Miernik indukcyjności przy wsparciu Arduino

Miernik indukcyjności przy wsparciu Arduino

r_211_09_0
W tym artykule przyjrzymy się prostej konstrukcji, która w rzeczywistości jest płytką rozszerzającą kompatybilną z Arduino Uno, która umożliwia pomiar indukcyjności.
Takie urządzenie jest niezbędne przy konstruowaniu torów RF, zasilaczy impulsowych i konwerterów DC/DC.
Autor projektu uznał, że jest to dokładnie funkcja, której nie ma w wielu cyfrowych przyrządach pomiarowych-multimetrach.

r_211_09_1

Istnieją specjalistyczne mierniki LCR, ale często nie pozwalają one na pomiar napięcia i prądu, dlatego autor zdecydował się zaprojektować osobne urządzenie do pomiaru indukcyjności (rys. 1).
Urządzenie jest miernikiem częstotliwości generatora LC, wykonanym zgodnie z trójpunktowym obwodem pojemnościowym (oscylator Colpittsa) opartym na kombinacji indukcyjności i pojemności.
Wartość pojemności jest znana z góry – jest to kondensator w obwodzie obwodu oscylacyjnego, do którego podłączymy sondami nieznaną indukcyjność.
W takim przypadku generator LC zacznie działać na określonej częstotliwości, którą mierzy kontroler Arduino.
Znając wartość pojemności i częstotliwości, sterownik oblicza wartość indukcyjności za pomocą znanego prostego wzoru.

Zmierzona częstotliwość i obliczona wartość indukcyjności są wyświetlane na dwuwierszowym wyświetlaczu LCD.
Schemat ideowy płytki rozszerzeń pokazano na rysunku 2.

r_211_09_2

Płytka jest wykonana w formacie płytek rozszerzeń Arduino Uno i jest podłączona do złączy Digital1, Digital2 i Power.
Wykaz zastosowanych elementów przedstawiono w tabeli 1.

W obwodzie generatora LC, szeregowo ze zmierzoną indukcyjnością, zainstalowana jest indukcyjność 1μH (L1), która spełnia dwie główne funkcje.
Po pierwsze, przy takiej konstrukcji obwodu, generator LC będzie działał, gdy przewody pomiarowe są zwarte, a pomiar prądu można wykorzystać, jako nową kalibrację miernika.

Po drugie, w ten sposób ustalamy górną granicę częstotliwości rezonansowej.
Jak widać, obwód generatora wykorzystuje dwa kondensatory (C2, C3) o pojemności 1nF, połączone szeregowo.
W przypadku zwarcia sond, indukcyjność L1 jest połączona szeregowo w obwodzie, co wyznacza górną granicę częstotliwości rezonansowej, która wynosi 7,1MHz.
W praktyce, przy określonych znamionach ogniw, generator będzie pracował z częstotliwością 5,4MHz.
Konwersję sinusoidalnego sygnału wyjściowego generatora do postaci przebiegu prostokątnego przeprowadza komparator Microchip MCP6561R.
Jest to stosunkowo niedrogi, ale szybki komparator z maksymalnym opóźnieniem propagacji 80ns, co odpowiada zakresowi częstotliwości generatora.
Jak możesz sobie wyobrazić, 5,4MHz jest również zbyt szybkie dla Arduino.

r_211_09_3
Mikrokontroler pracuje z częstotliwością 16MHz, a do przetworzenia każdego impulsu z płytki rozszerzającej trzeba będzie wykonać kilkadziesiąt instrukcji.
Aby rozwiązać ten problem, zastosowano 8-bitowy układ licznika binarnego 74HC590, który działa, jako dzielnik częstotliwości przez 256.
Daje to teoretyczną maksymalną częstotliwość 7,1MHz/256 = 27,7kHz, z którą Arduino radzi sobie dobrze.
Sygnał wyjściowy SLOW_FREQ z dzielnika częstotliwości trafia bezpośrednio do mikrokontrolera w celu przetworzenia.

Z oczywistych względów na płytce rozszerzającej znajduje się dwuwierszowy wyświetlacz LCD oraz przycisk kalibracji (rysunki 3, 4).

r_211_09_4
Wskaźnik podłączany jest przez 4-bitowy interfejs; do regulacji kontrastu służy potencjometr R10.

r_211_09_5
Naciśnięcie klawisza kalibracji powoduje wyzerowanie miernika – aktualny pomiar traktowany jest jako niezrównoważenie punktu zerowego; na przykład, jak wspomnieliśmy powyżej, kalibrację można przeprowadzić zwierając sondy (włączona jest indukcyjność 1μH).
Tłumienie odbić jest wykonywane sprzętowo przy użyciu dolnoprzepustowego filtru RC i bufora na bazie przerzutnika Schmitta.

W trybie pracy z otwartymi sondami na wyświetlaczu pojawia się napis „Not resonating (Brak rezonansu)” oraz aktualna wartość niezrównoważenia punktu zerowego (rys. 5).
Zdaniem autora największym problemem są przewody pomiarowe, ze względu na to, że mają małą indukcyjność własną.

r_211_09_6
Kalibrację można przeprowadzić, naciskając przycisk, ale ich indukcyjność może łatwo zmieniać się o ± 100nH, w zależności od tego, jak je trzymasz.

Tabela 1
Po prawidłowym skalibrowaniu przyrząd jest w stanie mierzyć bardzo małe indukcyjności z dość dużą dokładnością, jak pokazano na rysunku 6, który przedstawia wynik pomiaru dla cewki z zaledwie 12 zwojami drutu (300nH).

 

Do pobrania:

Kod_programu_schematy płytki

 

 

 

Komentarze z Facebooka

Komentarze obecnie - OFF.