Универсальный измерительный прибор на микроконтроллере

Этот прибор измеряет постоянное напряжение, частоту, емкость, индуктивность, так же способен проверять исправность кварцевых резонаторов и вырабатывает импульсный сигнал с уровнем ТТЛ.

Основа прибора микроконтроллер PIC16F873A, в состав его входит АЦП и делитель частоты с верхним пределом 50МГц.

Технические характеристики

Диапазон измеряемых частот в МГц

F1– 0,01…50

F2– 40...500

F3– 200…2000(2ГГЦ!!!)

Чувствительность измерения частоты в мВ

30…50

Период измерения частоты в сек

F1 – 0,2\1\10

F2F3 – 0,2

Интервал измерения емкости

С – 0,2пФ…0,1мкФ

С1 – 0,1мкФ …10мФ

Интервал измерения индуктивности

0,1мкГн…5Гн

Интервал измерения постоянного напряжения В.

0,02…15

Напряжение питания

7…15 В

Проверка кварцевых резонаторов в режиме генератора

Гц 244…1000000

Потребляемый ток 6…21мА в зависимости от режима

Погрешность

F1 при периоде измерения 0,2с\1с\10с – 5\1\0,1 Гц.

F2 – 120Гц

F3 – 480Гц

C и С1 – 2%

L– 2-10%

U– 0,05В

Переменный резистор R33 и кнопки SB1-SB4 выполняют функцию органов управления. При перемещении движка R33 из нижнего в верхнее положение по схеме – меняются с следующей последовательности КАЛИБРОВКА, L\C, F1\F2\U. Другие режимы работы выбираются кнопками SB1 SB2 SB3.  В зависимости от установленного режима открываются ключи на транзисторных сборках VT2 VT5, подавая напряжение питания на тот или иной узел.

В качестве индикатора использован символьный ЖКИ модуль WH1602D-PGE-CT с двумя строками по 16 символов. В первой строке отображаются режим работы а во второй – значение измеряемого параметра. Для измерения частоты до 500МГц сигнал подают на гнездо XW1. При этом на частотах более 50 МГц использованы делители входящие в состав сдвоенного синтезатора частоты LMX1600TM(DD1). Его работой управляет микроконтроллер DD3, а DD2 выполняет функцию мультиплексора.

Сигнал поступающий на WX1, усиливается каскадом на VT1. В режиме F1(рис 2) сигнал дополнительно усиливается каскадом на VT4 и через логические элементы DD2.2 DD2.4 и резистор R32 поступает на вход делителя DD3. Нажатием на кнопки SB3  SB4 переключаем время измерение(рис3 рис4). В режиме F2 сигнал с выхода усилительного каскада на VT1 поступает на вход делителя частоты синтезатора DD1, а после на 24 сигнал с выхода ( вывод 1 DD1)  через логические элементы DD2.3 DD2.4 и резистор R32 так же поступает на вход делителя частоты микроконтроллера DD3.

В режиме F3 измеряемый сигнал подают на высокочастотное гнездо XW2, через разделительный конденсатор С4, защитные диоды VD3 VD4 и С14 сигнал поступает вход второго делителя частоты синтезатора DD1. После деления на 96 выходной сигнал проходит через DD2.3 DD2.4 и резистор R32 на вход делителя частоты микроконтроллера DD3. В режиме F2 при однократном нажатии на SB3 прибор перейдет в режим F3(рис 5). При еще одном нажатии на SB3 прибор перейдет в режим проверки кварцевых резонаторов ZQx (Рис 6 ) , их подключают к разъему XS2.

Для измерения емкости  до 0,1 мкФ ( рис 7) и индуктивности (рис 8 ) использован генератор на компараторе DA1(LM311D). Измеряемый элемент подключают к SX1. Нормированным частотозадающими элементами генератора катушка L1, конденсатор С6, а так же коммутируемое реле эталонный конденсатор С1. В зависимости от режима работы катушка L1 подключается к XS1 последовательно и параллельно. Сигнал с выхода генератора поступает на вход  микроконтроллера, где измеряется его частота и вычисляется значение измеряемого параметра.

В данном приборе возможна корректировка значений параметров частотозадающих элементов. В режиме калибровки определяется паразитная емкость кнопки SB1, гнезда XS1 и сохраняет в памяти полученное значение.

В программе расчета значений элементов контура, состоящего из L1 и С6, заложена математическая предполагающая что ТКЕ конденсатора и катушки постоянны, кроме того, ТКИ катушки – положительный.

Измерение  емкости от 0,1 мкФ до 10мФ осуществляется с помощью узла на VT3, который работает в данном случае к ключевом режиме.

В режиме L\C при нажатии на кнопку SB3  прибор переходит в режим С1 и во второй строке индицируется символ I. В этом случае измеряется емкость от 0,1 мкФ до 1мФ. При повторном нажатии на SB3 во второй строке высветится символ II и возможно измерение емкости конденсаторов от 0,1 мкФ до 10мФ. Различие режимов в том что в первом режиме индикатора чаще обновляются.Измеряемое постоянное напряжение от 0 до 15 вольт подается на гнездо WX1. При этом если сначала войти в режим U а потом вращение движка R33 перейти в режим F1 или F2, то на индикаторе в верхнем правом углу выводится одновременно и частота входного сигнала.(рис10)

Для включения режима ГЕНЕРАТОР необходимо в режиме U нажать на SB3. При этом VT3 работает в переключательном режиме и на выходе прибора Fвых ( контакты 8 и 10 гнезда XS1) формируется сигнал с уровнем ТТЛ и частотой Fвых= Fкв/(4mn), Fкв – частота кварцевого генератора микроконтроллера, n может принимать значение 1,4, 15 , а m – от 1 до 256. Значение n меняется циклически при нажатом переключателе L\C, а m устанавливается нажатием SB3 SB4. Значения m n отображаются в верхнем правом углу индикатора, а во второй строке – частота выходного сигнала(рис11).Выход из режима ГЕНЕРАТОР осуществляется сменой режима. При этом последнее значение сохраняется в памяти DD3.

Питается прибор напряжением от 7 до 15В, напряжение всех узлов стабилизировано стабилизатором напряжения DA2. При питании прибора от батарейки на индикаторе изображен гальванический элемент и при зарядке его он начинает мигать. Для зарядки аккумуляторной батареи, не вынимая ее из устройства используют блок питания с напряжением 12…15 В, а кнопочный переключатель SB2 устанавливают в положение ВКЛ. Когда аккумулятор зарядится на индикаторе появится символ Z.Большинство деталей кроме индикатора и диодов VD7VD8 смонтированы на печатной плате. В переходные отверстия монтируют отрезки тонкого луженного провода.

 В устройстве использованы в основном элементы для поверхностного монтажа – резисторы РН1-12 типоразмера 0805, конденсаторы К10-17в типоразмеров 0805 0603, оксидные конденсаторы – танталовые для поверхностного монтажа.

Микросхема LMX1600TM можно заменить на 1601 но при этом частота измиряемого сигнала снизится до 1,1…1,2ГГц. Микроконтроллер можно заменить на PIC16F873,PIC16F876A. микросхему LM311D можно заменить на LM311  в корпусе SO-8.

Индикатор любой 16*2 с поддержкой протокола HD44780. Реле К1 – SIL05-1A72-71D, но можно применить и другое с напряжением срабатывания 4…5В. Переменный резистор R33 – СП4-1. Гнезда XS1 XS2 – часть панели для установки микросхем в корпусе DIP. Причем XS2 устанавливается на боковой стенке корпуса. XW1 XW2 – СР-50-73ФВ, кнопочный переключатель SB1 – PSW-4 c фиксацией, кнопки SB3 SB4 – SWT-20. Катушка индуктивности L1 – дроссель CECL-100\260 101k (100мкГн), емкость С6 – 510..680пФ ТКЕ П33, С1 – 1000…2000пФ ТКЕ МПО.

Программирование микроконтроллера  проводят через разъем XS1 с помощью программы IC-Prog и адаптера AN589{2}, перемычку S1 удаляют.

Монтаж элементов начинают с микроконтроллера, окружающих его деталей и индикатора. После программирования подборкой резистора R39 устанавливают контрастность индикатора. Затем монтируют детали генератора. В режиме L\C при нажатой кнопке SB1 на выходе 7 микросхемы LM311D должен быть сигнал прямоугольной формы с частотой 750…850кГц.

В режиме F1 при отсутствии входного сигнала подбором резистора R15 устанавливают низкий уровень на выходе DD2.4. В режиме F2 F3 при отсутствии входного сигнала происходит самовозбуждение делителей частоты DD1- это их особенность. При этом частотомер показывает частоту нескольких десятков или сотен МГц. Ток зарядки аккумулятора устанавливается подбором R34, а напряжение зарядки R31.

После сборки необходимо записать в память микроконтроллера числовые константы. Для этого при нажатой SB3 включают питание и затем кнопку отпускают. Вращением движка резистора R33  выбирают нужную константу, а нажатием на SB3 или SB4 меняют значение. Сохранение установленного значения происходит автоматически при смене константы. После изменения значений последней константы выбирают любую другую и выключают прибор.

Константу Х0 первоначально устанавливают равной емкости С1( в пкФ), а затем это значение корректируют. Вращая движок R33 устанавливаем режим L\C а кнопкой SB1 – режим С. Вращением движка R33 устанавливаем режим калибровки. После его окончания на индикаторе будет показано – 0,00pF. Затем подключают конденсатор эталонный, емкость его делим на показание прибора и мы получаем константу Х0. Полученный результат будет новым значение константы Х0 которое необходимо внести в память микроконтроллера.

Для определения паразитной емкости после установки режима L\C нажатием SB1 входят в режим измерения индуктивности в контакты 4 и 5 гнезда XS1 устанавливаем проволочную перемычку. Устанавливаем режим калибровка после ее завершения на индикаторе будет показано 0,000mkH. Перемычку удаляем и переходим в режим измерения С нажатием кнопки Sb1. На индикаторе несколько секунд индицируется значение паразитной емкости и показание обнуляется. При этом нажатием на Sb4 измеренное значение заносится в память, а на индикаторе появится - ОК.

Начальное значение константы Х1 =1,000 – индуктивность.

Х2=96(режим F3), Х3=24(режим F2) – задают коэффициент деления делителей частоты на LMX1600TM. Для LMX1601TM Х2=48 Х3=24.

Х4=0,2,4,6 – для не русифицированного индикатора.

Х4=1,3,5,7 – для русифицированного индикатора.

Х4=0,1,4,5 для первоначального входа в режим F1 со временем измерения 0,2с.

Х4=2,3,6,7 для первоначального входа в режим F1 со временем измерения 1с

Х4=0,1,2,3 если ТКЕ С6 положительная

Х4=4,5,6,7 если ТКЕ С6 отрицательная

Например Х4=5 для русифицированного индикатора, первоначальном входе в режим F1 с временем измерения 0,2с м отрицательной ТКЕ С6.

Значение Х5 = частоте кварцевого резонатора в Гц.

Х6 в % учитывает вклад нестабильности С6 в температурный уход частоты генератора. Остальное приходится на индуктивность. Не устанавливайте значение Х6=0, Х6=100, а также Х6=50 при отрицательном значении ТКЕ С6.

Х7 – корректировка показаний при измерении емкости в режиме С1 а Х8 – при измерении постоянного напряжения.

В режиме С1 конденсатор с точно известной емкостью около 1 мкФ  подключают к XS1, затем емкость делят на показания прибора и умножают на константу Х7. В режиме U подают напряжение 10…12В на WX1, параллельно подключают образцовый вольтметр. Показания вольтметра делят на показание прибора и умножают на Х8. Полученное значение будет новым Х8.

Литература – Радио 8-2007