Lc метр на ардуино. LC-метр на Arduino: принцип работы, схемы и сборка устройства

Как работает LC-метр на Arduino. Какие существуют схемы для измерения индуктивности и емкости. Как собрать LC-метр своими руками на базе Arduino. Какие компоненты потребуются для сборки LC-метра.

Принцип работы LC-метра на базе Arduino

LC-метр — это прибор для измерения индуктивности (L) и емкости (C) электронных компонентов. Принцип работы LC-метра на базе Arduino основан на измерении частоты колебаний LC-контура, в который включается измеряемый компонент. Основные элементы такого измерителя:

• Колебательный контур
• Компаратор
• Микроконтроллер Arduino

Как работает LC-метр на Arduino?

1. Измеряемая индуктивность или емкость подключается к колебательному контуру
2. Контур начинает генерировать колебания на резонансной частоте
3. Компаратор преобразует синусоидальный сигнал с контура в прямоугольные импульсы
4. Arduino измеряет частоту этих импульсов
5. По измеренной частоте рассчитывается значение L или C

Обзор популярных схем LC-метров на Arduino

Существует несколько распространенных схем LC-метров на базе Arduino:

1. Простейшая схема с прямым подключением

В этой схеме колебательный контур напрямую подключается к выводам Arduino:

• Плюсы: простота, минимум компонентов
• Минусы: низкая точность, узкий диапазон измерений

2. Схема с компаратором

Здесь между контуром и Arduino добавляется компаратор (например, LM311):

• Плюсы: повышенная точность
• Минусы: требуется дополнительное питание для компаратора

3. Схема с операционным усилителем

Вместо компаратора используется операционный усилитель:

• Плюсы: широкий диапазон измерений
• Минусы: сложнее в настройке

Компоненты для сборки LC-метра на Arduino

Для сборки простого LC-метра на базе Arduino понадобятся следующие компоненты:

• Arduino Nano или UNO
• Операционный усилитель (например, LM358)
• Конденсаторы и резисторы для колебательного контура
• LCD дисплей 16×2
• Кнопки для управления
• Макетная плата и провода для соединений

Точный набор компонентов зависит от выбранной схемы. Для повышения точности рекомендуется использовать прецизионные конденсаторы и резисторы в колебательном контуре.

Сборка LC-метра на макетной плате

Процесс сборки LC-метра на макетной плате включает следующие этапы:

1. Установка Arduino на макетную плату
2. Сборка колебательного контура согласно выбранной схеме
3. Подключение операционного усилителя или компаратора
4. Монтаж LCD дисплея и кнопок управления
5. Соединение всех компонентов проводами
6. Загрузка скетча в Arduino
7. Калибровка прибора

При сборке важно аккуратно выполнять все соединения и использовать короткие провода для минимизации паразитных емкостей и индуктивностей.

Программирование Arduino для LC-метра

Программная часть LC-метра на Arduino включает следующие основные блоки:

• Измерение частоты колебаний
• Расчет значений L и C по измеренной частоте
• Управление LCD дисплеем
• Обработка нажатий кнопок
• Калибровка прибора

Вот пример фрагмента кода для измерения частоты:

unsigned long measureFrequency() {
  unsigned long count = 0;
  unsigned long startTime = millis();
  
  while (millis() - startTime < 1000) {
    if (digitalRead(INPUT_PIN) == HIGH) {
      count++;
      while(digitalRead(INPUT_PIN) == HIGH);
    }
  }
  
  return count;
}

Калибровка LC-метра на Arduino

Калибровка необходима для повышения точности измерений LC-метра. Основные этапы калибровки:

1. Измерение частоты с разомкнутыми контактами (паразитная емкость)
2. Измерение частоты с замкнутыми контактами (паразитная индуктивность)
3. Измерение эталонных компонентов с известными значениями L и C
4. Расчет калибровочных коэффициентов
5. Сохранение коэффициентов в EEPROM Arduino

Регулярная калибровка позволяет компенсировать влияние паразитных параметров и повысить точность измерений LC-метра.

Диапазон измерений и точность LC-метра на Arduino

Какой диапазон измерений может обеспечить LC-метр на базе Arduino? Это зависит от конкретной схемы, но типичные значения:

• Индуктивность: от 1 мкГн до 10 Гн
• Емкость: от 1 пФ до 1000 мкФ

Точность измерений обычно составляет 1-5% в средней части диапазона. На краях диапазона точность может снижаться. Для повышения точности рекомендуется:

• Использовать прецизионные компоненты в колебательном контуре
• Применять экранирование от помех
• Проводить регулярную калибровку
• Использовать усреднение результатов нескольких измерений

Преимущества и недостатки LC-метра на Arduino

LC-метр на базе Arduino имеет ряд преимуществ и недостатков по сравнению с промышленными приборами:

Преимущества:

• Низкая стоимость
• Возможность самостоятельной сборки
• Гибкость настройки под конкретные задачи
• Возможность модернизации и добавления функций

Недостатки:

• Меньшая точность по сравнению с промышленными приборами
• Ограниченный диапазон измерений
• Требуется калибровка
• Чувствительность к внешним помехам

Несмотря на недостатки, LC-метр на Arduino может быть полезным инструментом для радиолюбителей и в учебных целях.

Часть 1 – urpylka՚s blog!

Год назад я приобрел себе мультиметр Aneng Q1. Я сразу влюбился в этот мультиметр. Он удовлетворяет практически всем моим потребностям кроме отсутствия функционала измерения индуктивности. И у меня возникла идея из говна и палок собрать LC метр. В этой статье мы рассмотрим существующие схемы и принцип их работы. А также выберем одну, которую в дальнейшем я буду собирать.

Обзор существующих схем LC-метров

Основная идея построения этого прибора на микроконтроллере (МК) состоит в измеремении частоты колебательного контура на программной стороне МК. При этом зная номинал индуктивности или емкости мы можем вычислить номинал неизвестного компонента. Прибор условно можно разделить на три части:

1. Колебательный контур;
2. Компаратор;
3. Микроконтроллер.

Первая схема

Рассмотрим первую схему с сайта circuitdigest.com (дубликат microkontroller.ru или аналогичная sampawno.ru):

Работает эта схема следующим образом:

Индуктивность L1 и конденсатор C1 объединенные в LC цепь образуют колебательный контур. После подачи в эту цепь нескольких коротких импульсов на выходе LC цепи образуется синусоидальное колебание на резонансной частоте.

Чтобы измерить частоту этих синусоидальных колебаний с помощью микроконтроллера их необходимо преобразовать в последовательность прямоугольных импульсов (меандр). В которой логическая единица будет соотвествовать положительной полуволне исходного сигнала, а ноль – отрицательной. Для этого используется компаратор (в данном случае операционный усилитель

LM741 в качестве компаратора) и диод отсекающий на выходе отрицательную часть сигнала.

Для проверки схемы я воссоздал её в программе Micro-Cap:

На генераторе я создаю 15 импульсов длительностью 100мкс при периоде 150мкс. Как видно после накачки контура, он начинает резонировать на собственной частоте:

В этой схеме мне в глаза бросается пару моментов:

1. Для возбуждения контура используется микроконтроллер (выход D3)
2. Для создания средней точки напряжения на компараторе используется батарейка

Вторая схема

Вторая схема лишена этих недостатков и мне нравится гораздо больше (источник embedded. icu).

Основная фишка этой схемы то, что для накачки контура используется обратная связь самого компаратора. Смоделируем схему в Micro-Cap и проверим как она работает.

Как видно в точке 4 или 5 амплитуда калебаний нарастает. Это происходит в первые 30мс после подачи питания на контур. После чего амплитуда выравнивается, и контур колеблется на резонансной частоте.

Первое, что бросается в глаза в точке 6 (красный график), форма сигнала очень острая, это связано с тем, что при симуляции вместо сопротивления входного канала МК подключен резистор на 100кОм. Что очень мало. Увеличим сопротивление до 1000кОм:

Лучше. Увеличим ещё до 10.000кОм:

Теперь это выглядит как нужно. Хотя на самом деле я не совсем понимаю смысл конденсатора C5 в выходной цепи. И соглашусь с автором, из источника которого я взял схему, в том, что этот конденсатор на выходе не нужен. Тк МК воспринимает за логический ноль все что ниже порогового значения около 2-3 вольт.

Предположу, что возможно автор оригинальной схемы произвел тесты и увидел, что амплитуда в точке 2 (синий график) не опускается до ноля. И хотел решить это с помощью конденстора, но тогда в схеме необходим диод, отсекающий отрицательную часть (тк не понятно как может повести себя МК при подаче отрицательного напряжения).

При увеличении частоты видно, как конденсатору C5 не хватает времени дозарядиться, и уже сопротивление в 10МОм становится слишком большим. Из-за этого график в точке 6 опять становится игольчатым. Но как я и сказал выше: совершенно ни к чему использовать конденсатор C5.

Далее я погонял схему с разными значениями индуктивности и получил разрешающую способность в районе 0.05-0.1мкГн. А также меня удивил диапазон измерений, прибор может измерять как очень маленькие индуктивности в до 0.1мкГн так и большие – 200Гн. Нижняя частота колебательного контура ограничена конденсатором C2, а верхняя свойствами компаратора (ОУ).

Мне понравилась эта схема, но давайте рассмотрим ещё парочку для общего ознакомления.

Третья схема

Сслыка на оригинал radiolocman.com и на русскоязычную копию radiohata.ru.

Как видно здесь калебательный контур отделен от компаратора. А для его накачки используется схема на базе транзистора Q1. Также на схеме можно заметить дополнительную микросхему 74HC590 – счетчик, который позволяет снизить замеряемую частоту в 16 раз.

Рассмотрим ещё одну похожую схему.

Четвертая схема

Источник alpop/Arduino-UNO-R3-based-LC-meter.

Мне нравится это схема своей модульностью: каждый отдельный модуль выполняет строго свою функцию. Рассмотрим основные модули:

1. OCILLATOR – колебательный контур, накачка которого выполняется на двух транзисторах (основан на предыдущей схеме и переработан 0jihad0.livejournal.com).
2. AMPLIFIER 1
   – на самом деле это не усилитель, а повторитель на базе ОУ AD8605. Он используется по причине очень большого сопротивления на входе ОУ. Таким образом ОУ не оказывает воздействия на колебательный контур. Если же сразу на выход контура подключить базу транзистора Q3, то для управления этой базой требуется достаточно высокий ток, что будет влиять на работу контура.
3. AMPLIFIER 2 – усилитель сигнала на базе биполярного транзистора.
4. COMPARATOR – вы уже знаете, выполняет задачу сравнения напряжений на его входах.
5. PRESCALER 1/16 – также знакомый вам элемент из предыдущей схемы, служащий для снижения выходной частоты в 16 раз.

Кстати после изучения этой схемы я обратил внимание, что ёмкость конденсатора измеряется не через схему с колебательным контуром, а по другому принципу Capacitance Meter.

После этого я откался от идеи делать LC метр и решил сделать просто измеритель индуктивности. Тк функционал измерения ёмкости у меня уже реализован в мультиметре. А городить в контуре сменяемые индуктивности мне не хочется (хотя к этому всегда можно вернуться).

---

Я нашел еще одну схему LC-метра выполненного на МК на базе PIC. Где не используется компаратор, но мне это не подходит. Ссылку осталяю для общего ознакомления.

Выбор схемы

Мне понравилась 4я схема, но я не смог ответить себе на сколько она лучше в плане измерения индуктивности. Да и у меня нет компонентов для её сборки под рукой (именно об этом будет вторая часть). Поэтому я решил собрать 2ю схему, и посмотреть как она себя поведёт. А если уткнусь в предел по частоте, то добавлю счетчик, как это сделано в 3ей и 4ой схемах.

Продолжение следует.

ARDUINO - Измеритель LC | AlexGyver Community

Относительно простой и относительно дешевый измеритель емкости и индуктивности. Делюсь опытом своего повторения устройства и переводом программы на Arduino IDE.

Модуль измерителя

Плата питания и Arduino Nano

Не стану излагать здесь всю теорию, ибо она хорошо описана в источниках. (советую почитать, интересно!)

Принцип измерения заключается в подаче меандра на измеряемый конденсатор или индуктивность и преобразовании тока разряда конденсатора (или тока индуктивности) в напряжение, которое сглаживается и подается на АЦП Arduino. При измерении емкости конденсатор во время положительного полупериода заряжается через резистор R6 и диод D5, во время отрицательного разряжается через резистор R6 и диод D1, и его разрядный ток поступает на вход 2 U1. При измерении индуктивности во время положительного полупериода ток в катушке нарастает до значения, определяемого номиналом резистора R7, а во время отрицательной - ток, создаваемый ЭДС самоиндукции через D2 и R2, RV2 также поступает на вход U1. Ток разряда конденсатора (а, значит, и напряжение на выходе измерителя) прямо пропорционален его емкости, если конденсатор успевает полностью зарядиться за положительный полупериод и полностью

разрядиться за отрицательный. Также и ток самоиндукции катушки прямо пропорционален ее индуктивности, если ток в ней успевает нарастать до максимального значения и спадать до нуля.

Для этого частота автоматически изменяется от 1 мегагерца до 15 герц в зависимости от значения напряжения на выходе измерителя. Прибор имеет 9 диапазонов измерения, и на каждом последующем диапазоне частота снижается, а предел измерения увеличивается в 4 раза. На первом диапазоне частота равна 1 МГц, и максимальное измеряемое значение ~90 пФ/мкГн.

//  |   Range  | frequency | max value
//  |   1(0)   | 1,000,000 |  89.2  
//  |   2(1)   | 250,000   |  356.8
//  |   3(2)   | 62,500    |  1427.2
//  |   4(3)   | 15,625    |  5,708.8
//  |   5(4)   | 3,906     |  22,835.2
//  |   6(5)   | 976       |  91,340.8
//  |   7(6)   | 244       |  365,363.2
//  |   8(7)   | 61        |  1,461,452.8
//  |   9(8)   | 15        |  5,845,811.2

Функционал. Я не стал отходить от первоначальной концепции, и функционал устройства можно описать вырезкой из первоисточника (в [] указаны обозначения на моей схеме):

"Кнопка SB1 [J2 Calibration] служит для программной коррекции нуля, что компенсирует начальное смещение нуля ОУ, а также емкость и индуктивность клемм и переключателя SA1 [SW1]. Нужный диапазон выбирается автоматически, причем после включения питания измерение начинается с 9 диапазона.

В процессе переключения диапазонов частота возбуждающего напряжения и результат преобразования АЦП отображаются в нижней строке индикатора. Это справочная информация, которая может помочь оценить корректность измерения параметров. Через несколько секунд после стабилизации показаний эта строка индикатора очищается, чтобы не отвлекать внимание пользователя.

Результат измерения отображается в верхней строке. Измеренное значение напряжения с выхода ОУ интерпретируется как емкость или индуктивность в зависимости от положения переключателя SA1 [J3 MODE]"

Настройка. Прибор имеет два подстроечных резистора, предназначенных для настройки правильности показаний значения емкости и индуктивности. Их надо настроить после сборки и в дальнейшем трогать их не нужно. Для этой процедуры требуется парочка конденсаторов и индуктивностей с точностью хотя бы 5% (какие были у меня).

330 нФ

10 мкГн 10%

Калибровка

Github проекта

Схема и печатная плата модуля измерителя KiCAD
Схема и печатная плата модуля питания и Arduino KiCAD
3D модель и чертежи корпуса FreeCAD

Источники:
https://ra4nal. ontvtime.ru/lc_arduino.shtml
Радио №3 1982

 

• lc_meter_v071B.ino

  11.8 KB Просмотры: 197

Изменено: 6 Ноя 2022

Digital LC meter Archives - Embedds

  Администратор Arduino

Функция измерения индуктивности отсутствует во многих стандартных мультиметрах. Если вы не проектируете ВЧ-устройства и не создаете источники питания, то вам, вероятно, не нужно много индуктивных компонентов в ваших проектах. Но если вы это сделаете, вам понадобится мультиметр с функциями LCR, или вы можете построить измеритель индуктивности, используя несколько общих компонентов и Arduino. Компания Lfaessler создала довольно аккуратный экран измерителя индуктивности для Arduino UNO, основанный на осцилляторе Колпитца. Подключив к ней неизвестную катушку, генератор начинает колебаться с некоторой частотой, которую затем измеряет Arduino. Применяя простые формулы, можно рассчитать индуктивность, поскольку значения других компонентов уже известны. Shield уже поставляется с ЖК-дисплеем, на котором отображается частота колебаний и расчетная индуктивность. Продолжить чтение

  Администратор Другие проекты MCU

Обычным мультиметром неудобно измерять параметры SMD компонентов. Также большинство мультиметров измеряют только R и C, но не L и Z (сопротивление). Для компонентов SMD вам понадобится пинцет, которым можно достать маленькие контакты. Если ваш бюджет ограничен и вам нужны функции измерения ZRLC, то, вероятно, выберите версию DIY. Аджойраман поделился своей инструкцией, в которой он собирает пинцет вокруг микроконтроллера TMS320F28027. Для переключения между режимами он использует аналоговый переключатель ADG714 и операционный усилитель rail-to-rail MCP6022. Чтобы сделать пинцет маленьким, но функциональным, он не использует на нем никаких дисплеев. Вместо этого он подключил пинцет к ПК через USB, где информация отображается в приятном графическом интерфейсе ПК. Вы можете найти все коды на GitHub. Мы видели, как можно измерить сопротивление, емкость и индуктивность. Более интересной особенностью пинцета является измерение импеданса. Идея состоит в том, чтобы генерировать синусоидальную волну и пропускать ее через неизвестный импеданс. Измеряя амплитуду и фазу на целевом ПК, программное обеспечение может обрабатывать и отображать действительную и мнимую части неизвестного импеданса. Программное обеспечение для ПК очень хорошо построено с полным… Продолжить чтение

  Администратор PIC Projects

Вы участвуете во многих проектах, требующих измерения импеданса компонента? Вы не можете найти правильный инструмент, который поможет вам преодолеть хлопоты? Что ж, в этом случае вы можете захотеть создать совершенно новый высокоточный цифровой LC-метр. Цифровой LC-метр, также известный как «LCR-метр», представляет собой электронное испытательное оборудование, которое обычно используется для измерения импеданса, такого как индуктивность, емкость и сопротивление! Цифровой LC-метр начал завоевывать популярность по сравнению с аналоговым типом из-за их высокой точности и высокого входного сопротивления. Некоторые другие функции, такие как автоматическое обнуление, автоматическое определение диапазона, автоматическое отключение питания и режим пониженного энергопотребления, делают цифровой LC-метр более мощным, чем аналоговый LC-метр! Этот проект основан на базовых измерениях индуктивности/емкости PIC16F628 и PIC16F84, где диапазон измерения составляет от 0 до >0,1 мкФ для емкости и от 0 до >10 мГн для индуктивности. Ожидаемая точность находится в пределах +/- 1% от показаний +/- 0,1 пФ или +/- 10 нГн. Компаратор LM311 с положительной обратной связью используется для создания параллельного… продолжить чтение

AVR LC Meter с измерением частоты – Kerry D. Wong

AVR LC Meter с измерением частоты

16 октября 2010 г. 29 июня 2014 г. квонг

Я давно подумывал о создании LC-метра, так как у меня нет мультиметра, способного измерять индуктивность, а имеющиеся у меня мультиметры могут измерять емкость, они не могут дать точных показаний для малой емкости в диапазоне нескольких пФ.

Существует довольно много хороших статей о том, как собрать LC-метры с использованием микроконтроллеров PIC (например, здесь: 1, 2, 3), но инструкций о том, как собрать счетчик с помощью микроконтроллера ATmega, очень мало, хотя основной принцип во многом тот же. Поэтому я решил написать эту статью о том, как собрать LC-метр с использованием микросхемы ATmega328p и библиотек Arduino.

Типичный LC-метр представляет собой не что иное, как широкодиапазонный LC-генератор. При измерении катушки индуктивности или конденсатора добавленная индуктивность или емкость изменяет выходную частоту генератора. И, вычислив это изменение частоты, мы можем вывести индуктивность или емкость в зависимости от измерения.

На следующей схеме показан LC-генератор на основе компаратора I, используемый в LC-метре. Часть осциллятора вполне стандартна. В большинстве других конструкций, которые я видел, используется компаратор LM311. Но для такого типа приложений любого компаратора, способного генерировать частоты до 50 кГц, должно быть более чем достаточно. У меня случайно завалялось несколько запасных LM339, поэтому я использовал их в схеме генератора.

Измеритель LC - Генератор

Обратите внимание, что на контакте 1 должен быть подтягивающий резистор 3 кОм, а сопротивление обратной связи должно быть 100 кОм вместо 10 кОм.

Поскольку на самом деле мы измеряем частоту генератора, мы можем построить измеритель частоты, используя ту же схему практически без дополнительных затрат. Как вы можете видеть на схеме выше, герконовое реле используется для переключения измерения из режима LC в режим частоты. На приведенной выше схеме второй компаратор формирует триггер Шмитта для обработки формы входного сигнала, чтобы можно было сделать более точное измерение частоты. В режиме LC выходная частота первого компаратора просто подается через триггер Шмитта. Выходная частота определяется
\[f_0=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}\]

, где
\[L=L_0 + L_{измерено}\] и
\[C=C_0 + C_{измерено} \]

Выбор высокой точности L0 и C0 помогает повысить точность измерителя.

Вот сторона схемы MCU:

LC Meter

Эта схема способна измерять индуктивность в широком диапазоне, от нескольких нГн до нескольких Генри. Я обнаружил, что для измерения емкости лучше всего подходят измерения от нескольких пФ до десятков нФ. Возможно, вы сможете измерить конденсаторы немного большего размера, если они имеют высокий рейтинг ESR. Но этот предел диапазона измерения емкости не должен быть проблемой, поскольку нас больше всего волнует точность в диапазоне пФ.

Я использовал эту библиотеку частот для измерения частоты. По умолчанию отображение обновляется каждую секунду. Этот режим обеспечивает наиболее точный результат. Вы можете легко сократить этот интервал обновления, но точность измерения будет снижена.

Код Arduino для этого проекта можно скачать здесь (LCFrequencyMeter.zip). Этот проект был разработан с использованием IDE NetBeans, и вам может потребоваться настроить прилагаемые файлы заголовков, если вы используете IDE Arduino. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, смотрите мою предыдущую статью на эту тему.

Метод калибровки, который я использовал, выглядит следующим образом: в режиме измерения емкости показание без нагрузки используется для расчета паразитной индуктивности (предположим, что C0 является точным), которая затем используется для компенсации измерений емкости. Аналогичным образом, в режиме измерения индуктивности мы предполагаем, что L0 является точным, и показания без нагрузки (путем замыкания измерительных проводов) используются для расчета паразитной емкости, которая затем используется для компенсации измерений индуктивности. Если вы прочитаете код, вы получите лучшее представление о том, как это делается.

[adsense]

На следующем рисунке показаны показания емкости при использовании этого измерителя для измерения известного конденсатора 2,22 нФ:
Измерение емкости

:
Измерение индуктивности

Вот изображение, показывающее измерение частоты. Источником частоты является прямоугольная волна, генерируемая таймером 555:
Измерение частоты

В выбранном режиме дисплей автоматически ранжируется для измеряемых компонентов/частот.