Это простой измеритель емкости. Имеется несколько методов измерения емкости, например, с помощью моста сопротивлений или измеряя отклонение магнитной стрелки. В последнее время типовые измерители емкости измеряют емкость и некоторые дополнительные характеристики измеряя вектор тока, подавая на измеряемую емкость переменное напряжение. Некоторые простые измерители емкости используют метод интегрирования, измеряя кратковременный отклик RC цепочки при переходном процессе. Существуют готовые наборы для сборки измерителей емкости, реализующих этот метод.
В этом проекте используется метод интегрирования. Преимущество этого метода в том, что результат легко может быть получен сразу в цифровом виде, потому как метод основан на измерении временных интервалов, точной аналоговой схемы не требуется, измеритель легко может быть откалиброван при использовании микроконтроллера. Таким образом метод интегрирования наиболее подходит для измерителя емкости ручной сборки.
Переходный процесс
Явление, проявляющее до тех пор пока состояние цепи не стабилизируется после изменения состояния, называется переходным процессом. Переходный процесс это одно из фундаментальных явлений в импульсных схемах. Когда выключатель на рисунке 1а разомкнется, конденсатор С будет заряжаться через резистор R и напряжение Vc будет изменяться так, как показано на рисунке 1b. Для изменения состояния цепи на рисунке 1а, также возможно изменять ЭДС Е, вместо использования выключателя, эти два метода будут эквивалентны. Зависимость напряжения Vc от времени t выражается формулой.
(1)
Размерности величин: t - секунды, R - Омы, C - Фарады, число - е, приблизительно 2,72. когда напряжение Vc достигнет некоторого значения Vc1, время t1 может быть выражено по формуле:
(2)
Это означает, что время t1 пропорционально С. Таким образом емкость может быть вычислена из времени заряда и других фиксированных параметров.
Аппаратная часть
Чтобы измерить время заряда потребуются только компаратор напряжения, счетчик и некоторая соединительная логика. Однако, микроконтроллер (AT90S2313) используемый в этом проекте позволяет реализовать это проще. Сначала я думал, что аналоговый компаратор в контроллерах AVR бесполезен, но я обнаружил, что сигнал с выхода компаратора может быть подан на вход триггера ТС1. Это прекрасная возможность для нашего случая.
Интегрирующая схема может быть упрощена, как показано на схеме устройства. Опорное напряжение создается резистивным делителем. С виду кажется, что использование делителя делает результат нестабильным к изменения питающего напряжения, однако время заряда не зависит от питающего напряжения. Используя формулу (2), вы можете обнаружить, что напряжение вообще можно заменить параметром Vc1/E, который зависит только от соотношения сопротивлений делителя. Это преимущество используется в микросхеме таймера NE555 . разумеется, питающее напряжение должно быть стабильным во время измерения.
В соответствии с фундаментальными принципами, при измерении емкости может быть использовано только одно опорное напряжение. Однако использование входного напряжения близкого к нулю проблематично по следующим причинам.
- Напряжение никогда не упадет до нуля вольт. Напряжение на конденсаторе не может упасть до 0 вольт. Требуется время, чтобы разрядить конденсатор до достаточно для низкого уровня напряжения, позволяющего производить измерения. Это будет увеличивать интервал измерений. Падение напряжения на ключе разряда также увеличит этот эффект.
- Имеется время между запуском заряда и стартом таймера. Это может вызвать ошибку измерений. Этим можно пренебречь на AVR, потому как им требуется только один цикл тактовой частоты, для этого. На других контроллерах возможно потребуется решать эту проблему.
- Ток утечки в аналоговой цепи. В соответствии со спецификацией AVR, ток утечки на аналоговых входах возрастает при напряжении на них близком к нулю. Это может стать причиной ошибки измерений.
Чтобы избежать использования близкого к нулевому напряжения, используются два опорных напряжения Vc1(0,17 Vcc) и Vc2(0,5 Vcc) и измеряется разность временных интервалов t2-t1 (0,5RC). Это позволяет избежать вышеописанных проблем и задержка компаратора также компенсируется. Печатная плата устройства должна содержаться в чистоте, чтобы минимизировать утечку тока по поверхности.
Питающее напряжение генерируется преобразователем, питаемым от 1,5 вольтовой батарейки. Ключевой источник питания неприменим для схемы измерений, хотя с виду кажется что схема не подвержена колебаниям напряжения, поскольку в цепи питания применены два фильтра. Я рекомендую использовать 9-ти вольтовую батарейку с 5 ти вольтовым стабилизатором 78 L05 вместо него, и не исключайте функцию BOD или вы будете страдать от порчи данных в энергонезависимой памяти контроллера.
Градуировка
Чтобы калибровать нижний диапазон: В первую очередь установите 0 кнопкой SW1. Затем подключите прецизионный конденсатор емкостью 1 нФ, замкните контакты #1 и #3 разъема Р1 и нажмите кнопку SW1.
Чтобы калибровать верхний диапазон: подключите прецизионный конденсатор емкостью 100 нФ, замкните контакты #4 и #6 разъема Р1 нажмите кнопку SW1.
«Е4» при включении означает, что калибровочное значение в энергонезависимой памяти повреждено. Это сообщение никогда не будет показано, если калибровка уже проводилась. Что касается установки нуля, это значение не записывается в энергонезависимую память и требует повторной установки при каждом включении и перед каждым измерением.
Использование
Автоматическое переключение диапазона
Процесс измерения запускается с интервалом 500 миллисекунд, с момента подключения измеряемой емкости. Измерение начинается с нижнего диапазона (3,3 мОм). Если напряжение на конденсаторе не достигнет 0,5 Vcc в течении 130 миллисекунд (>57 нФ), конденсатор разряжается и измерение перезапускается на верхнем диапазоне (3,3 кОм). Если напряжение на конденсаторе не достигнет 0,5 Vcc в течении 1 секунды (>440 мкФ), измерение отменяется и выводится сообщение «E2». В случае, когда допустимое значение времени измерено, емкость вычисляется и отображается. Значение емкости отображается таким образом, что на дисплее отображаются только первые три цифры слева. Таким образом автоматически выбираются два диапазона измерений и три диапазона отображения.
Нашел я как-то в интернете одну статейку азиатского разработчика, в которой описывалось устройство измеритель емкости. Собрано оно было на микроконтроллере и куче "лишних" деталей. Так как были приведены формулы и принцип расчета емкости я решил сделать свое устройство с минимально необходимым количеством элементов, которое удовлетворит мои потребности. Так как осталась свободная память, решил еще добавить функцию частотомера.
В устройстве всего две кнопки, кнопка сброса (установка "0") и кнопка переключения режимов работы:
"Частотомер", "Измерение pF", "Измерение nF"
Принцип работы устройства основан на измерении времени заряда конденсатора до определенного "порогового" напряжения. Расчет производится в микроконтроллере по нижеприведенной формуле:
где T- время заряда, R- сопротивление цепи заряда, C- емкость конденсатора, VC1- напряжение на конденсаторе в момент T, E- ЭДС цепи.
Измеритель емкости работает в двух диапазонах измерений: "pF- градация 1pF" и "nF- градация 1nF".
Диапазон измерений первого режима...........................1 пФ - 20 нФ, точность 1пФ
Диапазон измерений второго режима...........................1 нФ - 22 мкФ, точность 1нФ
Диапазон измерений третьего режима.........................1 мкФ - 2000 мкФ, точность 1мкФ
Диапазон измерения частоты........................................10 Гц(*1Гц) - 8 МГц, точность 10Гц(*1Гц)
* - Для версии прибора с индикатором на контроллере HD44780
КОНСТРУКЦИЯ:
Фьюз биты микроконтроллера могут быть прошиты на тактирование от внутреннего RC-генератора на частоте 8МГц, либо на тактирование от внешнего кварцевого резонатора.
Для тех, кто испытывает проблемы с поиском подходящего дисплея, выкладываю схему подключения и прошивку для символьного дисплея с драйвером KS0066U (HD4478).
Дисплей TIC 8148...Аналог TIC55M
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.
Этот измеритель емкости может измерять емкость конденсаторов с разрешением 1 пФ в нижнем конце диамазона. Максимальная измеряемая емкость - 10000 мкФ. Реальная точность не известна, но линейная ошибка лежит в пределах максимум 0.5 % , и обычно меньше 0.1% (получено измерением параллельно подключенных нескольких конденсаторов). Наибольшие затруднения возникают при измерении электролитических конденсаторов большой емкости.
Измеритель емкости работает в режиме автоматического выбора пределов измерения, либо в нижнем или верхнемдиапазоне емкостей принудительно. Прибор имеет два различных предела измерения, реализуя два измерения для одного и того же конденсатора. Это дает возможность проверить правдивость измерения и узнать, действительно ли измеряемая деталь является конденсатором. При этом методе электролиты проявляют свою характерную нелинейность, давая разные значения при разных пределах измерения.
Измеритель емкости имеет систему меню, которая в том числе позволяет откалибровать нулевое значение и емкость в 1 мкФ. Калибровка сохраняется в EEPROM.
Для проекта был выбран один из самых маленьких чипов - Атмега8. Схема питается от 9-вольтовой батарейки через линейный регулятор 7805. 
Прибор может работать в трех режимах: измерение в нижнем диапазоне, в верхнем диапазоне, и в режиме разрядки. Эти режимы определяются состоянием выводов PD5 и PD6 контроллера. Во время разрядки PD6 имеет лог. 0 и кондерсатор разряжается через резистор R7 (220 Ом). В верхнем диапазоне измерений PD5 имеет лог. 1, заряжая конденсатор через R8 (1.8K) и PD6 находится в Z-состоянии чтобы позволить аналоговому компаратору сравнивать напряжение. В нижнем диапазоне измерений PD5 также находится в Z-состоянии, и конденсатор заряжается только через R6 (1.8MОм).
В качестве индикатора может использоваться любой дисплей на контроллере HD44780 размером 16x2 символов. Разводка коннектора дисплея показана на этом рисунке:
Устройство собрано на макетной плате и размещено в простом прямоугольном пластиковом корпусе. В крышке корпуса вырезаны отверстия под индикатор, кнопку и светодиод, которые закреплены термоклеем:
Программа измерителя емкости
В устройстве можно использовать контроллера atmega8 и atmega48/88/168 семейства. При замене контроллера в программе нужно изменить строку, отвечающую за конфигурацию таймера конкретного контроллера.
.Конденсаторы очень широко применяются во всех типах электронных цепей и без них не обходится практически не одна радиосхема. В этом проекте, мы обсудим технику построения цифрового измерителя емкости используюя микроконтроллер PIC. Этот проект может измерить величины емкости с 1 nF до 99 uF (соответственно пикофарады тоже мерит). Использованный в этом проекте микроконтроллер это PIC16F628A.
Схема состоит из двух частей, первая часть схемы представлены ниже:
Вторая часть:
Вывода второй части с хемы подключаются к выводам микроконтроллера, сооствественно обозначениям на них.
Этот имеритель емкости основан на принципе заряжаемом конденсатор через последовательный резистор. Если мы знаем время, которое необходимо для конденсатора, чтобы заряжаться вплоть до известного напряжения, тогда мы можем решить это уравнение для C, знающий величина R.
Зная величину резистора (в этом случае это - 22K) и заряжаемое время, мы можем теперь решить конденсаторное уравнение, чтобы вычислять емкость C. В программе используется именно этот принцип. Измерение начинается когда нажата кнопка измерения. Измеренная емкость отображается на дисплее LCD. Для питания схемы требуется источник питания напяжением 5V.
Микропрограмма для микроконтроллера написана в C. Про для компилятора PIC. Максимальная величина измеримой емкости 99.99 uF. Программа отображает сообщение "Из Дипазона” если измеряемая величина выходит за пределы. Понятное дело, что микрофарады будут измерять дольше чем пико или нанофарады. Прибор достаточно точный и погрешность составляет всего 1 nF.
Примечание: Высоковольтные конденсторы перед началом измерение необходимо разрядить высокоомным резистором.
Примеры измеренный емкостей:
/c]
