ВСТУП
Поява мікропроцесорів та мікроконтролерів (обчислювальних пристроїв, виконаних у вигляді однієї ВІС, що має основні частини мікроЕОМ: МП, пам’ять програм і даних, інтерфейсні схеми, генератор тактових імпульсів, інколи таймери) створило сприятливі умови для реалізації в радіотехнічних системах (РТС) багатьох оптимальних алгоритмів обробки сигналів, раніше відкидаємих із–за складності і великих апаратурних витратах.
В результаті застосування мікропроцесорів та мікроконтролерів покращилися тактико–технічні характеристики РТС, їх маса, розміри, споживана потужність та надійність. Істотно скоротилися і строки розробки апаратури та з’явилася можливість її модифікації в процесі експлуатації за рахунок змін алгоритму функціонування, яке зберігається в ПЗП або ППЗП (EPROM).
Як правило, вироби для застосування у РТС повинні бути прості за своєю схемотехнікою, надійні, технологічні, мати низьку вартість та забезпечувати достатню безболісність модифікацію виконуваних функцій.
Розробка виробів з застосуванням мікроконтролерів не потребує великих капіталовкладень для спеціального обладнання, може бути виконана достатньо швидко і принести добрі комерційні результати.
МК-вимірювач ємності, який буде розроблено в даному дипломному проекті, може бути використаний для експлуатації в польових умовах і придатний для вимірювання оксидних конденсаторів великої ємності без їх відпаювання. Крім того, він має захист від напруги заряджених конденсаторів.
Цифровий вимірювач ємності
В роботі наведено відносно простий цифровий вимірювач ємності. Є декілька методів вимірювання ємності, наприклад, за допомогою моста опорів або вимірюючи відхилення магнітної стрілки. Останнім часом типові вимірювачі ємності вимірюють ємність і деякі додаткові характеристики, вимірюючи вектор струму, подаючи на вимірювану ємність змінну напругу. Деякі прості вимірювачі ємності використовують метод інтеграції, вимірюючи короткочасний відгук RC-ланки при перехідному процесі.
У приладі, описаному в використовується метод інтеграції. Перевага цього методу у тому, що результат легко може бути одержаний відразу в цифровому вигляді, тому як метод заснований на вимірюванні часових інтервалів, точної аналогової схеми не вимагається, вимірювач легко може бути відкалібрований при використовуванні мікроконтролера. Таким чином метод інтеграції найбільш підходить для вимірювання ємності ручної збірки.
Явище, що проявляється доти, поки стан ланцюга не стабілізується після зміни стану, називається перехідним процесом. Перехідний процес це одне з фундаментальних явищ в імпульсних схемах. Коли вимикач на Рис.2.5, а розімкнеться, конденсатор С заряджатиме через резистор R і напругу Vc змінюватиметься так, як показано на Рис.2.5, б. Для зміни стану ланцюга на Рис.2.5. а, також можливо змінювати ЕРС Е, замість використання вимикача, ці два методи будуть еквівалентні. Залежність напруги Vc від часу t виражається формулою.
(2.4)
Розмірності величин: t - секунди, R - Оми, C - Фаради, число - е, приблизно 2,72. коли напруга Vc досягне деякого значення Vc1, час t1 може бути виражене по формулі:
(2.5)
Це означає, що час t1 пропорційний С. Таким чином ємність може бути обчислена з часу заряду і інших фіксованих параметрів.
Рис.2.5. Еквівалентна схема перехідного процесу (а), графік залежності напруги Vc від часу (б)
Щоб виміряти час заряду потрібно тільки компаратор напруги, лічильник і деяка сполучна логіка. Проте, мікроконтролер AT90S2313, що використовується в цьому пристрої дозволяє реалізувати це простіше. В даній схемі використовується внутрішній аналоговий компаратор контролерів AVR.
Рис.2.6. Електрична принципова схема цифрового вимірювача ємності
Інтегруюча схема може бути спрощена, як показано на схемі пристрою (див. рис.2.6). Опорна напруга створюється резистивним дільником. З вигляду здається, що використовування дільника робить результат нестабільним до зміни напруги живлення, проте час заряду не залежить від напруги живлення. Використовуючи формулу (2.5), ви можете знайти, що напруга взагалі можна замінити параметром Vc1/E, який залежить тільки від співвідношення опорів дільника. Ця перевага використовується в мікросхемі таймера NE555 зрозуміло, напруга живлення повинна бути стабільною під час вимірювання.
Відповідно до фундаментальних принципів, при вимірюванні ємності може бути використане тільки одна опорна напруга. Проте використовування вхідної напруги близької до нуля проблематичне з наступних причин:
Напруга ніколи не впаде до нуля вольт. Напруга на конденсаторі не може впасти до 0 В. Потрібен час, щоб розрядити конденсатор до достатньо низького рівня напруги, що дозволяє виконувати вимірювання. Це збільшуватиме інтервал вимірювань. Падіння напруги на ключі розряду також збільшить цей ефект.
Є час між запуском заряду і стартом таймера. Це може викликати помилку вимірювань. Цим можна нехтувати на AVR, так як їм потрібен тільки один цикл тактової частоти, для цього. На інших контролерах можливо потрібно буде вирішувати цю проблему.
Струм витоку в аналоговому ланцюзі. Відповідно до специфікації AVR, струм витоку на аналогових входах зростає при напрузі на них близькій до нуля. Це може стати причиною помилки вимірювань.
Щоб уникнути використання близької до нульового напруги, використовуються дві опорні напруги Vc1 (0,17 Vcc) і Vc2 (0,5 Vcc) і вимірюється різниця часових інтервалів t2-t1 (0,5RC). Це дозволяє уникнути вищеописаних проблем і затримка компаратора також компенсується. Друкована плата пристрою повинна міститися в чистоті, щоб мінімізувати витік струму по поверхні.
Напруга живлення генерується перетворювачем, який живиться від 1,5 В батарейки. Ключове джерело живлення непридатне для схеми вимірювань, хоча з вигляду здається що схема не схильна до коливань напруги, оскільки в ланцюзі живлення застосовані два фільтри. Рекомендовано використовувати 9 В батарею з 5 В стабілізатором 78L05 замість ключового джерела живлення, і не виключайте функцію BOD, щоб уникнути псування даних в незалежній пам'яті контролера.
Коли живлення подане вперше, користувач побачить «Е4» і декілька пікофарад. Це значення означає паразитну ємність пристрою. Паразитна ємність може бути врахована натисненням перемикача SW1. Для калібрування пристрою використовуються два прецизійні конденсатори 1 нФ і 100 нФ. Цей вимірювач ємності не має жодного підлаштовочного елементу, він калібрується вимірюванням ємності еталонних конденсаторів і записує значення коефіцієнта посилення автоматично.
Щоб прокалібрувати нижній діапазон в першу чергу необхідно встановите 0 кнопкою SW1. Потім підключити прецизійний конденсатор ємністю 1 нФ, замкнути контакти #1 і #3 роз'єму Р1 і натиснути кнопку SW1.
Щоб прокалібрувати верхній діапазон: підключіть прецизійний конденсатор ємністю 100 нФ, замкнути контакти #4 і #6 роз'єму Р1 натиснути кнопку SW1. «Е4» при ввімкненні означає, що каліброване значення в незалежній пам'яті пошкоджене. Це повідомлення ніколи не буде показано, якщо калібрування вже проводилося. Що стосується установки нуля, це значення не записується в незалежну пам'ять і вимагає повторної установки при кожному ввімкненні і перед кожним вимірюванням.
Процес вимірювання запускається з інтервалом 500 мілісекунд, з моменту підключення вимірюваної ємності. Вимірювання починається з нижнього діапазону (3,3 мОм). Якщо напруга на конденсаторі не досягне 0,5 Vcc впродовж 130 мілісекунд (>57 нФ), конденсатор розряджається і вимірювання перезапускається на верхньому діапазоні (3,3 кОм). Якщо напруга на конденсаторі не досягне 0,5 Vcc впродовж 1 секунди (>440 мкФ), вимірювання відміняється і виводиться повідомлення «E2». У разі, коли допустиме значення часу виміряне, ємність обчислюється і відображається. Значення ємності відображається таким чином, що на дисплеї відображаються тільки перші три цифри зліва. Таким чином автоматично вибираються два діапазони вимірювань і три діапазони відображення.
Остання цифра відображає десяті частки пікофаради, при вимірюванні ємностей менше 100 пкФ. Будь-які зміни паразитної ємності впливають на точність вимірювань. В даній роботі використовують роз'єм, який може використовуватися з більшістю конденсаторів з виводами і пакетними конденсаторами. Механізм з'єднання конденсатора з пристроєм впливає на точність вимірювань, довгі дроти не повинні використовуватися для підключення вимірюваної ємності. Щоб підвищити стабільність можна використовувати металевий корпус або металеве екранування.