LCメータ。スキーム、説明

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LCメーター。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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アマチュア無線の実践において、使用される無線要素のパラメータを測定することは、無線工学または電子複合体を作成するときに設定された目標を達成するための最初の基本的なステップです。「基本レンガ」の特性を知らなければ、それらから建てられた家がどのような特性を持つかを言うことは非常に困難です。この記事では、すべてのアマチュア無線家が実験室に備えるべき簡単な測定装置について説明します。

提案された LC メーターの動作原理は、コンデンサの電場とコイルの磁場に蓄積されたエネルギーを測定することに基づいています。この方法は、アマチュア設計に関して初めて [1] で説明され、その後数年で若干の変更を加えながら、インダクタンスメーターやキャパシタンスメーターの多くの設計で広く使用されるようになりました。この設計でマイクロコントローラーと LCD インジケーターを使用することにより、かなり高い測定精度を備えた、シンプル、小型、安価で使いやすいデバイスを作成することが可能になりました。デバイスを操作するときは、コントロールを操作する必要はなく、測定要素を接続し、インジケーターから測定値を読み取るだけです。

技術特性

静電容量測定範囲......0,1pF...5mkF
測定インダクタンス範囲......0,1 μH...5 H
測定値の誤差、これ以上、％......±3
供給電圧、V......7,5...9
消費電流、mA、これ以上 ...... 15
自動レンジ選択
ソフトウェアゼロ
寸法、mm......140x40x30

デバイスの概略図を図1に示します。 XNUMX

（クリックして拡大）

この方式に従って、マイクロコントローラー DD6 のピン 1 (PB1) から 2 つの下部バッファー要素 DD9 を介して方形の励起電圧信号がデバイスの測定部に供給されます。高電圧レベルでは、測定されたコンデンサ Cx は抵抗 R6 とダイオード VD9 を介して充電され、低電圧レベルでは R5 と VD1 を介して放電されます。平均放電電流は測定された静電容量の値に比例し、デバイスはオペアンプ DA5 を使用して電圧に変換します。コンデンサ C7 と C14 はそのリップルを平滑化します。抵抗 RXNUMX はオペアンプを正確にゼロにするために使用されます。

ハイレベル時にインダクタンスを測定すると、コイルの電流は抵抗器R10によって決定される値まで上昇し、ローレベル時には、測定されたコイルの自己インダクタンスEMFによって生成される電流も、VD4およびR11を介してDA1マイクロ回路の入力に供給されます。

したがって、供給電圧と信号周波数が一定の場合、オペアンプの出力電圧は測定された静電容量またはインダクタンスの値に直接比例します。ただし、これは、コンデンサが励起電圧の期間の半分で完全に充電され、残りの半分で完全に放電されるという条件でのみ当てはまります。インダクタについても同様です。その中の電流は最大値まで増加してからゼロに低下するまでの時間が必要です。これらの条件は、抵抗 R9 ～ R11 と励起電圧の周波数を適切に選択することによって確保できます。

測定される要素のパラメータの値に比例する電圧が、オペアンプの出力からフィルタ R6C2 を介して DD1 マイクロコントローラの内蔵 1 ビット ADC に供給されます。コンデンサ CXNUMX は、ADC の内部基準電圧源のフィルタです。

回路 DD2 の上位 1 つの要素と VD2、VD4、C11、C5 は、オペアンプの動作に必要な -XNUMX V の電圧を生成するために使用されます。

この機器は、1 桁の 4 セグメント LCD HGXNUMX (KO-XNUMXV、ゼレノグラードの Telesystems によって連続生産) に測定結果を表示します。同様のインジケーターが「PANAPHONE」電話機でも使用されています。

精度を向上させるために、デバイスには 800 つの測定サブレンジがあります。最初のサブバンドの励起電圧の周波数は 90 kHz です。この周波数では、最大約 90 pF の静電容量を持つコンデンサと最大 4 μH のインダクタンスを持つコイルが測定されます。後続の各サブレンジでは、周波数がそれぞれ 12 倍減少し、測定限界は同じ倍だけ拡張されます。 5 番目のサブレンジでは、周波数は 5 Hz で、最大 XNUMX μF の静電容量を持つコンデンサと最大 XNUMX H のインダクタンスを持つコイルの測定が保証されます。希望のサブレンジを自動的に選択し、電源投入後はXNUMX番目のサブレンジから測定を開始します。切り替えプロセス中に、サブバンド番号がインジケーターに表示され、どの周波数で測定が実行されるかを判断できます。

希望のサブレンジを選択すると、pF または μH 単位の測定結果がインジケーターに表示されます。読みやすくするために、pF (μH) の XNUMX 分の XNUMX と μF (H) の単位は空の文字スペースで区切られ、結果は有効数字 XNUMX 桁に丸められます。

赤色の HL1 LED は、インジケーターに電力を供給する 1,5 V スタビスタとして使用されます。 SB1 ボタンはソフトウェアゼロ補正に使用され、端子とスイッチ SA1 の静電容量とインダクタンスの補正に役立ちます。このスイッチは、測定したインダクタンスとキャパシタンスを接続するための個別の端子を設置することで省略できますが、操作の利便性が低下します。抵抗 R7 は、電源がオフになったときにコンデンサ C9 と C10 を急速に放電するように設計されています。これがないと、インジケーターの正しい動作を保証するためのスイッチを再度オンにするのは 10 秒後以降では不可能ですが、操作中は多少不便です。

SA1 スイッチを除くデバイスのすべての部品は、図に示す片面プリント基板に実装されています。 2.

LCメータ

HG1インジケーターとSB1ボタンを設置面から設置し、フロントパネルに持ってきました。 SA1 スイッチと入力端子へのワイヤの長さは 2 ～ 3 cm を超えてはなりません VD3-VD6 ダイオードは電圧降下が低い高周波であり、D311、D18、D20 を使用できます。トリマ抵抗器 R11、R12、R14 小型タイプ SPZ-19。 R11 を配線抵抗に置き換えることは、測定精度の低下につながるため、望ましくありません。 140UD1208 チップは、ゼロ設定回路を備え、±5 V の電圧で動作できる他のオペアンプと置き換えることができ、K561LN2 は、1561 つのインバータを含む 1554、74、74NS、74AC シリーズの CMOS チップ (たとえば、14NS155) と置き換えることができます。 TTL シリーズ 555、1533、5 などの使用は望ましくありません。 ATMEL の ATtinyl 90L マイクロコントローラには類似品がなく、プログラムを調整せずに別のタイプ (たとえば、人気のある AT2313SXNUMX) に置き換えることは不可能です。

コンデンサ C4、C5、C11 の静電容量の値を小さくしないでください。スイッチ SA1 は小さく、出力間の静電容量が最小限である必要があります。

マイクロコントローラーをプログラミングするときは、すべての FUSE ビットをデフォルトのままにする必要があります: BODLEVEL=0、BODEN=1、SPIEN=0、RSTDISBL=1、CKSEL1 ...0=00。キャリブレーションバイトは、アドレス $000F のプログラムの下位バイトに書き込む必要があります。これにより、クロック周波数 1,6 MHz が正確に設定され、それに応じて測定回路の励起電圧の周波数も 800 kHz の最初の範囲に設定されます。著者が所有していた ATtinyl 5L のコピーでは、キャリブレーションバイトは 8 億ドルでした。

マイクロコントローラーファームウェアコード

調整するには、デバイスの測定範囲内のパラメータ値を持ち、額面での最小偏差許容差を持ついくつかのコイルとコンデンサを選択する必要があります。可能であれば、正確な値は工業用 LC メーターで測定する必要があります。これらは「参照」要素になります。メーターの目盛が線形であることを考慮すると、原理的にはコンデンサとコイルはXNUMXつで十分です。ただし、全範囲を制御する方が良いでしょう。タイプ DM、DP の正規化チョークは、コイルの例として適しています。

調整は、DA1 チップをゼロにし、マルチメーターで出力電圧を制御することから始まります。この電圧は、抵抗 R0 を使用して 5 ... + 14 mV 以内に設定する必要があります。抵抗器 R12 のスライダは中間の位置にある必要があり、入力の寄生容量を減らすために SA1 スイッチをボードから切り離すことをお勧めします。この場合、インジケーターの読み取り値は 0 ～ 3 の範囲内である必要があります。次に、接続 SA1 を復元し、ボタン SB1 を押して放します。 2 秒後、インジケーターは 0...±1 を表示するはずです。その後、例示的な静電容量が入力端子に接続され、R12 スライダーを回転させることによって、選択したコンデンサの静電容量の真の値に対応するように読み取り値が設定されます。最下位桁の価格は 0,1 pF です。次に、範囲全体をチェックし、必要に応じてR12エンジンの位置を明確にして、2 ... 3％以下の誤差が生じるようにする必要があります。スケールの端の測定値がわずかに過小評価または過大評価されている場合でも、ゼロ調整は許容されます。ただし、R14 スライダーの位置を変更するたびに、測定されたコンデンサの電源をオフにし、ゼロ設定ボタンを押す必要があります。

デバイスを静電容量測定モードに設定したら、図に従って SA1 を下の位置に移動し、入力ジャックを閉じて SB1 を押します。入力のゼロ補正後、例示的なコイルを接続し、抵抗 R11 で必要な読み取り値を設定します。最下位桁の価格は0,1μHです。この場合、抵抗 R11 が少なくとも 800 オームであることに注意する必要があります。そうでない場合は、抵抗 R10 の抵抗を下げる必要があります。 R11 が 1 kΩ より大きい場合、R10 を増やす必要があります。つまり、R10 と R11 の値が近い必要があります。この設定により、コイルの「充電」と「放電」の時定数がほぼ同じになり、測定誤差が最小限になります。

コンデンサの測定では±2 ... 3%以下の誤差を問題なく達成できますが、コイルの測定ではすべてが多少複雑になります。コイルのインダクタンスは、巻線のアクティブ抵抗、渦電流やヒステリシスによる磁気回路の損失、強磁性体の透磁率は磁場の強さに非線形に依存するなど、付随する多くの条件に大きく依存します。測定中のコイルはさまざまな外部磁場の影響を受け、実際の強磁性体はすべてかなり高い残留誘導値を持ちます。磁性材料の磁化中に発生するプロセスについては、[2] で詳しく説明されています。これらすべての要因の結果、一部のコイルのインダクタンスを測定するときのデバイスの読み取り値は、固定周波数で複素抵抗を測定する産業用デバイスの読み取り値と一致しない可能性があります。ただし、このデバイスとその作者を急いで叱らないでください。測定原理の特殊性を考慮する必要があるだけです。磁気コアのないコイル、非密閉磁気コア、ギャップのある強磁性コアの場合、コイルのアクティブ抵抗が 20 ～ 30 オームを超えなければ、測定精度は非常に満足です。これは、高周波機器のすべてのコイルやチョーク、スイッチング電源用のトランスなどのインダクタンスを非常に正確に測定できることを意味します。

しかし、細い線の巻き数が多く、ギャップのない閉磁路（特に変圧器鋼からの）を備えた小型コイルのインダクタンスを測定する場合、大きな誤差が生じます。しかし結局のところ、実際のデバイスでは、コイルの動作条件は、複雑な抵抗を測定するときに得られる理想と一致しない可能性があります。たとえば、著者が入手可能な変圧器の 3 つの巻線インダクタンスを工業用 LC メーターで測定したところ、約 5 H であることが判明しました。わずか 450 mA の DC バイアス電流が印加された場合、測定値は約 7 mH になりました。つまり、インダクタンスは 1,5 分の XNUMX に減少しました。そして、実際に動作するデバイスでは、コイルを流れる電流はほぼ常に一定の成分を持ちます。記載されているメーターは、この変圧器の巻線のインダクタンス XNUMX Gn を示しました。そしてどの数値が実際の労働条件に近いのかはまだ不明だ。

上記のすべては、例外なくすべてのアマチュア LC メーターにある程度当てはまります。ただ、著者たちはそれについて控えめに沈黙しているだけだ。特にこの理由により、静電容量測定機能は安価なマルチメータの多くのモデルで利用可能ですが、インダクタンスを測定できるのは高価で複雑な専門機器だけです。アマチュアの状況では、優れた正確な複雑な抵抗計を作成するのは非常に困難です。本当に必要な場合は、工業用抵抗計を購入する方が簡単です。何らかの理由でこれが不可能な場合は、提案されたデザインが、価格、品質、使いやすさの最適な比率を備えた良い妥協案として機能すると思います。

文学

Stepanov A. シンプルな LC メーター。 - ラジオ、1982 年、第 3 号、p. 47、48。
Semenov B.パワーエレクトロニクス。 - M.: SOLON-R, 2001.

著者: I. クリュピン、キーロフ

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