Цифровой измеритель L и С

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Цифровой измеритель L и С

Введение

технологический цифровой измеритель схема

На сегодняшний день невозможно себе представить различные электротехнические устройства, созданные без использования конденсаторов и катушек индуктиности, назначение которых заключается в накоплении энергии и последующем её использовании в соотвествии с заданной целью, как например преобразование напряжения трансформатора из переменного в постоянное. В трансформаторе за счёт катушек вначале происходит гальваническое разъединение цепи, а затем за счёт кодесаторов сглаживание пульсации выходного напряжения. Индуктивность (L) характеризует основное свойство катушки индуктиности, а ёмкость (С) характеризует основное свойство конденсатора. Единицей измерения индуктивности является Генри (Гн), ёмкости - Фаррад (Ф).

Поэтому, если работа прибора основана на совокупности различных электрических элементов, входящих в его устройство и использующих физические принципы индуктивности и ёмкости, то в процессе конструрирования прибора или его ремонта возникает необходимость в измерении данных величин. Так например, если в том же трансфоматоре использовать кондесатор ёмкостью меньше расчётной, то пульсация выходного напряжения будет очень сильной, что может повлиять на всю работу схемы устройства, в которой участвует трансформатор. В том же случае, если ёмкость конденсатора будет больше расчётной, то величина выходного напряжения будет недостаточной для дальнейшей работы устройства.

Среди методов измерения L и С можно выделить два направления - мостовые методы и методы основаные на законах Ома. В основу мостовых методов лежит принцип измерительного моста. В таких приборах содержатся наборы образцовых активных и реактивных (ёмкостных) сопротивлений. Недостатками таких приборов являются то, что такие приборы могут работать только на фиксированных частотах и их реализация сопровождается заметным усложнением их схемотехники и автоматизации процессов уравновешивания.

1. Сравнительный анализ существующих схемных решений

К измерительным приборам непосредственной оценки значения измеряемой емкости относятся микрофарадметры, действие которых базируется на зависимости тока или напряжения в цепи переменного тока от значения включенной в нее измеряемой емкости. Значение емкости определяют по шкале стрелочного измерителя.

Более широко для измерения параметров конденсаторов и индуктивностей применяют уравновешенные мосты переменного тока [1], позволяющие получить малую погрешность измерения (до 1 %). Питание моста осуществляется от генераторов, работающих на фиксированной частоте 400-1000 Гц. В качестве индикаторов применяют выпрямительные или электронные милливольтметры, а также осциллографические индикаторы. Измерение производят балансированием моста в результате попеременной подстройки двух его плеч (рис. 1). Отсчет показаний берется по лимбам рукояток тех плеч, которыми сбалансирован мост.

Рисунок 1. Уравновешенный мост переменного тока

Для измерения малых емкостей (не более 0,01 - 0,05 мкФ) и высокочастотных катушек индуктивности в диапазоне их рабочих частот широко используют резонансные методы. Резонансная схема обычно включает в себя генератор высокой частоты, индуктивно или через емкость связанный с измерительным LС-контуром. В качестве индикаторов резонанса применяют чувствительные высокочастотные приборы, реагирующие на ток или напряжение. Методом амперметра-вольтметра измеряют сравнительно большие емкости и индуктивности при питании измерительной схемы от источника низкой частоты 50 - 1000 Гц. Для измерения можно воспользоваться схемами представленными на рисунке 2.

Рисунок 2. Схемы измерения больших и малых сопротивлений переменному току

По показаниям приборов полное сопротивление:

(1)

(2)

из этих выражений можно определить

(3)

(4)

Обычно измеритель индуктивности / емкости представляет собой измеритель частоты, имеющий в составе генератор колебаний, который генерирует колебания и измеряет величины L или C, после чего вычисляется конечный результат. Погрешность частоты составляет 1Гц.

На сегодняшний день получили распространение цифровые измерители L и С в основе, которых лежат различные микропроцессоры [2]. Так на рисунке 3 представлена схема такого измерителя, основанного на микропроцессоре типа PIC16LF84A.

Рисунок 3. Принципиальная схема простого цифрового измерителя L и С

Схема данного прибора позволяет измерять малую индуктивность в диапазонах 10…1000 нГн, 1… 1000 мкГн, 1… 100 мГн и емкость в диапазоне от 900 нФ до 0.1 пФ Так же большим преимуществом схемы является автоматическая установка диапазона. У этой схемы есть ещё одна интересная функция - т.н. «нулевой выходной сигнал, выбор которой будет сбрасывать начальную емкость или индуктивность, тем самым, обеспечивая наиболее точные прецизионные измерения. Таким образом, прибор, собранный по данной схеме можно отнести по классу точности к прецизионным.

Так же можно выделить интересное компактное решение измерителя L и С [3], схема которого изображена на рисунке 4, а прибор реализующей данную схему представлен на рисунке 5. Как видно из рисунка 4 в основе данного прибора так же лежит микроконтроллер серии PIC, в конструкции которого заложены таймеры и счётчик частоты.

Рисунок 4. Принципиальная схема измерителя L и С с USB_интерфейсом

Рисунок 5. Конструктивное оформление измерителя L и С с USB_интерфейсом

Таким образом, помимо компактности прибора, к достоинствам данного прибора можно отнести широкий диапазон генерируемых частот и измерений. К недостатку вышеперечисленных приборов можно отнести, то, что наличие микроконтроллера требует определённых навыков для программирования контроллеров, а в случае прибора с USB - интерфейсом требуется создание компьютерной программы и необходимость всегда иметь под рукой персональной компьютер или ноутбук.

Представленные выше схемы помимо микроконтроллера имеют общую черту в виде измерительного колебательного контура, процессы которого передаются в микроконтроллер. В микроконтроллере полученные выходные сигналы с контура обрабатываются заложенными алгоритмами и преобразуются в цифровые сигналы для отображения на дисплее.

Практически такую же «компоновку» можно увидеть на схеме прибора, описанного в патенте № 652503 от 19.03.1979 автором В.С. Кутявином [5]. На рисунке 6 под номером 1 обозначается генератор гармонических сигналов, под номером 2 сам измерительный колебательный контур, с выхода которого сигнал поступает на блок умножения 3, полученный усиленный сигнал резонанса в конце поступает на индикатор 4.

Рисунок 6. Функциональная схема измерителя L и C, предложенная В.С. Кутявином

Таким образом, имеется множество технических решений для создания цифрового измерителя L и С.

2. Разработка функциональной схемы

В основе функциональной схемы измерителя индуктивности и ёмкости будет использован принцип измерения среднего разрядного тока и измерение тока ЭДС самоиндукции. Для этого требуется, чтобы данные величины были постоянны на всё промежутке времени измерения.

На основе представленных примеров можно представить функциональную схему, представленную на рисунке 7. В первую очередь для функционирования прибора требуется блок питания (БП). Далее потребуется генератор импульсов (ГИ), сигналы которого будут поступать в делитель частоты (ДЧ), чтобы имелась возможность измерений в различных поддиапазонах. В последующем сигнал необходимо направить в формирователь меандра (ФМ) для более простой обработки выходного сигнала, полученный меандр будет использован в блоке измерений (БИ).

Рисунок 7. Функциональная схема цифрового измерителя

3. Выбор элементов и их статический расчёт

Блок питания требуется для преобразования стандартного переменного напряжения питания сети 220В в постоянное напряжение питания прибора в 5В. Данный блок можно построить с помощью трансформатора и диодного моста, трансформатор помимо функции преобразования амплитуды питания так же будет нести функцию гальванической развязки цепи. Для стабилизации и снижения пульсации в схеме блока питания можно применить конденсаторы, стабилитроны и транзисторы.

Генератор импульсов можно выполнить с использованием логических элементах - конъюктеров со стабилизатором выходной частоты. Делитель частоты можно также построить на основе логических элементов, образующих счётчик с последовательным переносом (рис. 8).

Рисунок 8. Принцип работы счётчика с последовательным переносом

Необходимость формирователя меандра обуславливается тем, что с каждого поддиапазона делителя частоты поступает выходной сигнал с различной скважностью, так если на первом диапазоне скважность выходного сигнала составляет 2, то каждый последующий поддиапазон увеличивает её на порядок. Формирователь меандра позволит получить выходной сигнал с одинаковой скважностью на любом поддиапазоне.

Рисунок 9. Упрощённая схема измерения С

При подаче на вход транзистора напряжения прямоугольной формы транзистор открыт и происходит быстрый заряд измеряемой ёмкости. В интервале между импульсами ёмкость разряжается через резистор и микроамперметр, который измеряет среднее значение силы разрядного тока. Постоянная времени разрядной цепи значительно меньше времени между импульсами, поэтому ёмкость успевает практически полностью разрядиться к моменту прихода следующего импульса. Известно, что заряд ёмкости определяется произведением самой ёмкости на её напряжение [6].

Таким образом, заряд ёмкости (Q) за один период в установившемся режиме будет равен произведению измеряемой ёмкости (Cx) на амплитуду импульса заряжающего данную ёмкость (Uи). При периодической перезарядке ёмкости с частотой f средний разрядный ток, протекающий через микроамперметр можно определить следующим образом:

I_изм = Q * f =Сx * Uи (5)

(6)

Рисунок 10. Упрощённая схема измерения L

Если через индуктивность протекает изменяющийся по величине ток, то возникает ЭДС самоиндукции и напряжение на индуктивности (без учёта потерь) определяется следующим соотношением:

(7)

где:

U_L - напряжение на индуктивности;

L - индуктивность;

?I - изменение амплитуды тока;

?t - время, за которое это происходит.

Если в качестве промежутка времени, в течении которого производится измерение, взять период T напряжения прямоугольной формы, которое управляет транзисторным ключом, то можно показать, что достаточно с высокой точностью:

(8)

где:

Ik - ток коллектора транзистора;

f - частота управляющего напряжения.

Таким образом, измеряемая индуктивность будет равна:

(9)

Данное соотношение показывает, что измеряемая индуктивность пропорциональна амплитуде напряжение на ней, и шкала прибора линейна.

4. Разработка принципиальной схемы

Общая принципиальная схема измерителя L и С представлена на рисунке 13. В конструкции измерителя можно применить резисторы серии МЛТ_0.125, конденсаторы серии КМ_5, КМ_6, электролитические конденсаторы серии К50-6. На вторичной обмотке трансформатора блока питания (рис. 11) переменное напряжение должно быть 7…9 В при токе 0.3 А. В выпрямителе блока питания помимо выпрямительных диодов типа Д310, КД105 и тп можно использовать диодную сборку КД906А.

Рисунок 11. Принципиальная схема блока питания

Генератор импульсов (рис. 12) выполнен на коньюктерах D1.1, D1.2, D1.3, в качестве которых можно использовать микросхему К155ЛА3, которая содержит в себе четыре логических элемента 2И-НЕ. Частота генератора стабилизирована кварцевым резонатором Z1.

Рисунок 12. Принципиальная схема генератора импульсов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 13. Общая принципиальная схема измерителя L и С

Кварцевый резонатор должен быть с частотой не ниже 1 МГц, в случае резонатора с более низкой частой потребуется микроамперметр с током полного отклонения менее 100 мкА, либо смещение верхних значений измеряемых величин на каждом пределе в сторону увеличения.

Генератор формирует импульсы напряжения прямоугольной формы, которые поступают на делитель частоты (рис. 14) собранный на четырёх декадных счётчиках D2_D5 соединённых последовательно. В качестве декадного счётчика можно использовать микросхему К155ИЕ1. Переключателями S1_S5 выбирается рабочая частота.

Рисунок 14. Принципиальная схема делителя частоты

Далее сигнал поступает на формирователь меандра D6 (рис. 15) на основе двоичного счётчика типа микросхемы серии К155ИЕ5, в которой содержится четыре триггера.

Первый триггер (вывод 12) данного счётчика служит для управления блоком измерения, на его выходе всегда будет напряжение прямоугольной формы со скважностью 2 и частотой:

(10)

Где К - коэффициент деления, который в зависимости от включённого переключателя S1_S5 составляет 1…10⁴. Оставшиеся три триггера используются для растяжки шкалы прибора, требуемый коэффициент растяжки выбирается с помощью переключателей S6_S9.

Рисунок 15. Принципиальная схема формирователя меандра

С переключателя S9 сигнал поступает на электронный ключ блока измерения (рис. 16), собранный на транзисторе V1. В качестве транзистора V1 подойдет любой кремниевый n-p-n транзистор серий КТ315, КТ342. Диод V2 - германиевый серий Д2, Д9, Д10. Микроамперметр следует использовать мангнито-электрической системы типа М24 с током полного отклонения 200 мкА. Можно использовать любой другой подходящий микроамперметр с током полного отклонения до 300 мкА.

Конденсатор С7 требуется для уменьшения времени включения транзистора. Переключатель S10 служит для выбора вида измерений - L или С. Конденсаторы С2_С6, резистор R7 и переключатель S11 требуются для калибровки в режиме измерения ёмкости. При включении этого переключателя один из эталонных конденсаторов С2_С6, в зависимости от включенного переключателя S1_S5, подключается параллельно гнёздам Сх, переменным резистором R7, стрелка миллиамперметра устанавливается на последнее деление шкалы (при этом переключатель S10 должен находиться в режиме измерения ёмкости, а S6 во включённом состоянии).

Для проверки работоспособности всей схемы, переключатель S10 устанавливается в режим измерения ёмкости, подстроечный резистор R8 и переменный резистор R7 - в среднее положение и включают переключатели S1 и S6. После включения измеряется напряжение на выходе стабилизатора, которое должно составлять 5В, допустимое отклонение напряжения составляет 10 %. После включения переключателя S11 стрелка микроамперметра должна отклониться на некоторый угол.

В случае зашкаливания прибора, то с помощью резистора R7 или R8 стрелку необходимо вернуть в рабочую область шкалы. Уменьшение показаний прибора на порядок при поочередном включении переключателей S7_S9 свидетельствуют об исправной работе задающего генератора, делителя частоты и формирователя меандра.

После проверки общей работоспособности включают переключатель S1, и не трогая резистора R7, резистором R8 стрелку микроамперметра устанавливают точно на последнюю отметку шкалы. Далее переключатель S10 необходимо перевести в режим измерения индуктивности и после этого, подключив к гнёздам Lx известный номинал индуктивности, резистором R6, не трогая резистор R8, стрелку микроамперметра устанавливают на соответствующее значение. После этого настройку измерителя L и С можно считать законченной.

5. Функциональная схема устройства

6. Принципиальная электрическая схема устройства и перечень элементов к ней

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Заключение

Разработанный прибор позволяет измерять ёмкости конденсаторов от 10 пФ до 8 мкФ на пяти основных шкалах: 0…100 пФ; 0…1000 пФ; 0…1000 пФ; 0…0,1 мкФ; 0…1,0 мкФ. Растяжкой шкалы верхний предел на каждом поддиапазоне может быть увеличен в 2,4 и 8 раз. Минимальное значение измеряемой ёмкости определяется только конструктивной ёмкостью прибора. Измерение индуктивности также производится на пяти поддиапазонах 0…10 мкГ, 0…100 мкГ, 0…1 мГн, 0…10 мГн, 0…100 мГн, 0…1 Гн с возможностью растяжки конечных значений в сторону увеличения. Также стоит отметить, что в случае использования задающего генератора, частота которого задана кварцем, точность прибора определяется в основном только точностью использованных при настройке конденсаторов и катушек индуктивности. Более того, правильно собранный прибор может обеспечить достаточно высокую стабильность показаний поэтому эталонные конденсаторы С2_С6 можно исключить.

К недостаткам прибора можно отнести необходимость питание прибора от сети 220 В, но его можно исправить, если использовать микросхемы серий К176, К164, К564, которые характеризуются малой потребляемой мощностью, таким образом из функциональной схемы можно будет исключить блок питания. Также следует иметь ввиду, что для обеспечения высокой точности измерения необходимо свести к минимуму паразитную ёмкость между гнёздами подключения Сх. Для предохранения измерительного прибора от перегорания в случаях, когда порядок измеряемых величин неизвестен, процесс измерения следует начинать с наиболее высоких поддиапазонов.

Литература

2. http://zpostbox.ru - Узлы электронных схем.

3. http://projectproto.blogspot.ru - Prototype Projects.

4. http://www.radioamator.ru - Радиосхемы и программы радиолюбителям.

5. В.С. Кутявин, «Измеритель индуктивности и ёмкости», Авторское свидетельство № 652503, Бюллетень изобретений, 1979, № 10, 1-2

6. А. Степанов, «Простой LC - метр», Радио, 1982, № 3, 47-48

Размещено на Allbest.ru