Измерители емкости и индуктивности, описанные в радиолюбительских журналах, довольно сложны схемотехнически, часто имеют определенные недостатки (в частности по пределам измерения). Кроме того, нередки случаи, когда эти схемы измерителей выполнены с ошибками. Исходя из этого, я решил повторить схему широкополосного измерителя R, С, L, описанного в (все-таки книга с красивым названием, и цена этой книги по тем временам не очень маленькая). Я уже думал, что напрасно потерял время, изготавливая измеритель R, С, L , но потом, поразмыслив, создал свой измеритель R, С, L, использовав идею измерения R, С, L, изложенную в .
Схема простого измерителя RCL изображена на рис. 1. Прибор позволяет измерять сопротивления резисторов от 1 Ом до 10 МОм в семи диапазонах (10; 100 Ом; 1; 10; 100 кОм; 1; 10 МОм), емкости конденсаторов от 100 пФ до 1000 мкФ (пределы -1000 пФ; 0,01; 0,1; 1; 10; 100; 1000 мкФ) и индуктивности катушек от 10 мГ до 1000 Г (пределы -100 мГ; 0,1; 1; 10; 100; 1000 Г). Питание измерителя R, С, L осуществляется от вторичной обмотки трансформатора Т1. Напряжение на этой обмотке приблизительно 18 В. Провод вторичной обмотки трансформатора Т1 должен быть рассчитан на ток 1 А, первичной - на 0,1 А. Трансформатор Т1 должен быть рассчитан на мощность не менее 20 Вт.
Схема прибора представляет собой измерительный мост переменного тока. Индикатором баланса моста служит вольтметр переменного тока Р1 с пределом измерения не ниже 20 В (лучше использовать цифровой вольтметр, измеряющий десятые, а еще лучше - сотые доли Вольта), подключаемый к клеммам ХЗ, Х4, или микроамперметр (миллиамперметр) постоянного тока Р2, подключенный к измерительной диагонали моста через гасящий резистор R12 (его сопротивление подбирается экспериментально - при напряжении 18 В стрелка микроамперметра должна отклоняться на всю шкалу) и диодный мост VD1 ...VD4.
Род измерений выбирается переключателем SA3 на 3 положения: I (крайнее левое положение - измерение сопротивлений) - "R"; II - измерение емкостей - "С"; III - измерение индуктивностей - "L". В отдельных случаях при измерениях 0 прибора Р1 (Р2) может сохраняться, скажем, от отметки 4 шкалы переменного резистора R11 до отметки 6. В этом случае величина измеряемого параметра равна 5. В режиме измерения сопротивлений Rx = R1 (R2...R7) R11 /R10. В режиме измерения емкости Сх = С1 R11 / R1 (R2...R7). В режиме измерения индуктивности Lx = С1 R11 R1 (R2...R7).
Применить подключение резистора сопротивлением 1 Ом на переключатель SA1 для увеличения диапазона измерений не представляется возможным, т.к. на этом резисторе будет сравнительно малое напряжение (приблизительно 1 В)и уравновесить мост переменным резистором R11 сопротивлением 4,7 кОм практически невозможно.
Емкость конденсатора С1 применена сравнительно большой (2,5 мкФ) по похожей причине - если в качестве конденсатора С1 применить конденсатор с меньшей емкостью, его емкостное сопротивление будет сравнительно большим на низкой частоте (50 Гц). Даже при емкости конденсатора С1 - 2,5 мкФ, измерение индуктивностей в положении 1 переключателя SA1 не представляется возможным. Точность измерения индуктивности предлагаемым измерителем R, С, L я не смог определить, так как у меня нет образцовых катушек сравнительно большой индуктивности, но не верить вышеприведенной формуле определения индуктивности Lx оснований нет.
К слову будь сказано, при измерении индуктивности 0 прибор не показывает. При вращении движка резистора R11 напряжение на измерительной диагонали моста уменьшается, доходит до определенного уровня, а затем начинает увеличиваться. То положение движка резистора R11, при котором прибор показывает минимальное напряжение, и является величиной индуктивности Lx.
Я думаю, вышеприведенное обстоятельство объясняется тем, что для уравновешивания моста не учтено активное сопротивление катушки индуктивности. Но, с другой стороны, это неважно, т.к. активное сопротивление катушки не влияет на ее индуктивность и его спокойно можно измерить обычным омметром.
Погрешность измерения предлагаемого прибора напрямую зависит от самого конструктора. Тщательно подобрав образцовые резисторы R1 ...R7, конденсатор С1 и правильно расчертив шкалу переменного резистора R11, можно свободно добиться того, чтобы погрешность прибора не превышала 2%.
Переменный резистор R11 - проволочный, желательно открытой конструкции, чтобы можно было зачищать от пыли и загрязнений резистивную поверхность. Я, например, в качестве резистора R11 применил переменный проволочный резистор типа ППБ - ЗА. Конденсатор С1 составлен из двух конденсаторов - емкостью 1 мкФ и 1,5 мкФ, включенных параллельно.
Градуировка шкалы переменного резистора R11 производится при включении переключателя SA3 в положение "R", a SA1 - в положение "3". К зажимам Х1, Х2 поочередно подключают образцовые резисторы сопротивлением 100, 200, 300 Ом... 1 кОм и при каждом уравновешивании моста на шкале переменного резистора делают отметку. Промежутки между отметками делят на 10 равных частей.
Конденсатор С1 подбирают, установив: SA1 - в положение "5", SA3 - в положение "С". К зажимам моста Х1, Х2 подключают образцовый конденсатор емкостью 0,01 мкФ, движок переменного резистора R11 должен быть установлен на отметке "1" и при этом мост должен быть сбалансирован (0 на приборе). Калибровку моста в режиме измерения индуктивности можно не делать. Для удобства работы с измерителем R, С, L просто необходимо на лицевую панель наклеить таблицу с диапазонами измерений R, С, L. Внешний вид лицевой панели измерителя R, С, L показан на рис. 2.
Литература:
[i]
1.
Боровский В.П., Косенко В.И., Михайленко В.М., Партала О.Н.
2.
Справочник по схемотехнике для радиолю бителя. - Киев. Техника. 1987 г.
Программа для измерения сопротивления, индуктивности и емкости неизвестных электронных компонентов.
Требует изготовления простейшего переходника для подключения к звуковой карте компьютера (два штеккера, резистор, провода и щупы).
Download the single-frequency version - Скачать программу v1.11
(архив 175 кБ, одна рабочая частота).
Download the double-frequency version - Скачать программу v2.16
(архив 174 кБ, две рабочих частоты).
Это еще один вариант, пополняющий и без того обширную коллекцию аналогичных программ. Здесь не воплощены все задумки, работа над которыми продолжается. Функционирование «основы» вы можете оценить прямо сейчас.
В основу заложен общеизвестный принцип определения амплитудных и фазовых соотношений между сигналами с известного (образцовогоо) компонента, и с компонента, параметры которого надо определить. В качестве тестового используется сигнал синусоидальной формы, генерируемый звуковой картой. В первой версии программы использовалась только одна фиксированная частота 11025 Гц, в следующей версии к ней добавилась вторая (в 10 раз меньшая). Это позволило расширить верхние границы измерений для емкостей и индуктивностей.
Выбор именно этой частоты (четверть от частоты сэмлинга) является главной «инновацией», отличающей этот проект от остальных. На такой частоте алгоритм интегрирования по-Фурье (не путать с БПФ - быстрым преобразованием Фурье) максимально упрощается, а нежелательные побочные эффекты, приводящие к росту шума в измеряемом параметре, полностью пропадают. В итоге кардинально улучшается быстродействие и снижается разброс показаний (особо ярко выраженный на краях диапазонов). Это позволяет расширить диапазоны измерений и обойтись только одним образцовым элементом (резистором).
Собрав схему согласно рисунку и установив регуляторы уровня Windows в оптимальное положение, а также произведя начальную калибровку по закороченным между собой щупам («Cal.0»), можно сразу же приступать к измерениям. С такой калибровкой без труда ловятся низкие сопротивления, в том числе ESR, порядка 0,001 ом, а СКО (среднеквадратическое отклонение) результатов измерений в этом случае составляет порядка 0,0003 ом. Если зафиксировать положение проводов (чтобы не менялась их индуктивность), то можно «ловить» индуктивности порядка 5 нГн. Калибровку «Cal.0» желательно проводить после каждого старта программы, поскольку положение регуляторов уровня в среде Windows может быть, в общем случае, непредсказуемым.
Чтобы расширить диапазон измерений в область больших R, L и малых C, требуется учитывать входное сопротивление звуковой карты. Для этого служит кнопка «Cal.^», нажимать на которую надо при разомкнутых между собой щупах. После такой калибровки можно достичь следующих диапазонов измерений (при нормировании случайной составляющей погрешности на краях диапазонов на уровне 10%):
- по R - 0.01 ом... 3 Мом,
- по L - 100 нГн... 100 Гн,
- по C - 10 пФ... 10 000 мкФ (для версии с двумя рабочими частотами)
Минимальная погрешность измерения определяется допуском образцового резистора. Если предполагается использование обычного ширпотребовского резистора (и даже с номиналом, отличным от указанного), в программе предусмотрена возможность его калибровки. Соответствующая кнопка «Cal.R» становится активной при переходе в режим «Ref.» Величина резистора, который будет использоваться в качестве эталонного, задается в файле *.ini в качестве значения параметра «CE_real». После калибровки уточненные характеристики образцового резистора запишутся в виде новых значений параметров «CR_real» и «CR_imag» (в 2-х частотной версии параметры измеряются на двух частотах).
С регуляторами уровня программа напрямую не работает - пользуйтесь стандартным микшером Windows или аналогичным. Шкала «Level» служит для настройки оптимального положения регуляторов. Здесь можно порекомендовать такую методику настройки:
1. Определиться, какой регулятор отвечают за уровень воспроизведения, а какой - за уровень записи. Остальные регуляторы желательно заглушить для минимизации вносимых ими шумов. Регуляторы балланса - в среднее положение.
2. Исключить прегрузку по выходу. Для этого, установив регулятор записи в положение ниже среднего, с помощью регулятора воспроизведения найти ту точку, где ограничивается рост столбика «Level», а затем немного отступить назад. Скорее всего перегрузки вообще не будет, но для надежности регулятор лучше не выводить на отметку «макс».
3. Исключить прегрузку по входу - регулятором уровня записи сделать так, чтобы столбик «Level» не доходил до конца шкалы (оптимальное положение - 70...90%) в отсутствии измеряемого компонента, т.е. при разомкнутых щупах.
4. Замыкание щупов между собой не должно приводить к сильной просадке уровня. Если это так, то выходные усилители звуковой карты слишком слабы для данной задачи (иногда решается настройками карты).
Требования к системе
- ОС семейства Windows (тестировалась под Windows XP),
- поддержка звука 44,1 ksps, 16 bit, stereo,
- наличие одного аудио устройства в системе (если окажется несколько, то программа будет работать с первым из них, и не факт, что у веб-камеры окажутся гнезда «Line In» и «Line Out»).
Особенности измерений, или чтобы не попасть впростак
Любой измерительный инструмент требует знания его возможностей и умения правильно интерпретировать результат. Например, при использовании мультиметра стоит задуматься, а какое переменное напряжение он, собственно, меряет (при отличии формы от синусоидальной)?
В 2-х частотной версии для измерения больших емкостей и индуктивностей используется низкая (1,1 кГц) частота. Граница перехода отмечена сменой цвета шкалы с зеленого на желтый. Аналогично меняется и цвет показаний - с зеленого на желтый при переходе к измерениям на низкой частоте.
Стереофонический вход звуковой карты позволяет организовать «четырехпроводную» схему подключения только для измеряемого компонента, схема же подключения эталонного резистора остается «двухпроводной». При таком раскладе любая нестабильность контакта разъема (в нашем случае - земляного) может исказить результат измерения. Ситуацию спасает относительно большая величина сопротивления эталонного резистора по сравнению к нестабильностью сопротивления контакта - 100 ом против долей ома.
И последнее. Если измеряемый компонет - конденсатор, то он может оказаться заряженным! Даже разряженный электролитический конденсатор со временем может «собрать» оставшийся заряд. Схема не имеет защиты, так что вы рискуете вывести из строя свою звуковую карту, а в худшем случае - сам компьютер. Сказанное относится и к тестированию компонетов в устройстве, тем более - необесточенном.
