Obvod kmitá bez pøipojení mìøené souèástky (pøi mìøení indukènosti jsou mìøicí svorky zkratovány) na frekvenci, dané souèástkami L1, C8 (1). Aby bylo

Transkript

1 LCmetr - generátor Ivo Strašil Èlánek popisuje konstrukci jednoduchého mìøièe indukènosti, kapacity, impulsního generátoru a nf generátoru do 10 khz. Technické parametry Napájení: 230 V, 5 W. Mìøení indukènosti: 1 µh až 200 mh, pøesnost ±3 %. Mìøení kapacity: 10 pf až 0,5 µf, pøesnost ±3 %. Mìøení frekvence: 0,01 Hz až 300 khz, 0,1 až imp/min, ±0,1 %. Mìøení rezonanèní frekvence pøipojeného obvodu: 0 až 3 MHz. Generátor: sinus, trojúhelník, pila, obdélník, bílý šum; 1 Hz až 10 khz; rozmítání; výstup -5 až +10 V; pøesnost frekvence 1 %, zkreslení < 1 % (< 0,2 % pod 1 khz). Impulsní generátor: 5 mhz až 60 khz; funkce: AKO, MKO, série impulsù, PWM. Vnìjší rozmìry: 208 x 65 x 157 mm. Popis zapojení Srdcem pøístroje (viz schéma na obr. 1) je mikrokontrolér atmega32 (IC1) bìžící na frekvenci 16 MHz, jehož firmware realizuje vìtšinu funkcí pøístroje. Zaøízení má dva základní režimy funkce, které se pøepínají spínaèem S1 na panelu. Je-li spínaè v poloze LC, pøístroj pracuje jako LCmetr, volit mìøení kapacit nebo indukèností lze poté spínaèem S2. V opaèné poloze S1 (GEN) se zobrazí menu se seznamem ostatních dostupných mìøení. Pro mìøení indukènosti nebo kapacity se využívá rezonanèní metody - oscilátor kolem komparátoru IC2A kmitá na frekvenci rezonanèního obvodu, tvoøeného vnitøním LC obvodem L1, C8, ke kterému jsou pøipojovány mìøené souèástky. V poloze spínaèe S2 pro mìøení cívek jsou mìøicí svorky pøipojeny do série s L1, v poloze pro mìøení kapacit jsou svorky pøipojeny paralelnì k rezonanènímu obvodu. Obr. 1. Schéma zapojení hlavní desky 11

2 Obvod kmitá bez pøipojení mìøené souèástky (pøi mìøení indukènosti jsou mìøicí svorky zkratovány) na frekvenci, dané souèástkami L1, C8 (1). Aby bylo možné kompenzovat nestabilitu hodnot tohoto èlenu, tranzistorem T1 lze pøipojit paralelnì k LC obvodu kalibraèní kondenzátor C7, který by mìl být kvalitní zejména z hlediska stálosti kapacity. Pøipojením C7 o známé kapacitì se zmìní frekvence kmitání obvodu podle (2) a z této zmìny mùžeme vypoèítat hodnoty prvkù L1, C7 (3), (4). Pøipojením mìøené souèástky se sníží rezonanèní frekvence obvodu a z pomìru ètvercù pùvodní (f 0 ) a nové (f x ) frekvence a ze znalosti hodnot L1, C7 již snadno vypoèítáme hodnotu mìøené souèástky. Tento princip mìøení využívá mnoho jiných konstrukcí, napø. [1] nebo [2]. Metoda má vzhledem ke své jednoduchosti nìkteré nevýhody: nelze mìøit indukènosti s velkým sériovým odporem ani elektrolytické kondenzátory. Vzhledem k použitému mìøicímu kmitoètu 20 až 400 khz také nesmí být mìøicí kabely pøíliš dlouhé, aby oscilátor nemohl být ovlivòován rušením. Signál z oscilátoru je pøiveden vývodem PB1 procesoru k jeho vnitønímu èítaèi. Obvody okolo IC1 jsou využívány i pro mìøení rezonanèní frekvence obvodù: spínaè S1 v poloze Další mìøení vyøadí vnitøní LC obvod (zkratuje cívku L1 a odpojí kondenzátory C7, C8), takže IC2A kmitá na rezonanèní frekvenci LC obvodu, pøipojeného ke svorkám. Komparátor IC2B slouží jako vstupní zesilovaè, když obsluha zvolí funkci Mìøení frekvence - mikrokontrolér pøepne smìr vývodu PB1 na výstupní a nastaví ho do úrovnì log. 0, èímž zablokuje oscilátor s IC2A a souèasnì pøes rezistor R6 posune stejnosmìrnou úroveò na spoleèném bodì R6 až R8 na asi 2,29 V. Komparátor IC2B poté porovnává napìtí na tomto bodì s polovinou napájecího napìtí na svém záporném vstupu, èímž je dána citlivost èítaèe asi 25 mv. Výstupní signál z IC2B je poté pøiveden do mikrokontroléru. Pro funkci generátoru se využívá dvojice analogových výstupù pøístroje, prùbìhy jsou generovány softwarovì na principu DDS, což umožòuje dosáhnout s nenároèným zapojením témìø absolutní kmitoètové stability a zkreslení pod 1 % (u výstupních frekvencí pod 1 khz je zkreslení menší než 0,2 %, typicky 0,05 %). Jednoduchý generátor na podobném principu byl uveøejnìn napø. v lit. [3]. Jako pøevodník D/A pro hlavní výstup pøístroje (Y) je použit obvod MCP4921 (IC4) s rozlišením 12 bitù a linearitou lepší než 0,2 %. Vzorkovací frekvence pøevodníku je 200 khz. Výstupní signál z pøevodníku prochází RC filtrem R26, R27/C23, C24, který potlaèuje nažádoucí rušení vzorkovací frekvencí pøevodníku o 35 db. Uzel kondenzátorù filtru je pøizemnìn pøes vývod procesoru ROZSAH_2. Pøi práci v režimu Impulsní generátor ho pøepíná procesor do stavu vysoké impedance a tím zamezuje funkci filtru, aby se nezhoršovala strmost hran signálu. Referenèní napìtí 2,5 V pro IC4 je odvozeno od reference obvodu TL431B (VR1), výstupní napìtí na vývodu 8 IC4 má rozsah 0 až 5 V. Do výsledného rozmezí výstupních hodnot -5 až +10 V je upravuje OZ IC3A, který je zapojen jako neinvertující zesilovaè se zesílením 2. Mikrokontrolér mùže ovládáním vodièe DA_ROZSAH mìnit rozmezí výstupních napìtí OZ - pokud je na vodièi DA_ROZSAH 0 V, mùže výstupní napìtí nabývat hodnot 0 až 10 V, je-li na vodièi 5 V, je rozsah výstupních napìtí -5 V až 5 V. Pokud staèí rozsah 0 až 5 V, uvede mikrokontrolér vodiè DA_ROZSAH do stavu vysoké impedance a tím zmìní funkci obvodu IC3A ze zesilovaèe na sledovaè (zesílení jedna). Druhý výstup pøístroje (X), užívaný pouze ve funkci rozmítaného generátoru, je zapojen velmi jednoduše - jako výstupní zesilovaèe slouží IC3B jako sledovaè, signál je odebírán z PWM výstupu IC1 a filtrován dolní propustí s hranièní frekvencí 1 khz, tvoøenou RC èleny R23/C14, R24/C15. Jako IC3 je využit výkonový operaèní zesilovaè L272 s dovoleným výstupním proudem až 1 A - proto je možné pøímo výstupy pøístroje ovládat napø. relé, testovat reproduktory nebo jej využít jako jednoduchý stabilizovaný zdroj (funkce DC výstup ). Signál z dvojice vstupních svorek (Input 1, 2) je pøes konektor JP4 pøiveden k vnitønímu 10bitovému pøevodníku A/D IC1. Protože pøevodník využívá stejnou napì ovou referenci 2,5 V jako IC4, je nutné pro rozsah mìøení napìtí 0 až 5 V použít odporové dìlièe R16/R17, R21/R22, pøièemž vodièe ROZSAH_1/2 jsou uvedeny do log. 0. Pokud by vstup byl využit jako digitální, mikrokontrolér pøepne vývody pøipojené k vodièùm ROZSAH_1/2 do stavu vysoké impedance a tím umožní pøivedení plného rozsahu napìtí 0 až 5 V ke svým vstupním vývodùm. IC1 dále ète stav ovládacích prvkù na panelu - ètyø tlaèítek a dvou spínaèù a øídí displej LCD MC1602-SBL (LCD1) s modrým podsvícením (písmo bílé, pozadí modré) - tyto displeje mají kromì módní barvy i vynikající èitelnost oproti klasickým TN displejùm. Odpor rezistoru R4 urèuje kontrast zobrazení, s použitým displejem staèilo R4 nahradit zkratem. Do konektoru JP2 je zapojena piezosirénka pro zvukovou signalizaci. Pro rozšíøení možností pøístroje je na zadní panel vyvedeno rozhraní RS-232 pro spojení se sériovým portem poèítaèe PC. Integrovaný obvod IC5 pøevádí úrovnì TTL na RS-232. Firmware mikrokontroléru umožòuje tímto rozhraním ovládat všechny vstupy a výstupy pøístroje - takto lze realizovat rùzná automatická mìøení, záznam dat apod. Popis komunikaèního protokolu je uveøejnìn na Pouze po lince RS-232 je pøístupné ovládání vodièù DOUT_0-2 na konektoru SV1 na DPS, který jinak není využit. Programování procesoru v aplikaci umožòuje rozhraní ISP, vyvedené na konektor SV1. Napájení pøístroje je zajištìno zapouzdøeným transformátorem TR /12 V, 10 W, který je spoleènì s pojistkou umístìn na samostatné desce (obr. 2). Jeho sekundární vinutí je vyvedeno konektorem X102 a pøipojeno na svorky SL1 na hlavní desce, kde je dvojicí jednocestných usmìròovaèù vytvoøeno symetrické napájecí napìtí ±12 V pro operaèní zesilovaè IC3 a stabilizované napìtí 5 V pro ostatní obvody. Mechanická konstrukce Obr. 2. Schéma zapojení DPS transformátorku Pøístroj je umístìn v šedé plastové krabièce typu SP Jednostranná hlavní DPS pøístroje (obr. 3 až 5), èásteènì osazená souèástkami SMD, je ètveøicí distanèních sloupkù (25 mm) uchycena k èelní stìnì krabièky. Nese všechny ovládací prvky kromì šestice zdíøek, pøipojených kablíky k pøíslušným konektorùm, a sí ového vypínaèe. Displej je zasunut do dutinkové lišty, pøipájené na DPS, v pøípadì potøeby mùže být uchycen šrouby M2 do pøíslušných otvorù v desce. Pro integrované obvody IC1 a IC3 je vhodné použít objímky. Kulaté hmatníky tlaèítek jsou nastaveny kouskem špejle zasunuté do otvoru ve spodní stranì hmatníku tak, aby vyènívaly nad úroveò panelu. 12

3 Na panelu krabièky je umístìn štítek (obr. 7), vytištìný na samolepící fólii. Potøebné otvory vyøízneme ostrým skalpelem, okénko pro displej vytvoøíme z kousku organického skla nebo fólie. Na zadní stìnì je umístìna napájecí Euro zástrèka a konektor Cannon 9 rozhraní RS-232. K nálitkùm na dnì krabièky je uchycena jednostranná DPS s transformátorkem (obr. 6) a piezosirénka. Ochranný vodiè napájení je vhodné propojit se zemí pøístroje. Oživení Obr. 3. Hlavní deska s plošnými spoji Desky s plošnými spoji peèlivì osadíme (nezapomeòte na nìkolik drátových propojek na hlavní DPS) a pøipojíme k napájení zatím bez osazeného obvodu IC1. Osciloskopem ovìøíme kmitání oscilátoru IC2A v poloze pøepínaèù S1 a S2 LC a Cx, dále zmìøíme pøítomnost napájecího napìtí 5 V na objímce procesoru a napìtí 2,5 V na katodì reference VR1. Poté mùžeme pøistoupit k osazení naprogramovaného procesoru a ovìøení všech funkcí pøístroje (pøed mìøením indukèností a kapacit je nutné pøesnì nastavit zmìøenou kapacitu kalibraèního kondenzátoru - viz návod k obsluze). Pokud nesvítí podsvícení displeje, je nutné prohodit polaritu diod LED podsvìtlení propájením pøíslušných pájecích bodù na displeji. Obsluha pøístroje Obr. 4. Rozmístìní souèástek - strana spojù Obr. 5. Rozmístìní souèástek - strana souèástek LC-metr Spínaè S1 pøepneme do polohy LC, spínaèem S2 zvolíme velièinu, kterou chceme mìøit. Pøístroj vyzve ke spuštìní autokalibrace, kterou uskuteèníme s pøipojenými mìøicími šòùrami, aby se eliminoval jejich vliv na další mìøení. Start autokalibrace potvrdíme tlaèítkem OK a vyèkáme (zobrazí se vypoèítané hodnoty L1 a C8) - poté je možné mìøit. Pøepínání rozsahù je automatické. Opìtovné spuštìní autokalibrace je možné pøidržením tlaèítka ESC/CAL - zobrazí se výzva k odpojení mìøené souèástky. Potvrzením výzvy tlaèítka OK se spustí celý cyklus autokalibrace, dalším stiskem tlaèítka ESC/CAL se jen vynuluje mìøená hodnota. Pøidržením tlaèítka dolù se zapne funkce auto-hold, která pøi ustálení mìøené hodnoty zablokuje mìøení, aby bylo možné pøeèíst údaj i po odpojení mìøicích hrotù. O ustálení hodnoty informuje pøístroj pípnutím. 13

4 Obr. 6. Deska s plošnými spoji transformátoru Stiskem tlaèítka OK se zapne zobrazování odchylky mìøené hodnoty v procentech od hodnoty, která byla zobrazena pøi stisku tlaèítka. Nastavení kapacity kalibraèního kondenzátoru C7 je možné pøidržením tlaèítka OK pøi zapínání pøístroje. Impulsní generátor Spínaè S1 pøepneme do polohy GEN, v zobrazeném menu zvolíme Impulsní generátor a potvrdíme tl. OK. Dále zvolíme funkci: /AKO - astabilní klopný obvod; /AKO s povolením (generátor pracuje, jen je-li na svorce INP 1 log. 1); /MKO - série impulsù se odstartuje log. 1 na svorce INP 1; ruèní spouštìní tlaèítkem; /PWM - výstup pulsnì šíøkové modulace; /Odpoèet. V dalším kroku si zvolíme úrovnì napìtí výstupu z pøednastavených hodnot, pøípadnì si nastavíme úrovnì vlastní (pro log. 0, log. 1, èas pøed a po spuštìní generátoru). Dalším krokem je nastavení frekvence, ze které je vypoèítán èas log. 0 a log. 1, který mùžeme následnì ještì zmìnit. Pøístroj se také táže na poèet impulsù v sérii (od jednoho po 1,9 milionu) a èas èekání pøed a po výstupu série impulsù - pro tyto dva èasy si také mùžeme zvolit odlišné výstupní napìtí. Poté se generátor spustí tlaèítkem OK. V režimu Odpoèet je možné generátor využít jako èasový spínaè 1 s až 99 hodin s výstupem. Na konci nastaveného èasu zaène pøístroj pískat, aby upozornil obsluhu. Nf generátor V menu zvolíme Generátor, vybereme požadovaný prùbìh (sinus, trojúhelník, pila, obrácená pila, obdélník, bílý šum, rùžový šum). Poté zvolíme úroveò signálu a mùžeme zapnout lineární nebo logaritmické rozmítání (signál pro osciloskop na výstupu X má vždy úroveò 0 až 5 V). U rozmítání je možné zapnout zobrazování znaèky zvýšeným jasem - na zadané frekvenci setrvá oscilátor pøístroje nìkolikrát déle, což zpùsobí jasnìjší zobrazení pøíslušné frekvence na stínítku osciloskopu. Další funkce Vìtšina ostatních funkcí má velmi jednoduché ovládání, proto uvedu jen jejich výèet: - DC výstup - výstup stejnosmìrného napìtí na výstupu Y. - Voltmetr - dvojitý voltmetr 0 až 5 V. - Mìøení frekvence - èítaè 0,01 Hz až 300 khz. U frekvencí pod 1 khz mìøíme délky periody, rozlišení je 0,01 Hz. Stejný princip, ale jiný pøepoèet zobrazení používají funkce Imp/min. pro mìøení poètu impulsù za minutu a Perioda. - Ovládání z PC - popis protokolu je uveøejnìn na - Mìøení rezon. frekvence obvodu pøipojeného k mìøicím svorkám (do 3 MHz). Seznam souèástek Hlavní DPS R1 1 kω, SMD 0805 R2, R10, R18, R19 4,7 kω, SMD 0805 R3 22 Ω, SMD 0805 R4 viz text R5 680 Ω, SMD 0805 R6 680 kω, SMD 0805 R7 až R8, R11 až R kω, SMD 0805 R13 až R15 68 Ω, SMD 0805 R9, R16 až R17, R21 až R kω, SMD 0805 R20, R25 2,2 Ω, SMD 0805 R23, R24 10 kω, SMD 0805 R Ω, SMD 0805 R27 2,7 kω, SMD 0805 C1 100 µf/6,3 V, SMD D C2, C3 22 pf, SMD 0805 C4, C5 10 µf/6,3 V, SMD B C6 10 pf, SMD 0805 C7 22 nf, fóliový C8 2,2 nf, fóliový C9 až C10, C12 až C13, C18, C20, C nf, SMD 0805 C11, C16 47 nf, SMD 0805 C14, C15 4,7 nf, SMD 0805 C µf/25 V C nf 14

5 C µf/25 V C23 8,2 nf, SMD 0805 C24 2,7 nf, SMD 0805 Q1 16 MHz, mini T1 BS170 D1, D2 1N4007 IC1 ATmega16-P IC2 LM2903D IC3 L272 IC4 MCP4921 IC5 ST232 SMD IC VR1 TL431B L1 100 µh 09P LCD1 MC1602-SBL S1, S2 spínaè P-TURBO S3 až S6 tlaèítko P-B170H SL1 PSH02-02P SV1, SV2 dutinková lišta 6 vývodù Jumper kolíky 24 ks (JP1 až JP4, displej) dutinková lišta celkem 28 vývodù (SV1, SV2, displej) DPS transformátoru F ma/f X101 ARK500/2 TR /12 V, 10 VA, EI48 zalité X102 PSH02-02P pojistkové pouzdro Souèástky mimo DPS (znaèení podle GM) Krabièka U-SP7770 Zdíøky SBZ 6 ks Sí ový spínaè P-B100H Napájecí Euro konektor GSD 781 Zásuvka Cannon 9 Závìr Popisovaná konstrukce umožòuje s nízkými náklady dovybavit amatérskou laboratoø hned o nìkolik ménì obvyklých mìøicích pøístrojù souèasnì. Protože jsou zveøejnìny zdrojové Obr. 7. Štítek (196 x 59 mm) kódy firmware pøistroje (najdete také na nemìl by být problém dále upravovat a vylepšovat jeho funkce. Pokud máte jakékoliv námìty, dotazy nebo pøipomínky, kontaktujte mì prosím na ivo.strasil@centrum.cz Firmware, popis komunikaèního protokolu a podklady pro výrobu DPS jsou na Literatura [1] Øeèek, J.: LC-metr s 89C2051. Online: [2] Przeczek, J.: LCmetr s PIC. PE 3/ /98, s [3] Hensen, J.: Mini DDS Synthetiser. Online: minidds/. Zesilovaè tøídy D pro øízení motorku S nízkofrekvenèními spínanými zesilovaèe tøídy D se v pøenosných pøístrojích napájených z baterií, jako jsou napø. mobilní telefony, pøenosné a kapesní poèítaèe, pøehrávaèe CD a MP3, setkáváme stále èastìji. By se kvalitou reprodukce úplnì nevyrovnají lineárnì pracujícím zesilovaèùm, ztráty jsou výraznì menší a tím u zmínìných aplikací významnì prodlužují život napájecí baterie. Jedním z integrovaných obvodù pro spínané zesilovaèe, které jsou v tìchto pøístrojích užívány, je MAX4295 [1] urèený pro monofonní zesilovaèe, jehož typické zapojení je na obr. 1. Do zátìže 4 Ω mùže dodat pøi úèinnosti pøes 85 % výkon až 2 W, pøièemž celkové harmonické zkreslení THD je asi 0,4 %. Využití MAX4295 však není omezeno jen na zpracování akustických signálù. Na obr. 2 je tento obvod využit v zapojení, urèeném pro øízení otáèek stejnosmìrného motorku. Proti standardnímu zapojení integrovaného obvodu v zesilovaèi jsou v nìm provedeny pomìrnì malé zmìny. Namísto nf signálu je na vstup pøivedeno øídicí stejnosmìrné napìtí z jezdce potenciometru R2, jehož maximální velikost je upravena sériovým rezistorem R1. Okolo støední polohy potenciometru motorek stojí, pøi natáèení potenciometru k jeho krajním polohám se mìní smìr otáèení motorku a jeho rychlost se zvyšuje. Motorek je pøipojen k internímu spínacímu H mùstku IO pøes odrušovací LC filtry. JH [1] Mono, 2W, Switch-Mode (Class D) Audio Power Amplifier. Katalogový list , Rev. 3. firmy Maxim, ( [2] Guy, J.: Circuit provides Class D motor control. EDN 1. kvìtna 2003, s. 96. Obr. 1. Typické zapojení nf zesilovaèe s MAX4295 Obr. 2. MAX4295 použitý pro øízení otáèek DC motorku 15