Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2016
soldernerd.com
В статье мы рассмотрим простую конструкцию, которая, по сути, является Arduino Uno-совместимой платой расширения, позволяющей измерять индуктивность. Такой прибор просто необходим при разработке радиочастотных трактов, импульсных источников питания и DC/DC преобразователей. Автор конструкции посчитал, что это именно тот функционал, который отсутствует во многих цифровых измерительных приборах-мультиметрах. Существуют специализированные измерители LCR, но зачастую они не позволяют измерять напряжение и ток, поэтому автором было решено сконструировать отдельное устройство для измерения индуктивности (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | Плата расширения Arduino для измерения индуктивности. |
Устройство представляет собой измеритель частоты LC генератора, выполненного по схеме емкостной трехточки (генератор Колпитца, Colpitts Oscillator) на основе комбинации индуктивности и емкости. Величина емкости известна заранее – это конденсатор в схеме колебательного контура, к которому щупами мы будем подключать неизвестную индуктивность. В таком случае LC генератор начнет работать на некоторой частоте, измерением которой занимается контроллер Arduino. Зная величину емкости и частоту, контроллер по известной простой формуле выполняет вычисление значения индуктивности. Измеренная частота и вычисленное значение индуктивности отображаются на двухстрочном ЖК-индикаторе.
 |
|
| Рисунок 2. | Принципиальная схема измерителя индуктивности на Arduino (плата расширения). |
Принципиальная схема платы расширения изображена на Рисунке 2. Плата выполнена в форм-факторе плат расширения Arduino Uno и подключается к разъемам Digital1, Digital2 и Power. Перечень использованных компонентов приведен в Таблице 1.
В схеме LC генератора последовательно с измеряемой индуктивностью установлена индуктивность 1 мкГн (L1), выполняющая две основные функции. Во-первых, при таком схемном решении LC генератор будет работать при коротком замыкании измерительных щупов, и текущее измерение может использоваться в качестве новой калибровки измерителя. Во-вторых, таким способом мы задаем верхний предел резонансной частоты. Как видно, в схеме генератора используются два конденсатора (С2, С3) емкостью 1 нФ, включенных последовательно. При коротком замыкании щупов последовательно в цепь включается индуктивность L1, которая и определяет верхний предел резонансной частоты, составляющий 7.1 МГц. На практике при указанных номиналах элементов генератор будет возбуждаться на частоте 5.4 МГц.
Преобразование синусоидального выходного сигнала генератора в прямоугольную форму выполняет компаратор Microchip MCP6561R. Это относительно недорогой, но быстрый компаратор, имеющий максимальную задержку распространения сигнала 80 нс, что соответствует диапазону рабочих частот генератора.
Как вы понимаете, 5.4 МГц – это тоже слишком быстро для Arduino. Микроконтроллер работает на частоте 16 МГц, а для обработки каждого импульса от платы расширения потребуется выполнить несколько десятков инструкций. Для решения этой проблемы используется микросхема 8-разрядного двоичного счетчика 74HC590, выполняющего роль делителя частоты на 256. Это дает теоретическую максимальную частоту 7.1 МГц/256 = 27.7 кГц, с которой Arduino прекрасно справится. Выходной сигнал SLOW_FREQ с делителя частоты поступает непосредственно в микроконтроллер для обработки.
 |
|
| Рисунок 3. | Вид платы измерителя индуктивности со стороны ЖК индикатора. |
По очевидным причинам на плате расширения установлены двухстрочный ЖК-индикатор и кнопка калибровки (Рисунки 3, 4). Индикатор подключен по 4-битному интерфейсу, для регулировки контрастности используется потенциометр R10. Нажатие кнопки калибровки приводит к обнулению измерителя – текущее измерение принимается как нулевое смещение; например, как мы упоминали выше, калибровку можно провести при замыкании щупов (включена индуктивность 1 мкГн).
 |
|
| Рисунок 4. | Вид платы измерителя индуктивности без ЖК индикатора. |
Подавление дребезга контактов выполняется аппаратно с помощью низкочастотного RC-фильтра и буфера на триггере Шмидта.
 |
|
| Рисунок 5. | При разомкнутых щупах на ЖК индикаторе отображается текущее значение нулевого смещения. |
В рабочем режиме при разомкнутых измерительных щупах на дисплее отображается надпись «Not resonating» (отсутствует генерация) и текущее значение нулевого смещения (Рисунок 5).
| Таблица 1. | Перечень использованных компонентов | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
По словам автора, самой большой проблемой являются измерительные щупы, ввиду того, что они имеют небольшую собственную индуктивность. Вы можете выполнить калибровку, нажав на кнопку, но их индуктивность может легко варьироваться в диапазоне ±100 нГн, в зависимости от того, как вы их держите в руках.
 |
|
| Рисунок 6. | Результат измерения малой индуктивности. |
После проведения корректной калибровки прибор способен измерять очень малые индуктивности с достаточно высокой точностью, что иллюстрируется Рисунком 6, на котором показан результат измерения катушки, имеющей всего 12 витков провода (300 нГн).
Загрузки
Исходный код (скетч Arduino), принципиальная схема и проект печатной платы (Eagle, PDF)
Купить Arduino на РадиоЛоцман.Цены
