Девиз: "Новое - хорошо забытое старое."
Девиз номер два: "Используй то, что под рукою, и не ищи себе другое."
Задача.
Понадобилось измерить индуктивность катушки, рассчитанной и уже намотанной, с минимальными затратами времени и средств. Сомнения появились в "здравости рассудка при расчёте", так сказать. Катушка для очередного трассоискателя, который уговорил меня сделать один мой знакомый строитель, который уже "увел" у меня один такой агрегат (из этой статьи).
Лет 10 - 15 назад, когда персональные компьютеры перестали быть "слишком дорогим" инструментом был период популярности измерительных программных комплексов (некоторые актуальны и сейчас) и Ваш покорный слуга собирал в то время нечто подобное публикации в журнале "Радио" для измерения полного сопротивления, и даже получил положительный результат - но не довел до состояния законченного инструмента.
Решение.
Одно из простых решений задачи измерения параметров линейных компонентов цепей с сосредоточенными постоянными - использование "упрощенного моста", двух АЦП звуковой карты компьютера, ЦАП звуковой карты используется в качестве источника опорного сигнала. Соответственно, программное обеспечение.
Принцип работы прост: переменное напряжение известной частоты с выхода ЦАП прикладывается к "опорному" резистору (R) последовательно с неизвестным сопротивлением (Z). На основе значения R, соотношения напряжений (Uz/Ur) и фазового сдвига между Uz и Ur можно определить неизвестное полное сопротивление (Z).
Программной реализации и подобных вариантов схем довольно много - от "пассивных" схем (RLC измеритель от Rik Strobbe, Zmeter Дмитрия Кузнецова, RLCmeter Ильи Мамонтова и т.д.) до "активных" схем на ОУ (статья в журнале "Радио" 2009№5 - оригинал на английском и ПО в архиве, тема на сайте vegalab и т.д.).
Схема и эскиз монтажных соединений приведена на Рисунке 1. Схема мало отличается от выше приведенных источников, добавлены разные номиналы опорных сопротивления для расширения диапазона измерений - 15 Ом для более точного измерения малых индуктивностей, 1000 Ом - для измерения малых ёмкостей. Добавлен "балласт" около 7 Ом на выходе ЦАП звуковой карты.
Для наглядности работы можно подать сигнал с генератора и посмотреть осциллографом сигналы на клеммах К1 и K2 при подключении к мосту емкости, индуктивности. На Рисунке 2 представлены осциллограммы, показывающие принцип работы измерителя. Желтый "луч" - сигнал генератора, "зеленый" - выход моста.
Для обработки сигнала в основном в алгоритмах используют преобразование Фурье, дающее возможность получить полное сопротивление, и соответственно, получить параметры исследуемого компонента. Такой же принцип в части измерения RLC, только со схемой моста в той или иной вариации используют и измерители линейки LCR-T (T3,T4,T7 и подобные).
Практическая реализация.
Первый вариант был собран по "быстрому", на макетной плате, с использованием "экранированных" проводов от старых наушников (Рисунок 3). Чисто для проверки работоспособности.
Измерение проводить даже в таком "сопливом" варианте можно было - только "не дышать"! В дальнейших вариантах использовался экранированный кабель от видеоаппаратуры, достаточно экранированный (очень старый RCA шнурок).
Необходимые измерения провел, в расчетах не ошибся. Но решил потратить вечерок и всё таки довести "приборчик" до состояния законченного "инструмента". В первых вариантах не устраивала длина щупов - пришлось применить четырех проводную схему подключения клемм. Полчаса проектирования в "Компасе", час - печать на 3Д принтере, и полчаса гравировки. В это время - подготовка макетной платы и пайка. Дольше термоусадочную трубку искал. Провод до клемм - экранированный МГТФ 0.18.
Для удобства добавил калибровочное сопротивление (к сожалению, из достоверно измеренных и с низким ТКС, с точностью 1%, сопротивлений у меня не большой выбор номиналов, правильно было бы иметь "кассу" калибровочных сопротивлений - для каждого диапазона своего номинала).
По поводу применяемых сопротивлений - чем ниже процент отклонения - тем точнее измерения. На крайней случай надо иметь хотя бы одно "точно" измеренное или с малым отклонением от номинала (1% и меньше) сопротивление - для калибровки. В качестве кабеля связи рекомендуется использовать коаксиальные кабели (рекомендация от Rik Strobbe).
Программное обеспечение, настройка уровней, калибровка.
Работы проводились на персональном компьютере с установленной 64-х разрядной операционной системой "Windows 10". Звуковая подсистема Realtek ALC887, материнская плата ASUS H97M-plus.
В качестве программного обеспечения применялись две программы - Zmeter и RLCmeter 2.16. Схемы подключения моста одинаковы. Программы стабильно работают на Windows 10 при режиме совместимости программного обеспечения c WindowsXP SP3, программы не требуют установки.
Измеритель подключается к выходу звуковой карты, сконфигурированному для подключения наушников (зеленый цвет гнезда), и линейному входу (синий цвет гнезда).
Уровни выхода и усиления входа необходимо установить таким образом, что бы не "перегрузить" вход, и получить наибольший уровень сигнала. Проконтролировать можно в режиме калибровки (щупы замкнуты) в программе Zmeter (Рисунок 8).
Программа Zmeter производит измерения в диапазоне частот, что с одной стороны позволяет видеть "картину" изменения активной и реактивной составляющей компонента, программа RLCmeter производит измерения на фиксированных частотах - 11025 Гц (1/4 частоты дискретизации при установленной частоте дискретизации АЦП 44100 Гц) и 1102.5 Гц. В связи с этим для эффективной работы RLCmeter рекомендуется устанавливать частоту дискретизации на линейном входе 44100 Гц. Для Zmeter - 48 кГц или 96 кГц.
При правильной настройке на индикаторной шкале уровня RLCmeter должна быть в районе 80%-90% (Рисунок 9), при измерениях может "просаживаться".
В дальнейшем буду использовать только RLCmeter, хоты измерения программ практически совпадают, но Zmeter имеет больше "степеней свободы" в настройках параметров программы при измерении, что несколько "мешает".
Перед калибровкой стоит пару слов сказать про файл RLCmeter.ini, куда записываются данные калибровки и записывается значение калибровочного сопротивления (поля CE_real и CE_imag). Если, что-то пошло не так - показания слишком недостоверны - обратите внимание на поля CR_real и СCR_real, они должны быть близки к значению опорного сопротивления. Можно просто удалить все поля кроме полей значений калибровочного сопротивления. В процессе калибровки поля "допишутся" в ini файл.
Процесс калибровки: - замкнули щупы - Cal.0 - разомкнули щупы - Cal.^ - подключили у щупам калибровочное сопротивление (Рисунок 10) - Ref.
При переключении опорного сопротивления: - подключили у щупам калибровочное сопротивление - Ref. - замкнули щупы - Cal.0 - разомкнули щупы - Cal.^ - подключили у щупам калибровочное сопротивление.
Нажатие кнопки Cal.0 позволяет выставить 0 по сопротивлению и ввести компенсирующие коэффициенты для индуктивности, кнопка Cal.^ - для ёмкости.
Достоверность измерений.
Специально избегаю определения "погрешность измерений" - для определения такого параметра инструмента необходимо провести достаточно большую работу.
Автор программы RLCmeter указывает следующие диапазоны измеряемых параметров:
R – 0.01 ом ... 3 Мом,
L – 100 нГн ... 100 Гн,
C – 10 пФ ... 10 000 мкФ.
В оригинальной схеме используется одно опорное сопротивлений 100 Ом, после добавления опорного сопротивления номиналом 1000 Ом достаточно легко измеряется емкость в 1 пФ, с опорным сопротивлением 15 Ом индуктивность 10 нГн (катушка из тв тюнера, 3,5 витка на диаметре 1.2 мм) На Рисунке 11 представлены результаты измерений: 1. конденсатор 1 пФ, 2. катушка входного фильтра тюнера 10 нГн, 3.электролитический конденсатор 47 мкф 50 вольт, 4. катушка для трассоискателя, индуктивность практически совпала с расчетной - 6.24 мГн, 5. сопротивление 2.2 МОм, 10%, 6. электролитический конденсатор 1000 мкф 25 вольт.
Измеритель RLCmeter позволяет оценить параметр ESR электролитических конденсаторов, более детальное исследование и "увидеть" тангенс угла потерь можно в программе Zmeter, на Рисунке 12 результаты измерения электролитического конденсатора 1000 мкф 25 вольт на частотах около 1 кГц.
Для "отбраковки" электролитических конденсаторов по интернету гуляет множество таблиц (сборник таблиц в формате pdf в архиве программ в конце статьи, с форума сайта 6p3s.ru), на форумах прошло множество "боёв" в поисках истины, но все эти таблицы просто дают некое представление о предполагаемых значениях параметра - если есть возможность - необходимо смотреть документацию производителя. Обычно производители указывают и допустимые эксплуатационные отклонения на емкость, ESR или тангенс угла потерь, ток утечки. Но однозначно - если у конденсатора высокий ESR и емкость сильно ниже (более 25%) от номинала - стоит насторожится, и попытаться найти документацию на конденсатор. В архиве в конце статьи есть документ от производителя EPCOS, где хорошо описаны методики оценки и расчет параметров конденсаторов, и параметры конденсаторов по сериям, также предельные значения ESR или тангенса угла потерь. К сожалению, таких документов от других производителей крайне мало.
Тангенс угла потерь зависит от частоты, на которой измеряют - если в таблице не указана частота - видимо данные для стандартной частоты измерения - 1 кГц.
Участником форума vrtp.ru проведена работа по сравнению результатов измерения прибором DER DE-5000 и RLCmeter, посмотреть можно здесь.
От себя скажу - все измеренные компоненты "укладывались" в допуск на отклонение от номинала, указанного производителем компонентов. Было измерено десятка два сопротивлений от 2 Ом до 4 МОм, десятка два конденсаторов - начиная от 1206 1 пф до 2000 мкф 100В, десяток индуктивностей - от намотанных самостоятельно - до дросселей по питанию. Во всех случаях показания не вызывали недоверия (о как "ненаучно" - а для "научно" надо иметь хотя бы минимальное метрологическое обеспечение - поверенный прибор и эталонную кассу компонентов). С аккуратным оптимизмом можно сделать вывод - измерения с помощью RLCmeter вполне достоверны.
Предупреждение.
Измерять параметры с помощью звуковой карты компьютера, к сожалению, можно не долго, все зависит от Вашей внимательности. Как писал А. Чехов «Если в первом акте пьесы на стене висит ружье, в последнем оно обязательно выстрелит». Не думаю, что производители звуковой карты приняли достаточные меры для защиты входа-выхода от разряда конденсатора микрофарад так 2000.... а когда-нибудь забудешь разрядить конденсатор. Была мысль поставить между щупами нормально замкнутую кнопку, и нажимать только при измерении... но неудобно. А в связи с выше сказанным:
ВНИМАНИЕ! Все, что Вы делаете с входами - выходами звуковой подсистемы компьютера может привести к выходу из строя, как частичного, так и полного материнской платы или звуковой платы. Вас предупредили - разряжайте конденсаторы перед присоединением к щупам измерителя.
Ссылка на архив, содержащий программы и материалы, упомянутые в статье.
Необходимо выразить большую благодарность авторам программ (Илье Мамонтову - сайт, и Дмитрию Кузнецову - сайт).
P.S. С помощью программы Zmeter достаточно удобно исследовать двух- четырехполюсники в диапазоне звуковых частот. Вот, например, колебательный контур для трассоискателя - полностью совпадает с расчетами (импеданс по расчету - 360 Ом, частота - 10300 Гц).
Спасибо, уважаемые читатели, что уделили время на мой небольшой труд.