36.Цифровой измеритель емкости. Цифровой измеритель емкости
 Скачать 66.65 Kb.
|
|
Цифровой измеритель емкости 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 78L05 вместо него, и не исключайте функцию BOD или вы будете страдать от порчи данных в энергонезависимой памяти контроллера. Градуировка Когда питание подано в первый раз, вы увидите «Е4» и несколько пикофарад. Это значение означает паразитную емкость устройства. Паразитная емкость может быть учтена нажатием переключателя SW1. Для калибровки устройства используются два прецизионных конденсатора 1 нФ и 100 нФ. Если у вас нет прецизионных конденсаторов, вместо них можно использовать два обычных, с допуском не более 1%. Этот измеритель емкости не имеет ни одного подстроечного элемента, он калибруется измеряя емкости эталонных конденсаторов и записывает значение коэффициента усиления автоматически. 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.  Защита от помех Последняя цифра отображает десятые доли пикофарада, при измерении емкостей менее 100 пкФ. Любые изменения паразитной емкости влияют на точность измерений. Я использую разъем, который может использоваться с большинством конденсаторов с выводами и чиповыми конденсаторами. Механизм соединения конденсатора с устройством влияет на точность измерений, длинные провода не должны использоваться для подключения измеряемой емкости. Чтобы повысить стабильность можно использовать металлический корпус или металлическую экранировку.  Смещение напряжения Емкость керамических конденсаторов с высоким значением диэлектрической проницаемости зависит от напряжения на них и температуры. Чтобы померить емкость таких конденсаторов при разных напряжениях на них, используйте схему на рисунке слева. Сандық сыйымдылық өлшегіші Бұл қарапайым сыйымдылық өлшегіші. Сыйымдылықты өлшеудің бірнеше әдістері бар, мысалы, қарсылық көпірін пайдалану немесе магниттік көрсеткінің ауытқуын өлшеу. Жақында сыйымдылықтың типтік өлшеуіштері өлшенген сыйымдылыққа айнымалы кернеуді беру арқылы ток векторын өлшеу арқылы сыйымдылықты және кейбір қосымша сипаттамаларды өлшейді. Кейбір қарапайым сыйымдылық өлшегіштері өтпелі кезеңдегі RC тізбегінің қысқа мерзімді реакциясын өлшеу арқылы интеграция әдісін қолданады. Осы әдісті қолданатын сыйымдылық өлшегіштерін жинауға арналған дайын жиынтықтар бар. Бұл жобада интеграция әдісі қолданылады. Бұл әдістің артықшылығы-нәтижені бірден сандық түрде алуға болады, өйткені әдіс уақыт аралықтарын өлшеуге негізделген, дәл аналогтық тізбек қажет емес, микроконтроллерді қолданған кезде өлшеуішті оңай калибрлеуге болады. Осылайша, интеграция әдісі қолмен құрастыру сыйымдылығын өлшеу үшін ең қолайлы. Өтпелі процесс Күй өзгергеннен кейін тізбектің күйі тұрақтанғанға дейін пайда болатын құбылыс өтпелі процесс деп аталады. Өтпелі кезең-импульстік тізбектердегі іргелі құбылыстардың бірі. 1А суретіндегі ажыратқыш ашылған кезде с конденсаторы резистор арқылы зарядталады R және Vc кернеуі 1B суретте көрсетілгендей өзгереді. 1А суретіндегі тізбектің күйін өзгерту үшін ЭМӨ e өзгертуге де болады, қосқышты қолданудың орнына бұл екі әдіс балама болады. Vc кернеуінің t уақытына тәуелділігі формула арқылы көрінеді. (1)Шамалардың өлшемдері: t-секундтар, R-Омдар, C – Фарадтар, Сан - е, шамамен 2,72. Vc кернеуі Vc1 мәніне жеткенде, T1 уақытын формула бойынша көрсетуге болады: (2)Бұл T1 уақытының пропорционалды екенін білдіреді, осылайша сыйымдылықты зарядтау уақытынан және басқа бекітілген параметрлерден есептеуге болады. Аппараттық бөлік Зарядтау уақытын өлшеу үшін тек кернеу компараторы, есептегіш және кейбір байланыстырушы логика қажет. Алайда, осы жобада қолданылатын микроконтроллер (AT90S2313) оны оңай іске асыруға мүмкіндік береді. Алдымен мен AVR контроллеріндегі аналогтық компаратор пайдасыз деп ойладым, бірақ компаратордың шығуынан TS1 триггерінің кірісіне сигнал берілуі мүмкін екенін білдім. Бұл біздің жағдайымыз үшін керемет мүмкіндік. Құрылғының схемасында көрсетілгендей интегралдау схемасын жеңілдетуге болады. Қолдау кернеуі резистивті бөлгішпен жасалады. С түрі, бұл, меніңше, пайдалану бөлгіштің жасайды нәтижесі тұрақсыз қарай өзгеруі қоректендіру кернеуінің, алайда, зарядтың уақыты тәуелді емес және қоректендіруші кернеу. (2) формуласын қолдана отырып, кернеуді vc1/E параметрімен ауыстыруға болатындығын білуге болады, ол тек бөлгіштің қарсыласу қатынасына байланысты болады. Бұл артықшылық NE555 таймер чипінде қолданылады. әрине, өлшеу кезінде кернеу тұрақты болуы керек. Негізгі қағидаттарға сәйкес сыйымдылықты өлшеу кезінде тек бір анықтамалық кернеуді қолдануға болады. Алайда, нөлге жақын кіріс кернеуін пайдалану келесі себептерге байланысты проблемалы болып табылады. * Кернеу ешқашан нөлдік вольтқа түспейді. Конденсатордағы кернеу 0 вольтқа дейін түсе алмайды. Өлшеу жүргізуге мүмкіндік беретін төмен кернеу деңгейіне дейін конденсаторды ағызу үшін уақыт қажет. Бұл өлшеу аралығын арттырады. Шығару кілтіндегі кернеудің төмендеуі де бұл әсерді арттырады. * Зарядтың басталуы мен таймердің басталуы арасында уақыт бар. Бұл өлшеу қатесін тудыруы мүмкін. Мұны AVR-де елемеуге болады, өйткені бұл үшін тек бір сағаттық цикл қажет. Басқа контроллерлерде бұл мәселені шешу қажет болуы мүмкін. * Аналогтық тізбектегі ағып кету тогы. AVR спецификациясына сәйкес аналогтық кірістердегі ағып кету тогы олардағы кернеу нөлге жақын болған кезде артады. Бұл өлшеу қатесін тудыруы мүмкін. Нөлдік кернеуге жақын болмас үшін екі vc1(0,17 Vcc) және Vc2(0,5 Vcc) кернеу қолданылады және T2-t1 (0,5 RC) уақыт аралықтарының айырмасы өлшенеді. Бұл жоғарыда аталған проблемаларды болдырмауға мүмкіндік береді және компаратордың кешігуі де өтеледі. Құрылғының баспа платасы таза болуы керек, ол токтың бетіне ағып кетуін азайтады. Қуат кернеуі 1,5 вольтты батареямен қоректенетін түрлендіргіш арқылы жасалады. Негізгі қуат көзі өлшеу схемасы үшін қолданылмайды, дегенмен электр тізбегі кернеудің ауытқуларына ұшырамайтын сияқты, өйткені электр тізбегінде екі сүзгі қолданылады. Мен оның орнына 5 вольтты 78l05 тұрақтандырғышы бар 9 вольтты батареяны қолдануды ұсынамын, және BOD функциясын жоққа шығармаңыз немесе контроллердің ұшпайтын жадындағы деректердің бұзылуынан зардап шегесіз. Градуирлеу Тамақ алғаш рет ұсынылған кезде Сіз "E4" және бірнеше пикофарадты көресіз. Бұл мән құрылғының паразиттік сыйымдылығын білдіреді. Паразиттік сыйымдылықты SW1 қосқышын басу арқылы ескеруге болады. Құрылғыны калибрлеу үшін 1 NF және 100 NF екі дәл конденсатор қолданылады. Егер сізде дәл конденсаторлар болмаса, олардың орнына 1% - дан аспайтын екі қалыпты пайдалануға болады. Бұл сыйымдылық өлшегіште бірде-бір реттелетін элемент жоқ, ол анықтамалық конденсаторлардың сыйымдылығын өлшеу арқылы калибрленеді және пайда мәнін автоматты түрде жазады. Төменгі диапазонды калибрлеу үшін: алдымен SW1 батырмасымен 0 орнатыңыз. Содан кейін дәлдігі 1 нФ конденсаторын қосыңыз, Р1 коннекторының #1 және #3 контактілерін жауып, SW1 түймесін басыңыз. Жоғарғы диапазонды калибрлеу үшін: 100 нФ дәл конденсаторды қосыңыз, P1 коннекторының #4 және #6 контактілерін жабыңыз, SW1 түймесін басыңыз. Қосылған кезде " Е4 " өзгермейтін жадтағы калибрлеу мәні бұзылғанын білдіреді. Егер калибрлеу бұрын жүргізілген болса, бұл хабарлама ешқашан көрсетілмейді. Нөлді орнатуға келетін болсақ, бұл мән өзгермейтін жадқа жазылмайды және әр қосу кезінде және әр өлшеу алдында қайта орнатуды қажет етеді. Пайдалану Автоматты ауқымды ауыстыру Өлшеу процесі өлшенген сыйымдылықты қосқан сәттен бастап 500 миллисекунд аралығымен басталады. Өлшеу төменгі диапазоннан басталады (3,3 мОм). Егер конденсатордағы кернеу 0,5 миллисекунд (>57 нФ) ішінде 130 Vcc-ге жетпесе, конденсатор таусылып, өлшеу жоғарғы диапазонда (3,3 кОм) қайта басталады. Егер конденсатордағы кернеу 1 секунд ішінде 0,5 Vcc-ге жетпесе (>440 мкФ), өлшеу алынып тасталады және "E2"хабары көрсетіледі. Уақыттың рұқсат етілген мәні өлшенген жағдайда сыйымдылық есептеледі және көрсетіледі. Сыйымдылық мәні дисплейде сол жақтағы алғашқы үш сан ғана көрсетілетін етіп көрсетіледі. Осылайша, екі өлшеу диапазоны және үш дисплей ауқымы автоматты түрде таңдалады. Кедергіден қорғау Соңғы Сан пикофарадтың оннан бір бөлігін көрсетеді, сыйымдылығы 100 пкФ-тан аз. Паразиттік сыйымдылықтағы кез-келген өзгерістер өлшеу дәлдігіне әсер етеді. Мен коннекторды қолданамын, оны көптеген конденсаторлармен және чип конденсаторларымен пайдалануға болады. Конденсаторды құрылғыға қосу механизмі өлшеу дәлдігіне әсер етеді, өлшенген сыйымдылықты қосу үшін ұзын сымдарды қолдануға болмайды. Тұрақтылықты арттыру үшін металл корпусты немесе металл экрандауды қолдануға болады. Кернеудің ығысуы Жоғары диэлектрлік өткізгіштігі бар керамикалық конденсаторлардың сыйымдылығы олардағы кернеу мен температураға байланысты. Мұндай конденсаторлардың сыйымдылығын олардағы әртүрлі кернеулерде өлшеу үшін сол жақтағы суреттегі тізбекті қолданыңыз. |