Приставка-измеритель LC к цифровому вольтметру - Измерительная техника - Инструменты. Приставка к мультиметру для измерения LC

Эта статья продолжает тему расширения возможностей популярных мультиметров серии 83x. Малый потребляемый приставкой ток позволяет питать её от внутреннего стабилизатора АЦП мультиметра. С помощью этой приставки можно измерять индуктивность катушек и дросселей, ёмкость конденсаторов без выпаивания их из платы.

Конструкции измерительных приставок к мультиметрам помимо различия схемных решений и методов измерений того или иного параметра различны ещё и по способности работать от собственного источника питания и без него, используя стабилизатор напряжения АЦП мультиметра. Приставки, питаемые от стабилизатора АЦП мультиметра, по мнению автора, более удобны в эксплуатации, особенно "вне дома". В случае необходимости их можно питать и от внешнего источника напряжением 3 В, например, от двух гальванических элементов. Конечно, встаёт вопрос о потребляемом такой приставкой токе, который не должен превышать нескольких миллиампер, но применение современной элементной базы в сочетании с оптимальной схемотехникой решает эту задачу. Впрочем, вопрос о потребляемом токе всегда был и будет актуален, особенно для измерительных приборов c автономным питанием, когда продолжительность работы от автономного источника зачастую определяет выбор прибора.

При разработке LC-метра основное внимание было уделено не только минимизации потребляемого тока, но и возможности измерения индуктивности катушек и дросселей, ёмкости конденсаторов без выпаивания их из платы. Такую возможность следует всегда учитывать при разработке подобных измерительных приборов. Можно привести немало примеров, когда радиолюбители в своих конструкциях, к сожалению, не обращают на это внимания. Если, например, измерять ёмкость конденсатора методом зарядки стабильным током, то уже при напряжении на конденсаторе более 0,3...0,4 В без выпайки его из платы достоверно определить ёмкость зачастую невозможно.

Принцип работы LC-метра не нов , он основан на вычислении квадрата измеренного периода собственных колебаний в резонансном LC-контуре, который связан с параметрами его элементов соотношениями

Т = 2π √LC или LC = (Т/2π) 2 .

Из этой формулы следует, что измеряемая индуктивность линейно связана с квадратом периода колебаний при неизменной ёмкости в контуре. Очевидно, что той же линейной зависимостью связана и измеряемая ёмкость при неизменной индуктивности, и для измерений индуктивности или ёмкости достаточно преобразовать период колебаний в удобную величину. Из приведённой выше формулы видно, что при неизменной ёмкости 25330 пФ или индуктивности 25,33 мГн для мультиметров серии 83х минимальная дискретность измерения - 0,1 мкГн и 0,1 пФ в интервалах 0...200 мкГн и 0...200 пФ соответственно, а частота колебаний при измеряемой индуктивности 1 мкГн равна 1 МГц.

Приставка содержит измерительный генератор, частота которого определяется LC-контуром и в зависимости от рода измерений - индуктивностью, подключённой к входным гнёздам катушки, или ёмкостью конденсатора, узел стабилизации выходного напряжения генератора, формирователь импульсов, делители частоты для расширения интервалов измерений и преобразователь периода повторения импульсов в напряжение, пропорциональное его квадрату, которое измеряет мультиметр.

Основные технические характеристики

Пределы измерения индуктивности.........200 мкГн; 2 мГн; 20 мГн; 200 мГн; 2 Гн; 20 Гн

Пределы измерения ёмкости..................200 пФ; 2 нФ; 20 нФ; 0,2 мкФ; 2 мкФ; 20 мкФ

Погрешность измерения на первых четырёх пределах от 0,1 предельного значения и выше, не более, % .........3

Погрешность измерения на пределах 2 мкФ и 2 Гн, не более, % ......................10

Погрешность измерения на пределах 20 мкФ и 20 Гн, не более, % ...................20

Максимальный потребляемый ток, не более, мА...........3

Погрешность измерения индуктивности на пределах 2 и 20 Гн зависит от собственной ёмкости катушки, её активного сопротивления, остаточной намагниченности магнитопровода, а ёмкости на пределах 2 и 20 мкФ - от активного сопротивления катушки в LC-контуре и ЭПС (ESR) измеряемого конденсатора.

Схема приставки приведена на рис. 1. В положении "Lx" переключателя SA1 измеряют индуктивность катушки, подключённой к гнёздам XS1, XS2, параллельно которой подключён конденсатор С1, а в положении "Cx" - ёмкость конденсатора, параллельно которому подключена катушка индуктивности L1. На транзисторах VT1, VT2 собран измерительный генератор синусоидального напряжения, частота которого, как уже сказано выше, определяется элементами LC-контура. Это усилитель, охваченный положительной обратной связью (ПОС). Первая ступень усилителя собрана по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель), она обладает большим входным сопротивлением и малым выходным, а вторая - по схеме с общей базой (ОБ) - обладает малым входным и большим выходным сопротивлением. Тем самым достигнуто хорошее согласование при замыкании выхода второй с входом первой. Обе ступени неинвертирующие, поэтому такое соединение охватывает усилитель стопроцентной ПОС, которая в сочетании с высоким входным сопротивлением эмиттерного повторителя и выходным каскада с ОБ обеспечивает работу генератора на резонансной частоте LC-контура в широком интервале частот.

Рассмотрим работу LC-метра с подключённой к гнёздам XS1, XS2 "Lx, Cx" катушкой индуктивности или конденсатором. Напряжение с выхода генератора поступает на усилитель с высоким входным сопротивлением, собранный на транзисторе VT3, который усиливает его в пять раз, что необходимо для нормальной работы узла стабилизации выходного напряжения генератора. Узел стабилизации собран на диодах VD1, VD2, конденсаторах С3, С5 и транзисторе VT4. Он поддерживает выходное напряжение генератора на неизменном уровне около 100 мВ эфф., при котором можно проводить измерения без выпаивания элементов из платы, а также повышает устойчивость колебаний генератора на этом уровне. Выходное напряжение усилителя, выпрямленное диодами VD1, VD2 и сглаженное конденсатором С5, поступает на базу транзистора VT4. При амплитуде напряжения на выходе генератора менее 150 мВ этот транзистор открыт базовым током, протекающим через резистор R7, и на генератор подаётся полное напряжение питания +3 В (такое напряжение необходимо подать на генератор для его надёжного запуска, а также при измерении индуктивности 1...3 мкГн). Если при измерении амплитуда напряжения генератора станет больше 150 мВ, на выходе выпрямителя появится напряжение закрывающей транзистор VT4 полярности. Его коллекторный ток уменьшится, что приведёт к уменьшению напряжения питания генератора и восстановлению амплитуды его выходного напряжения до заданного уровня. В противном случае происходит обратный процесс.

Выходное напряжение усилителя на транзисторе VT3 через цепь С4,С6,R8 поступает на формирователь импульсов, собранный на транзисторах VT5 и VT6 по схеме триггера Шмитта с эмиттерной связью. На его выходе формируются прямоугольные импульсы с частотой генератора, малым временем спада (около 50 нс) и размахом, равным напряжению питания. Такое время спада необходимо для нормальной работы десятичных счётчиков DD1-DD3. Резистор R8 обеспечивает устойчивую работу триггера Шмитта на низких частотах. Каждый из счётчиков DD1 - DD3 делит частоту сигнала на 10. Выходные сигналы счётчиков поступают на переключатель пределов измерений SA2.

С подвижного контакта переключателя в зависимости от выбранного предела измерения "х1", "х10 2 ", "х10 4 " импульсные сигналы прямоугольной формы U и (рис. 2,а) поступают на преобразователь "период-напряжение", собранный на ОУ DA1.1, полевых транзисторах VT7-VT9 и конденсаторе С8. С приходом очередного импульса сигнала длительностью 0,5Т транзистор VT7 на это время закрывается. Напряжение с резистивного делителя R13R14 (около 2,5 В) поступает на неинвертирующий вход ОУ DA 1.1. На этом ОУ и транзисторе VT9 собран источник стабильного тока (ИТ). Ток ИТ 140 мкА задан параллельным включением резисторов R16 и R17 при замкнутых контактах выключателя SA3 (положение "х1") и в десять раз меньше - 14 мкА - резистором R16 при разомкнутых (положение "х10").

В момент прихода импульса длительностью 0,5T транзистор VT8 через дифференцирующую цепь С7R15 открывается на 5...7 мкс, разряжая за это время конденсатор С8, после чего закрывается и начинается зарядка конденсатора С8 стабильным током от ИТ (рис. 2,б). По окончании импульса транзистор VT7 открывается, замыкая резистор R13, и ток ИТ становится равным нулю. В течение следующего интервала 0,5T напряжение U1 на конденсаторе С8 остаётся до прихода следующего импульса неизменным и равным

U 1 = U С8 = I ИТ1 хТ/(2хС8) = К 1 хТ,

где К 1 = I ИТ1 /(2хС8) - постоянный коэффициент.

Из этого выражения следует, что напряжение на заряженном конденсаторе С8 пропорционально периодуТ поступающих импульсов. При этом напряжению 2 В соответствует максимальное значение измеряемого параметра на каждом пределе измерения. К конденсатору подключён вход буферного усилителя на ОУ DA1.2 с единичным коэффициентом усиления, входной ток которого ничтожно мал (единицы пикоампер) и не влияет на разрядку (и зарядку) конденсатора С8.

С выхода буферного усилителя оно поступает на следующий преобразователь - "напряжение-ток" на ОУ DA2.1. На этом ОУ и резисторах R18-R21 собран ещё один ИТ (ИТ2). Ток этого ИТ определяется входным напряжением, поступающим на левый по схеме вывод резистора R18, и его сопротивлением, а знак - от того, какой из резисторов (в нашем случае это R18 или R20) включён входным. ИТ нагружен на конденсатор С9. Во время действия входного импульса длительностью 0,5Т транзистор VT10 открыт и напряжение U 2 на конденсаторе С9 равно нулю (рис. 2,в). По окончании импульса транзистор закрывается и начинается зарядка конденсатора постоянным током от напряжения, поступающего на резистор R18 с буферного усилителя на ОУ DA1.2. Как видно из диаграммы (рис. 2,в), напряжение на конденсаторе линейно возрастает в виде пилы до появления через время 0,5Т следующего импульса. К моменту его появления напряжение на конденсаторе достигнет значения

U 2max = U С9max = I ИТ2 хТ/(2хС9) = U C8 xT/(2xR18xС9) = K 2 xU C8 xT = К 1 хК 2 хТ 2 ,

где К 1 , К 2 - постоянные коэффициенты; К 2 = 1/(2xR18xC9).

Из этого выражения следует, что амплитуда напряжения на конденсаторе С9 пропорциональна квадрату периода поступающих импульсов, т. е. линейно зависит от измеряемой индуктивности или ёмкости. Такое преобразование "в квадрат периода" логически понятно и без приведённого выражения, поскольку напряжение на конденсаторе С9 зависит линейно одновременно как от периода, так и от напряжения на входе ИТ, также зависящего линейно от периода. При этом напряжению U2max, равному 2 В, соответствует максимальное значение измеряемого параметра на каждом пределе измерения.

К конденсатору С9 подключён вход буферного усилителя на ОУ DA2.2. С его выхода напряжение пилообразной формы, уменьшенное до необходимого уровня делителем R22R23, поступает на вход "VΩmA" мультиметра (разъём XP2). Встроенная интегрирующая RC-цепь мультиметра, подключённая к входу АЦП (постоянная времени 0,1 с), и внешняя - R22C12 сглаживают импульсы пилообразной формы до среднего за период значения, которое равно четверти амплитудного. Так, при амплитуде "пилы" на разъёме XP2 "VΩmA" 0,8 В напряжение на входе АЦП мультиметра равно 200 мВ, что соответствует верхней границе измерения постоянного напряжения на пределе 200 мВ.

Приставка собрана на плате из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита. Чертёж печатной платы показан на рис. 3, а расположение на ней элементов - на рис. 4.

Фотографии печатной платы представлены на рис. 5, 6. Штырь ХР1 "NPNC" - подходящий от разъёма. Штыри ХР2 "VΩmA" и ХР3 "СОМ" - от вышедших из строя измерительных щупов для мультиметра. Входные гнёзда XS1, XS2 - клеммник винтовой 350-02-021-12 серии 350 фирмы DINKLE. Переключатели движковые: SA1 - SS12D07; SA2, SA3 - серии MSS, MS, IS, например, MSS-23D19 (MS-23D18) и MSS-22D18 (MS-22D16) соответственно. Катушка L1 - самодельная, содержит приблизительно (уточняется при налаживании) 160 витков провода ПЭВ-2 0,2, намотанных в четырёх секциях по 40 витков на кольцевом магнитопроводе типоразмера 10x6x4,5 из феррита 2000НМ1, 2000НМ3 или N48 (EPCOS). Ферриты этих марок имеют низкий температурный коэффициент магнитной проницаемости. Использование ферритов других марок, например N87, приведёт к увеличению погрешности измерения ёмкости при изменении температуры уже на 5...10 о С.

Конденсаторы С1, С8 и С9 - плёночные импортные выводные на напряжение 63 В (например, WIMA, EPCOS). Отклонение ёмкости конденсаторов С8, С9 должно быть не более 5 %. Остальные - для поверхностного монтажа: С2, С10, С11 - типоразмера 0805; С4, С6, С7 - 1206; оксидные С3, С5, С12 - тан-таловые В. Все резисторы типоразмера 1206. Резисторы R13, R14, R16-R21 следует применить с допуском не более 1 %, причём резисторы R18, R20 и R19, R21 отобрать мультиметром с как можно близкими сопротивлениями в каждой паре. Зачастую - для отбора достаточно ленточной упаковки из 10...20 резисторов ряда Е24 пятипроцентного класса точности.

Транзисторы VT1 -VT5 должны иметь коэффициент передачи тока не менее 500, VT6 - от 50 до 200. Транзисторы BSS84 заменимы на IRLML6302, а IRLML2402 - на FDV303N. При иной замене следует учесть, что пороговое напряжение транзисторов должно быть не более 2 В, сопротивление открытого канала - не более 0,5 Ом, а входная ёмкость - не более 200 пФ при напряжении сток-исток 1 В. Микромощные ОУ AD8542ARZ заменимы, например, МСР602 или отечественными КФ1446УД4А. Последние желательно отобрать по напряжению смещения нуля не более 2 мВ для уменьшения погрешности измерения, когда его результат не превышает 10 % от установленного предела. Десятичные счётчики 74HC4017D высокоскоростной логики допустимо заменить аналогичными из серии 4000В фирмы NXP (PHILIPS) - HEF4017В. Применять аналогичные счётчики других фирм, тем более отечественные К561ИЕ8, не следует. При напряжении питания 3 В входная частота 1 МГц с измерительного генератора для таких счётчиков слишком велика, а длительность спада импульса на их входе (50 нс) - мала. Они могут такой сигнал "не почувствовать".

Выводы конденсаторов С8, С9, идущие к общему проводу, пропаивают с двух сторон печатной платы. Аналогично пропаивают выводы переключателя SA3 и вывод, идущий от подвижного контакта SA2, а также вилки ХР1-ХР3. Причём XP2 и XP3 крепят пайкой в первую очередь, а затем уже "по месту" сверлят отверстие и впаивают вилку ХР1. В отверстия площадок около истока транзистора VT10 и резистора R14 вставляют отрезки лужёного провода и пропаивают их с двух сторон. Перед монтажом у микросхем DD2, DD3 вывод 4 следует отогнуть или удалить.

При работе с LC-метром переключатель рода работ мультиметра устанавливают в положение измерения постоянного напряжения на пределе "200mV". Пределы измерений LC-метра, соответствующие положениям переключателей SA2, SA3, приведены в таблице.

Калибровку LC-метра проводят в зависимости от наличия необходимых приборов и квалификации. В простейшем случае понадобятся катушка с точно известной индуктивностью, значение которой близко к соответствующему пределу измерения, и такой же конденсатор с измеренной ёмкостью. Для исключения погрешности от входной ёмкости LC-метра ёмкость конденсатора должна быть не менее 1800 пФ (например, 1800 пФ, 0,018 мкФ, 0,18 мкФ). Приставку сначала подключают к автономному источнику питания напряжением 3 В и измеряют потребляемый ток, который не должен превышать 3 мА, а затем подключают к мультиметру. Далее устанавливают переключатель SA1 в положение "Lx" и подключают к гнёздам XS1, XS2 "Lx, Cx" катушку с известной индуктивностью. Переключатели SA2 и SA3 устанавливают на соответствующий предел и добиваются показаний на индикаторе, численно равными индуктивности (запятую индикатора не учитывают), подключая при необходимости параллельно конденсатору С1 дополнительный ёмкостью до 3300 пФ. У конденсаторов С1, С8, С9 на печатной плате предусмотрены площадки для распайки дополнительных типоразмера 0805 для поверхностного монтажа. Возможна более точная корректировка показаний изменением в небольших пределах сопротивления резистора R22 или R23. Аналогично калибруют LC-метр при измерении ёмкости, но соответствующие показания на индикаторе устанавливают, изменяя число витков катушки L1.

Измеряя ёмкость приставкой, необходимо учитывать её входную ёмкость, которая в авторском образце равна 41,1 пФ. Это значение отображает индикатор мультиметра, если установить переключатель SA1 в положение "Сх", а SA2 и SA3 - в положение "x1". При изменении топологии печатной платы соединения выводов конденсаторов С8 и С9 с выводами транзисторов VT9 и VT10 должны быть выполнены отдельными проводниками.

Приставку можно использовать как генератор фиксированных частот синусоидальной и прямоугольной формы. Синусоидальный сигнал напряжением 0,1 В снимают с эмиттера транзистора VT3, прямоугольный амплитудой 3В - с подвижного контакта переключателя SA2. Нужные частоты получают, подключая к входу приставки конденсаторы соответствующей ёмкости в положении "Cx" переключателя SA1.

Чертёж печатной платы в формате Sprint Layout 5.0 можно скачать .

Литература

1. Универсальный LC-генератор. - Радио, 1979, № 5, с. 58.

2. L-метр с линейной шкалой. - Радио, 1984, № 5, с. 58, 61.

Дата публикации: 15.12.2014

Мнения читателей

Сергей / 15.12.2016 - 01:16
Roman, это не очень просто. С указанными транзисторами генератор тянет где-то до 2...3 МГц. Надо менять их, например, на КТ363, КТ3128 и уменьшить R2. Возможно придётся поднять питание до 5В. То же касается и VT3, VT5, VT6, т. е. ставить с малой ёмкостью к-э для снижения эффекта Миллера. Как вариант, для расширения полосы частот вместо VT3 - дифференциальный каскад. Уменьшить сопротивление R12. Если просто увеличить C1 в 10 раз, то генератор навряд ли возбудится из-за слишком низкой добротности LC-контура.
Roman / 13.10.2016 - 12:05
Полностью присоединяюсь к комментарию Сергея Шибаева. Вопрос по поводу нижнего предела измерения индуктивности - я так понимаю минимум - 20мкГн. Можно ли сместить диапазон измерения вниз, до 0.2мкГн, в ущерб, скажем, верхнему пределу - ну не надо 20Гн мерять кому-то, и 2Гн тоже не надо... Ну или можно два изготовить, на разные диапазоны... Что для этого нужно? С уважением, Роман.
Сергей / 12.01.2015 - 16:52
Спасибо тёзка за отзыв. В №1 за 2015 год тоже неплохой прибор будет представлен.
Сергей Шибаев / 18.12.2014 - 13:53
Отличная разработка. Автору жму руку! С уважением Сергей Шибаев

Цифровой измерительный прибор в лаборатории радиолюбителя теперь не редкость. Однако не часто им можно измерить параметры конденсаторов и катушек индуктивности, даже если это мультиметр. Описываемая здесь простая приставка предназначена для использования совместно с мультиметрами или цифровыми вольтметрами (например, М-830В, М-832 и им подобными), не имеющими режима измерения параметров реактивных элементов.

Для измерения емкости и индуктивности с помощью несложной приставки использован принцип, подробно описанный в статье А. Степанова "Простой LC-метр" в "Радио" № 3 за 1982 г. Предлагаемый измеритель несколько упрощен (вместо генератора с кварцевым резонатором и декадного делителя частоты применен мультивибратор с переключаемой частотой генерации), но он позволяет с достаточной для практики точностью измерять емкость в пределах 2 пф...1 мкф и индуктивность 2 мкГн... 1 Гн. Кроме того, в нем вырабатывается напряжение прямоугольной формы с фиксированными частотами 1 МГц, 100 кГц, 10 кГц, 1 кГц, 100 Гц и регулируемой амплитудой от 0 до 5 В, что расширяет область применения устройства.

Задающий генератор измерителя (рис. 1) выполнен на элементах микросхемы DD1 (КМОП), частоту на его выходе изменяют с помощью переключателя SA1 в пределах 1 МГц - 100 Гц, подключая конденсаторы С1-С5. С генератора сигнал поступает на электронный ключ, собранный на транзисторе VT1. Переключателем SA2 выбирают режим измерения "L" или "С". В показанном на схеме положении переключателя приставка измеряет индуктивность. Измеряемую катушку индуктивности подключают к гнездам Х4, Х5, конденсатор - к ХЗ, Х4, а вольтметр - к гнездам Х6, Х7.

При работе вольтметр устанавливают в режим измерения постоянного напряжения с верхним пределом 1 - 2В. Следует учесть, что на выходе приставки напряжение изменяется в пределах 0... 1 В. На гнездах Х1, Х2 в режиме измерения емкости (переключатель SA2 - в положении "С") присутствует регулируемое напряжение прямоугольной формы. Его амплитуду можно плавно изменять переменным резистором R4.

Питается приставка от батареи GB1 с напряжением 9 В ("Корунд" или аналогичные ей) через стабилизатор на транзисторе VT2 и стабилитроне VD3.

Микросхему К561ЛА7 можно заменить на К561ЛЕ5 или К561ЛА9 (исключив DD1.4), транзисторы VT1 и VT2-на любые маломощные кремниевые соответствующей структуры, стабилитрон VD3 заменим на КС156А, КС168А. Диоды VD1, VD2 - любые точечные германиевые, например, Д2, Д9, Д18. Переключатели желательно использовать миниатюрные.

Корпус прибора - самодельный или готовый подходящих размеров. Монтаж деталей (рис. 2) в корпусе - навесной на переключателях, резисторе R4 и гнездах. Вариант внешнего вида показан на рисунке. Разъемы ХЗ-Х5 - самодельные, изготовлены из листовой латуни или меди толщиной 0,1...0,2 мм, конструкция их понятна из рис. 3. Для подключения конденсатора или катушки необходимо ввести выводы детали до упора в клиновидный зазор пластин; этим достигается быстрая и надежная фиксация выводов.

Налаживание прибора производят с помощью частотомера и осциллографа. Переключатель SA1 переводят в верхнее по схеме положение и подбором конденсатора С1 и резистора R1 добиваются частоты 1 МГц на выходе генератора. Затем переключатель последовательно переводят в последующие положения и подбором конденсаторов С2 - С5 устанавливают частоты генерации 100 кГц, 10 кГц, 1 кГц и 100 Гц. Далее осциллограф подключают к коллектору транзистора VT1, переключатель SA2 - в положении измерения емкости. Подбором резистора R3 добиваются формы колебаний, близкой к меандру на всех диапазонах. Затем переключатель SA1 снова устанавливают в верхнее по схеме положение, к гнездам Х6, Х7 подключают цифровой или аналоговый вольтметр, а к гнездам ХЗ, Х4 - образцовый конденсатор емкостью 100 пф. Подстройкой резистора R7 добиваются показаний вольтметра 1 В. Потом переводят переключатель SA2 в режим измерения индуктивности и к гнездам Х4, Х5 подключают образцовую катушку с индуктивностью 100 мкГн, резистором R6 устанавливают показания вольтметра, также равные 1 В.

На этом настройка прибора заканчивается. На остальных диапазонах точность показаний зависит только от точности подбора конденсаторов С2 -С5. От редакции. Налаживание генератора лучше начать с частоты 100 Гц, которую устанавливают подбором резистора R1, конденсатор С5 не подбирают. Следует помнить, что конденсаторы СЗ - С5 должны быть бумажными или, что лучше, метаплопленочными (К71, К73, К77, К78). При ограниченных возможностях в подборе конденсаторов можно использовать и переключение секцией SA1.2 резисторов R1 и их подбор, а число конденсаторов надо уменьшить до двух (С1, СЗ). Номиналы сопротивлений резисторов составят в этом: случав 4,7: 47; 470 к0м.

И. ПОТАЧИН, г. Фокино Брянской обл.

В настоящее время практически все радиолюбители имеют в своем распоряжении какие-нибудь мульти- метры. Чаще всего, это недорогие китайские приборы "серии 830". В частности, у меня давно и успешно эксплуатируется тестер "DT -830B ". Этот прибор по многим параметрам хорош для радиолюбительской практики, но не предназначен для измерения индуктивности. Не так уж часто, но такая потребность возникает. Именно поэтому вызвала интерес читателей статья по его доработке.

Получив журнал, стал разбираться со схемой и я. В процессе анализа возникли замечания. Микросхема DA 1 типа МС34063 давно распространена за рубежом. Ее можно купить и на отечественных радиорынках по вполне приемлемой цене, но, как мне кажется, ее применение приводит к неоправданному усложнению схемы приставки для измерения индуктивности. Вполне достаточно воспользоваться более распространенной в радиолюбительской практике микросхемой интегрального ста билизатора напряжения, например, 78L 05. Тогда отпадет необходимость применения дефицитного низкоомного резистора на 0,33 Ом (R 1), диода Шоттки (VD 1 1N 5819) и малогабаритных дросселей (L 1, L 2).

Триггер Шмитта DD1.1 использован в схеме генератора импульсов. Элемент DD1 .2 этой же микросхемы предназначен для согласования генератора и его нагрузки (R5, Lx). В статье предлагалось подавать напряжение с измеряемой индуктивности Lx на вход мультиметра "М830В" через развязывающие каскады на элементах DD1.3 и DD1.4, включенные последовательно. Учитывая, что входное сопротивление использованного мультиметра "М830" и аналогичных не менее 1 МОм, более целесообразно изменить схему (рис.1).

Теперь сигнал с измеряемой индуктивности Lx подается на милливольтметр РА1 через однополупериодный выпрямитель на VD 1. Постоянное напряжение на R4 и С2 зависит от напряжения на Lx. Для уменьшения влияния напряжения питания микросхемы DD1 на точность измерений в схеме применен интегральный стабилизатор напряжения DA1 типа 78L05. В крайнем случае, вполне допустимо вообще ограничиться параметрическим стабилизатором напряжения, например, стабилитроном КС156А. Элементы DD1 .2.. .DD1 .4 включены параллельно для умощнения выхода генератора DD1 .1 перед подачей сигнала с него на низкоомную нагрузку (R2, Lx).

Резисторы R3 и R4 образуют делитель напряжения. Подбором сопротивления R3 можно добиться того, что показания милливольтметра РА1 численно будут соответствовать величине индуктивности Lx в микрогенри. К сожалению, данная схема за счет нелинейности вольт - амперной характеристики полупроводникового диода VD1 обуславливает довольно значительную погрешность измерения индуктивности. Изменением номинала R3 при настройке калибруют устройство в одной точке (при конкретном значении Lx). В качестве контрольных можно использовать промышленные дроссели ДМ (ДПМ) с 5% допуском.

Доработанная приставка собрана на печатной плате, чертеж которой и расположение радиокомпонентов приведены на рис.2, а на рис.3 - внешний вид изготовленной платы.

При экспериментах выявилась интересная особенность схемы. При макетировании диод VD1 ошибочно был запаян в печатную пла+у "наоборот" (в противоположной указанной на рис.1 полярности), а схема работала! Впоследствии полярность диода была изменена, и при этом схема тоже работала! Пришлось решать: - "А как надо?". Оказалось, что на измеритель надо подавать отрицательные полуволны переменного напряжения, возникающие на измеряемой индуктивности Lx при ее ударном возбуждении положительными импульсами с генератора. Только при таком включении диода VD 1 показания милливольтметра РА1 будут равны нулю, если к прибору не подключена измеряемая индуктивность.

Для измерения емкости и индуктивности с помощью несложной приставки использован принцип, подробно описанный в статье А. Степанова "Простой LC-метр" в "Радио" № 3 за 1982 г. Предлагаемый измеритель несколько упрощен (вместо генератора с кварцевым резонатором и декадного делителя частоты применен мультивибратор с переключаемой частотой генерации), но он позволяет с достаточной для практики точностью измерять емкость в пределах 2 пФ...1 мкФ и индуктивность 2 мкГн... 1 Гн. Кроме того, в нем вырабатывается напряжение прямоугольной формы с фиксированными частотами 1 МГц, 100 кГц, 10 кГц, 1 кГц, 100 Гц и регулируемой амплитудой от 0 до 5 В, что расширяет область применения устройства.

Радио 12-98

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Мой блокнот
DD1	Микросхема	К561ЛА7	1	В блокнот
VT1	Биполярный транзистор	КТ361Г	1	В блокнот
VT2	Биполярный транзистор	КТ315Г	1	В блокнот
VD1, VD2	Диод	Д2Б	2	В блокнот
VD3	Стабилитрон	КС162А	1	В блокнот
С1	Конденсатор	100 пФ	1	В блокнот
С2, С7	Конденсатор	1000 пФ	2	В блокнот
С3	Конденсатор	0.01 мкФ	1	В блокнот
С4	Конденсатор	0.1 мкФ	1	В блокнот
С5, С6	Конденсатор	1 мкФ	2	В блокнот
С8, С9	Электролитический конденсатор	100 мкФ 10 В	2	В блокнот
R1	Резистор	4.7 кОм	1	В блокнот
R2, R3, R5	Резистор	470 Ом	3	В блокнот
R4	Переменный резистор	470 Ом	1

Приставка к цифровому мультиметру m832 для измерения емкости и индуктивности.

Многие радиолюбители и специалисты широко используют в своей практике дешевые и удобные цифровые мультиметры южно-азиатского производства. Приставки к мультиметрам значительно расширяют их возможности. Два таких несложных устройства описаны в статьях . Автор предлагает еще одну приставку для мультиметра М-832.

Схема приставки основана на схеме хорошо зарекомендовавшего себя измерителя RCL повторенного многими радиолюбителями. Особенностью приставки является питание от батареи мультиметра и внутреннего источника опорного напряжения 3В его микросхемы АЦП.

Приставка имеет следующие диапазоны измерений: 200 пФ, мкГн, 2,20,200 нФ, мГн, 2, 20 мкФ, Гн. Погрешность измерений ± (1 % + 3 единицы младшего разряда) при измерении емкости и ± (3 % + 5 единиц младшего разряда) при измерении индуктивности. Приставка потребляет ток менее 10 мА и сохраняет свою точность при снижении напряжения батареи питания до 8 В.

Принцип измерений в описываемой приставке заключается в следующем. Напряжение треугольной формы прикладывается к измеряемой емкости, при этом ток через нее имеет форму меандра и его амплитуда пропорциональна измеряемой емкости.

При измерении индуктивности через нее пропускается ток треугольной формы, падение напряжения на индуктивности имеет форму меандра и пропорционально ее величине. Измеряемая емкость и эталонные резисторы подключаются в соответствии с рис. 1, а, а измеряемая индуктивность — по схеме на рис. 1, б.

Рис.1. Для применения с приставкой мультиметр должен быть доработан — из него следует вывести минус батареи питания.

Проще всего для этой цели использовать одно из гнезд панельки для подключения проверяемых транзисторов, они, в основном, задублированы. Автор использовал гнездо “С NPN”.

Схема приставки приведена на рис. 2.

Приставку подключают штырями Х1—Х4 к четырем гнездам мультиметра. Общий провод соединяется с гнездом “СОМ”, при этом на гнезде “Е PNP” мультиметра присутствует напряжение +3В относительно гнезда “СОМ”, а на “С NPN” — напряжение - 6В относительно того же гнезда и общего провода. Все микросхемы приставки питаются от батареи GB1 непосредственно, т. е. от двуполярного источника +3/-6В.

Мультиметр используется в режиме измерения постоянного напряжения со шкалой 200 мВ.

Задающий генератор прибора собран на элементах DD1.1 и DD1.2 и работает на частоте 1 МГц.

Цепочкой декадных делителей DD2—DD5 эта частота делится до 100 кГц...100 Гц. Использованные в делителе микросхемы К176ИЕ4 при включении могут делить частоту с неправильным коэффициентом деления, поэтому для их начальной установки применена цепочка C1R1.

Сигналы с выходов генератора и микросхем DD2—DD5 через переключатель SA1.1 подаются на микросхему DD6. В ней частота делится на 10, и с выхода Р сигнал в форме меандра с частотой 100 кГц... 10 Гц поступает через повторитель на элементах DD1.3. DD7.1, DD7.2 на вход формирователя напряжения треугольной формы.

Микросхема DD6 типа К561ИЕ8 имеет внутреннюю цепь коррекции, обеспечивающую правильный коэффициент деления, поэтому подача на него импульса начальной установки не требуется.

Повторитель на ключах микросхемы К561КТЗ обладает существенно меньшим выходным сопротивлением по сравнению со стандартными выходами микросхем этой серии, что упрощает подбор входных резисторов формирователя напряжения треугольной формы.

Формирователь собран по схеме интегратора на ОУ DA1. На его не инвертирующий вход подано напряжение +1,5В с делителя R6R7, а на инвертирующий — меандр амплитудой 3 В с выхода повторителя через один из резисторов R3—R5 (Винт). Сопротивления этих резисторов и емкости конденсаторов СЗ—С5 (Синт) выбраны так. чтобы амплитуда напряжения треугольной формы составляла 5В от пика до пика, а наклон “пилы” dU/dt соответствовал значениям, приведенным в табл. 1. Для получения необходимого наклона емкость конденсатора С5 должна быть с точностью до степени десяти кратна напряжению на выходе опорного источника микросхемы АЦП мультиметра (в экземпляре автора — 3,1В).

Реально размах напряжения на выходе ОУ DA1 несколько меньше 5В за счет ограничения сверху в выходном каскаде ОУ. В результате вершины импульсов треугольной формы незначительно искажены, что не влияет на точность измерений, поскольку важной является их линейность только в средней части фронта нарастания “пилы”.

Напряжение треугольной формы с выхода ОУ DA1 подается на измеряемую емкость Сх и эталонные резисторы R10, R11 (RЭТ(С)) или через разделительный конденсатор С12 и эталонные резисторы R8, R9 (R3T(L)) на измеряемую индуктивность Lx, в результате чего получается одна из схем, приведенных на рис. 1.

При измерении емкости напряжение на выходе цепи (рис. 1, а) на эталонных резисторах R1Q, R11) имеет форму меандра с относительно резким переходом от минуса к плюсу и ступенчатым в обратном направлении. При измерении индуктивности за счет всегда реально существующего активного сопротивления горизонтальные участки напряжения получают наклон (рис, 3, ограничение вершин треугольного напряжения и не идеальность переходов условно не показаны).

С резисторов R10, R11 или измеряемой индуктивности сигнал поступает на синхронный выпрямитель, собранный на ключе DD7.3, резисторе R12 и конденсаторе С16. Ключ управляется выходными импульсами счетчика DD6 и открывается на 1/10 периода сигнала в середине положительной полуволны меандра. Конденсатор С16 запоминает напряжение на время разомкнутого состояния ключа, с него сигнал подается на вход мультиметра “VW mA”.

Без диода VD1 прибор обладает не очень удобным свойством — при значительном превышении измеряемой величиной установленного диапазона, коротком замыкании контролируемого конденсатора или обрыве индуктивности он может показать некоторое конечное значение. Это происходит из-за того, что пики перегрузки на входе ключа приходятся на моменты, когда ключ закрыт. При установке диода и отсутствии перегрузки амплитуда переменного напряжения на входе ключа DD7.3 не превышает 200 мВ, диод VD1 закрыт. Если перегрузка невелика, она индицируется, как обычно, гашением всех разрядов, кроме старшего. При большой перегрузке пики напряжения через диод VD1 заряжают конденсатор С16 и происходит аналогичная индикация.

Цепь С13—C15VD2VD3 служит для компенсации не идеальности ключа DD7.3. Дело в том, что из-за емкостной связи между управляющей и коммутируемой цепями в момент закрывания ключа в коммутируемую цепь передается небольшой отрицательный заряд. Это эквивалентно подаче на выход приставки небольшого тока отрицательной полярности, пропорционального частоте. Указанный ток, в основном, компенсируется выходным током этой цепи. К сожалению, компенсацию не удается сделать полной сразу на всех диапазонах, что несколько увеличивает погрешность измерений.

В прототипе применена симметричная схема синхронного детектора, и не идеальности ключей компенсируют друг друга. Резисторы R6 и R7 служат также начальной нагрузкой внутреннего стабилизатора напряжения 3В микросхемы АЦП мультиметра.

Систематическая погрешность прибора при измерении емкостей, возникающая из-за того, что последовательно с измеряемым конденсатором включен эталонный резистор, ничтожна, поскольку к моменту открытия ключа DD7.3 процесс установления тока через конденсатор полностью заканчивается.

При измерении индуктивностей собственное сопротивление катушек индуктивности играет двоякую роль. С одной стороны, оно несколько уменьшает показания прибора, поскольку включено последовательно с резисторами R8 или R9 и уменьшает силу тока треугольной формы, текущего через измеряемую индуктивность. С другой стороны, оно увеличивает показания за счет наклона горизонтальных участков сигнала на измеряемой индуктивности. Указанные эффекты не компенсируют друг друга и заметно снижают точность измерений.

Резисторы R4—R11 следует подобрать с точностью 0,2 %. В описываемой конструкции использовались резисторы типа С2-29В мощностью 0,125 Вт, остальные резисторы — МЛТ. Номиналы резисторов R6, R7 можно выбрать в диапазоне 1...1.5 кОм, они должны быть стабильными и равны друг другу с точностью 0,5 %. Диоды могут быть использованы практически любые маломощные кремниевые.

Микросхемы серии К561 можно заменить на микросхемы серии КР1561, К561ИЕ8 и на К176ИЕ8, а при изменении рисунка печатной платы — на микросхемы серии К564, КР544УД2 — на К544УД2.

Конденсатор С4 следует подобрать с ТКЕ не хуже М75, остальные керамические конденсаторы могут иметь больший ТКЕ, в основном применены КМ-5 и КМ-6. Конденсатор С5 должен быть термостабильным, например К73-Э, К73-17. Оксидные конденсаторы — импортные аналоги К50-35, подстроечные СЗ и С15— КТ4-216.

Все детали приставки смонтированы на печатной плате размерами 65x70 мм из двусторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм.

На рис. 4 приведен рисунок проводников, на рис.5 — расстановка элементов приставки.

При изготовлении платы следует обратить внимание на то, что, если печатный проводник проходит между выводами микросхемы, одна или две контактных площадки в этом месте отсутствуют.

На стороне элементов фольга платы сохранена за исключением мест установки штырей Х1 — ХЗ, Х5, Х6 и выполняет роль общего провода.

Вокруг отверстий для этих штырей выполнены контактные площадки, изолированные от общего провода вытравленным кольцом.

Монтажные отверстия со стороны установки элементов раззенкованы сверлом большего диаметра кроме отверстий, помеченных крестиками и служащих для подключения выводов С10, С11 и С16 к общему проводу. Места пайки выводов элементов к фольге общего провода, а также перемычки для подключения к нему вывода 11 DD7 помечены на рис. 4 и 5 также крестиками.

Переключатель SA1 (ПГ2-8-12П4Н) установлен над микросхемами DD1, DD7, DA1 на кронштейне, изготовленном из латуни толщиной 1 мм. Переключатель снабжен ручкой-барабаном, на гранях которой выгравированы пределы измерений.

Для подключения приставки к мультиметру на плате гайками закреплены два разрезных штыря диаметром 4 мм от сетевой вилки, один из штырей использован еще и для крепления кронштейна переключателя. В качестве Х1 и Х2 впаяны латунные штырьки диаметром 0,8 мм, а для подключения измеряемых индуктивностей и конденсаторов — гнезда от разъемов 2РМ под штыри диаметром 1 мм. Фотография приставки приведена на первой странице обложки.

Приставку целесообразно собирать и настраивать в следующем порядке. Вначале на плату следует установить все детали, за исключением кронштейна с переключателем. Подать напряжение питания и подбором элементов R2 и С2 установить частоту генератора на элементах DD1.1 и DD1.2 равной 1 МГц с точностью не хуже 2 %. Частоту удобно контролировать на выходах счетчиков DD2—DD5. По осциллографу можно подогнать частоту генератора, добиваясь неподвижного изображения импульсов 100 Гц с выхода микросхемы DD5 при синхронизации развертки осциллографа от сети.

Установить кронштейн с переключателем SA1 и произвести весь проводной монтаж. Адреса у отверстий для впайки проводов на рис. 5 указывают, к какой секции переключателя SA1 (перед точкой) и к какому контакту секции (после точки) идет провод от этого отверстия. Подобрать конденсатор, емкость которого известна с точностью не хуже 0,2...0,5 % и с номиналом 0,15...0,19 мкФ, и вставить его в гнезда Х5 и Х6. На диапазоне 200 нФ подбором конденсатора С5 добиться показаний мультиметра, соответствующих емкости конденсатора. Для облегчения этой операции на плате выполнено несколько пар контактных площадок, позволяющих установить несколько конденсаторов параллельно. Термостабильным должны быть только конденсаторы, вносящие основной вклад в емкость С5, например 0,022 мкФ + 8200 пФ.

Вывод 9 секции переключателя SA1.4 следует отключить от резистора R10 и подключить к резистору R11. Подстроить конденсатор СЗ так, чтобы показания при измерении эталонной емкости на диапазонах 200 нФ и 20 нФ (он превратился в 200 нФ) совпадали. Восстановить подключение вывода 9 переключателя. На пределе 200 пФ подстроенным конденсатором С15 добиться минимальных показаний мультиметра. Установив эталонный конденсатор емкостью 150...190 пФ в качестве измеряемого подобрать сопротивление резистора R3 для получения максимальной точности показаний на этом пределе.

В режиме измерения индуктивностей в случае использования точных резисторов прибор настройки не требует.

Приставку можно использовать в качестве генератора треугольных импульсов с частотой 10 Гц...100 кГц, снимая их с гнезд Х5 и Х7. Импульсы имеют размах примерно от +1,5 до -3 В. При измерении емкостей полярных конденсаторов плюс конденсатора следует подключать к гнезду Х6, минус — к Х5.

Сергей Бирюков

Литература:

1. С. Бирюков. Приставка к мультиметру для измерения температуры. — Радио, 2002, № 1,с. 54, 55.

2. С. Бирюков. Приставка к мультиметру для измерения емкости конденсаторов. — Радио, 2002, № 2, с. 29, 30.

3. С. Бирюков. Цифровой измеритель HCL — Радио, 1996, № 3, с. 38—41, № 7, с. 62, 1997, № 7, с. 32, 1998, № 5, с. 63, 2001. №5, с, 44.

4. С. Бирюков. Устройства на микросхемах. Цифровые измерительные приборы, источники питания, любительские конструкции. — М.: Символ-Р, 1998.

материал подготовил А. Кищин (UA9XJK).