Обнаружив в интернете статью Digital Capacitance Meter , я захотел собрать этот измеритель. Однако под рукой не оказалось микроконтроллера AT90S2313 и светодиодных индикаторов с общим анодом. Зато были ATMEGA16 в DIP-корпусе и четырехразрядный семисегментный жидкокристаллический индикатор. Выводов микроконтроллера как раз хватало на то, чтобы подключить его к ЖКИ напрямую. Таким образом, измеритель упростился всего до одной микросхемы (на самом деле, есть и вторая – стабилизатор напряжения), одного транзистора, диода, горстки резисторов-конденсаторов, трех разъемов и кнопки.Прибор получился компактный и удобный в использовании. Теперь у меня нет вопросов о том, как измерить емкость конденсатора. Особенно это важно для SMD-конденсаторов с емкостями в несколько пикофарад (и даже в доли пикофарада), которые я всегда проверяю перед тем, как в паять в какую-нибудь плату. Сейчас выпускается множество настольных и портативных измерителей, производители которых заявляют о нижнем пределе измерений емкости в 0.1 пФ и достаточной точности измерений таких малых емкостей. Однако во многих из них измерения проводятся на довольно низкой частоте (единицы килогерц). Спрашивается, можно ли получить приемлемую точность измерений в таких условиях (даже если параллельно измеряемому подключить конденсатор большей емкости)? Кроме того, в интернете можно найти довольно много клонов схемы RLC-метра на микроконтолллере и операционном усилителе (той самой, что с электромагнитным реле и с одно- или двухстрочным ЖКИ). Однако такими приборами малые емкости померить «по-человечески» не удается. В отличие от многих других, этот измеритель специально спроектирован для измерения малых значений емкости.

Что касается измерения малых индуктивностей (единицы наногенри), то я для этого с успехом использую анализатор RigExpert AA-230 , который выпускает наша компания.

Фотография измерителя емкости:

Параметры измерителя емкости

Диапазон измерения: от 1 пФ до примерно 470 мкФ.
Пределы измерения: автоматическое переключение пределов – 0…56 нФ (нижний предел) и 56 нФ … 470 мкФ (верхний предел).
Индикация: три значащие цифры (две цифры для емкостей меньших, чем 10 пФ).
Управление: единственная кнопка для установки «нуля» и калибровки.
Калибровка: однократная, при помощи двух образцовых конденсаторов, 100 пФ и 100 нФ.

Большая часть выводов микроконтроллера подключена к ЖКИ. К некоторым из них также подключен разъем для внутрисхемного программирования микроконтроллера (ByteBlaster). Четыре вывода задействованы в схеме измерения емкости, включая входы компаратора AIN0 и AIN1, выход управления пределами измерения (при помощи транзистора) и выход выбора порогового напряжения. К единственному оставшемуся выводу микроконтроллера подключена кнопка.

Стабилизатор напряжения +5 В собран по традиционной схеме.

Индикатор – семисегментный, на 4 знака, с прямым подключением сегментов (т.е. не-мультиплексный). К сожалению, на ЖКИ не было маркировки. Такую же цоколевку и размеры (51×23 мм) имеют индикаторы многих фирм, например, AND и Varitronix.

Схема приведена ниже (на схеме не показан диод для защиты от «переполюсовки», через него рекомендуется подключить разъем питания):

Программа микроконтроллера

Поскольку ATMEGA16 – из серии «MEGA», а не из серии «tiny», особого смысла писать ассемблерную программу нет смысла. На языке Си удается сделать ее гораздо быстрей и проще, а приличный объем flash-памяти микроконтроллера позволяет пользоваться встроенной библиотекой функций с плавающей точкой при расчете емкости.

Микроконтроллер проводит измерение емкости за два шага. В первую очередь, определяется время заряда конденсатора через резистор сопротивлением 3.3 МОм (нижний предел). Если необходимое напряжение не достигнуто в течение 0.15 секунд (что соответствует емкости около 56 пФ), заряд конденсатора повторяется через резистор 3.3 кОм (верхний предел измерения).

При этом микроконтроллер сперва разряжает конденсатор через резистор сопротивлением 100 Ом, а затем заряжает его до напряжения 0.17 В. Только после этого замеряется время заряда до напряжения 2.5 В (половина напряжения питания). После этого, цикл измерения повторяется.

При выводе результата на выводы ЖКИ подается напряжение переменной полярности (относительно его общего провода) с частотой около 78 Гц. Достаточно высокая частота полностью устраняет мерцание индикатора.

Схема эта, несмотря на свою видимую сложность, совсем проста в повторении, поскольку собрана на цифровых микросхемах и при отсутствии ошибок в монтаже и использовании заведомо исправных деталей практически не требует настройки. Тем не менее, возможности устройства достаточно велики:

• диапазон измерения – 0,01 — 10000 мкФ;
• 4 поддиапазона – 10, 100, 1000, 10 000 мкФ;
• выбор поддиапазона – автоматический;
• индикация результата – цифровая, 4 разряда с плавающей десятичной точкой;
• погрешность измерения – единица младшего разряда;

Рассмотрим схему прибора:

щелкните для увеличения

На микросхеме DD1, точнее на двух его элементах, собран кварцевый генератор, работа которого пояснений не требует. Дальше тактовая частота поступает на делитель, собранный на микросхемах DD2 – DD4. Сигналы с него с частотами 1 000, 100, 10 и 1 кГц поступают на мультиплексор DD6.1, который использован в качестве узла автоматического выбора поддиапазона.

Основной узел измерения – одновибратор, собранный на элементах DD5.3, DD5.4, длительность импульса которого напрямую зависит от подключенного к нему конденсатора. Принцип измерения емкости – подсчет количества импульсов за время работы одновибратора. На элементах DD5.1, DD5.2 собран узел, предотвращающий дребезг контактов кнопки «Старт измерения». Ну и последняя часть схемы — четырехразрядная линейка двоично-десятичных счетчиков DD9 — DD12 с выводом на четыре семисегментных индикатора.

Рассмотрим алгоритм работы измерителя. При нажатии на кнопку SB1 двоичный счетчик DD8 обнуляется и переключает узел диапазона (мультиплексор DD6.1) на самый нижний диапазон измерения – 0.010 – 10.00 мкФ. При этом на один из входов электронного ключа DD1.3 поступают импульсы частотой 1 МГц. На второй вход этого же ключа проходит разрешающий сигнал с одновибратора, длительность которого прямо пропорциональна подключенной к нему емкости измеряемого конденсатора.

Таким образом на счетную декаду DD9…DD12 начинают поступать импульсы с частотой 1 МГЦ. Если происходит переполнение декады, то сигнал переноса с DD12 увеличивает показания счетчика DD8 на единицу и разрешает запись нуля в триггер DD7 по входу D. Этот нуль включает формирователь DD5.1, DD5.2 а он в свою очередь сбрасывает счетную декаду, снова устанавливает DD7 в «1» и перезапускает одновибратор. Процесс повторяется, но на счетную декаду через коммутатор теперь поступает частота 100 кГц (включился второй диапазон).

Если до завершения импульса с одновибратора счетная декада снова переполнилась, то опять происходит смена диапазона. Если одновибратор отключился раньше, то счет останавливается и на индикаторе можно прочитать значение подключенной для измерения емкости. Последний штрих – блок управления десятичной точкой, которая и указывает текущий поддиапазон измерения. Его функции выполняет вторая часть мультиплексора DD6, которая засвечивает нужную точку в зависимости от включенного поддиапазона.

В качестве индикаторов в схеме используются вакуумные люминесцентные индикаторы ИВ6, поэтому блок питания измерителя должен выдавать два напряжения: 1 В для накала и +12 В для анодного питания ламп и микросхем. Если индикаторы заменить ЖКИ, то можно обойтись одним источником +9В, применение же светодиодных матриц невозможно из-за малой нагрузочной способности микросхем DD9…DD12.

В качестве калибровочного резистора R8 лучше применить многооборотный, поскольку именно от точности калибровки будет зависеть величина погрешности измерения прибора. Остальные резисторы могут быть МЛТ-0.125. По поводу микросхем — в приборе можно использовать любую из серий К1561, К564, К561, К176, но следует иметь в виду, что 176 серия очень неохотно работает с кварцевым резонатором (DD1).

Настройка прибора достаточно проста, но выполнить ее следует с особой тщательностью.

• Временно отключить кнопку SB1 от DD8 (вывод 13).
• В точку соединения R3 с R2 подать прямоугольные импульсы частотой примерно 50-100 Гц (подойдет любой самый простой генератор на логической микросхеме).
• На место измеряемого конденсатора подключить образцовый, емкость которого известна и лежит в диапазоне 0.5 – 4 мкФ (к примеру, К71-5В 1 мкф±1%). Если есть возможность, то емкость лучше измерить с помощью измерительного моста, но можно понадеяться и на емкость, указанную на корпусе. Здесь нужно иметь в виду, что как точно вы откалибруете прибор, так он вам и будет в будущем измерять.
• С помощью подстроечного резистора R8 выставить показания индикаторов как можно точнее по соответствию с емкостью эталонного конденсатора. После калибровки подстроечный резистор лучше законтрить каплей лака или краски.

По материалам «Радиолюбитель» №5, 2001г.

В этой статье приведено элементарную схему измерителя ёмкости на логической микросхеме. Такое классическое и элементарное схемотехническое решение достаточно быстро и просто можно воспроизвести. Потому данная статья будет полезна начинающему радиолюбителю, который задумал собрать себе элементарный измеритель ёмкости конденсатора.

Работа схемы измерителя ёмкости:

Рисунок №1 – Измеритель ёмкости схема

Перечень элементов измерителя ёмкости:

R1- R4 – 47 КОм

R5 – 1,1 КОм

C3 – 1500 пФ

C4 – 12000 пФ

C5 –0,1 мкФ

C изм. – конденсатор ёмкость которого вы хотите измерять

SА1 – галетный переключатель

DA1 – К155ЛА3 или SN7400

VD1-VD2– КД509 или аналог 1N903A

PA1 – Стрелочная индикаторная головка (ток полного отклонения 1 мА, сопротивление рамки 240 Ом)

XS1- XS2 – разъёмы типа «крокодил»

Такой вариант измерителя ёмкости конденсаторов имеет четыре диапазона, которые можно выбирать переключателем SA1. На пример в положении «1» можно промерять конденсаторы с ёмкостью 50 пФ, в положении «2» — до 500 пФ, в положении «3» — до 5000 пФ, в положении «4» — до 0,05 мкФ.

Элементы микросхемы DA1 обеспечивают достаточный ток для заряда измеряемого конденсатора (С изм.). Особенно важно для точности измерения, адекватно подобрать диоды VD1-VD2, они должны иметь одинаковые (наиболее похожие) характеристики.

Настройка схемы измерителя ёмкости:

Настроить такую схему достаточно просто, вам необходимо подключить С изм. с заведомо известными характеристиками (с известной ёмкостью). Выберите переключателем SА1 необходимый диапазон измерения и вращайте ручку построечного резистора до тех пор, пока не добьётесь нужного показания на индикаторной головке PA1 (рекомендую её проградуировать в соответствии с вашими показаниями, это можно сделать путём разбора индикаторной головки и наклеивания новой шкалы с новыми надписями)

С помощью данного измерителя ёмкости можно легко измерить любую ёмкость от единиц пФ до сотен мкФ. Существует несколько методов измерения емкости. В данном проекте используется интеграционный метод.

Главное преимущество использования этого метода в том, что измерение основано на измерении времени, что может быть выполнено на МК довольно точно. Этот метод очень подходит для самодельного измерителя ёмкости, к тому же он легко реализуем на микроконтроллере.

Принцип работы измерителя ёмкости

Явления, происходящие при изменении состояния схемы называются переходными процессами. Это одно из фундаментальных понятий цифровых схем. Когда ключ на рисунке 1 разомкнут, конденсатор заряжается через резистор R, и напряжение на нём изменятся как показано на рисунке 1b. Соотношение определяющее напряжение на конденсаторе имеет вид:

Величины выражены в СИ единицах, t секунды, R омы, C фарады. Время за которое напряжение на конденсаторе достигнет значения V C1 , приближенно выражается следующей формулой:

Из этой формулы следует, что время t1 пропорционально емкости конденсатора. Следовательно, ёмкость может быть вычислена из времени зарядки конденсатора.

Схема

Для измерения времени зарядки, достаточно компаратора и таймера микроконтроллера, и микросхемы цифровой логики. Вполне разумно использовать микроконтроллер AT90S2313 (современный аналог - ATtiny2313). Выход компаратора используется как триггер T C1 . Пороговое напряжение устанавливается резисторным делителем. Время зарядки не зависит от напряжения питания. Время зарядки определяется формулой 2, следовательно оно не зависит от напряжения питания т.к. соотношение в формуле VC 1 /E определяется только коэффициентом делителя. Конечно, вовремяизмерениянапряжениепитаниядолжнобытьпостоянно.

Формула 2 выражает время зарядки конденсатора от 0 вольт. Однако с напряжением близким к нулю сложно работать из-за следующих причин:

• Напряжение не падает до 0 Вольт. Для полной разрядки конденсатора необходимо время. Это приведет к увеличению времен иизмерения.
• Необходимо время между стартом зарядки и запуском таймера. Это вызовет погрешность измерения. Для AVRэто не критично т.к. на это необходим всего один такт.
• Утечка тока на аналоговом входе. Согласно даташиту AVR, утечка тока возрастает при напряжении на входе близком к нулю вольт.

Для предотвращения данных сложностей использовано два пороговых напряжения VC 1 (0.17 Vcc) и VC 2 (0.5 Vcc). Поверхность печатной платы должна быть чистой для минимизации токов утечки. Необходимое напряжение питания микроконтроллера обеспечивается DC-DCпреобразователем,работающего от 1.5VAA батарейки. Вместо DC-DC преобразователя, желательно использовать 9 V батарейку и преобразователь 78 L 05, желательно также не выключать BOD , иначе могут возникнуть проблемы с EEPROM .

Калибровка

Для калибровки нижнего диапазона: С помощью кнопки SW1. Затем, соедините pin #1 и pin #3 на разъёме P1, вставьте конденсатор 1nF и нажмите SW1.

Для калибровки верхнего диапазона: Замкните pin #4 и #6 разъёма P1, вставьте конденсатор на 100nFи нажмите SW1.

Надпись "E4" при включении означает, что калибровочное значение в EEPROM не найдено.

Использование

Автоматическое определениедиапазона

Зарядка начинается через резистор 3.3М. Если напряжение на конденсаторе не достигнет 0.5 Vccменее чем за 130 mS (>57nF), происходит разрядка конденсатора и новая зарядка, но уже через резистор 3.3кОм. Если напряжение на конденсаторе не достигает 0.5 Vccза 1 секунду (>440µF),надпись "E2". Когда время замерено, происходит вычисление и отображение ёмкости. Последний сегмент отображает диапазон измерения (pF, nF, µF).

Зажим

В качестве зажима можно использовать часть какого-нибудь сокета. При измерении малых ёмкостей (единицы пикофарад) использование длинных проводов нежелательно.

Измеритель емкости конденсаторов своими руками — ниже представлена схема и описание как не прилагая больших усилий можно самостоятельно изготовить прибор для тестирования емкости конденсаторов. Такое устройство очень может пригодится при покупке емкостей на радиоэлектронном рынке. С его помощью без проблем выявляется некачественный или бракованный элемент накопления электрического заряда. Принципиальная схема данного ESRа, как его обычно называю большинство электронщиков, ничего сложного из себя не представляет и собрать такой аппарат может даже начинающий радиолюбитель.

Причем измеритель емкости конденсаторов не предполагает для его сборки длительного времени и больших денежных затрат, на изготовление пробника эквивалентного последовательного сопротивления уходит буквально два-три часа. Также не обязательно бежать в магазин радиотоваров — наверняка у любого радиолюбителя найдутся неиспользованные детали подходящие для этой конструкции. Все, что вам потребуется для повторения данной схемы — это мультиметр практически любой модели, только желательно, что бы был цифровой и с десяток деталей. Каких то переделок или модернизации цифрового тестера производить не нужно, все что необходимо с ним сделать — это припаять выводы деталей к необходимым площадкам на его плате.

Принципиальная схема устройства ESR:

Перечень элементов необходимых для сборки измерителя:

Один из главных компонентов прибора — это трансформатор, который должен иметь соотношением витков 11\1. Ферритовый кольцевой сердечник М2000НМ1-36 К10х6х3, который нужно предварительно обмотать изолирующим материалом. Затем намотать первичную обмотку на него, располагая витки по принципу — виток к витку, при этом заполняя всю окружность. Вторичную обмотку также необходимо выполнять с равномерным распределением по всему периметру. Примерное количество витков в первичной обмотки для кольца К10х6х3 будет 60-90 витков, а вторичка должна быть в одиннадцать раз меньше.

Диод D1 использовать можно практически любой кремневый с обратным напряжением не менее 40v, если вам не особо нужна супер точность в измерениях, то вполне подойдет КА220. Для более точного определения емкости придется поставить диод с небольшим падением напряжения в варианте прямого включения — Шоттки. Защитный супрессорный диод D2 должен быть рассчитан на обратное напряжение от 28v до 38v. Транзистор маломощный кремневый p-n-p проводимости: например КТ361 или его аналог.

Измерение величины ЭПС выполнять в диапазоне напряжения 20v. Во время подключении коннектора внешнего измерителя, ESR-приставка к мультиметру сразу же переходит в режим работы тестирования емкости. При этом будет визуально отображено на приборе показание около 35v в диапазоне проверки 200v и 1000v (это в зависимости от использования супрессорного диода). В случае исследования емкости на 20 вольтах, показание будет отображено как «выход за границу измерения». Когда коннектор внешнего измерителя отсоединяется, то и ЭПС-приставка моментально переключается на режим работы как обыкновенного мультиметра.

Заключение

Принцип работы устройства — для начала работы прибора нужно включить в сеть адаптер, при этом происходит включение измерителя ЭПС, когда отключили ESR, то мультиметр автоматически переходит в режим выполнения штатных функций. Чтобы сделать калибровку аппарата нужно подобрать постоянный резистор, так чтобы соответствовало шкале. Для наглядности картина ниже:

При замыкании щупов на шкале мультиметра будет отображено 0.00- 0.01, это показание означает погрешность прибора в диапазоне измерения до 1 Ом.