【参赛】DIY05高分辨率感容计

changwanren · 发表于 2022-11-1 06:43:38

本帖最后由 changwanren 于 2022-11-1 07:15 编辑

               【参赛】DIY05高分辨率感容计

   首先预祝第14届DIY大赛圆满成功！历届DIY大赛精品云集，既开阔眼界又获得启示和收获满满，为大赛喝彩！为祝大赛，捧出一个小作品，纯手工打造，随制作粗劣一些，但感觉还是满实用的，重在参与。
概述：
   此感容计是以单片机为核心而设计的对电感、电容的数据采集电路，DIY出感容计的核心部分，通过串口与计算机连接，经过计算机运算、显示组成的测量电感、电容的测量工具。此仪器在手，可以用来对于业余绕制中周，本振，调谐回路等电感线圈电感值的测量，对选择配振电容、垫整电容、补偿电容等电容值的测量。
   功能与特点：此感容计具有很高的分辨率和测量数据的稳定度，测量精度足以满足业余DIY对电感电容的测量需求。由于分辨率很高，即使测量几pF的小电容，也能有4位有效数字显示。测量电解电容时，因大多是10%以上的误差，所以，设计保留3位有效数字。测量电容最大值可到5000uF,测量电感最大值可达到100mH。
使用操作：
此感容计的功能和量程选择是通过软件界面操作完成，测量时，只要将电感电容插入锁座，然后锁紧，操作软件方可测量。
   设计理念：
1、外壳设计受加工工具的制约，力求节省，所以，采用纯手工打造，不求机壳华丽，实用就好。
2、电路设计要点，感容计借助于计算机辅助，借助计算机的超计算能力和显示功能，使感容计的电路大大的简化。通过由被测电感、电容组成振荡电路，产生的振荡周期与被测元件的感容值有对因关系，经过软件计算，得到被测电感、电容数值。被测的感容元件直接由振荡电路震荡产生的周期数值往往比较小，通过CD4060芯片“分频”后，可以使周期数值变大几十至几百倍，可以大大的提高分辨率，得到高分辨率的感容计。
   “感容计”的整体照片：
感容计全图.jpg

   一、工作原理：
   测量电感电容原理概述：
   电感、电容配合相应的电路产生振荡，不同数值的电感、电容产生振荡的频率或周期不同，跟电感、电容的数值与周期数值有一一对应关系，此“感容计”通过测量不同电感、电容数值产生的周期，再通过对应关系算出电感、电容的数值。
实现对一个周期的计数位数，对分辩率有很大的影响。例如计数时钟采用1MHz，可实现1uS记录一个数字，某周期为136.36uS，可以记录数字为136，若将周期变为13636uS，可记录数字为13636。所以，要想在一个周期内记录出高分辨率的有效数字，可选两种办法，一是提高记录时钟频率，如采用10MHz记录，可以达到0.1uS记录一个数，二是选取一个更长的周期，由于振荡电路获得长周期困难，此“感容计”采用分频的方法，可将振荡电路的几百个周期变成一个周期。实现了高分辨率的计数。
1、测电感原理
   主要由74HC04，CD4060芯片来完成。74HC04的作用，一是由6MHz石英晶体组成震荡电路，产生频率为6MHz的方波，提供给采集器计数时钟。二是由被测的电感和已知的电容构成三点式的振荡电路，其频率等于f=1/2π√LxC 的方波，送给CD4060进行分频，分频的目的是使周期变长，得到更高的分辨率。分频后送给单片机的中断0引脚。单片机在方波的高电平时以6MHz的时钟速率计数，单片机在方波的下降沿中断，将计数数据取出，此数据正比于一个方波的半个周期，计算公式：由T=1/f得T=2π√（LxC），可知Lx=(2ΠT)2/C  设常数K=(2Π)2/C 则Lx=KT2  ， T为周期数据，单片机把数据传给电脑后，电脑把此数据平方，在乘以常数K，得到Lx。
常数K的求得：选取一只误差较小的已知电感，作为标准电感L0，电脑把单片机的“周期”数据平方，在除以L0，得到了常数K=T2/L0。
   为了保证工作稳定，电容C1和C2采用高稳定度的涤纶电容或云母电容，由于测量很小的电感时，频率会很高，会导致电路停振，所以串联一个10uH的电感，然后再减去10uH电感，解决了测量小电感的问题，测量小电感时，由于方波周期数值小，采用CD4060进行分频，使方波周期数值变大，因而增大了分辨率，分频数值的选取采用CD4051模拟开关通过单片机控制。
   关于测量数据的稳定性，没有足够高的稳定性，高分辨率就失去意义，此电路为LC震荡电路，电路的振党频率变化主要是由于电容的改遍引起的。收音机的本振电路，即使调谐电容在几十pF，也有4位数的稳定率，此电路震荡电容采用10000p的涤纶电容，热稳定性很好，即使芯片的电容有几pF的改变，对频率的改变仅有万分之几，，5位数稳定没有问题，此测量工具采用4位有效数字显示，所以，数据显示非常稳定。
测电感参数数据
   在把测量电感接口短路时，f=1/2π√（LxC）=1（6.28（10-5×5×10-10）1/2  =712.1KHz，在由CD4060的16384分频后，得到43.46Hz的方波信号，6MHz计数，采集器能够计数138057个数据，这个数据除以10.00uH,得到K=138，可见分辨率是极高的，此电路配备10nF震荡电容，最大能够测量100mH电感，要想测量大于100mH的电感，需加大配振电容，由于100mH够用了，所以没有开辟更大的测电感量程。
2、测电容工作原理
   采用555芯片由电容电阻构成多谐振荡器，产生占空比为50%的方波，555多谐振荡器震荡周期为T=0.693RC,其震荡周其与被测电容成正比，由于电容器的数值范围太大，由几pF到几千uF，为了产生适当的周期，冲放电电阻分别选用100K，10K，1k，100Ω，电阻切换采用小型继电器S1A050D00切换，此继电器驱动电流10毫安，由74HC145驱动，由单片机控制。555多谐振荡器产生的方波送给CD4060进行分频，原理和测电感原理相同。
555多谐震荡计算公式：由T=1.4RC得C=T/1.4R。
   此测电容电路，对小电容的测量，误差会大一些，受温度和电源电压等影响，会有1-2pF的漂移，所以，测量小电容时要归零。
   关于稳定的问题，555的多谐振荡的两个翻转点是电源电压的三分之一和三分之二，所以周期不受电源电压的改变而改变。只受温度引起电容变化的影响，时电容产生几pF的变化，可以设置归零来消除变化的电容。
测测电容技术数据:
   元测测量周期越长，分辨率越高，但数据更新越慢，测电容的量程选测10倍，测量周期选0.05-0.5秒，时钟频率6MHz，0.05秒周期可记录数据300000，0.5秒周期可记录数据3000000，如100n量程，测量10n时，若小数点后面保留3位，即10.000，300000/10000=30，分辨率足够用，就是小数点后面保留4为也够用。
3、量程转换
   此感容计的量程转换是由单片机控制的，由S1A050D00小型继电器，.用来切换555的充放电电阻，小型继电器驱动芯片采用74HC145组成。模拟开关芯片CD4051，用来切换CD4060的分频选择。
   二、电路原理图、PCB电路板及外壳设计
   1、电路图
感容计电路图.jpg

高清电路图下载包

感容计电路图.rar (672.63 KB, 下载次数: 309)

2、元器件和芯片各脚部分连接记录：
   （一）、555连接电阻切换由单片机P2.0控制数据
   100欧姆接通，P2.0=00
   1K欧姆开关，P2.0=01
   10K欧姆开关，P2.0=02
   100K欧姆开关，P2.0=03
   （二）、分频转换电子开关CD4051，是由单片机P1.2控C P1.3控B  P1.4控A，数据如下：
   (1)Q12链接14  P1.2=0，P1.3=0，P1.4=1  (1)
   (3)Q8链接13  P1.2=0，P1.3=0，P1.4=0  (0)
(4)Q6链接1  P1.2=1，P1.3=0，P1.4=0  （4）
(7)Q4链接5  P1.2=1，P1.3=0，P1.4=1 (5)
(14)Q14链接12  P1.2=0，P1.3=1，P1.4=1  (3)
(15)Q10链接15  P1.2=0，P1.3=1，P1.4=0  (2)
置入链接2  P1.2=1，P1.3=1，P1.4=0    (7)
  （三）测电容的量程、分频比、充放电阻数据
1、200p量程  Q12，接100K电阻
2、2000p量程  Q10，接100K电阻
3、20n量程 Q8 接100K电阻
4、200n量程 Q8 接10K电阻
5、2u量程    Q2 接10K电阻
6、20u量程 Q4 接1K电阻
7、200u量程 Q4  接100欧姆电阻
8、2000u量程  直通  接100欧姆电阻
9、5000u量程  直通  接100欧姆电阻

3、PCB设计
   由于感容计电路为强信号的数字电路，抗干扰性很强，所以，设计比较随意。由于采用自制PCB板，采用单面板，出现较多飞线。为了打印方便，PCB板采用Word文档绘画。
PCB图.jpg

4、软件桌面设计
“功能”是电感、电容的切换。
“量程选择”为电感、电容的量程切换。
桌面设计.jpg

changwanren · 发表于 2022-11-1 06:44:09

本帖最后由 changwanren 于 2022-11-1 08:39 编辑

二、制作记实
1、PCB电路板的设计与制作
由于此感容计信号的产生是较强的震荡信号，具有很强的抗干扰能力，所以，电路走线设计比较随意。制板采用热转印法，三碌化铁腐蚀，小电转打孔。
PCB板打印在热转印纸上
热转印纸.jpg