53_03.pdf

Projekty AVT

Miernik pojemności

1pF. . .16000

2425

Comiesięczne miniankiety wskazują, że

wciąż istnieje duże zapotrzebowanie na róż−

nego rodzaju przyrządy i przystawki pomia−

rowe. Znaczna grupa Czytelników chciałaby

wykonać miernik pojemności. Potwierdzają

to także listy z uwagami i refleksjami, nade−

słane do Redakcji po publikacji przedruku

z Elektora, gdzie opisano prosty czterozakre−

sowy miernik pojemności. Aby tego typu

przyrząd okazał się atrakcyjny dla użytkow−

ników, którzy być może posiadają multime−

try cyfrowe pozwalające także mierzyć po−

jemność, należało zbudować miernik, który

miałby:

− szeroki zakres pomiarowy;

− dużą dokładność;

− prostą konstrukcję;

− niską cenę.

Niniejszy projekt to miernik pojemności

o bardzo szerokim zakresie pomiarowym,

obejmującym ponad dziesięć dekad, miano−

wicie 1pF...16000

Znacznym problemem występującym

przy budowie wszelkich przyrządów pomia−

rowych jest kalibracja. Potrzebne są do tego

zazwyczaj kosztowne i trudno dostępne przy−

rządy pomiarowe wysokiej klasy dokładno−

ści. W tym wypadku już na etapie projekto−

wania układu założono, że kalibracja musi

się odbyć bez takich urządzeń. Opisany

przyrząd można skalibrować za pomocą

jednego kondensatora o dokładnie zmierzo−

nej pojemności – taki wzorcowy kondensator

wchodzi w skład kitu AVT−2425.

Autor projektu musi w tym miejscu przy−

znać się, że wbrew swoim sympatiom i anty−

patiom wykorzystał w układzie kostkę 555.

Spośród kilkuset wykonanych do tej pory

projektów jest to dopiero drugi lub trzeci,

w którym znalazła miejsce ta kostka. Z nie−

zbyt jasnych względów nie cieszy się ona

sympatią autora. W tym jednak przypadku,

po analizie różnych możliwości okazało się,

że właśnie archaiczny układ 555 jest opty−

malnym rozwiązaniem: przy śmiesznie ni−

skiej cenie zapewnia wystar−

czającą dokładność i szeroki

zakres pomiarowy.

przez elementy Rw oraz Cx (T=1,1*Rw*Cx),

gdzie Cx jest mierzonym kondensatorem.

Mając na wyjściu Q impuls o czasie trwa−

nia proporcjonalnym do pojemności Cx, na−

leży dodać układ dający czytelne wskazania,

proporcjonalne do tego czasu.

W prezentowanym przyrządzie realizuje

to wyświetlacz współpracujący z licznikiem

dwójkowym. Schemat blokowy przyrządu

pokazany jest na rysunku 2 . Po uruchomie−

niu przycisku S2 zaczyna się cykl pomiaro−

wy. Licznik dwójkowy zostaje wyzerowany,

a układ 555 generuje impuls o czasie trwania

proporcjonalnym do wartości mierzonej po−

jemności Cx. Impuls ten przechodzi na jedno

wejście bramki. Na drugie podawany jest sta−

le przebieg prostokątny o ściśle dobranej,

dość wysokiej częstotliwości. Licznik dwój−

kowy liczy takty generatora przez czas trwa−

nia impulsu z wyjścia kostki 555. Czym

większa pojemność, tym dłuższy czas impul−

su i licznik zliczy więcej taktów. Do wyjść

licznika, a właściwie dwóch 12−bitowych

Zasada działania

Podstawowa zasada działania

opisywanego przyrządu po−

miarowego jest pokazana na

rysunku 1 . Sercem jest układ

scalony 555. Pracuje on w ty−

powej aplikacji przerzutnika

monostabilnego. Krótki,

ujemny impuls na wejściu TR

(nóżce 2) powoduje pojawie−

nie się na wyjściu Q (nóżka

3) dodatniego impulsu o cza−

sie trwania wyznaczonym

Rys. 1 Zasada działania

Elektronika dla Wszystkich

F. Można nim mierzyć

kondensatory stałe, jak również elektroli−

tyczne. W celu zmniejszenia kosztów zasto−

sowano w nim prosty wyświetlacz linijkowy

współpracujący z licznikiem dwójkowym.

Pozwala to radykalnie obniżyć cenę bez utra−

ty dokładności.

Zastosowane rozwiązanie układowe oraz

precyzyjne elementy w kluczowych punk−

tach układu zapewniają dokładność i powta−

rzalność pomiarów.

Obsługa przyrządu jest bardzo prosta. Ba−

dany kondensator należy umieścić w gnieź−

dzie pomiarowym i nacisnąć przycisk. Po

krótkiej chwili na linijkowym wyświetlaczu

zaświecą się niektóre diody LED. Wartość

pojemności odczytuje się sumując wartości

podane przy zaświeconych LED−ach.

Projekty AVT

liczników dwójkowych, dołączony jest pro−

sty wyświetlacz w postaci linijki 24 diod

LED. Umożliwia to odczytanie zawartości

licznika w postaci liczby dwójkowej, wska−

zanej przez zaświecone diody LED. Często−

tliwość generatora taktującego jest tak dobra−

na, by wartość pojemności wyrażana była

w pikofaradach, a na drugim zakresie w na−

nofaradach. Wbrew pozorom, odczyt warto−

ści pojemności nie jest trudny – należy zsu−

mować liczby znajdujące się przy zaświeco−

nych diodach LED.

Opis układu

Schemat elektryczny miernika pojemności

pokazany jest na rysunku 3 . Miernik może

być zasilany napięciem stałym 9...25V albo

zmiennym 7,5...18V. Stabilizator U5 oraz

dioda LED D26 zapewniają napięcie zasila−

jące około 6,8V.

Naciśnięcie przycisku S2 powoduje wy−

zerowanie liczników U3, U4 przez ich wej−

ścia RST. W chwili zwolnienia przycisku,

ujemne zbocze na wyjściu U1A powoduje

wyzwolenie uniwibratora U2 przez obwód

C2R3. Kostka 555 pracuje tu w klasycznym

układzie uniwibratora. Czas impulsu na

wyjściu Q (nóżka 3) zale−

ży od rezystancji dołą−

czonej do nóżek 6, 7 oraz

pojemności C4 i Cx.

Zmiana zakresów pomia−

rowych (pikofarady/na−

nofarady) następuje po−

przez dołączenie bądź re−

zystancji R4, PR1 (piko−

farady) bądź znacznie

mniejszej R5, PR2 (nano−

farady). Potencjometry

PR1, PR2 umożliwiają

kalibracje, by wskazania

na obu zakresach pokry−

wały się.

Kondensator C4 oraz obwód C5, R6 PR3

umożliwiają kompensację szkodliwych po−

jemności montażowych. Jak wiadomo,

w każdym układzie występują takie pasożyt−

nicze pojemności. Bez wspomnianych ele−

mentów spowodowałyby one, że przy braku

kondensatora Cx (pojemność mierzona rów−

na zeru) miernik pokazywałby jakąś niewiel−

ką wartość. W przedstawionym układzie przy

braku kondensatora mierzonego układ 555

wytwarza jakiś krótki impuls. Czas opóźnie−

nia obwodu PR3, R6, C5 jest taki sam, jak

czas trwania tego “zerowego” impulsu. Na

wejściach bramki U1B pojawia się więc bez−

pośredni impuls z wyjścia kostki 555 oraz

przebieg odpowiednio opóźniony. W rezulta−

cie na wyjściu bramki U1B pojawia się ujem−

ny impuls tylko wtedy, gdy do zacisków Cx

dołączono jakąś niezerową pojemność. Ten

obwód kompensacji umożliwia pomiar także

bardzo małych pojemności, rzędu pojedyn−

czych pikofaradów. Jak łatwo zauważyć, ob−

wód ten jest czynny tylko na zakresie “piko−

farady”. Na wyższym zakresie jest wyłączo−

ny, ponieważ omawiane pasożytnicze pojem−

ności są rzędu co najwyżej kilku...kilkunastu

pikofaradów i nie mają znaczenia na tym wy−

ższym zakresie.

Rys. 2 Schemat blokowy

Rys. 3 Schemat ideowy

Elektronika dla Wszystkich

Projekty AVT

Ujemny impuls na wyjściu bramki

U1B umożliwia przejście do liczników dwój−

kowych U3, U4 impulsów z generatora tak−

tującego, zbudowanego na bramce U1D (stan

wysoki to uniemożliwia, wymuszając przez

diodę D28 stan wysoki na wejściu licznika

U3). Liczba zliczonych impulsów jest tym

większa, czym dłuższy jest czas impulsu

z kostki 555 i odpowiada mierzonej pojem−

ności Cx. Potencjometr PR4 umożliwia do−

branie częstotliwości generatora taktującego,

by pojemność była wyrażona w pikofaradach

bądź nanofaradach. Aby ułatwić odczyt, na

płytce drukowanej naniesiono odpowiednie

napisy.

Dodatkowe obwody zapewniają zaświe−

cenie diody D25 na czas trwania pomiaru.

Bramka U1C oraz tranzystor T2 wygaszają

wyświetlacz na czas pomiaru. W zasadzie

każda dioda LED D1...D24 powinna mieć

własny rezystor ograniczający prąd. Dla

oszczędności zastosowano sześć rezystorów

R12...R17, z których każdy obsługuje cztery

diody. Praktyka pokazała, że jest to rozwią−

zanie całkowicie wystarczające.

Stopień trudności projektu (dwie gwiazdki)

nie wynika z jakichkolwiek problemów pod−

czas montażu. Układ zmontowany ze spraw−

nych elementów powinien od razu pracować,

ale po wstępnym uruchomieniu koniecznie na−

leży go skalibrować – stąd dwie gwiazdki.

O BSŁUGA MIERNIKA jest bardzo prosta –

mierzony kondensator należy dołączyć do za−

cisków oznaczonych Cx. Po naciśnięciu

i zwolnieniu przycisku S2 rozpocznie się cykl

pomiarowy, który zakończy się zaświeceniem

niektórych diod LED D1...D24. Dla ułatwie−

nia odczytu pojemności na płytce drukowanej

umieszczono obok każdej diody liczbę wyra−

żającą pojemność w pikofaradach, nanofara−

dach, mikrofaradach bądź milifaradach. Nale−

ży więc zsumować liczby podane przy za−

świeconych diodach uwzględniając położenie

przełącznika S1 (pikofarady/nanofarady).

W praktyce wystarczy wziąć pod uwagę czte−

ry do pięciu najbardziej znaczących diod.

1. Potencjometr PR1 ustawić w położeniu

środkowym – dokładność nie jest tu wymagana.

2. Na niskim zakresie pomiarowym (S1

w położeniu x1 – pF) bez kondensatora Cx za

pomocą PR3 należy uzyskać na wyświetlaczu

wskazanie na pograniczu 0 i 1pF. Naciskając

kilku(nasto)krotnie przycisk S2 należy naj−

pierw ustawić potencjometr PR3, by wskaza−

nie wynosiło 1pF. Potem pomału zmieniać je−

go ustawienie, by kolejne przyciśniecie S2

spowodowało wygaszenie wszystkich diod.

Po takim zabiegu zostają skompensowane

pojemności montażowe związane z układem

555 i jego obwodami czasowymi.

3. Na niskim zakresie (S1 w położeniu x1

– pF) z kondensatorem wzorcowym o znanej

pojemności około 1µ F należy naciskać S2

i za pomocą PR4 uzyskać na wyświetlaczu

wskazanie odpowiadające pojemności tego

kondensatora wyrażone w pikofaradach

Kalibracja

Do kalibracji należy wykorzystać konden−

sator o dokładnie znanej pojemności. Powi−

nien to być stabilny kondensator stały, na

przykład foliowy MKT lub MKC o pojemno−

ści około 1 mikrofarada. Nabywcy kitu AVT−

2425 otrzymają taki kondensator – wchodzi

on w skład zestawu.

W żadnym razie nie może to być konden−

sator ceramiczny – “ceramiki” o tej pojemno−

ści mają tak zwany dielektryk ferroelektrycz−

ny, który wykazuje bardzo dużą zależność

parametrów od temperatury. Nie może to

także być jakikolwiek “elektrolit” – konden−

satory takie również mają bardzo słabą sta−

bilność cieplną i długoczasową.

Wykaz elementów

Rezystory

PR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100k

Montaż i uruchomienie

Układ można zmontować na jednostronnej

płytce drukowanej, pokazanej na rysunku 4 .

Montaż nie powinien nikomu sprawić trud−

ności. Najpierw należy wlutować zwory

(uwaga – nie łączyć punktów X, Z pod ukła−

dem U1). Później należy montować kolejne

elementy, poczynając od najmniejszych. Pod

układy scalone można dać podstawki. Prze−

łącznik zakresów S1 można śmiało wlutować

w płytkę.

PR3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22k ΩΩ

(10k ΩΩ

......50k ΩΩ

)

PR4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k ΩΩ

R1,, R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100k

R3,, R10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2,,2k

R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1M ΩΩ

R5,, R8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k ΩΩ

R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k

R7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10k

R9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5,,1k ΩΩ

R11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220 ΩΩ

R12−R17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .510

Kondensatory

C1,, C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF

C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100pF

C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10pF

C5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .270pF

C6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220pF

C7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100µF/16V

C8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1000µF/25V

Cx kondensattor wzorcowy 1

Rys. 4 Schemat montażowy

F MKT – dokłładniie

Podczas montażu LED−ów warto zastoso−

wać starą, sprawdzoną metodę. Najpierw lu−

tować tylko po jednej nóżce, uprzednio usta−

wiwszy każdą diodę w przepisanej odległości

od płytki. Dopiero po wyrównaniu wszyst−

kich diod trzeba przylutować pozostałe nóżki.

Jeden stabilny kondensator o pojemności

470nF...4,7µ F umożliwi skalibrowanie obu

zakresów przyrządu.

zmiierzony i opiisany

Półprzewodniki

D1−D24 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LED 3mm

D25 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LED G

D26 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LED R

D27,, D28 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148

T1,, T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC548

U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4093

U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .NE555

U3,, U4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4040

U5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78L05

Pozostałe

S1 . . . . . . .przełłączniik dwupozycyjjny dwuobwodowy

S2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .miikroswiittch

Z1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ARK2

Kolejność działań podczas kalibracji jest

następująca:

Komplet podzespołów z płytką jest

dostępny w sieci handlowej AVT jako

kit szkolny AVT−2425

Elektronika dla Wszystkich

ΩΩ

PR2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100

Projekty AVT

4. Na wysokim zakresie pomiarowym (S1

w położeniu x1000 – nF) z kondensatorem

wzorcowym uzyskać wskazanie odpowiada−

jące pojemności wyrażonej w nanofaradach.

Po takiej kalibracji przyrząd jest gotowy

do użytku. Kalibracja powinna być przepro−

wadzana co jakiś czas oraz przed szczególnie

ważnymi pomiarami.

Aby ułatwić proces kalibracji, na płytce

drukowanej przewidziano dwa rzędy po jede−

naście małych kółeczek w pobliżu diod. Ma−

jąc kondensator wzorcowy o znanej pojemno−

ści (o nominale 1µ F) można wykorzystać te

kółeczka i zaznaczyć tę pojemność wzorcową

na obu zakresach – zaznaczyć, które diody

mają się świecić podczas kalibracji. Potem

w czasie okresowej kalibracji nie trzeba bę−

dzie nic przeliczać, tylko sprawdzić, czy na

obu zakresach świecą zaznaczone diody.

Warto zauważyć, że w zasadzie podczas

kalibracji nie jest wykorzystywany potencjo−

metr PR1 (który na początku kalibracji usta−

wiany jest w położeniu z grubsza środko−

wym). Zmiana położenia jego suwaka bę−

dzie potrzebna w bardzo rzadkich przypad−

kach, gdy ze względu na wyjątkowo duży

rozrzut parametrów w trzecim lub czwartym

kroku nie udało się uzyskać potrzebnych

wskazań.

Jeśli w wyjątkowym przypadku nawet

w skrajnym położeniu PR1 nie udałoby się

przeprowadzić prawidłowej regulacji, będzie to

efektem skrajnych wartości progów przełącza−

nia bramki Schmitta U1D i wynikającej stąd

nieodpowiedniej częstotliwości generatora tak−

tującego. W takich sporadycznych przypadkach

trzeba skorygować częstotliwość generatora

U1D. Można to osiągnąć przez zwiększenie

wartości R11 (do 820...1k

Ze względów oszczędnościowych w ukła−

dzie zastosowano generator taktujący z bramką

U1D. Ten prosty generator z jedną bramką

Schmitta nie charakteryzuje się zbyt wysoką

stabilnością. W tym zastosowaniu powinien

jednak całkowicie wystarczyć. Jak wiadomo,

częstotliwość takiego generatora zależy od eg−

zemplarza układu scalonego, napięcia zasilają−

cego oraz temperatury (która zmienia nie tyle

pojemność kondensatora, co progi przełącza−

nia i rezystancję wyjściową bramki). W tym

przypadku układ scalony będzie przez cały

czas ten sam. Napięcie zasilające jest stabilizo−

wane za pomocą układu U5. Przyrząd przezna−

czony jest do pracy w temperaturach pokojo−

wych, a układ scalony U1 nie będzie się grzał,

bo nie jest nadmiernie obciążony. W takich ła−

godnych warunkach pracy stałość częstotliwo−

ści okaże się wystarczająca. Niemniej co jakiś

czas, a także przed przeprowadzeniem jakichś

szczególnie ważnych pomiarów przyrząd nale−

ży po prostu skalibrować za pomocą dostar−

czonego kondensatora wzorcowego. Jeśli ktoś

chciałby zamiast U1D zastosować zewnętrzny

generator o większej stabilności, to niech usu−

nie elementy C6, R11, PR4, w miejsce C6 wlu−

tuje rezystor 10...100k

Możliwości zmian

W ogromnej większości przypadków nie

trzeba wprowadzać w układzie żadnych

zmian. Warto jednak zasygnalizować kilka

zagadnień, które zainteresują bardziej zaa−

wansowanych Czytelników.

Zastosowany prosty sposób wyświetlania

wyniku z licznikami dwójkowymi i linijką

diod LED jest optymalny dla taniego urzą−

dzenia. Zamiast liczników dwójkowych

i rzędu LED−ów można zastosować liczniki

dziesiętne, dekodery i wyświetlacze siedmio−

segmentowe. To duża przeróbka, ale miałaby

sens w przypadku użycia gotowego modułu

licznika z wyświetlaczem.

i poda sygnał z tego

zewnętrznego generatora na punkt X.

Piotr Górecki

REKLAMA · REKLAMA · REKLAMA · REKLAMA · REKLAMA · REKLAMA

Elektronika dla Wszystkich

), zmianę pojemno−

ści C6 albo wymianę egzemplarza układu U1,

najlepiej na wyrób innej firmy, a przynajmniej

pochodzący z innej serii produkcyjnej.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: