LC-meter - 万用表的前缀。方案、说明

LC-meter - 万用表的前缀。无线电电子电气工程百科全书

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本文继续扩展流行的 83x 系列万用表的功能的主题。机顶盒消耗的小电流允许您通过万用表 ADC 的内部稳定器为其供电。使用此附件，您可以测量线圈和扼流圈的电感以及电容器的电容，而无需将它们从板上焊接。

万用表测量附件的设计，除了电路解决方案和测量特定参数的方法不同之外，在使用自己的电源和不使用万用表的 ADC 稳压器工作的能力方面也有所不同。据作者介绍，由万用表的 ADC 稳定器供电的机顶盒使用起来更方便，尤其是“在屋外”。如有必要，它们还可以由外部 3 V 电源供电，例如由两个原电池供电。当然，会出现这样一个前缀消耗的电流的问题，该电流不应超过几毫安，但使用现代元件基础与最佳电路相结合解决了这个问题。然而，电流消耗问题始终是并且将会是相关的，特别是对于自供电测量仪器，当自主电源的运行持续时间通常决定设备的选择时。

在开发 LC 表时，主要关注的不仅是最大限度地减少消耗的电流，而且还关注无需从板上焊接即可测量线圈和扼流圈的电感以及电容器的电容的可能性。在设计此类测量仪器时，应始终考虑到这种可能性。不幸的是，无线电爱好者在设计时没有注意这一点，可以举出许多例子。例如，如果我们通过稳定电流充电来测量电容器的电容，那么即使电容器上的电压超过 0,3 ... 0,4 V，在不将其从电路板上拆焊的情况下，通常也无法可靠地测量电容器的电容。确定电容。

LC 仪表的工作原理并不新鲜 [1, 2]，它基于对谐振 LC 电路中测量的固有振荡周期的平方的计算，其与其元件的参数通过以下关系式相关：关系

T = 2π √LC 或 LC = (T/2π)².

从该公式可以得出，在电路中电容恒定的情况下，测得的电感与振荡周期的平方线性相关。显然，在恒定电感下，测量的电容也具有相同的线性关系，并且对于测量电感或电容，将振荡周期转换为方便的值就足够了。从上式可以看出，对于 25330x 系列万用表，在恒定电容 25,33 pF 或电感 83 mH 的情况下，在 0,1 ... 0,1 μH 区间内的最小测量分辨率为 0 μH 和 200 pF，分别为 0 ... 200 pF，测量电感为 1 μH 时的振荡频率为 1 MHz。

前缀包含一个测量发生器，其频率由 LC 电路确定，并且根据测量类型 - 连接到线圈输入插座的电感或电容器的电容，发生器输出电压稳定单元、脉冲整形器、扩展测量间隔的分频器和脉冲重复周期转换器，将其转换为与其平方成正比的电压，由万用表测量。

主要技术特点

电感测量限值......200 µH； 2毫小时； 20毫小时； 200毫小时； 2小时； 20 纳米
电容测量限值............ 200 pF； 2nF； 20nF； 0,2uF； 2微法拉； 20uF
前0,1个限值的测量误差在3限值及以上，不能超过，%.......XNUMX
测量误差在2μF和2H以内，不大于，% .......10
测量误差在20μF和20H以内，不大于，% .......20
最大电流消耗，不超过，mA....... 3

2、20μF以内的电感测量误差取决于线圈的自电容、其有功电阻、磁路的剩磁，2、20μF以内的电容取决于LC中线圈的有功电阻被测电容器的电路和ESR（ESR）。

附件图如图所示。 1. 在 SA1 开关的“Lx”位置，测量与电容器 C1 并联的插座 XS2、XS1 连接的线圈的电感，在“Cx”位置测量电容器的电容，与电感L1并联。在晶体管VT1、VT2上组装有正弦电压的测量发生器，其频率如上所述由LC电路的元件确定。这是一个采用正反馈（POS）的放大器。

放大器的第一级根据共集电极电路（射极跟随器）组装，具有大输入阻抗和低输出阻抗，第二级根据共基极（CB）电路组装，具有低输入阻抗和低输出阻抗。高输出阻抗。因此，当第二个输出与第一个输入闭合时，可以实现良好的一致性。两个级都是同相的，因此该连接覆盖了 XNUMX% PIC 放大器，结合射极跟随器的高输入阻抗和带 OB 的输出级，确保振荡器在 LC 电路的谐振频率下工作在很宽的频率范围内。

米。 1（点击放大）

考虑使用连接到插座 XS1、XS2“Lx、Cx”的电感器或电容器的 LC 仪表的操作。发电机输出的电压被馈送到安装在 VT3 晶体管上的高输入阻抗放大器，将其放大五倍，这是发电机输出电压稳定单元正常运行所必需的。稳定单元由二极管VD1、VD2、电容器C3、C5和晶体管VT4组成。它将发生器输出电压保持在约 100 mV rms 的恒定水平，无需从电路板上拆焊元件即可进行测量，并且还提高了发生器在此水平下振荡的稳定性。

放大器的输出电压经二极管VD1、VD2整流并经电容器C5平滑后馈送到晶体管VT4的基极。当发电机输出端的电压幅值小于 150 mV 时，流过电阻器 R7 的基极电流打开该晶体管，并向发电机提供+3 V 的全电源电压（该电压必须施加到发电机）。发电机可靠启动，以及测量电感 1.. .3 µH)。如果在测量过程中发电机电压的幅值超过150mV，则在整流器的输出端将出现关闭晶体管VT4的极性电压。其集电极电流将减小，这将导致发电机电源电压降低并且其输出电压幅度恢复至预定水平。否则，将发生相反的过程。

晶体管VT3上放大器的输出电压经电路C4、C6、R8提供给根据发射极耦合的施密特触发电路组装在晶体管VT5和VT6上的脉冲整形器。在其输出端，形成具有发生器频率、短衰减时间（约 50 ns）和等于电源电压的摆幅的矩形脉冲。这样的下降时间对于十进制计数器DD1-DD3的正常操作是必要的。电阻R8保证施密特触发器在低频下稳定工作。每个计数器DD1-DD3将信号频率除以10。计数器的输出信号被馈送到SA2测量限位开关。

从开关的活动触点，根据所选的测量限值“x1”、“x10”²", "x10⁴”方波脉冲信号U_и （图2，a）被馈送到“周期电压”转换器，该转换器组装在运算放大器DA1.1、场效应晶体管VT7-VT9和电容器C8上。随着下一个持续时间为0,5T的信号脉冲的到来，晶体管VT7此时截止。来自电阻分压器 R13R14 的电压（约 2,5V）被馈送到运算放大器 DA 1.1 的非反相输入端。该运算放大器和晶体管 VT9 上装有稳定电流源 (IT)。当 SA140 开关的触点闭合（“x16”位置）时，通过并联电阻器 R17 和 R3 设置 1 μA 的 IT 电流，当 SA14 开关触点闭合（“x16”位置）时，通过电阻器 R10 断开（“xXNUMX”位置），设置 XNUMX μA 的 IT 电流小十倍。

LC-meter - 连接到万用表
图。 2

当持续时间为 0,5T 的脉冲到达时，晶体管 VT8 通过微分电路 C7R15 打开 5 ... 7 μs，在此期间对电容器 C8 放电，之后关闭，电容器 C8 开始充电来自 IT 的稳定电流（图 2，b）。在脉冲结束时，晶体管VT7打开，电阻器R13闭合，IT电流变为零。在下一个0,5T的时间间隔内，电容C1上的电压U8保持不变，直到下一个脉冲到来，等于

U₁ =U_S8 我是_IT1xT / (2xC8) \uXNUMXd K₁xT,

其中 K₁ 我是_IT1/(2хС8) - 常数系数。

从该表达式可以看出，充电电容器 C8 两端的电压与输入脉冲的周期 T 成正比。在这种情况下，2 V 的电压对应于每个测量极限处测量参数的最大值。该电容器连接到运算放大器 DA1.2 上具有单位增益的缓冲放大器的输入端，其输入电流可以忽略不计（几皮安），并且不会影响电容器 C8 的放电（和充电）。

从缓冲放大器的输出，它进入下一个转换器 - “电压-电流”到运算放大器 DA2.1。在该运算放大器和电阻器 R18-R21 上，组装了另一个 IT (IT2)。该 IT 的电流由根据电路提供给电阻器 R18 左输出的输入电压及其电阻决定，并且符号取决于包含哪个电阻器（在我们的例子中是 R18 或 R20）在输入中。 IT加载在电容器C9上。在持续时间为0,5T的输入脉冲作用期间，晶体管VT10截止，电压U₂ 电容器C9上的零（图2，c）。在脉冲结束时，晶体管关闭，电容器开始通过从缓冲放大器向运算放大器 DA18 提供给电阻器 R1.2 的电压进行直流充电。从图中（图2，c）可以看出，电容器上的电压以锯齿状线性增加，直到0,5 T时间后出现下一个脉冲。当它出现时，电容器两端的电压将达到

U_2max =U_С9max 我是_IT2xT / (2xC9) \uXNUMXd U_C8xT/(2xR18xC9) = K₂xU_C8xT = K₁хК₂хТ²,

其中 K₁，至₂- 常数系数；至₂= 1/(2xR18xC9)。

从该表达式可以得出，电容器 C9 两端的电压幅度与输入脉冲的周期的平方成正比，即，它线性地取决于测量的电感或电容。即使没有上述表达式，这种“到周期的平方”的变换在逻辑上也是可以理解的，因为电容器C9两端的电压同时线性地取决于周期和IT输入处的电压，IT输入处的电压也线性地取决于周期。在这种情况下，电压 U2max 等于 2 V，对应于每个测量极限处测量参数的最大值。

电容器C9将缓冲放大器的输入连接到运算放大器DA2.2。从其输出，锯齿波电压被 R22R23 分压器降低至所需水平，并馈送到万用表的“VΩmA”输入端（XP2 连接器）。万用表的内置积分 RC 电路连接到 ADC 输入（时间常数 0,1 s），外部 R22C12 将锯齿脉冲平滑至该周期的平均值，该平均值等于四分之一幅度。因此，当 XP2“VΩmA”连接器处的“锯齿”幅度为 0,8 V 时，万用表 ADC 输入端的电压为 200 mV，对应于 200 mV 极限处的直流电压测量上限。

前缀组装在两面层压玻璃纤维制成的板上。 PCB图如图所示。 3、以及其上元件的位置 - 如图所示。 4.

LC-meter - 连接到万用表
图。 3

LC-meter - 连接到万用表
图。 4

印刷电路板的照片如图 5 所示。 6, 1. 针 XP2“NPNC” - 适用于连接器。引脚 XP3“VΩmA”和 XP1“COM”- 来自万用表故障测试探头。输入插座 XS2、XS350 - DINKLE 02 系列的螺钉端子块 021-12-350-1。滑动开关：SA12-SS07D2； SA3、SA23——MSS、MS、IS系列，分别如MSS-19D23（MS-18D22）和MSS-18D22（MS-16D1）。线圈 L160 是自制的，包含约（设置时指定）2 匝 PEV-0,2 40 线，以四段每段 10 匝缠绕在尺寸为 6x4,5x2000 的环形磁芯上，磁芯由铁氧体 1NM2000、3NM48 制成或 N87（爱普科斯）。这些等级的铁氧体具有较低的磁导率温度系数。使用其他品牌的铁氧体，例如N5，当温度变化已经达到10...XNUMX时，会导致电容测量误差增加 ^оS.

LC-meter - 连接到万用表
图。 5

LC-meter - 连接到万用表
图。 6

电容器C1、C8和C9——电压为63V的薄膜进口输出（例如WIMA、EPCOS）。电容器C8、C9的电容量偏差应不大于5%。其余 - 用于表面安装：C2、C10、C11 - 尺寸 0805； C4、C6、C7-1206；氧化物 C3、C5、C12 - 钽 B. 所有尺寸为 1206 的电阻。电阻器 R13、R14、R16-R21 的使用误差应不超过 1%，电阻器 R18、R20 和 R19、R21 的选择应与每对电阻尽可能接近的万用表。通常，选择 10 ... 20 个 E24 系列电阻器（精度等级为 XNUMX%）的卷带包就足够了。

晶体管 VT1 -VT5 的电流传输比必须至少为 500，VT6 - 电流传输比必须为 50 到 200。BSS84 晶体管可以用 IRLML6302 替换，IRLML2402 可以用 FDV303N 替换。对于其他替换，应考虑到晶体管的阈值电压应不大于 2 V，开路电阻应不大于 0,5 Ohm，输入电容应不大于 200 pF（a）。漏源电压为1V。AD8542ARZ微功耗运放可以互换，例如MSR602或国产QF1446UD4A。当其结果不超过设定限值的2%时，建议选择后者，零偏电压不超过10mV，以减少测量误差。高速逻辑十进制计数器 74HC4017D 可以用 NXP (PHILIPS) 4000B 系列的类似计数器 - HEF4017B 替换。不宜使用其他公司的同类仪表，特别是国产K561IE8。在电源电压为 3 V 的情况下，此类计数器的测量发生器的 1 MHz 输入频率太高，并且其输入端的脉冲衰减持续时间 (50 ns) 很短。他们可能不会“感觉到”这样的信号。

电容C8、C9的端子，接公共导线，焊接在印刷电路板的两面。同样，SA3开关的端子和来自活动触点SA2的端子以及XP1-XP3插头也是焊接的。而且，首先将XP2和XP3通过焊接固定，然后“就位”钻一个孔，焊接XP1插头。将多条镀锡线插入晶体管VT10和电阻R14源极附近的焊盘孔中，并从两侧焊接。在安装到 DD2、DD3 微电路上之前，应弯曲或移除引脚 4。

当使用LC表时，万用表的操作开关类型设置到测量直流电压的位置，极限为“200mV”。表中给出了与开关 SA2、SA3 的位置相对应的 LC 仪表的测量限值。

SA2	SA3	测量极限
x1	x1	200 uH	200 pF
x1	x10	2 毫小时	2 nF
x10²	x1	20 毫小时	20 nF
x10²	x10	0,2小时	0,2 uF
x10⁴	x1	2小时	2 uF
х10⁴	x10	20小时	20 uF

LC 仪表的校准取决于必要仪器和资质的可用性。在最简单的情况下，您将需要一个具有精确已知电感的线圈，其值接近相应的测量极限，以及具有测量电容的相同电容器。为了消除LC表输入电容的误差，电容器的电容值必须至少为1800 pF（例如1800 pF、0,018 μF、0,18 μF）。首先将机顶盒连接到电压为3V的自主电源上，测量消耗的电流，不应超过3mA，然后连接到万用表。

接下来，将开关 SA1 设置到“Lx”位置，并将具有已知电感的线圈连接到插座 XS1、XS2“Lx、Cx”。将开关 SA2 和 SA3 设置为适当的限制，并在指示器上获得数值上等于电感的读数（不考虑指示器的逗号），如有必要，连接一个附加电容 C1，其附加容量为并联电流高达 3300 pF。电容器 C1、C8、C9 在印刷电路板上有焊盘，用于拆焊附加尺寸 0805 进行表面安装。

通过在较小限度内改变电阻器 R22 或 R23 的电阻，可以更准确地校正读数。同样，LC表在测量电容时进行校准，但指示器上相应的读数是通过改变线圈L1的匝数来设定的。

测量带前缀的电容时，需要考虑其输入电容，在作者的示例中为 41,1 pF。如果将 SA1 开关设置到“Cx”位置，并将 SA2 和 SA3 设置到“x1”位置，则万用表指示器将显示该值。当改变印刷电路板的拓扑结构时，电容器C8和C9的端子与晶体管VT9和VT10的端子的连接必须通过单独的导体进行。

该前缀可用作正弦和矩形固定频率的发生器。从晶体管VT0,1的发射极去除电压为3V的正弦信号，从开关SA3的可动触点去除振幅为2V的矩形波。通过将适当电容的电容器连接到开关 SA1 的“Cx”位置的机顶盒的输入端来获得所需的频率。

Sprint Layout 5.0 格式的 PCB 图纸可以从 ftp://ftp.radio.ru/pub/2014/08/Lc-metr.zip 下载。

文学

通用 LC 发生器。 - 广播，1979 年，第 5 期，第 58 页。 XNUMX.
带线性刻度的 L 米。 - 电台，1984 年，第 5 期，第 58 页。 61、XNUMX。

作者：S. Glibin

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