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無線電子工学および電気工学の百科事典 LC-meter - マルチメーターの接頭辞。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
この記事では、人気の 83x シリーズ マルチメーターの機能を拡張するというテーマを続けます。 セットトップ ボックスの消費電流は小さいため、マルチメータの ADC の内部スタビライザから電力を供給できます。 このアタッチメントを使用すると、コイルやチョークのインダクタンス、コンデンサの静電容量を基板から半田付けすることなく測定できます。 マルチメータの測定アタッチメントの設計は、特定のパラメータを測定するための回路ソリューションと方法の違いに加えて、独自の電源で動作する機能と、それなしでマルチメータの ADC 電圧レギュレータを使用して動作する機能も異なります。 著者によれば、マルチメータの ADC スタビライザを利用したセットトップ ボックスは、特に「家の外」で使用するのがより便利です。 必要に応じて、外部 3 V 電源 (たとえば、XNUMX つのガルバニ電池) から電力を供給することもできます。 もちろん、そのようなプレフィックスによって消費される電流について疑問が生じますが、それは数ミリアンペアを超えてはなりませんが、最新の素子ベースと最適な回路を組み合わせて使用することで、この問題は解決されます。 ただし、消費電流の問題は、これまでも、そして今後も関連し続けます。特に自己電源型の測定器では、自律型電源からの動作期間がデバイスの選択を決定することがよくあります。 LCメーターを開発する際には、消費電流を最小限に抑えることだけでなく、コイルやチョークのインダクタンス、コンデンサの静電容量を基板にはんだ付けせずに測定できることにも主な注意が払われました。 このような測定器を設計するときは、この可能性を常に考慮する必要があります。 アマチュア無線家が残念なことに設計においてこれに注意を払わない例は数多くあります。 たとえば、安定した電流で充電してコンデンサの静電容量を測定する場合、コンデンサの電圧が 0,3 ～ 0,4 V を超えていても、基板からコンデンサをはんだを外さない限り、信頼性の高い測定は不可能であることがよくあります。静電容量を決定します。 LC メーターの動作原理は新しいものではありません [1、2]。これは、共振 LC 回路で測定された固有振動の周期の XNUMX 乗の計算に基づいており、これはその素子のパラメーターに関連付けられます。関係 T = 2π √LC または LC = (T/2π)2. この式から、回路内の静電容量が一定の場合、測定されたインダクタンスは発振周期の 25330 乗に線形関係があることがわかります。 測定された静電容量も一定のインダクタンスで同じ線形依存関係にあることは明らかであり、インダクタンスまたは静電容量を測定するには、発振周期を都合の良い値に変換するだけで十分です。 上の式から、25,33x シリーズのマルチメーターの定容量が 83 pF またはインダクタンスが 0,1 mH の場合、最小測定分解能は 0,1 ～ 0 μH の間隔で 200 μH と 0 pF であることがわかります。それぞれ200 ... 1 pF、測定されたインダクタンスが1 μHの場合の発振周波数はXNUMX MHzです。 プレフィックスには測定用発電機が含まれており、その周波数はLC回路と、測定の種類に応じて、コイルの入力ソケットに接続されたインダクタンスまたはコンデンサの静電容量、発電機の出力電圧安定化ユニットによって決まります。 、パルス整形器、測定間隔を拡張する分周器、およびマルチメータで測定されるその二乗に比例する電圧へのパルス繰り返し周期コンバータです。 主な技術的特徴
2 ～ 20 H の範囲のインダクタンス測定誤差は、コイルの自己容量、アクティブ抵抗、磁気回路の残留磁化に依存し、2 ～ 20 μF の範囲の静電容量は、LC 内のコイルのアクティブ抵抗に依存します。回路と測定したコンデンサのESR (ESR) 取り付け図を図に示します。 1. SA1 スイッチの「Lx」位置では、ソケット XS1、XS2 に接続され、コンデンサ C1 が並列に接続されているコイルのインダクタンスを測定します。また、「Cx」位置では、コンデンサの静電容量を測定します。 、インダクタＬ１が並列に接続される。 トランジスタVT1、VT1には、正弦波電圧の測定発生器が組み込まれており、その周波数は、前述したように、LC回路の要素によって決定されます。 正帰還（POS）をかけたアンプです。 アンプの第 XNUMX 段はコレクタ接地回路 (エミッタフォロワ) に従って組み立てられ、大きな入力抵抗と小さな出力を持ち、第 XNUMX 段はベース接地 (CB) 回路に従って低入力と高出力を持ちます。出力抵抗。 したがって、XNUMX 番目の出力が最初の入力に近い場合、良好な一致が得られます。 両段は非反転であるため、この接続は PIC アンプを XNUMX% カバーし、エミッタ フォロワの高入力インピーダンスと OB を備えた出力段と組み合わせて、発振器が LC 回路の共振周波数で動作することを保証します。広い周波数範囲にわたって。
ソケット XS1、XS2「Lx、Cx」にインダクタまたはコンデンサが接続された LC メータの動作を考えてみましょう。 発電機出力からの電圧は、VT3 トランジスタに組み込まれた高入力インピーダンスのアンプに供給され、発電機出力電圧安定化ユニットの通常動作に必要な 1 倍に増幅されます。 安定化ユニットは、ダイオード VD2、VD3、コンデンサ C5、C4、およびトランジスタ VT100 で構成されています。 発電機の出力電圧を約 XNUMX mV rms の一定レベルに維持します。このレベルでは、基板から素子をはんだ付けせずに測定でき、また、このレベルでの発電機の発振の安定性も向上します。 増幅器の出力電圧は、ダイオードＶＤ１、ＶＤ２によって整流され、コンデンサＣ５によって平滑化され、トランジスタＶＴ４のベースに供給される。 発電機出力の電圧振幅が 1 mV 未満の場合、このトランジスタは抵抗 R2 を流れるベース電流によって開き、+5 V の全電源電圧が発電機に供給されます (この電圧は、インダクタンス 4.. .150 µH を測定する場合と同様に、発電機を確実に起動するために使用します。 測定中に発生器電圧の振幅が 7 mV を超えると、トランジスタ VT3 を閉じる極性の電圧が整流器の出力に現れます。 コレクタ電流が減少すると、発電機の電源電圧が低下し、出力電圧の振幅が所定のレベルに回復します。 それ以外の場合は、逆のプロセスが発生します。 回路C3、C4、R6を介したトランジスタVT8上の増幅器の出力電圧は、エミッタ結合を備えたシュミットトリガ回路に従ってトランジスタVT5およびVT6上に組み立てられたパルス整形器に供給される。 その出力では、発生器周波数、短い減衰時間 (約 50 ns)、および電源電圧に等しい振幅を持つ方形パルスが形成されます。 このような立ち下がり時間は、1 進カウンタ DD3 ～ DD8 が正常に動作するために必要です。 抵抗 R1 により、低周波数でのシュミット トリガの安定した動作が保証されます。 各カウンタ DD3 ～ DD10 は信号周波数を 2 で分周します。カウンタの出力信号は SAXNUMX 測定リミット スイッチに供給されます。 スイッチの可動接点より、選択した測定リミットに応じて「×1」、「×10」2"、" x104「方形波パルス信号 U」и （図2、a）は、オペアンプDA1.1、電界効果トランジスタVT7〜VT9、およびコンデンサC8で組み立てられた「周期電圧」コンバータに供給されます。 持続時間0,5Tの次の信号パルスが到着すると、この時点ではトランジスタVT7が閉じます。 抵抗分割器 R13R14 からの電圧 (約 2,5 V) は、オペアンプ DA 1.1 の非反転入力に供給されます。 安定した電流源 (IT) は、このオペアンプとトランジスタ VT9 に組み込まれています。 140 μA の IT 電流は、SA16 スイッチの接点が閉じた状態 (「x17」位置) で抵抗 R3 と R1 を並列接続することによって設定され、開いた状態 (「x14」位置) では抵抗 R16 によって 10 分の XNUMX の XNUMX μA に設定されます。
持続時間0,5Tのパルスが到着した瞬間に、微分回路C8R7を介してトランジスタVT15が5 ... 7μs間開き、この時間中にコンデンサC8を放電し、その後閉じてコンデンサC8が充電を開始します。 IT から安定した電流が供給されます (図 2、b)。 パルスの終了時に、トランジスタ VT7 が開き、抵抗 R13 が閉じ、IT 電流はゼロになります。 次の 0,5T 間隔では、コンデンサ C1 の電圧 U8 は次のパルスが到着するまで変化せず、次の値に等しくなります。 U1 =US8 = IIT1xT / (2xC8) \uXNUMXd K1xT、 ここでK1 = IIT1/(2хС8) - 定数係数。 この式から、充電されたコンデンサ C8 の両端の電圧は入力パルスの周期 T に比例することがわかります。 この場合、2 V の電圧は、各測定限界における測定パラメータの最大値に対応します。 コンデンサは、ユニティゲインを備えたオペアンプ DA1.2 のバッファアンプの入力に接続されており、その入力電流は無視できる程度 (数ピコアンペア) であり、コンデンサ C8 の放電 (および充電) には影響しません。 。 バッファアンプの出力から、次のコンバータ、つまり「電圧-電流」からオペアンプDA2.1に送られます。 このオペアンプと抵抗 R18 ～ R21 の上に、別の IT (IT2) が組み込まれています。 このITの電流は、回路に応じて抵抗器R18の左側の出力に供給される入力電圧とその抵抗によって決まり、符号はどの抵抗器(この場合はR18またはR20)が含まれているかによって異なります。入力で。 IT はコンデンサ C9 に負荷されます。 持続時間0,5 Tの入力パルスの作用中、トランジスタVT10は開いており、電圧Uは2 コンデンサ C9 の はゼロです (図 2、c)。 パルスの終わりに、トランジスタが閉じ、コンデンサは、バッファアンプからオペアンプ DA18 へ抵抗 R1.2 に供給される電圧からの直流電流で充電を開始します。 図 (図 2、c) からわかるように、コンデンサの電圧は、0,5 T 後に次のパルスが現れるまで、のこぎり状に直線的に増加します。 それが現れるまでに、コンデンサの両端の電圧は次の値に達します。 U2max =UС9max = IIT2xT / (2xC9) \uXNUMXd UC8xT/(2xR18xC9) = K2xUC8xT = K1Xのk2xT2, ここでK1、K2 - 定数係数; に2 = 1/(2xR18xC9)。 この式から、コンデンサ C9 の両端間の電圧の振幅は、入力パルスの周期の 9 乗に比例する、つまり、測定されたインダクタンスまたはキャパシタンスに線形に依存することがわかります。 このような「周期の二乗」への変換は、上記の式がなくても論理的に理解できます。これは、コンデンサ C2 の両端の電圧が周期と、同じく周期に線形に依存する IT 入力の電圧の両方に同時に線形に依存するためです。 この場合、2 V に等しい電圧 UXNUMXmax は、各測定限界における測定パラメータの最大値に対応します。 コンデンサC9にはバッファアンプの入力がオペアンプDA2.2に接続されています。 その出力から、R22R23 分圧器によって必要なレベルまで低減されたノコギリ波電圧が、マルチメータ (XP2 コネクタ) の「VΩmA」入力に供給されます。 マルチメータの内蔵積分 RC 回路は ADC 入力 (時定数 0,1 秒) に接続されており、外部の R22C12 はノコギリ波パルスを周期の平均値 (2 分の 0,8 に等しい) に平滑化します。振幅。 したがって、XP200 の「VΩmA」コネクタの「のこぎり」振幅が 200 V の場合、マルチメータの ADC の入力電圧は XNUMX mV となり、これは DC 電圧測定の上限である XNUMX mV に相当します。 プレフィックスは、両面にラミネートされたグラスファイバー製のボード上に組み立てられます。 PCB 図面を図に示します。 3、およびその上の要素の位置 - 図。 4.
プリント基板の写真を図に示します。 5、6. ピン XP1 "NPNC" - コネクタからの接続に適しています。 ピン XP2「VΩmA」および XP3「COM」 - マルチメータの失敗したテスト プローブから。 入力ソケット XS1、XS2 - DINKLE シリーズ 350 のネジ端子台 02-021-12-350。 スライドスイッチ: SA1 - SS12D07; SA2、SA3 - MSS、MS、ISシリーズ、それぞれMSS-23D19（MS-23D18）、MSS-22D18（MS-22D16）など。 コイル L1 は自作で、約 160 ターンの PEV-2 0,2 ワイヤが含まれており (セットアップ時に指定)、フェライト 40NM10、6NM4,5 で作られたサイズ 2000x1x2000 の環状磁気コアに、それぞれ 3 ターンの 48 つのセクションで巻かれています。またはN87 (EPCOS)。 これらのグレードのフェライトは、透磁率の温度係数が低くなります。 他のブランドのフェライト (N5 など) を使用すると、温度がすでに 10 ～ XNUMX 度変化した場合、静電容量の測定誤差が増加します。 оC.
コンデンサ C1、C8、および C9 - 63 V の電圧のフィルムインポート出力 (WIMA、EPCOS など)。 コンデンサ C8、C9 の静電容量の偏差は 5% 以下である必要があります。 残り - 表面実装用: C2、C10、C11 - サイズ 0805; C4、C6、C7 - 1206; 酸化物 C3、C5、C12 - タンタル B。サイズ 1206 のすべての抵抗器。抵抗器 R13、R14、R16 ～ R21 は 1% 以下の許容差で使用する必要があり、抵抗器 R18、R20 および R19、R21 は次の条件で選択する必要があります。各カップルの抵抗値ができるだけ近いマルチメーターを使用します。 多くの場合、精度 10% クラスの E20 シリーズの 24 ～ XNUMX 個の抵抗をテープ パックで選択すれば十分です。 トランジスタ VT1 ～ VT5 の電流伝達比は少なくとも 500、VT6 - 50 ～ 200 である必要があります。BSS84 トランジスタは IRLML6302 に、IRLML2402 は FDV303N に置き換えることができます。 他の代替品の場合は、トランジスタのしきい値電圧が 2 V 以下であること、オープン チャネル抵抗が 0,5 オーム以下であること、および入力容量が 200 pF 以下であることを考慮する必要があります。 AD1ARZ マイクロパワー オペアンプは、MSR8542 や国産の QF602UD1446A などと互換性があります。 結果が設定限界値の 4% を超えない場合、測定誤差を減らすために、2 mV 以下のゼロバイアス電圧で後者を選択することをお勧めします。 高速ロジックの十進カウンタ 10HC74D は、NXP (PHILIPS) の 4017B シリーズの同様のもの - HEF4000B に置き換えることができます。 他社の同様のメーター、特に国内の K4017IE561 は使用しないでください。 電源電圧が 8 V の場合、このようなカウンタの測定発生器からの 3 MHz の入力周波数は高すぎ、入力でのパルスの減衰期間 (1 ns) は短くなります。 彼らはそのような信号を「感じない」かもしれません。 コンデンサ C8、C9 の結線は共通ワイヤに接続され、プリント基板の両面にはんだ付けされます。 同様に、SA3 スイッチの接点と可動接点 SA2 の接点、および XP1 ～ XP3 プラグも半田付けされます。 また、XP2とXP3は最初はんだ付けで固定されており、その後「所定の位置」に穴を開けてXP1プラグをはんだ付けしています。 錫メッキ線をトランジスタ VT10 と抵抗 R14 のソース近くのパッドの穴に挿入し、両側からはんだ付けします。 DD2、DD3 マイクロ回路に取り付ける前に、ピン 4 を曲げるか、取り外す必要があります。 LC メーターを使用する場合、マルチメーターの操作スイッチのタイプは、「200mV」の限界で直流電圧を測定する位置に設定されます。 スイッチ SA2、SA3 の位置に対応する LC メーターの測定限界を表に示します。
LC メーターの校正は、必要な機器と資格の有無に応じて実行されます。 最も単純なケースでは、インダクタンスが正確にわかっており、その値が対応する測定限界に近いコイルと、測定された静電容量を持つ同じコンデンサが必要になります。 LC メーターの入力容量から誤差を除去するには、コンデンサの容量は少なくとも 1800 pF (たとえば、1800 pF、0,018 μF、0,18 μF) である必要があります。 セットトップ ボックスは、まず電圧 3 V の自律電源に接続され、消費電流が測定されます。消費電流は 3 mA を超えてはならず、次にマルチメーターに接続されます。 次に、スイッチ SA1 を「Lx」位置に設定し、既知のインダクタンスを持つコイルをソケット XS1、XS2「Lx、Cx」に接続します。 スイッチ SA2 および SA3 は適切な制限値に設定され、インダクタンスと数値的に等しいインジケーターの読み取り値を達成します (インジケーターのカンマは考慮されません)。必要に応じて、追加の容量を持つ追加のコンデンサー C1 を接続します。並列で最大 3300 pF。 コンデンサ C1、C8、C9 には、表面実装用の追加サイズ 0805 のはんだを除去するためのパッドがプリント基板上にあります。 抵抗器 R22 または R23 の抵抗値を小さな制限内で変更することにより、読み取り値をより正確に補正できます。 同様に、静電容量を測定するときに LC メーターが校正されますが、インジケーターの対応する読み取り値は、コイル L1 の巻き数を変更することによって設定されます。 プレフィックスを使用して静電容量を測定する場合、その入力静電容量を考慮する必要があります。著者のサンプルでは 41,1 pF です。 SA1 スイッチを「Cx」の位置に、SA2 と SA3 を「x1」の位置に設定すると、この値がマルチメータのインジケーターに表示されます。 プリント回路基板のトポロジーを変更する場合、コンデンサ C8 および C9 の端子とトランジスタ VT9 および VT10 の端子との接続は、別個の導体によって行う必要があります。 プレフィックスは、正弦波および長方形の固定周波数の発生器として使用できます。 電圧０．１Ｖの正弦波信号がトランジスタＶＴ３のエミッタから取り出され、方形振幅３ＶがスイッチＳＡ２の可動接点から取り出される。 所望の周波数は、適切な静電容量のコンデンサをスイッチ SA0,1 の「Cx」位置にあるセットトップ ボックスの入力に接続することによって得られます。 Sprint Layout 5.0形式のPCB図面は、ftp：//ftp.radio.ru/pub/2014/08/Lc-metr.zipからダウンロードできます。 文学
著者: S.グリビン
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