Digitálny merač kapacity
Potrebujete jednoduchý, presný a lacný merač kapacity? Tu je
[AT90S2313]
ChaN, 12.11.2009-00:00
Aj v prípade merania kapacity je známych niekoľko meracích metód. Jeden čas sa používalo mostíkové meranie kapacity (určite si na neho každý z vás pamätá, alebo aspoň o ňom čo to počul v škole). Ďalej to boli rezonančné meracie metódy. V poslednej dobe merače kapacity využívajú na meranie kapacity, ale aj iných charakteristík striedavý prúd pripojený priamo na meraný kondenzátor. Existujú však aj pomerne jednoduché kapacitné merače využívajúce integračnú metódu, ktorou je meraná časová odozva R-C siete (prechodový jav na RC článku). Na poslednej spomínanej metóde je založený aj tento merač kapacity. Jej výhodou je, že výsledkom môžu byť priamo digitálne dáta, ktoré získame jednoducho meraním času, pričom odpadá použitie presných analógových obvodov a merač môže byť kalibrovaný pomocou samotného mikrokontroléru. Z týchto dôvodov je integračná metóda veľmi výhodná na stavbu príručných meračov kapacity.
Princíp
Ak obvod prechádza z jedného ustáleného stavu, do iného ustáleného stavu, stav obvodu (časový úsek) medzi tými to dvomi ustálenými stavmi sa nazýva prechodný stav (prechodný jav - transient). Tento jav je jedným zo základných operácií v impulzových obvodoch.
Ak je spínač na obr.1a otvorený (vypnutý), bude sa kondenzátor C nabíjať cez rezistor R a priebeh napätia Vc bude taký, ako vidíte na obr. 1b. Vzťah medzi uplynutým časom t a napätím Vc je vyjadrený nasledujúcou rovnicou (1):
,kde t je čas v sekundách, R je odpor v ohmoch, C kapacita vo faradoch a epsilon je Napierovo číslo rovnajúce sa cca. 2,72. Keď Vc dosiahne hodnotu Vc1, čas t1 môžeme vyjadriť nasledujúcim vzťahom (2):
Tento vzťah znamená, že čas t1 je úmerný hodnote pripojenej kapacity (kondenzátora) a tým pádom, môžme túto neznámu kapacitu vypočítať z času nabíjania a ostatných parametrov, ktoré sú fixne dané.
Hardware
Na meranie nabíjacieho času potrebujeme len napäťový komparátor, čítač a trošku logiky. S použitím mikrokontroléru AT90S2313 je realizácia takéhoto systému jednoduchou záležitosťou. Dlho som si myslel, že komparátor v AVRku je nevyužiteľná periféria. Objavil som, ale že výstup komparátora, môže byť použitý ako spúšťač čítača/časovača1 (Timer/Counter1), čo je pre využitie v tomto prístroji ako stvorené. Integračný obvod môže byť zjednodušený tak ako je to nakreslené na nasledujúcej schéme:
Prahové napätie je generované rezistorovým deličom. Zdá sa, že pri kolísaní napájacieho napätia bude obvod ovplyvňovaný, toto je ale naozaj iba zdanie pretože napájacie napätie nemá na nabíjací čas žiadny vplyv. Pekne je to vidieť zo vzťahu 2, kde máme v zátvorke napísané (1 - Vc/E). Veličiny (čiže Volty) pri Vc aj E môžme "vykrátiť" (zmazať) a hodnota zátvorky bude závisieť iba od pomeru Vc a E odpočítaného od jednotky. Toto je v podstate výhoda, ktorú poskytuje aj časovač 555. Samozrejme, počas integrácie musí byť pripojené napájacie napätie stabilné. Čas integrácie sa dá v podstate merať jedným prahovým napätím. Avšak to vyžaduje použitie napätia blízkeho nule, čo nie je vždy až také jednoduché a to z nasledujúcich dôvodov:
Aby sa zabránilo použitiu takmer nulovej hodnoty na vstupe, využívajú sa dve prahové napätia Vc1 (0.17Vcc) a Vc2 (0.5Vcc) a meria sa rozdiel t2-t1(0.5RC). Týmto sa môžeme vyhnúť vyššie uvedeným problémom a taktiež bude zrušený delay/offset komparátora. pokiaľ ide o zvodový prúd, treba udržiavať dosku v čistote, aby sa zabránilo povrchovým zvodom.
Napájacie napätie je generované DC-DC meničom z 1,5V AA článku. Spínaný zdroj nie je vhodný na napájanie meraného obvodu, ako sa ale zdá zvlnené napätie zdroja sa v obvode neprejavuje vďaka dvom použitým filtrom. Zo skúsenosti však odporúčam použiť na napájanie 9V batériu a obyčajný stabilizátor 78L05.
K mikrokontroléru samozrejme patrí aj firmware (assembler), ktorý stačí stiahnuť, rozbaliť a napáliť do mikrokontroléru. (cmmsrc.zip)
Kalibrácia
Keď zapnete prístroj prvý krát na displeji sa zobrazí "E4" a potom hodnota niekoľko desiatok pikofaradov. Táto hodnota znamená náhodnú kapacitu a zrušiť je ju možné stlačením tlačidla SW1. Na samotnú kalibráciu potrebujeme dva presné referenčné kondenzátory s hodnotami 1nF a 100nF. Ak by sa vám nepodarilo získať takto presné referenčné kondenzátory, môžte namiesto nich použiť kondenzátory s toleranciou 1%. Merač neobsahuje žiadny trimer, kalibrácia sa uskutočňuje automaticky odčítaním hodnoty referenčného kondenzátora a následne jej uložením.
Zobrazenie "E4" pri zapnutí prístroja znamená, že kalibračná hodnota v EEPROM bola vymazaná, avšak po vykonaní prvej kalibrácie sa táto "hláška" na displeji už nikdy nezobrazí. Čo sa týka nastavenia nuly, táto nie je uložená v EEPROM a preto ju bude treba nastaviť pri každom spustení prístroja.
Používanie
Automatické prepínanie rozsahov
Meranie je spúšťané každých 500ms, ale iba ak je pripojený meraný kondenzátor Cx. Každé meranie začína na nižšom rozsahu (R - 3,3Mohm). Ak napätie na kondenzátore nedosiahne 0,5Vcc do 130ms (Cx > 57nF), kondenzátor sa vybije a meranie sa začne na vyššom rozsahu (R - 3,3Kohm). Ak napätie na kondenzátore nedosiahne 0,5Vcc ani do jednej sekundy, meranie je zrušené a na display je zobrazené "E2". Len čo je dosiahnutý platný čas, je hodnota kapacity vypočítaná a zobrazená na displeji. Uložená hodnota je zobrazovaná zľava v troch čísliciach. Máme tu teda dva meracie rozsahy a osem automaticky zobrazovaných rozsahov na displeji.
Tienenie
Pri meraní kapacít menších ako 100pF, zodpovedá posledná zobrazovaná číslica desatinám pikofaradu a akákoľvek rozptylová kapacita ovplyvňuje presnosť merania. Ako zásuvku som použil napol rozrezaný nasúvací konektor, ktorý je vhodný pre väčšinu vývodových a aj SMD kondenzátorov. Keďže meracia sústava ovplyvňuje presnosť merania, ak je to možné nepoužívajte súčiastky s dlhými prívodmi. K zvýšeniu stability môže pomôcť aj použitie kovového obalu alebo tienenia.
Predpätie
Keramické kondenzátory s veľkou permitivitou dielektrika menia svoju kapacitu v závislosti od predpätia a teploty. Ak meriate kondenzátory, ktoré potrebujú na zmeranie kapacity predpätie pozrite sa na obrázok dolu.
A nakoniec je tu malá ukážka merania kapacity rôznych kondenzátorov:
100uF elektrolytický kondenzátor:
470nF viacvrstvový kondenzátor:
16nF 1% Mica kondenzátor:
330pf 5% polystyrénový kondenzátor:
100pF 5% keramický kondenzátor:
1pF keramický kondenzátor:
5pF Mica kondenzátor s dlhými vývodmi:
5pF Mica kondenzátor s odstrihnutými vývodmi:
1S1588 dióda , kapacita v závernom smere:
Homepage projektu: http://elm-chan.org/works/cmc/report.html
Zverejnené zo súhlasom autora.
Preklad: Kiwwicek
tento článok je z mikroZONE
( https://www.mikrozone.sk/pluginy/content/content.php?content.29 )
Potrebujete jednoduchý, presný a lacný merač kapacity? Tu je
[AT90S2313]
ChaN, 12.11.2009-00:00
Princíp
Ak obvod prechádza z jedného ustáleného stavu, do iného ustáleného stavu, stav obvodu (časový úsek) medzi tými to dvomi ustálenými stavmi sa nazýva prechodný stav (prechodný jav - transient). Tento jav je jedným zo základných operácií v impulzových obvodoch.
Ak je spínač na obr.1a otvorený (vypnutý), bude sa kondenzátor C nabíjať cez rezistor R a priebeh napätia Vc bude taký, ako vidíte na obr. 1b. Vzťah medzi uplynutým časom t a napätím Vc je vyjadrený nasledujúcou rovnicou (1):
,kde t je čas v sekundách, R je odpor v ohmoch, C kapacita vo faradoch a epsilon je Napierovo číslo rovnajúce sa cca. 2,72. Keď Vc dosiahne hodnotu Vc1, čas t1 môžeme vyjadriť nasledujúcim vzťahom (2):
Tento vzťah znamená, že čas t1 je úmerný hodnote pripojenej kapacity (kondenzátora) a tým pádom, môžme túto neznámu kapacitu vypočítať z času nabíjania a ostatných parametrov, ktoré sú fixne dané.
Hardware
Na meranie nabíjacieho času potrebujeme len napäťový komparátor, čítač a trošku logiky. S použitím mikrokontroléru AT90S2313 je realizácia takéhoto systému jednoduchou záležitosťou. Dlho som si myslel, že komparátor v AVRku je nevyužiteľná periféria. Objavil som, ale že výstup komparátora, môže byť použitý ako spúšťač čítača/časovača1 (Timer/Counter1), čo je pre využitie v tomto prístroji ako stvorené. Integračný obvod môže byť zjednodušený tak ako je to nakreslené na nasledujúcej schéme:
Prahové napätie je generované rezistorovým deličom. Zdá sa, že pri kolísaní napájacieho napätia bude obvod ovplyvňovaný, toto je ale naozaj iba zdanie pretože napájacie napätie nemá na nabíjací čas žiadny vplyv. Pekne je to vidieť zo vzťahu 2, kde máme v zátvorke napísané (1 - Vc/E). Veličiny (čiže Volty) pri Vc aj E môžme "vykrátiť" (zmazať) a hodnota zátvorky bude závisieť iba od pomeru Vc a E odpočítaného od jednotky. Toto je v podstate výhoda, ktorú poskytuje aj časovač 555. Samozrejme, počas integrácie musí byť pripojené napájacie napätie stabilné. Čas integrácie sa dá v podstate merať jedným prahovým napätím. Avšak to vyžaduje použitie napätia blízkeho nule, čo nie je vždy až také jednoduché a to z nasledujúcich dôvodov:
- Napätie neklesne na nulu. Kondenzátor sa nedá okamžite vybiť a preto je potrebný určitý vybíjací čas na dosiahnutie dostatočne nízkeho napätia, vhodného na začatie samotného merania.
- Čas medzi začiatkom nabíjania kondenzátora a štartom časovača. Toto môže spôsobiť chybu merania, použitím AVRka však môžeme tento čas ignorovať, lebo procesor potrebuje na túto sekvenciu iba jeden hodinový cyklus. Ak by sme chceli použiť v konštrukcii iný mikrokontrolér museli by sme s týmto problémom rátať.
- Zvodový prúd analógového vstupu. Podľa datasheetu mikrokontroléru, sa zvodový prúd zvyšuje práve blízko nulovej hodnoty napätia na vstupe, čo môže spôsobiť ďalšiu chybu merania.
Aby sa zabránilo použitiu takmer nulovej hodnoty na vstupe, využívajú sa dve prahové napätia Vc1 (0.17Vcc) a Vc2 (0.5Vcc) a meria sa rozdiel t2-t1(0.5RC). Týmto sa môžeme vyhnúť vyššie uvedeným problémom a taktiež bude zrušený delay/offset komparátora. pokiaľ ide o zvodový prúd, treba udržiavať dosku v čistote, aby sa zabránilo povrchovým zvodom.
Napájacie napätie je generované DC-DC meničom z 1,5V AA článku. Spínaný zdroj nie je vhodný na napájanie meraného obvodu, ako sa ale zdá zvlnené napätie zdroja sa v obvode neprejavuje vďaka dvom použitým filtrom. Zo skúsenosti však odporúčam použiť na napájanie 9V batériu a obyčajný stabilizátor 78L05.
K mikrokontroléru samozrejme patrí aj firmware (assembler), ktorý stačí stiahnuť, rozbaliť a napáliť do mikrokontroléru. (cmmsrc.zip)
Kalibrácia
Keď zapnete prístroj prvý krát na displeji sa zobrazí "E4" a potom hodnota niekoľko desiatok pikofaradov. Táto hodnota znamená náhodnú kapacitu a zrušiť je ju možné stlačením tlačidla SW1. Na samotnú kalibráciu potrebujeme dva presné referenčné kondenzátory s hodnotami 1nF a 100nF. Ak by sa vám nepodarilo získať takto presné referenčné kondenzátory, môžte namiesto nich použiť kondenzátory s toleranciou 1%. Merač neobsahuje žiadny trimer, kalibrácia sa uskutočňuje automaticky odčítaním hodnoty referenčného kondenzátora a následne jej uložením.
- Kalibrácia nižšieho rozsahu: Najprv nastavte nulu tlačidlom SW1 (stlačiť a pustiť SW1), následne stlačte SW1 a pripojte na piny 1 a 3 konektoru P1 referenčný kondenzátor s kapacitou 1nF a tlačidlo pustite.
- Kalibrácia vyššieho rozsahu: Postup je podobný ako pri kalibrácii nižšieho rozsahu, čiže stlačíme SW1, na piny 4 a 6 konektora P1 pripojíme referenčný kondenzátor s kapacitou 100nF a SW1 pustíme.
Zobrazenie "E4" pri zapnutí prístroja znamená, že kalibračná hodnota v EEPROM bola vymazaná, avšak po vykonaní prvej kalibrácie sa táto "hláška" na displeji už nikdy nezobrazí. Čo sa týka nastavenia nuly, táto nie je uložená v EEPROM a preto ju bude treba nastaviť pri každom spustení prístroja.
Používanie
Automatické prepínanie rozsahov
Meranie je spúšťané každých 500ms, ale iba ak je pripojený meraný kondenzátor Cx. Každé meranie začína na nižšom rozsahu (R - 3,3Mohm). Ak napätie na kondenzátore nedosiahne 0,5Vcc do 130ms (Cx > 57nF), kondenzátor sa vybije a meranie sa začne na vyššom rozsahu (R - 3,3Kohm). Ak napätie na kondenzátore nedosiahne 0,5Vcc ani do jednej sekundy, meranie je zrušené a na display je zobrazené "E2". Len čo je dosiahnutý platný čas, je hodnota kapacity vypočítaná a zobrazená na displeji. Uložená hodnota je zobrazovaná zľava v troch čísliciach. Máme tu teda dva meracie rozsahy a osem automaticky zobrazovaných rozsahov na displeji.
Tienenie
Pri meraní kapacít menších ako 100pF, zodpovedá posledná zobrazovaná číslica desatinám pikofaradu a akákoľvek rozptylová kapacita ovplyvňuje presnosť merania. Ako zásuvku som použil napol rozrezaný nasúvací konektor, ktorý je vhodný pre väčšinu vývodových a aj SMD kondenzátorov. Keďže meracia sústava ovplyvňuje presnosť merania, ak je to možné nepoužívajte súčiastky s dlhými prívodmi. K zvýšeniu stability môže pomôcť aj použitie kovového obalu alebo tienenia.
Predpätie
Keramické kondenzátory s veľkou permitivitou dielektrika menia svoju kapacitu v závislosti od predpätia a teploty. Ak meriate kondenzátory, ktoré potrebujú na zmeranie kapacity predpätie pozrite sa na obrázok dolu.
A nakoniec je tu malá ukážka merania kapacity rôznych kondenzátorov:
100uF elektrolytický kondenzátor:
470nF viacvrstvový kondenzátor:
16nF 1% Mica kondenzátor:
330pf 5% polystyrénový kondenzátor:
100pF 5% keramický kondenzátor:
1pF keramický kondenzátor:
5pF Mica kondenzátor s dlhými vývodmi:
5pF Mica kondenzátor s odstrihnutými vývodmi:
1S1588 dióda , kapacita v závernom smere:
Homepage projektu: http://elm-chan.org/works/cmc/report.html
Zverejnené zo súhlasom autora.
Preklad: Kiwwicek
tento článok je z mikroZONE
( https://www.mikrozone.sk/pluginy/content/content.php?content.29 )