriel qui mesure la résistance complexe à une fréquence fixe. Mais ne vous précipitez pas pour gronder cet appareil et son auteur. Il suffit de tenir compte des particularités du principe de mesure. Pour les bobines sans noyau magnétique, pour les noyaux magnétiques non fermés et pour les noyaux ferromagnétiques avec un entrefer, la précision de mesure est tout à fait satisfaisante si la résistance active de la bobine ne dépasse pas 20 ... 30 Ohm. Et cela signifie que l'inductance de toutes les bobines et selfs des appareils haute fréquence, des transformateurs pour les alimentations à découpage, etc. peut être mesurée de manière très précise. Mais lors de la mesure de l'inductance de bobines de petite taille avec un grand nombre de spires d'un fil fin et d'un circuit magnétique fermé sans entrefer (en particulier en acier de transformateur), il y aura une erreur importante. Mais après tout, dans un appareil réel, les conditions de fonctionnement de la bobine peuvent ne pas correspondre à l'idéal fourni lors de la mesure de la résistance complexe. Par exemple, l'inductance d'enroulement de l'un des transformateurs en possession de l'auteur, mesurée avec un compteur LC industriel, s'est avérée être d'environ 3 H. Lorsqu'un courant de polarisation CC de seulement 5 mA a été appliqué, les lectures sont devenues d'environ 450 mH, c'est-à-dire que l'inductance a diminué d'un facteur 7 ! Et dans les appareils de travail réels, le courant à travers les bobines a presque toujours une composante constante. Le compteur décrit a montré l'inductance de l'enroulement de ce transformateur 1,5 Gn. Et on ignore encore quel chiffre sera le plus proche des conditions de travail réelles. Tout ce qui précède est vrai dans une certaine mesure pour tous les compteurs LC amateurs sans exception. C'est juste que leurs auteurs sont modestement silencieux à ce sujet. C'est notamment pour cette raison que la fonction de mesure de la capacité est disponible dans de nombreux modèles de multimètres bon marché, et seuls les appareils professionnels coûteux et complexes peuvent mesurer l'inductance. Dans des conditions d'amateur, il est très difficile de fabriquer un compteur de résistance complexe bon et précis, il est plus facile d'en acheter un industriel si vous en avez vraiment besoin. Si ce n'est pas possible pour une raison ou une autre, je pense que le design proposé peut servir de bon compromis avec un rapport optimal de prix, de qualité et de facilité d'utilisation. littérature
Auteur: I. Khlyupin, Kirov
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