DIY高精度电容电感表(LC METER)
novakon2015/01/11仪器仪表 IP:广东
原文:

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/lc_XXXXXXXXp

lc-meter-6.jpg


inductance-meter-kit.jpg


lc-meter-kit-special-edition.jpg

按照论坛规定,这东西得要翻译,请给我一点时间。

[修改于 9年4个月前 - 2015/01/11 18:12:56]

来自:仪器与装备 / 仪器仪表
24
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~~空空如也
novakon 作者
9年4个月前 修改于 9年4个月前 IP:广东
739976
那我就翻译几段呗,其他大家都能看懂,就不翻译了。

How does LC Meter Work?
电容电感表是怎样炼成的


To be able to determine the value of an unknown inductor / capacitor we can use the frequency formula given below.

要知道一个未知电感或者电容的值,我们可以使用下面这个谐振频率公式:

lc-meter-kit-frequency-formula[1].jpg

Note that there are three variables that we can work with; f, L and C (f represents a frequency, L inductance and C capacitance). If we know the values of the two variables we may calculate the value of the third variable.

注意这个公式里有三个变量,频率f,电感L,和电容C。如果我们知道其中两个,就可以直接算出第三个。

Lets say we want to determine the value of an unknown inductor with X inductance. We plug X inductance into the formula and we also use value of a known capacitor. Using this data we can calculate the frequency. Once we know the frequency we can use the power of the algebra and rewrite the above formula to solve for L (inductance). This time we will use the calculated frequency and a value of a known capacitor to calculate the inductance.

假设我们要确定未知电感的值,设其为X。
把X代入公式,然后选择一个已知容量的电容C,就可以计算出频率f。这样一来,如果频率f可以直接测量,我们就可以把公式反过来使用,利用f和C算出电感X的值。

Isn't this amazing? We just calculated the value of unknown inductor, and we may use the same technique to solve for the unknown capacitance and even frequency.

屌吧?就这样,一个未知的电感量就被计算出来了。当然,我们也可以用同一个公式计算电容C,以及频率f。

Applying the Theory to LC Meter's Hardware
实践是检验仪表的唯一标准


Now let's use the above theory and apply it to electronics. The LC Meter uses a popular LM311 IC that that functions as a frequency generator and this is exactly what we need. If we want to calculate the value of an unknown inductor we use a known Ccal 1000pF capacitor and the value of an unknown inductor. LM311 will generate a frequency that we can measure with a frequency meter. Once we have this information we can use the frequency formula to calculate the inductance.

下面,就让我们以电子电路的形式,实践之前提到的理论。电容电感表(下称LCM)采用了一颗物廉价美的LM311比较器作为频率发生器。如果我们要测量未知电感,只需要把一个已知的1000pF校准电容Ccal(cal=calibration 校准)放进电路,让LM311来生成一个可以用频率计测量的频率。只要我们知道了谐振频率,我们就可以用最开始提到的频率公式,来计算未知电感的值了。

The same thing can be done for calculating the value of a unknown capacitor. This time we don't know the value a capacitor so instead we use the value of a known inductor to calculate the frequency. Once we have that information we apply the formula to determine the capacitance.

同理,也可以用这个方法测量未知电容。

All this sounds great, however if we want to determine the value of a lot of inductors / capacitors then this may become a very time consuming process. Sure, we can write a computer program to do all these calculations, but what if we don't have an access to a computer or a frequency meter?

劲酒虽好,但是如果我们要测量一大波未知的电容和电感,岂不是每个都要用频率计测一遍?那还不得烦死。当然,我们可以用一台电脑控制频率计读取数据,然后用电脑程序计算电容或者电感值。问题是,如果你没有频率计或者电脑怎么办?

That's were PIC16F628A microcontroller comes handy. PIC16F628A is like a small computer that can execute HEX programs that are written using an assembly language. PIC16F628A is a very flexible microcontroller because it has PINs which can be configured as inputs and outputs. Besides that, PIC16F628A IC requires very minimal number of external components like 4.000MHz crystal / resonator and a few resistors. Before PIC16F628A microcontroller can be used it has to be programmed with a HEX code which has to be sent from the computer. All Accurate LC Meter kits already come with microcontroller that is already programmed and ready to be used.

所以说PIC16F628A单片机就牛逼在这里。它取代了电脑和频率计的作用,测量结果还可以直接输出到1602显示屏上。不会编程怎么办?直接买我们套件,程序预先刷好了,装上就能用,晒图好评全五分返现十元。

In the next step we use the frequency generated by LM311 IC and pass it on to PIC 16F628A's PIN 17. We designate this PIN as an input, as well as all other PINs that are directly connected to switches. User can use these inputs to tell the microcontroller to execute specified set of instructions or perform calculations.

LM311产生的频率信号,直接送入单片机的17脚。

lc_meter_pic16f84a[1].jpg

Once the microcontroller will calculate the unknown inductance or capacitance it will use PINs that are designated as outputs and pass the results onto the 16 character green backlighted LCD display.

单片机算出电感或者电容值之后,会通过另外一组针脚将数据写入1602显示屏。
+1
学术分
古人
2015-01-11
感谢分享
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潜伏
9年4个月前 IP:浙江
739985
很实用很简单,感谢分享
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RodTech
9年4个月前 IP:广东
739994
拓展:a history of z measurement,参考古人发了贴。

千古难题:资料找中文版难还是学英文难。到了一定阶段,呵呵。
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张静茹
9年4个月前 IP:天津
739997
引用 RodTech:
拓展:a history of z measurement,参考古人发了贴。

千古难题:资料找中文版难还是学英文难。到了一定阶段,呵呵。
资料找中文版难
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张静茹
9年4个月前 IP:天津
739998
引用 RodTech:
拓展:a history of z measurement,参考古人发了贴。

千古难题:资料找中文版难还是学英文难。到了一定阶段,呵呵。
@张静茹:你为什么还不学英语
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novakon作者
9年4个月前 修改于 9年4个月前 IP:广东
740000
先占楼,出去一趟,回来讲解原理。


下面是仿真电路,大家可以照这个电路试着搭一下。

cmp2.jpg


lm311是比较器,优点是速度很快,集电极开路输出,因此要上拉1k电阻以输出高电平。当然用运放代替311会省电一点,但是速度能和311媲美的运放都比311贵。更重要的是311的输出是轨到轨的逻辑电平,与单片机接口方便。


L1是待测电感,C1是已知电容。他们两个并联,就形成了LC振荡电路。
电容放电令电感电流增大,电感电流又将电容充电,循环往复。这些是《电路》的内容,不赘述。


在高频下,C2可以认为短路,R2 R3 R4并联,等效于比较器的输出通过33.3k电阻反馈到谐振电路中以补充谐振电路损失的能量。比较器的反相输入端是比较器输出低通滤波之后的结果,约等于正向输入端的直流偏置电压,也就是1/2VCC。如果这个电压偏低,输出占空比就会增大,形成反馈,直到这个电压等于正向输入端的直流偏置电压,这样一来便可保证输出波形占空比接近50%,同时与谐振正弦波形的幅度无关。
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sea123
9年4个月前 IP:北京
740004
LM311 2脚的电容必须是低漏电的,否则读数跳
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jingrongren
9年4个月前 IP:浙江
740021
晒图还能返现10元233333
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novakon作者
9年4个月前 IP:广东
740028
明白原理之后,为了简化制作,将元件的值略微修改,都用1字头的。电感用100uH就可以了。
这样,就不需要直插元件了,全贴片方案。集电极开路上拉电阻从1K改成10K,这样省点电。


cmp4.jpg


不过要注意:隔直电容(C2 C3)的值不能太小,如果太小,在高频处就不再起到隔直或者滤波的作用了。
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勤奋的小黄瓜
9年4个月前 IP:山西
740085
这个翻译风味十足
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novakon作者
9年4个月前 IP:广东
740096
20150112_025604.jpg


20150112_025656.jpg


然而理想是丰满的,现实是悲惨的。仿真里面万事大吉,实际操作都是问题。

按照电路图焊了一个,振荡频率完全不对嘛!
然后普通瓷片电容的稳定性很差,手一靠近,手上的红外辐射就能让电容升温,然后看到频率开始一点点漂移。


看来,是需要一批稳定性好、ESR和ESL小的电容。从直流到1MHz,容量不能变化。

元件的取值也很重要,不敢乱来了。


关于仿真:LC振荡器处应该可以测到正弦波,如果没测到,说明电路没有工作。如果测到别的波形,说明电路在震荡,但不是LC震荡。

cmp5.jpg
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cccyl
9年4个月前 IP:广东
740098
模电没学好,图都看不懂[s::'(]
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虎哥
9年4个月前 修改于 9年4个月前 IP:四川
740111
电容本来就与频率有关,不同频率下介质的介电常数通常会发生变化。

用振荡器的方法通常适合测量较大的电容和电感,对于pF和nH以下级别,影响因素多,不易准确。

如果是专门的仪器则可以提供足够的准确度,例如高频Q表。

如果被测元件最终要用到高频上,那么在多高频率工作,就要在多高频率测量。
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novakon作者
9年4个月前 IP:广东
740120
贴片太烦,翻箱倒柜翻出一大堆直插件,面包板重新搭一次。


DSC_2311.jpg


换了好几个电感,都产生了奇怪的2.5MHz震荡,最后选了这个比较大的。


示波器如图:


DSC_2306.jpg


这是怎么回事?


经过研究,原因并不复杂:由于LM311是高速比较器,输出的上升沿和下降沿都特别快(输出上拉电阻我还是换回了1K),而面包板上的电源线太长了,瞬时电流在电源线上产生很大的压降,导致比较器电源不稳定,输出状态来回切换。这就是模电里面讲的,输出信号耦合到输入,形成自激震荡。从图中可以看出,这个自激振荡的频率在2-3MHz左右。难怪刚才我用小电感时,输出变成2.5-3MHz的三角波,原来是这自激震荡惹的祸。


并一个104电容到电源脚,上升沿不震荡了,但下降沿还有震荡(因为下降沿比上升沿更陡峭)。


DSC_2301.jpg



那就再并一个104:


DSC_2312.jpg



果然不震荡了,输出波形很漂亮。


DSC_2315.jpg


把振荡频率f=409kHz,C=1000pF套进公式,可知那个绕线电感的电感值为150uH。


面包板电路,供各位参考。


cmp6.jpg
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novakon作者
9年4个月前 修改于 9年4个月前 IP:广东
740126
之前搭的第一个电路,失败的原因应该是自锁开关的质量不太好,接触不良。然后电源退藕做得也不好,至少没有这一次好。

总结几条重要规律:
1 参考电容或者参考电感,一定要选非常稳定的。很多电容在高频下渐渐变成电感(电介质响应速度、极板引线长度),很多电感在高频下渐渐变成电容(引脚、绕组之间寄生电容)。去哪里找这样的电容和电感,不需要问我,问古人就可以了。
判定方法:接成上面的震荡电路,看频率是否随时间漂移。如果漂移小于0.1%,可认为是非常好。普通的瓷片电容绕线电感,常温下有1-5%的漂移,多层瓷片电容则更严重。

2 比较器的电源退藕一定要做好。建议用1uF陶瓷+100nF陶瓷+10nF陶瓷并联,且必须尽量接近比较器电源引脚。
判定方法:看输出波形是否存在边沿反弹等现象。如果直接变成MHz级别的自激震荡,说明退藕不足。

3 电路板走线会产生寄生电容和寄生电感,这些电容电感是有温度系数的,它们的存在对精度没有好处。通常来说,一条粗线不如多条细线的寄生电感小;一条粗线不如多条细线的寄生电容大。小心设计吧

4 测量得到的电容或者电感值,是当前频率下的电容或电感值。如果测量频率改变,很多电容的值也会发生改变(不同电介质的工作原理不同,因此工作速度也不同)。
如果要测量不同频率下的电容电感值,可采用多组校正电容或校正电感,以继电器切换,实现对同一待测元件不同频率下值的测量。但继电器毕竟存在体积、寿命、功耗、寄生电容电感等问题,因此对于精确测量,还是交流电桥用得比较多。

5 C2和C3过大:启动慢,自身ESR大,有可能导致寄生振荡。
过小:启动快,但测量较大电容/电感值时,可能无法起振,或者振荡频率变成RC振荡频率(由于振荡频率1/(2*pi*sqrt(L*C))接近或低于1/(2*pi*R2/3*C2))



6 电阻R6是原设计中没有的,通常情况下不需要加,它的作用是把普通比较器变成滞回比较器。
一般电源退藕良好,周围没有莫名其妙的干扰,可撤去此电阻。面包板存在接触不良,引脚过长等问题,串联此电阻后,边沿震荡有改善。
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兰若,公主魂
9年3个月前 IP:湖北
741251
这个太厉害了,口水
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huojunan2
9年3个月前 IP:北京
741254
主控是PIC的,这个有点麻烦  STC或者AVR的该有多好
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hackerboygn
9年3个月前 IP:湖北
741333
我N年前做过一个AVR版的,这货的原理注定了这货的精度不会高
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f763
9年2个月前 IP:北京
753862
学习了!!!
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生命瞬间
9年1个月前 IP:广东
762722
真不错,赞一个
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z-yq
9年1个月前 IP:北京
762760
等着看结果
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牛德华
9年1个月前 IP:北京
762882
如果量程不够宽,那么还是玩具。如果线性在宽量程范围内不够好,那么还是玩具。不是说测量LC参数有多难,难在这些地方。
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