Проектирование цифрового измерителя емкости и индуктивности

Измерители индуктивности и емкости находят широкое применение как на производстве так и в радиолюбительской практике. Как правило, это малогабаритные приборы низкой точности или цифровые приборы высокой точности, но больших габаритов. Данная разработка с применением микроконтроллера является компромиссом качества и габаритов. Уменьшению габаритов служит применение индикатора с последовательным вводом информации.

Принцип работы предлагаемого LC метра основан на измерении энергии, накапливаемой в электрическом поле конденсатора и магнитном поле катушки. Применение в данной конструкции микроконтроллера и ЖКИ индикатора позволило создать простой, малогабаритный, дешевый и удобный в эксплуатации прибор, имеющий достаточно высокую точность измерений. Также предусмотрена программная коррекция нуля, которая компенсирует емкость и индуктивность клемм, соединительных проводов и переключателя.

При работе с прибором не нужно манипулировать никакими органами управления, достаточно просто подключить измеряемый элемент и считать показания с индикатора.

1 Расчетно-конструкторская часть

1.1 Назначение, область применения и основные параметры изделия

Цифровой измеритель L и C предназначен для измерения индуктивности и емкости.

1.1.1 Электрические характеристики

- пределы измерения емкости от 0,1 пФ до 5 мкф;

- пределы измерения индуктивности от 0,1 мкГн до 5 Гн;

- погрешность измерения от 2 до 3 %;

- напряжение питания от 7,5 до 9 В;

- потребляемый ток от 10 до 15 мА;

- автоматический выбор диапазона измерения;

- программная коррекция нуля.

1.1.2 Конструктивные характеристики:

- плату выполнить из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм с размерами 40×120 мм;

- плату крепить винтами.

1.1.3 Эксплуатационные характеристики:

- окружающая температура от плюс 10 до плюс 55°С;

- относительная влажность до 75 % при температуре плюс 25°С;

- атмосферное давление 720…780 мм.рт.ст.

1.2 Принцип работы изделия и описание его схемы

Сигнал возбуждающего напряжения прямоугольной формы с вывода 6 (РВ1) микроконтроллера DD2 через три нижних по схеме буферных элемента DD1 поступает на измерительную часть устройства. Во время высокого уровня напряжения зарядка измеряемого конденсатора С_х происходит через резистор R1 и диод VD6, а во время низкого – разрядка через R1 и VD5. Средний ток разрядки, пропорциональный величине измеряемой емкости, устройство преобразует с помощью операционного усилителя (ОУ) DA1 в напряжение. Конденсаторы С5 и С7 сглаживают его пульсации. Резистор R11 служит для точной установки нуля ОУ.

При измерении индуктивности во время высокого уровня ток в катушке нарастает до значения, определяемого резистором R2, а во время низкого – ток, создаваемый ЭДС самоиндукции измеряемой катушки, через VD3 и R3 также поступает на вход микросхемы DA1.

Таким образом, при постоянном напряжении питания и частоте сигнала напряжение на выходе ОУ прямопропорционально величинам измеряемых емкости или индуктивности. Но это справедливо только при условии, что зарядка конденсатора выполнена полностью в течение половины периода возбуждающего напряжения и также полностью произошла разрядка в течение другой половины. Аналогично и для катушки индуктивности. Ток в ней должен успевать нарастать до максимального значения и спадать до нуля. Эти условия можно обеспечить соответствующим выбором резисторов R1–R3 и частоты возбуждающего напряжения.

Напряжение, пропорциональное значению параметра измеряемого элемента, с выхода ОУ через фильтр R4C2 подают на встроенный десятиразрядный АЦП микроконтроллера DD1. Конденсатор С1 – фильтр внутреннего источника образцового напряжения АЦП.

Три верхних по схеме элемента DD1, а также VD2, VD4, С3, С4 использованы для формирования напряжения минус 5 В, необходимого для работы ОУ.

Результат измерения прибор отображает на десятиразрядном семисегментном жидкокристаллическом индикаторе HT1613.

Для повышения точности прибор имеет девять поддиапазонов измерения. Частота возбуждающего напряжения на первом поддиапазоне равна 800 кГц. На такой частоте измеряют конденсаторы с емкостью примерно до 90 пФ и катушки с индуктивностью до 90 мкГн. На каждом последующем поддиапазоне частота снижена в 4 раза, соответственно во столько же раз расширен предел измерения. На девятом поддиапазоне частота равна 12 Гц, что обеспечивает измерение конденсаторов с емкостью до 5 мкФ и катушек с индуктивностью до 5 Гн. Нужный поддиапазон прибор выбирает автоматически, причем после включения питания измерение начинает с девятого поддиапазона. В процессе переключения номер поддиапазона отображен на индикаторе, что позволяет определить, на какой частоте выполняют измерение.

После выбора нужного поддиапазона результат измерения в пФ или мкГн выведен на индикатор. Для удобства считывания десятые доли пФ (мкГн) и единицы мкФ (Гн) отделены пустым знакоместом, а результат округлен до трех значащих цифр.

Светодиод HL1 красного цвета свечения использован в качестве стабилизатора на 1,5 В для питания индикатора. Кнопка SB1 служит для программной коррекции нуля, что помогает компенсировать емкость и индуктивность клемм и переключателя SA1. Резистор R13 предназначен для быстрой разрядки конденсаторов С10 и С11 при выключении питания. (12)

Описание схемы произведено согласно СКРП.411218.004Э3.

1.3 Обоснование выбора элементной базы

При разработке конструкции изделия необходимо:

- выбрать радиоэлементы, обеспечивающие надежную и устойчивую работу схемы;

- стремиться к сокращению номенклатуры деталей и элементов, то есть сделать конструкцию максимально легкой и компактной;

- иметь оптимальное соотношение цена/качество выбранных радиоэлементов;

- тщательно проанализировать требования к прибору приступая к разработке конструкции. (10)

Исходя из этих требований, в конструкции печатного узла измерителя применены ниже перечисленные радиоэлементы.

Конденсаторы К10-17б

Конденсаторы керамические, уплотненные, для всеклиматического исполнения, постоянной емкости, низковольтные, предназначены для эксплуатации в качестве встроенных элементов в цепях постоянного и переменного токов и в импульсном режиме.

Эксплуатационные характеристики:

– вибрационный диапазон частот от 1 до 5000 Гц;

– диапазон рабочих температур от минус 40 до плюс 85 °С;

– относительная влажность не более 98 %;

– допускаемые отклонения емкости ±10 %.

Показатели надежности:

– наработка на отказ не менее 15000 ч;

– интенсивность отказов не более 1∙10^-6 1/ч;

– срок сохраняемости не менее 15 лет.

Конденсатор К10-17б выбран потому, что имеет малые габариты, малую интенсивность отказов, низкую стоимость.

Конденсаторы К50-68

Конденсаторы оксидно-электролитические алюминиевые, предназначены для работы в цепях постоянного, пульсирующего тока и в импульсном режиме.

Эксплуатационные характеристики:

– диапазон рабочих температур от минус 40 до плюс 85 °С;

– относительная влажность не более 98 %;

– допускаемые отклонения емкости от минус 10 до плюс 50 %.

Показатели надежности:

– наработка на отказ не менее 15000 ч;

– интенсивность отказов не более 2∙10^-6 1/ч;

– срок сохраняемости не менее 15 лет.

Конденсатор К50-68 выбран потому, что имеет малые габариты, малую интенсивность отказов, низкую стоимость.

Микросхема КР140УД1208

Операционный усилитель общего применения.

Эксплуатационные характеристики:

– коэффициент усиления 20000;

– напряжение смещения 6 мВ;

– входной ток 500 нА;

– напряжение питания ±5 В;

– входное сопротивление 0,4 МОм;

– потребляемый ток 3 мА;

– скорость нарастания 0,3 В/мкс;

– диапазон рабочих температур от 0 до плюс 70 °С;

– относительная влажность не более 98 %.

Показатели надежности:

– наработка на отказ не менее 20000 ч;

– интенсивность отказов не более 2∙10^-10 1/ч;

– срок сохраняемости не менее 18 лет.

Микросхема выбрана потому, что имеет высокий коэффициент усиления и низкое потребление энергии.

Микросхема КР1157ЕН502А

Стабилизатор напряжения.

Эксплуатационные характеристики:

– напряжение стабилизации 5 В;

– максимальный ток стабилизации нагрузки 0,1 А;

– рассеиваемая максимальная мощность 0,5 Вт;

– диапазон рабочих температур от минус 60 до плюс 80 °С;

– относительная влажность не более 98 %.

Показатели надежности:

– наработка на отказ не менее 15000 ч;

– интенсивность отказов не более 2∙10^-8 1/ч;

– срок сохраняемости не менее 12 лет.

Микросхема выбрана потому, что имеет низкий коэффициент нестабильности по напряжению.

Микросхема К561ЛН2

Шесть буферных инверторов.

Эксплуатационные характеристики:

– напряжение стабилизации от 3 до 15 В;

– рассеиваемая мощность 0,4 мкВт;

– диапазон рабочих температур от минус 10 до плюс 70 °С;

– относительная влажность не более 98 %.

Показатели надежности:

– наработка на отказ не менее 40000 ч;

– интенсивность отказов не более 2∙10^-8 1/ч;

– срок сохраняемости не менее 15 лет.

Микросхема серии К561 являются более современной по сравнению с серией К176 и превосходит их по всем параметрам.

Микросхема ATtiny15

Микроконтроллер.

Эксплуатационные характеристики:

– напряжение питания от 2,7 до 5,5 В;

– рабочая частота 4 МГц;

– разрядность 8 бит;

– емкость памяти 1 кбайт;

– тип памяти FLASH;

– диапазон рабочих температур от 0 до плюс 70 °С;

– относительная влажность не более 98 %.

Показатели надежности:

– наработка на отказ не менее 40000 ч;

– интенсивность отказов не более 2∙10^-8 1/ч;

– срок сохраняемости не менее 18 лет.

Индикатор символьный HT1613

Десятиразрядный семисегментный жидкокристаллический

Эксплуатационные характеристики:

– напряжение питания от 1,2 до 1,7 В;

– потребляемый ток 10 мкА;

Показатели надежности:

– наработка на отказ не менее 50000 ч;

– интенсивность отказов не более 2∙10^-8 1/ч;

– срок сохраняемости не менее 15 лет.

Индикатор выбран потому, что имеет меньше соединений в отличии от индикаторов без управляющего микроконтроллера и низкое потребление энергии.

Светодиод АЛ307БМ

Эксплуатационные характеристики:

– цвет свечения - красный;

– длина волны от 650 до 675 нм;

– сила света 0,9 мКд;

– прямой ток 10 мА;

– прямое напряжение 2 В;

– обратное напряжение 2 В;

– диапазон рабочих температур от минус 60 до плюс 70 °С;

– относительная влажность не более 98 %.

Показатели надежности:

– наработка на отказ не менее 50000 ч;

– интенсивность отказов не более 2∙10^-8 1/ч;

– срок сохраняемости не менее 15 лет.

Светодиод выбран потому, что имеет малые габариты, широкий диапазон рабочих температур, малую интенсивность отказов, низкую стоимость.

Резисторы С2-33Н-0,125

Резисторы постоянные металлодиэлектрические неизолированные, предназначенные для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока и в качестве элементов навесного монтажа.

Эксплуатационные характеристики:

– допуск 10 %;

– номинальная мощность 0,125 Вт;

– температура при номинальной мощности плюс 70 °C;

– уровень собственных шумов не более 5 дБ;

– сопротивление изоляции 1∙10⁴ Мом;

– диапазон температур от минус 60 до плюс 155 °С;

– относительная влажность воздуха при плюс 35°С 98 °С;

– предельное рабочее напряжение переменного
или постоянного тока 200 В.

Показатели надежности:

– наработка на отказ не менее 30000 ч;

– интенсивность отказов не более 1∙10^-7 1/ч;

– срок сохраняемости не менее 15 лет.

Резистор выбран потому, что имеет большую наработку на отказ, высокую стабильность параметров, малый уровень шумов и низкую стоимость.

Резисторы СП3-19а

Резисторы переменные не проволочные подстроечные, применяются для работы в цепях постоянного и переменного токов в непрерывных и импульсных режимах. Предназначен для монтажа на поверхность.

Эксплуатационные характеристики:

– мощность (при температуре 40°С) 0,5 Вт;

– предельное рабочее напряжение не более 150 В;

– допустимое отклонение сопротивления от номинального ±20 %;

– диапазон температур от минус 60 до плюс 125 °С;

– относительная влажность воздуха при плюс 35 °С 98 %;

– число циклов перемещения подвижной системы 500;

Показатели надежности:

– наработка на отказ не менее 20000 ч;

– интенсивность отказов не более 1∙10^-7 1/ч;

– срок сохраняемости не менее 10 лет.

Резистор выбран потому, что имеет большую наработку на отказ, высокую стабильность параметров, малый уровень шумов.

Диод Д311А

Диод кремниевый.

Эксплуатационные характеристики:

– прямой ток 0,3 А;

– обратный ток 10 мкА;

– прямое напряжение 1 В;

– обратное напряжение 100 В;

– диапазон рабочих температур от минус 60 до плюс 85 °С;

– относительная влажность не более 98 %.

Показатели надежности:

– наработка на отказ не менее 30000 ч;

– интенсивность отказов не более 2∙10^-7 1/ч;

– срок сохраняемости не менее 12 лет.

Диод выбран потому, что имеет малые габариты, широкий диапазон рабочих температур, обладает высокой ударопрочностью.

Диод КД522Б

Диод кремниевый.

Эксплуатационные характеристики:

– прямой ток 50 мА;

– обратный ток 1 мкА;

– прямое напряжение 1 В;

– обратное напряжение 75 В;

– диапазон рабочих температур от минус 60 до плюс 85 °С;

– относительная влажность не более 98 %.

Показатели надежности:

– наработка на отказ не менее 30000 ч;

– интенсивность отказов не более 2∙10^-7 %;

– срок сохраняемости не менее 12 лет.

Диод выбран потому, что имеет малые габариты, широкий диапазон рабочих температур, высокое допустимое Uобр=30в, обладает высокой ударопрочностью.

Выбор прочих элементов.

Остальные элементы схемы выбираются, исходя из их эксплуатационных и функциональных характеристик: переключатель B170G, кнопка ПКн150–1, гнезда BP–121. (1,3,4,6,14)

1.4 Электрический расчёт балластного резистора

Исходные данные:

­ напряжение питания U_п = 5 В;

­ прямое напряжение светодиода U_HLпр = 1,5 В;

­ прямой ток светодиода I_HLпр = 10 мА.

Требуется определить:

­ сопротивление и мощность резистора R_б.

Расчет ведется по схеме приведенной на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Схема включения

1.4.1 Определяю падение напряжения на резисторе R_б, U_пад, В, по формуле:

U_пад = U_п – U_HLпр                                       (1.1)

U_пад = 5 – 1,5 = 3,5 В

1.4.2 Определяю сопротивление резистора, R_б, Ом, по формуле:

                                                    (1.2)

1.4.3 Определяю мощность резистора R_б, Р, Вт, по формуле:

P = U_пад × I_HLпр                                          (1.3)

P = 3,5 × 0,01 = 0,035 Вт

Исходя из получиных данных выбираю резистор R_б из ряда Е24 С2-33Н-0,125-360 Ом. (5)

1.5 Электрический расчет стабилизатора напряжения

Исходные данные:

­ выходное напряжение U = 5 В;

­ ток нагрузки I_н = 15 мА;

­ частота сети f = 50 Гц;

Требуется определить:

­ тип стабилизатора напряжения;

­ номиналы емкостей С9 и С10.

По данному выходному напряжению, равному 5 В и состоянию современной элементной базы, целесообразно выбрать стабилизатор серии КР1157ЕН502А.

По приблизительным расчетам ток нагрузки составляет около 15 мА, который может обеспечить этот стабилизатор, т. к. он рассчитан на ток 250 мА. Напряжение стабилизации этой микросхемы 5 В ± 0,2 В, при U_вх. = 8 В, что подходит к параметрам по напряжению питания.

Для обеспечения устойчивости работы стабилизатора при импульсном изменении тока нагрузки на выходе необходим конденсатор емкостью не менее 10 мкФ, поэтому выбираем емкость 47 мкФ на выходе и 100 мкФ на входе.

Конденсаторы выбираем марки К50-68, т. к. они удовлетворяют нашим условиям: малые габариты, современная элементная база и дешевизна.

Рабочее напряжение конденсатора должно быть больше напряжение стабилизации, поэтому выбираем конденсаторы на напряжение 16 В на входе и выходе.

Получаем:

С10 – К50-68-16В-47 мкФ;

С11 – К50-68-16В-100 мкФ.

Для нормальной работы стабилизатора на его входе должно быть напряжение не менее 7 В. А так как ток потребления самим стабилизатором не более 5 мА, то ток нагрузки выпрямителя должен быть не менее 20 мА. (5)

1.6 Описание конструкции изделия с обоснованием применяемых материалов и полуфабрикатов

1.6.1 Обоснование выбора применяемых материалов

Конструкция устройства выполняется на печатной плате из фольги-рованного стеклотекстолита СФ-1-50. Выбор стеклотекстолита обусловлен тем, что стеклотекстолит имеет огромный ряд преимуществ по сравнению с гетинаксом.

Стеклотекстолит имеет высокую механическую прочность, высокую нагревостойкость (до 180 °С), высокое удельное объемное сопротивление (5∙10¹² Ом/см), малый тангенс угла диэлектрических потерь (0,03), прочность сцепления фольги с основанием (10 Н/см² ).

Для сравнения, если взять гетинакс, то становится очевидно, что он не имеет никаких преимуществ по отношению к стеклотекстолиту. Гетинакс имеет удельное, объемное сопротивление (1∙10⁹ Ом/см), тангенс угла диэлектрических потерь (0,07), прочность сцепления фольги с основанием
(19 Н/см²). Кроме того, гетинакс уступает стеклотекстолиту, как по электрическим, так и по физико-механическим свойствам.

Пайка осуществляется припоем ПОС-61 ГОСТ 21931-76. Выбор данного припоя, несмотря на его высокую стоимость, оправдывается тем, что у него более низкая температура плавления по сравнению с другими припоями (припой ПОС-61 обладает температурой плавления 185°С), малое время кристаллизации, что позволяет применять этот припой в автоматизированных линиях пайки, что увеличивает скорость пайки и ее качество.

Размеры печатной платы выбирают такими, чтобы при раскрое платы из стандартного стеклотекстолита получался наименьший расход. В качестве элементов схем используют электрорадиоэлементы (ЭРЭ), предназначенные для радиоэлектронной аппаратуры широкого применения.

Флюс ФКСП ТУ 102.911 канифольно-спиртовой. Он обладает максимальной активностью при температуре плюс 170°С. Остатки флюса легко удаляются спиртом. Для ремонтных работ используется канифоль сосновая ГОСТ 19113-73. Остатки канифоли легко удаляются спиртом.

Для снятия остатков флюса и канифоли применяется этиловый спирт ТУ577227-64, не ухудшает изоляционных свойств платы.

1.6.2 Описание конструкции

Описание конструкции ведется в соответствии с СКРП.687242.008СБ. Устройство собрано на печатной плате (ПП) с односторонней печатью. Чертеж платы представлен на СКРП.758713.008. Плата выполнена из стеклотекстолита СФ-1-50-1,5 по условиям ГОСТ10316-78 с толщиной фольги 50 мкм.

Группа жесткости платы 2 – это значит, что печатная плата может эксплуатироваться в интервале температур от минус 25 °С до плюс 55 °С с относительной влажностью до 76 % и атмосферным давлением 760 мм рт.ст.

Класс точности платы – 1. Это значит, что плотность монтажа повышенная. Минимальная ширина проводника не должна быть меньше 0,5 мм. Минимальное расстояние между контактными площадками и печатными проводниками не должно быть меньше 0,125 мм. Расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки должно быть не менее
0,35 мм. Отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы 0,4. Максимальное отклонение между центрами отверстий ± 0,1 мм.

Печатная плата изготавливается химическим методом, т.е. химическим способом, т.к. такой способ изготовления позволяет добиваться высокой точности травления поверхностного слоя ПП. Однако такой способ имеет также и недостатки: процесс изготовления ПП длительный и на заготовку воздействуют химические реагенты и влага.

Токопроводящий рисунок плат при таком способе выполнен химическим способом, при котором производится вытравливание незащищенных участков фольги, предварительно наклеенной на диэлектрик.

Варианты установки деталей на платах стандартные. Установку элементов производить по ОСТ4.Г0.010.030-81. (10)

1.7 Тепловой расчет интегрального стабилизатора

Исходные данные:

­ мощность рассеивания Р_рас = 0,5 Вт;

­ температура окружающей среды Т_а = 55 °С;

­ максимальная допустимая температура Т_j = 75 °С.

Определить:

­ температуру нагрева корпуса интегрального стабилизатора КР1157ЕН502А без радиатора.

1.7.1 Определяем температуру нагрева корпуса без радиатора, Т_j, °С, по формуле:

,                                     (1.4)

где R_Tj-A – тепловое сопротивление корпус/воздух,R_Tj-A = 5 °С/Вт

Так как 57,5 °С < 75 °С, следовательно радиатор не нужен. (5)

1.8 Расчет геометрических размеров печатной платы

Для расчета геометрических размеров печатной платы используем данные таблицы 1.1.

Таблица 1.1 Размеры в миллиметрах