Простая приставка для измерения ZRLC

Представлены два варианта принципиальной схемы, описание работы и рекомендации по сборке несложного и безопасного дополнения к НЧ генератору и НЧ вольтметру либо к звуковой карте компьютера, позволяющего измерять импеданс электронных компонентов и устройств в широком диапазоне и с хорошей точностью. Схема применима с некоторыми виртуальными измерителями ZRLC.

Введение

Есть люди, которые любят создавать и тестировать простые или сложные электронные схемы, или они от случая к случаю сталкиваются с ремонтом бытовой техники. Студенты радиотехнических специальностей и начинающие радиолюбители хотели бы иметь простой, достаточно точный, недорогой измеритель номиналов радиодеталей. Многие не будут вкладывать деньги в то, что будет нужно лишь иногда. У других просто нет денег на покупку дорогих измерительных приборов. Простые вещи всегда востребованы.

Такую приставку можно собрать самостоятельно. Такой подход при минимальных затратах позволит проводить измерения полных (Z) и активных (R) сопротивлений, включая входные, емкостей (C) и индуктивностей (L) в широком диапазоне значений и на различных звуковых частотах.

Приставка должна мало нагружать источник частоты. Хорошо бы иметь гальваническое разделение сигналов по входу и выходу. Неплохо иметь возможность использовать любой источник питания напряжением от 4.5 до 9.0 В постоянного тока, включая батарею. Это делает приставку безопасной в использовании совместно с другими приборами.

Метод измерения

Метод измерения сравнением, который применен здесь, использует закон Ома для участка цепи:

(1)

где

i – мгновенное значение тока на участке электрической цепи,
u – мгновенное значение падения напряжения на этом же участке,
r – полное сопротивление участка.

Для цепи из двух последовательно соединенных сопротивлений –  известного тестового сопротивления R_T и сопротивления неизвестной величины Z_X, как на Рисунке 1, ввиду равенства токов через сопротивления можно вычислить Z_X по падению напряжений:

(2)

(3)

Здесь

U_T – падение напряжения на R_T,
U_X – падение напряжения на Z_X.

Рисунок 1.	Метод измерений.

Учитывая, что

(4)

(5)

(здесь и далее U_S – напряжение питания делителя) и разделив (3) на (2), имеем формулы для вычисления искомого Z_X:

(6)

для варианта 1 и

(7)

для варианта 2.

Имея источник переменного тока, вольтметр и тестовое (образцовое) сопротивление можно, вычислить неизвестное Z_X с малой погрешностью. Если измерения производить одним вольтметром или одним АЦП, то точность метода зависит только от точности и стабильности R_T. На практике применяются оба варианта.

Вариант 1 проще в монтаже и подключает Z_X к общему проводу, что бывает желательно. Из (6) вытекает, что при Z_X >> R_T потребуется деление на очень маленькое число, что в условиях дискретных вычислений приведет к снижению точности.

Вариант 2 позволяет легче добиться высокой достоверности измерений, в том числе из-за возможности реализовать 4-проводную схему подключения Z_X. Результат дискретных вычислений может быть точнее (7).

Функциональная схема

Функциональная схема прибора для метода варианта 2 приведена на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Схема функциональная.

Для защиты источника переменного напряжения от перегрузки и расширения пределов измерения на входе схемы использован усилитель мощности. На выходах схемы применены повторители напряжения с высоким входным и низким выходным сопротивлениями; их еще называют «трансформаторы сопротивлений».

Переменное напряжение синусоидальной формы от внешнего генератора G поступает на усилитель мощности УМ. Нагрузкой УМ является делитель напряжения, состоящий из измеряемого импеданса Z_X и известного тестового активного сопротивления R_T. Нам понадобится УМ со стабильным коэффициентом усиления и достаточной мощности для «раскачки» измерительной схемы.

Напряжение питания делителя с верхней по схеме точки Z_X поступает на неинвертирующий вход повторителя ОУ.1 и далее на вход вольтметра переменного тока. Измеряемое на R_T падение напряжения со средней точки делителя поступает на неинвертирующий вход повторителя ОУ.2 и далее на вход вольтметра переменного тока.

Усилитель мощности УМ должен иметь выходное сопротивление значительно меньшее, чем R_T, и хорошую выходную мощность, чтобы при нулевом Z_X создавать на R_T достаточное для точного измерения напряжение не ниже 2/3 от шкалы вольтметра. Повторители напряжения на операционных усилителях ОУ.1 и ОУ.2 должны иметь входное сопротивление значительно (в 1000 и более раз) большее, чем R_T, чтобы исключить влияние ОУ на результаты измерения.

Таким образом, выбор УМ будет определяться желаемым минимальным значением R_T, а выбор ОУ зависит от максимального значения R_T. Чем меньше различие в значениях образцового и измеряемого сопротивлений, тем выше точность измерения. УМ и ОУ должны иметь рабочий диапазон частот не ниже, чем частоты, на которых предполагается производить измерения.

На точность результатов измерения будет влиять знание точного значения R_T на момент измерения и погрешность используемых измерительных приборов.

Предполагается применить такую функциональную схему для использования с ЗК, поэтому усилители должны иметь полосу рабочих частот не уже 20 Гц - 20 кГц. Большинство современных недорогих микросхем усилителей низкой частоты (УНЧ) и ОУ могут это обеспечить.

Характеристики

• Напряжение питания от 4.5 до 9.0 В постоянного тока;
• Потребление тока не более 0.5 А;
• Рабочая частота от 50 Гц до 20 кГц;
• Входное и выходные напряжения одинаковые – до 3 В амплитуды;
• Входные и выходные импедансы на частоте 1 кГц одинаковы и равны 600 Ом;
• Имеется изоляция по входу и выходам, гальваническое разделение;
• Достижимая точность измерений 0.1%;
• Диапазон измерений:
  • для активных и полных сопротивлений от 0.1 Ом до 50 МОм;
  • для емкости от 1.0 пФ до 1000 мкФ;
  • для индуктивности от 10 мкГ до 100 Гн;
  • по варианту 2 сопротивления могут быть измерены от 0.01 Ом, емкости – до 10000 мкФ и индуктивности – от 1 мкГ.

Диапазон разбит на 6 поддиапазонов (см. Таблицу 1).

Таблица 1.	Поддиапазоны измерений R, L и C
Поддиапазон Сопротивление Емкость Индуктивность 1 0.1 (0.01) Ом - 1000 Ом 100 нФ – 1000 (10000) мкФ 10 мкГн - 10 мГн 2 1 Ом - 10 кОм 10нФ - 100 мкФ 100 мкГн - 100 мГн 3 10 Ом – 100 кОм 1нФ - 10 мкФ 1 мГн - 1000 мГн 4 100 Ом - 1 МОм 100 пФ - 1 мкФ 10 мГн - 10 Гн 5 1000 Ом - 10 МОм 10 пФ - 100 нФ 100 мГн – 100 Гн 6 10 кОм - 50 МОм 1.0 пФ - 10 нФ 1.0 Гн – 1000 Гн

Принципиальная схема

Идея приставки взята из статьи «IMPEDENZIMETRO USB» инженера Альфредо Аккататиса (Alfredo Accattatis) в итальянском журнале «Nuova Elettronica» за 4 квартал 2010 года. Журнал прекратил свое существование и более недоступен в сети. Но статья есть на сайте программы Visual Analyser [1].

Отличие от аналогов:

• Не содержит аудио процессора с USB интерфейсом;
• Может использоваться с любыми источниками низкой частоты;
• Может использовать любые измерители переменного напряжения;
• Может использовать любой виртуальный измеритель ZRLC на базе звуковой карты (ЗК) со стереовходом;
• В варианте 2 позволяет использовать 4-проводную схему измерения;
• Использует любой независимый источник питания от 4.5 до 9.0 В постоянного напряжения;
• Имеет изолирующие трансформаторы на входе и выходах.

Рисунок 3.	Схема принципиальная. Вариант 1.

Варианты 1 и 2 принципиальной схемы прибора приведены на Рисунках 3 и 4, соответственно. Варианты имеют одинаковые компоненты, их номиналы и обозначения. Различие только в местах подключения измеряемого Z_X и образцовых резисторов.

Рисунок 4.	Схема принципиальная. Вариант 2.

Перечень элементов

1.    Микросхемы:

• DA1 – Инвертор напряжения типа ICL7660 (MAX1044, КР1168ЕП1). Формирует отрицательное напряжение для питания операционных усилителей. Собственное потребление тока меньше 0.5 мА.
   
• DA2 – Усилитель низкой частоты (УНЧ) типа TDA7052А. Используется в недорогих аудио колонках, проигрывателях, радиоприемниках и др. Отечественный аналог мне неизвестен. Максимальная допустимая выходная мощность 1 Вт. В этой схеме используется один канал. На нагрузке в 10 Ом можно получить неискаженное действующее значение переменного напряжения немного больше 3 В, что более, чем достаточно для измерений. Собственное потребление тока от источника питания при нагрузке 8 Ом около 300 мА.
   
• Если предполагается выходы этого прибора подключать к ЗК, амплитуда напряжения на выходе не должна быть больше 1 В. Гарантируемое производителем усиление по напряжению TDA7052А при мостовом включении нагрузки около 60 В/В (34.5 – 36.5 дБ), а при использовании одного выхода – около 30 В/В. Амплитуды сигналов на входе и выходе схемы при использовании ЗК лучше иметь приблизительно одинаковыми. По этой причине на входе УНЧ установлен резистивный делитель 1:28.
   
• DA3 – Сдвоенный операционный усилитель (ОУ) типа TL082 с входами на полевых транзисторах. ОУ включены по схеме повторителей напряжения и имеют практически бесконечно большое входное сопротивление. Потребление тока при нагрузке 600 Ом меньше 10 мА. Питание двуполярное.
   
• Микросхему TL082 можно заменить на другую с полевыми транзисторами на входе, например AD8058, AD8066, LM358, К1464УД1А.

2.    Резисторы

• R1 и R2 – металлопленочные резисторы общего применения указанных номиналов. Они образуют делитель, уменьшающий входное напряжение в 28 раз.
   
• От R3 до R8 – металлопленочные резисторы указанных номиналов и точностью 1% или выше. Это образцовые резисторы для схемы измерения. Допустимая рассеиваемая мощность для R8 не менее 0.5 Вт. Для остальных резисторов в схеме – 0.125 Вт. Если хотите иметь гарантируемую точность прибора, образцовые резисторы должны иметь достаточно точные номиналы.
   
• Для получения большей точности нужно на готовом изделии измерить хорошим омметром значения образцовых сопротивлений вместе с подводящими проводниками при разных положениях переключателя SA1. Фактически, это между точками, обозначенными в схеме как A и B. Эти значения и нужно использовать в расчете результатов измерений.

3.    Конденсаторы

• C1, C9 и C10 – керамические бустерные конденсаторы для предотвращения самовозбуждения микросхем. Бустерные конденсаторы должны быть припаяны как можно ближе к выводам микросхемы и между выводом конденсатора и выводом микросхемы на монтаже не должно быть ответвлений.
   
• Остальные конденсаторы – желательно танталовые или электролитические с низким эквивалентным сопротивлением (ESR). С3 и С4 нужны для сглаживания НЧ пульсаций питания, появляющихся при работе мощного УНЧ. C6, С7, С8, С11 и С12 – разделительные конденсаторы, исключающие попадание постоянного напряжения на последующие элементы схемы.

4.    Индуктивности

• L1 и L2 – дроссели с ферритовыми сердечниками для подавления высокочастотных пульсаций по питанию.

5.    Трансформаторы

• T1, T2 и T3 – малогабаритные низкочастотные разделительные и изолирующие трансформаторы с соотношением обмоток 1:1 и импедансом 600:600 Ом. Например, типа EI1412. Производитель EI1412 обещает устойчивость изоляции между обмотками до 1000 В.

6.    Коммутационные элементы

• SA1 – галетный переключатель на 6 положений и одно направление. Основное требование – надежные контакты с постоянным и низким переходным сопротивлением. Хорошо покажут себя отечественные галетные на керамической или карболитовой основе с посеребренными контактами.
   
• X1 – Разъем для подачи внешнего напряжения питания. Схема потребляет от этого источника не более 0.5 А.
   
• X2 и X3 и X6 – любые НЧ разъемы.
   
• X4 и X5 – любые низкочастотные разъемы с толстыми контактами, зажимы или клеммы. К ним непосредственно или через удлиняющие провода подключается измеряемое изделие. Каждый вывод измеряемого изделия подключается стразу на два вывода одного разъема. Этим обеспечивается трех- или четырехпроводная схема измерения. Поскольку X4 и X5 относятся к цепи измерения, контакты должны быть надежными, а соединительные проводники должны быть с низким омическим сопротивлением, и каждый провод нужно экранировать. Экраны проводов нужно соединить с клеммой «экран». Разнесение в пространстве этих разъемов, подходящих к ним дорожек и удлиняющих проводов на максимально возможное расстояние улучшает точность прибора. Если есть возможность, для подключения к измеряемому элементу используйте низкоомные зажимы Кельвина.

Работа приставки

Постоянное напряжение питания от 4.5 до 9.0 В поступает от разъема X2. Можно использовать сетевой адаптер, зарядное устройство телефона или внешнюю батарею. Почти равное по модулю отрицательное напряжение формируется инвертором на микросхеме ICL7660. Кроме микросхемы инвертор использует два конденсатора по 10 мкФ. C2 – для фильтрации напряжения и C5 – задающий конденсатор для частоты преобразования 10 кГц. Это рекомендованные в документации на инвертор номиналы.

На вход X2 подается синусоидальное напряжение низкой частоты (НЧ) амплитудой не более 3 В, которое через C7 и изолирующий трансформатор попадает на резистивный делитель (R1, R2), где уменьшается в 28 раз. Это делает УНЧ мощным повторителем входного сигнала. Повторитель нужен для адаптации к виртуальным измерителям, которые подразумевают неизменную амплитуду напряжения питания измерительного делителя (Z_X, R_T) от источника до места измерения (см. Рисунки 1 и 2).

После входного делителя напряжение НЧ через разделительный конденсатор C6 поступает на вход УНЧ, построенного на базе широко распространенной микросхемы TDA7052A с усилением 35 дБ. Устаревшая TDA7052 имеет усиление 40 дБ, ее тоже можно применить, но тогда R1 нужно увеличить до 33 кОм. Микросхема имеет два входа заземления: сигнальный и питания. В этой схеме они объединены. Объединяющий выводы 3 и 6 проводник нужно выполнить максимально коротким.

У TDA7052A есть два противофазных выхода. Здесь используется только один вывод 5, который через разделительный конденсатор C8 питает измерительный делитель. Напряжение питание снимается с входа делителя и через объединенные контакты 1 и 2 разъема X4 поступает на неинвертирующий вход 3 повторителя DA3.1 для использования как напряжения питания делителя при измерениях.

Напряжение средней точки измерительного делителя через соединенные снаружи контакты 1 и 2 разъема X5 приходит на вывод 5 DA3.2 для использования как падение напряжения на Z_X или на образцовом сопротивлении, в зависимости от варианта схемы.

На выходах повторителей DA3 стоят разделительные конденсаторы C11 и C12 и изолирующие трансформаторы T2 и T3.

В качестве образцовых сопротивлений используется набор из 6 резисторов:

R1 = 10 Ом, эталон 1;
R2 = 100 Ом, эталон 2;
R3 = 1 кОм, эталон 3;
R4 = 10 кОм, эталон 4;
R5 = 100 кОм, эталон 5;
R6 = 1 МОм, эталон 6.

Переключателем диапазона измерений SA1 один из указанных выше резисторов подключается как эталон.

Точность измерений в большой степени зависит от знания точного значения образцовых резисторов и аккуратности монтажа, и легко может достигать 0.1%. Для большей достоверности измерения можно проводить по очереди на двух соседних диапазонах. Расширить диапазон измерений можно, если использовать последовательное/параллельное соединение неизвестного номинала с известным, возможно, с некоторой потерей точности.

Синусоидальный сигнал амплитудой до 3 В можно взять от любого НЧ генератора. В крайнем случае, можно взять 50 Гц от сети 220 В через подходящий трансформатор и/или через резистивный делитель. (Осторожно! Высокое напряжение!)

Напряжение на выходах можно измерить вольтметром переменного тока. Хороший результат дает использование осциллографа или вольтметра и фазометра. Расчет импеданса при этом нужно делать вручную.

Проблему автоматизации решает ЗК компьютера и специальная программа виртуального измерителя RLC, установленная на ПК. Известные мне программы подразумевают использование какого-то одного варианта подключения измерительного делителя. Различаются также используемые каналы ЗК. Неизменно только то, что в качестве источника частоты используется выход ЗК на пассивные динамики или наушники, а в качестве измерителя – линейный вход ЗК.

Амплитуду и разность фаз выходных напряжений можно использовать в расчетах для определения величины Z_X и других данных: преобладающий вид сопротивления (R,C,L) тангенса угла потерь, добротность, номиналы эквивалентной схемы и т. д. О том, как такие расчеты производятся, можно прочитать в учебниках или найти в интернете.

Разность между фактической и рассчитанной фазами можно использовать для определения качества проверяемого изделия.

При определенных навыках можно определять свойства пассивных элементов типа «черный ящик», когда заранее неизвестно, какой прибор исследуется. Можно измерять полное входное сопротивление, активную и реактивную составляющие для устройств и изделий, таких как осциллограф, усилитель, кабель, провод, трансформатор. Исследования можно проводить на разных частотах звукового диапазона, что добавляет возможностей этому простенькому устройству.

Дополнительная функция

Есть возможность тестировать НЧ устройства (усилители, фильтры, трансформаторы и др.). Для этого, не подключая Z_X, вход испытуемого устройства подключить к выходу УНЧ (вывод 1 X5 для варианта 1 или вывод 2 X4 для варианта 2), а выход испытуемого устройства – к входу DA3.2 (вывод 2 X5). Не забудьте предусмотреть делители и/или нагрузку, когда это необходимо. Тестовый сигнал нужно подать на вход X2, результат будет на X6. Совершенно безопасно для приставки и для испытуемого устройства.

Использование виртуального измерителя

Правильно собранный по этой схеме прибор не требует налаживания и не сложен в использовании. Далее я буду рассказывать о применении этого прибора совместно с встроенной звуковой картой персонального компьютера или ноутбука.

Я собрал схему на макетной плате и использовал внешний адаптер для зарядки телефона как источник питания 5 В. Вы можете следовать моему примеру.

Сделайте все электрические подключения, ориентируясь на описание для используемой программы. Внимательно и правильно подключите каналы (L и R).

Входной разъем X2 подключите к выходному разъему ЗК (светло-зеленый).

В описании программы виртуального измерителя посмотрите, какой канал – левый или правый – используется как источник – они могут различаться для разных программ.

Выходные разъемы X3 и X6 соединяем с линейным входом ЗК (светло-голубой). Входные каналы тоже могут подключаться различно для разных программ.

Мой совет. Используйте устаревший ПК со встроенной или внешней ЗК, которые можно приобрести за символическую сумму. Установите программу виртуального измерителя, которая вам больше нравится.

В программе вначале требуется сделать калибровку без тестируемого изделия, затем калибровку при Z_X = 0. Это нужно, чтобы вычислить так называемые «смещения» или паразитные индуктивности, емкости, сопротивления для автоматического внесения поправок. После калибровки любая программа виртуального измерителя RLC сразу выдает точный результат измерения.

ВНИМАНИЕ, ОПАСНОСТЬ!

Напряжение на Z_X выше напряжения питания может разрушить приставку! Проверяемые вами конденсаторы могут быть заряжены высоким напряжением. Обязательно разрядите их перед подключением к прибору!

Теперь присоедините исследуемый элемент к измерительным клеммам. Уберите руки подальше от клемм и не перемещайте провода! Измерение идет на переменном токе; любой проводящий предмет вблизи, ваши руки тоже, может сделать результат неточным и нестабильным. Чем ниже частота, на которой проводится измерение, тем меньше это влияние.

Прототип приставки был мною собран по варианту 1 и опробован с программной ZRLC-meter [2] из Visual Analyser. Я легко получил указанное в этой статье качество результатов измерений.

Удачи в творчестве!

Ссылки

1. IMPEDENZIMETRO USB
2. Visual Analyser – виртуальный измерительный комплекс

Материалы по теме

1. Datasheet Renesas ICL7660
2. Datasheet Texas Instruments TL082
3. Datasheet NXP TDA7052A