1.1 Постановка задачи

Целью курсового проекта является собрать измеритель емкости и ESR, который работает на микроконтроллере ATtiny2313. С помощью данного устройства мы сможем проверить на исправность конденсаторы с применением LCD дисплея. Устройство весьма актуально, и востребовано.

При разработке курсового проекта были поставлены следующие задачи:

- Провести анализ измерительного прибора;

- Найти и описать аналоги измерительного прибора;

- Осуществить выбор элементной базы;

- Разработать принципиальную схему устройства;

- Разработать печатную плату устройства;

- Настроить и изучить работу устройства;

- Запрограммировать данное устройство;

1.2 Анализ аналогов проектируемого устройства

Особенности:

1) Используются прецизионные резисторы и высококачественные компоненты

2) Ручной подбор точных резисторов на входных портах, 680Ом и 470кОм

3) Микроконтроллер ATMEGA328 установлен в панельку

4) Прецизионный источник опорного напряжения

5) Внешний кварцевый генератор

6) Автоматическое обнаружение NPN и PNP транзисторов, N-канальных и P-канальных МОП-транзисторов, диодов, тиристоров, резисторов, конденсаторов и индуктивностей

7) Отображение на дисплее символа тестируемого компонента, а также номеров выводов, к которым он подключен, и их назначение

8) Предусмотрены контактные площадки для удобного теста SMD элементов

9) Во время измерений отображается напряжение батареи

10) Разъем для подключения внешнего источника питания 5.5В - 12В

11) ЖК дисплей имеет две строки по 16 символов каждая

12) Подсветка дисплея голубого цвета

13) Режим калибровки

14) Предусмотрена функция самовыключения

15) Высочайшее качество сборки

Таблица 1.5 - Спецификация прибора

1.3 Принципы функционирования устройств

Существуют различные методы измерения емкости: метод амперметра-вольтметра, мостовой метод, метод баллистического гальванометра, по времени разряда конденсатора через резистор известного сопротивления, резонансный метод и др. Рассмотрим их более подробно.

Одним из наиболее простых является метод амперметра-вольтметра. Он основан на измерении емкостного сопротивления конденсатора, которое обратно пропорционально емкости и частоте электрического тока:

,

Откуда

Следовательно, для измерения емкости этим методом необходимо знать частоту напряжения, подаваемого от источника питания.

Как и в случае измерения активного сопротивления в зависимости от величины емкостного сопротивления может быть использована одна из схем подключения приборов (рис. 1.4 а, б).

Рисунок 1.4 (а, б) - Схема подключения приборов

При больших емкостях, то есть малых емкостных сопротивлениях, меньше погрешность измерения при использовании схемы 1.4 а;

Рисунок 1.4 (а) - Схема измерения при больших емкостях

при измерении малых емкостей, то есть больших емкостных сопротивлений, лучше пользоваться схемой 1.4б.

Рисунок 1.4 (б) - Схема измерения при малых емкостях

Рассмотрим, какая минимальная емкость может быть измерена этим методом при использовании напряжения частотой 50 Гц. Пусть, например, имеется измерительный прибор, позволяющий измерить с достаточной точностью ток величиной 0,1 мА, а напряжение, приложенное к конденсатору - 30 В. Тогда минимальная измеряемая емкость 0,01 мкФ. Если требуется измерить меньшую емкость, необходимо использовать переменное напряжение более высокой частоты. Так, при частоте 5 кГц и тех же значениях тока и напряжения минимальная измеряемая емкость составляет 100пФ.

Одной из разновидностей метода вольтметра-амперметра является метод двух вольтметров, используемый для измерения малых емкостей (рис. 1.4 в).

Рисунок 1.4 (в) - Схема измерения при малых емкостях

Вольтметром V₁ измеряется напряжение питания, а вольтметром V₂ - напряжение на конденсаторе известной емкости

C₀:

Сила тока I в неразветвленной цепи равна:

,

Отсюда

Емкость конденсатора С₀ должна быть значительной (сопротивление его мало), чтобы вольтметр V₂ вносил незначительные изменения в электрическую цепь. При C₀ >> C_x выражение для расчета емкости можно упростить:

Мостовой метод аналогичен соответствующему методу измерения активного сопротивления. Схема моста переменного тока приведена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Схема моста

В качестве указателя равновесия (индикатора нуля И) могут использоваться осциллографы, вибрационные гальванометры и др.

Условие равновесия моста в этом случае записывается в комплексной форме: Z_x Z₂ = Z Z₁ , где сопротивления плеч Z_i в общем случае представляют собой комплексные сопротивления вида Z_i = R_i + j X_i.

Если в двух смежных плечах включены активные сопротивления, то в двух других смежных плечах должны быть обязательно сопротивления одного характера - индуктивности, или емкости (рис. 1.6).

Рисунок 1.6 - Схема сопротивление индуктивности и емкости

На рисунке 3.14 приведена мостовая схема для измерения емкости с использованием параллельной схемы замещения реального конденсатора. В качестве эталонного конденсатора C₁обычно используется воздушный конденсатор с малыми потерями. В этом случае условие равновесия моста (1) запишется в виде:

Разделив вещественную и мнимую части (напомним, если равны два выражения, то можно приравнять их вещественные и мнимые части), получим выражения для емкости конденсатора и его активного сопротивления:

С_х=R₂C₁/R, R_x=RR₁/R₂.

Тангенс угла потерь определяется выражением:

Уравновешивание моста производят поочередным изменением сопротивления R₁ и емкости C₁. Для расширения пределов измерения изменяют отношение R/R₂.

Рассмотрим использование метода баллистического гальванометра.

Баллистическими называют чувствительные гальванометры, у которых период собственных колебаний рамки очень большой. В баллистическом режиме может работать любой прибор магнитоэлектрической системы, если ток в цепи прибора протекает в течение времени, во много раз меньшего периода собственных колебаний его подвижной рамки. При разряде конденсатора через баллистический гальванометр отброс стрелки гальванометра пропорционален протекающему через него заряду. Проведем следующий эксперимент. Зарядим конденсатор до напряжения U и, разрядив его через гальванометр, заметим величину отброса стрелки (рис. 1.7 а).

Рисунок 1.7 (а) - Схема метода баллистического гальванометра

Повторим опыт, увеличивая напряжение в 2, 3 и т.д. раз. Каждый раз отношение напряжения к числу делений, на которые отклонялась стрелка, будет величиной постоянной. Затем, не изменяя напряжения, проведем эксперимент с конденсаторами емкостью C, 2С, 3С и т.д. Обнаружим, что отношение емкости конденсатора к числу делений, на которые отклонилась стрелка, тоже величина постоянная.

Баллистическая постоянная гальванометра - это отношение заряда q, протекшего через рамку гальванометра, к числу делений n, на которое отклонилась стрелка: k = q/n. Для определения баллистической постоянной несколько раз проводят опыт с конденсаторами известной емкости. Заряд конденсатора рассчитывается по формуле q = CU, где q - заряд на одной из обкладок конденсатора, C - емкость конденсатора, а U - напряжение между обкладками конденсатора. Тогда k = CU/n. Из нескольких опытов при различных напряжениях между обкладками конденсатора и различных значениях емкости определяют среднее значение баллистической постоянной гальванометра.

Затем включают в цепь конденсатор неизвестной емкости и повторяют опыт. Зная баллистическую постоянную и число делений, на которое отклонилась стрелка гальванометра, определяют емкость: C_x = kn/U.

Для измерения емкости можно использовать любой прибор магнитоэлектрической системы при условии, что произведение емкости конденсатора на внутреннее сопротивление прибора будет значительно меньше периода собственных колебаний стрелки прибора. В этом случае конденсатор полностью разряжается за время, много меньшее периода собственных колебаний, и изменение сопротивления резистора, включенного последовательно с гальванометром, никак не влияет на отброс стрелки гальванометра.

Широко применяется способ измерения емкости конденсатора по величине среднего значения силы разрядного тока измеряемого конденсатора, периодически перезаряжаемого с частотой f (рис. 1.7 б).

Рисунок 1.7 (б) - Схема измерения емкости конденсатора по величине среднего значения силы разрядного тока

При замкнутых контактах ключа SA1 исследуемый конденсатор C заряжается по цепи: плюс источника питания, полупроводниковый диод VD1, замкнутые контакты ключа, минус источника. При разомкнутом ключе ток разрядки конденсатора протекает по цепи: правая обкладка конденсатора, микроамперметр, резистор, R1, левая обкладка конденсатора. Диод VD1 (германиевый) выбирают так, чтобы напряжение на нем в прямом направлении было как можно меньше, тогда ток зарядки, протекающий через микроамперметр, очень мал. В некоторых устройствах для исключения тока зарядки конденсатора через микроамперметр последовательно с микроамперметром включают дополнительно диод, через который будет протекать ток разрядки конденсатора.

Время замкнутого и разомкнутого состояния ключа обычно выбирают равным. Постоянная времени RC разрядной цепи выбирается значительно меньше времени, в течение которого контакты ключа замкнуты, следовательно, конденсатор успевает полностью разрядиться. Заряд конденсатора определятся по формуле q = CЧU, а сила разрядного тока конденсатора I =qЧf=CЧUЧf, где f - частота включения и выключения ключа. В качестве ключа обычно используется ключ на биполярном транзисторе.

Одной из разновидностей резонансного метода измерения емкости конденсаторов является метод с использованием двух генераторов высокой частоты (рис. 1.8)

Рисунок 1.8 - Схема метода с использованием двух генераторов

В колебательном контуре второго генератора высокой частоты используется эталонный конденсатор переменной емкости, а в колебательный контур первого генератора высокой частоты входит исследуемый конденсатор. Колебания высокой частоты с первого и второго генераторов подаются на смеситель, на выходе которого получаются колебания разностной частоты. Пройдя через фильтр и усилитель низкой частоты, колебания подаются на индикаторы нулевых биений. Индикаторы нулевых биений позволяют определить равенство частот колебаний первого и второго генераторов. В качестве индикаторов нулевых биений достаточно часто используют одновременно головные телефоны и стрелочные измерительные приборы. Такой принцип работы имеет прибор Е12-1. Значение емкости измеряемого конденсатора определяется по специальной шкале.

Емкость электролитических конденсаторов (такие конденсаторы имеют значительную емкость) можно достаточно просто определить по времени разряда до напряжения 0,367U₀ (рис. 1.8а)

Рисунок 1.8 (а) - Схема определения по времени разряда до напряжения, где U₀ - напряжение, до которого был первоначально заряжен конденсатор.

Напряжение на конденсаторе при его разрядке изменяется по закону:

,

где U_c - напряжение на конденсаторе в момент времени t при условии, что при t=0 конденсатор был заряжен до напряжения U₀ и начал разряжаться через резистор сопротивлением R. Если выбрать время разрядки конденсатора равным RC, то за это время напряжение между обкладками конденсатора уменьшится до 0,367U₀. Зная сопротивление цепи, через которую разряжался конденсатор, и экспериментально определив время Dt его разрядки до напряжения 0,367U₀, определим емкость конденсатора по формуле: С=Dt/R.

Для проведения опыта собирают электрическую цепь по схеме рисунка 1.8б.

Рисунок 1.8 (б) - Схема электрической цепи

При замыкании ключа конденсатор заряжается до напряжения U₀. Измеряют время с момента размыкания ключа до момента установления на конденсаторе напряжения 0,367 U₀.

Сопротивление резистора R подбирается экспериментально, чтобы время разряда было 5-15 секунд (удобное для снятия показаний вольтметра). Если сопротивление резистора R много меньше внутреннего сопротивления вольтметра, то внутреннее сопротивление вольтметра можно не учитывать. В противном случае при подстановке в формулу для расчета емкости сначала рассчитывается общее сопротивление параллельно соединенных резистора и вольтметра.

Высокую точность обеспечивает дискретный метод измерения емкости конденсаторов (погрешность измерений составляет 0,1-0,2%). Структурная схема прибора, использующего этот метод, приведена на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 - Структурная схема прибора

Перед началом очередного цикла измерения устройство управления перебрасывает ключ в верхнее положение и конденсатор С_х заряжается через резистор R_огр от источника постоянного напряжения U. В момент начала измерения устройство управления обнуляет счетчик импульсов, переводит ключ в нижнее положение и устанавливает триггер в единичное состояние. Импульсы с генератора импульсов через схему совпадения (логический элемент 2И) поступают на счетчик импульсов. Конденсатор С_х разряжается через резистор R_эт и, как только напряжение на нем станет равным UЧR₂/(R₁+R₂), компаратор переведет триггер в нулевое состояние и импульсы перестанут поступать на счетчик импульсов. Емкость конденсатора С_х пропорциональна числу импульсов, поступивших на счетчик. Напряжение U должно быть стабильно в течение одного цикла измерения. Стабильность частоты генератора импульсов должна быть высокой.

Разработка принципиальной схемы

Ниже представлена принципиальная схема измерителя (рисунок 1.10)

Рисунок 1.10 - Принципиальная схема

1.4 Преимущества и недостатки аналогов устройств