Измеритель индуктивности на Arduino

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: Схемы на Arduino

Опубликовано: 29.10.2018 10:47

Просмотров: 6399

В статье мы рассмотрим простую конструкцию, которая, по сути, является Arduino Uno-совместимой платой расширения, позволяющей измерять индуктивность. Такой прибор просто необходим при разработке радиочастотных трактов, импульсных источников питания и DC/DC преобразователей. Автор конструкции посчитал, что это именно тот функционал, который отсутствует во многих цифровых измерительных приборах-мультиметрах. Существуют специализированные измерители LCR, но зачастую они не позволяют измерять напряжение и ток, поэтому автором было решено сконструировать отдельное устройство для измерения индуктивности (Рисунок 1).

Рисунок 1. Плата расширения Arduino для измерения индуктивности.
Устройство представляет собой измеритель частоты LC генератора, выполненного по схеме емкостной трехточки (генератор Колпитца, Colpitts Oscillator) на основе комбинации индуктивности и емкости. Величина емкости известна заранее – это конденсатор в схеме колебательного контура, к которому щупами мы будем подключать неизвестную индуктивность. В таком случае LC генератор начнет работать на некоторой частоте, измерением которой занимается контроллер Arduino. Зная величину емкости и частоту, контроллер по известной простой формуле выполняет вычисление значения индуктивности. Измеренная частота и вычисленное значение индуктивности отображаются на двухстрочном ЖК-индикаторе.

Рисунок 2. Принципиальная схема измерителя индуктивности
на Arduino (плата расширения).
Принципиальная схема платы расширения изображена на Рисунке 2. Плата выполнена в форм-факторе плат расширения Arduino Uno и подключается к разъемам Digital1, Digital2 и Power. Перечень использованных компонентов приведен в Таблице 1.
В схеме LC генератора последовательно с измеряемой индуктивностью установлена индуктивность 1 мкГн (L1), выполняющая две основные функции. Во-первых, при таком схемном решении LC генератор будет работать при коротком замыкании измерительных щупов, и текущее измерение может использоваться в качестве новой калибровки измерителя. Во-вторых, таким способом мы задаем верхний предел резонансной частоты. Как видно, в схеме генератора используются два конденсатора (С2, С3) емкостью 1 нФ, включенных последовательно. При коротком замыкании щупов последовательно в цепь включается индуктивность L1, которая и определяет верхний предел резонансной частоты, составляющий 7.1 МГц. На практике при указанных номиналах элементов генератор будет возбуждаться на частоте 5.4 МГц.
Преобразование синусоидального выходного сигнала генератора в прямоугольную форму выполняет компаратор Microchip MCP6561R. Это относительно недорогой, но быстрый компаратор, имеющий максимальную задержку распространения сигнала 80 нс, что соответствует диапазону рабочих частот генератора.
Как вы понимаете, 5.4 МГц – это тоже слишком быстро для Arduino. Микроконтроллер работает на частоте 16 МГц, а для обработки каждого импульса от платы расширения потребуется выполнить несколько десятков инструкций. Для решения этой проблемы используется микросхема 8-разрядного двоичного счетчика 74HC590, выполняющего роль делителя частоты на 256. Это дает теоретическую максимальную частоту 7.1 МГц/256 = 27.7 кГц, с которой Arduino прекрасно справится. Выходной сигнал SLOW_FREQ с делителя частоты поступает непосредственно в микроконтроллер для обработки.

Рисунок 3. Вид платы измерителя индуктивности со стороны
ЖК индикатора.
По очевидным причинам на плате расширения установлены двухстрочный ЖК-индикатор и кнопка калибровки (Рисунки 3, 4). Индикатор подключен по 4-битному интерфейсу, для регулировки контрастности используется потенциометр R10. Нажатие кнопки калибровки приводит к обнулению измерителя – текущее измерение принимается как нулевое смещение; например, как мы упоминали выше, калибровку можно провести при замыкании щупов (включена индуктивность 1 мкГн).

Рисунок 4. Вид платы измерителя индуктивности без ЖК индикатора.
Подавление дребезга контактов выполняется аппаратно с помощью низкочастотного RC-фильтра и буфера на триггере Шмидта.

Рисунок 5. При разомкнутых щупах на ЖК индикаторе отображается
текущее значение нулевого смещения.
В рабочем режиме при разомкнутых измерительных щупах на дисплее отображается надпись «Not resonating» (отсутствует генерация) и текущее значение нулевого смещения (Рисунок 5).
Таблица 1.Перечень использованных компонентов

По словам автора, самой большой проблемой являются измерительные щупы, ввиду того, что они имеют небольшую собственную индуктивность. Вы можете выполнить калибровку, нажав на кнопку, но их индуктивность может легко варьироваться в диапазоне ±100 нГн, в зависимости от того, как вы их держите в руках.

Рисунок 6. Результат измерения малой индуктивности.
После проведения корректной калибровки прибор способен измерять очень малые индуктивности с достаточно высокой точностью, что иллюстрируется Рисунком 6, на котором показан результат измерения катушки, имеющей всего 12 витков провода (300 нГн).
Загрузки:
Исходный код (скетч Arduino), принципиальная схема и проект печатной платы (Eagle, PDF)
Ссылки
1. Широкодиапазонный измеритель малых индуктивностей
2. ПРОСТОЙ LC-МЕТР
3. Простой Q-метр
Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2016