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Luigi Colombo I2BGB e Jimmy Cesana IW2CFT

Misuratore di Induttanza e di Capacita'
LCMetro

Misuratore
di Induttanza e Capacità


Dicembre 2008

I2BGB/IW2CFT.

Lcmetro - Misuratore di induttanza e capacità

La misura della capacità viene effettuata come segue:

Calibrazione:

1. Il processore inserisce quindi una capacità campione (Cref) in parallelo al circuito LC e misura la nuova frequenza di oscillazione (F2).

Misura:

3. Il processore ricava quindi la capacità incognita Cx applicando la formula sotto indicata.

Le capacità sono espresse in Farad, le induttanze in Henry, le frequenze in Hertz.

Modalità operativa

Lo strumento è dotato di due pulsanti, uno di selezione (in basso) e l’altro di esecuzione (in alto), e di un display da 2 righe, 16 posizioni per riga. Per accendere lo strumento basta premere uno dei due pulsanti. All’accensione lo strumento visualizza la scritta

Dove mmyy (mese ed anno) indicano la versione software installata. 

Premendo il pulsante di selezione si accede al menu generale: viene visualizzata la seguente scritta:

Dove X sarà L (induttanza) o C (capacità), in funzione della posizione in quel momento del relé di configurazione del circuito di misura. Sulla seconda linea compare la prima delle voci del menu generale (Calibra). Premendo di nuovo il pulsante di selezione verrà visualizzata la seconda voce del menu (Misura) e così via.

Le voci del menu generale sono le seguenti:

Normalmente lo scorrimento del menu avviene dall’alto verso il basso, cioè Calibra, Misura, Scambia, Spegni, ecc. (freccette >>>). Tenendo premuto il tasto di selezione per più di due secondi si rovescerà il senso di scorrimento del menu (freccette <<<). 

Segue la descrizione delle singole voci del menu.

Calibra

Per misure di induttanza occorre:

1.       configurare il circuito su L con l’apposita funzione “Scambia L/C”

2.       cortocircuitare i terminali di misura dell’eventuale attrezzo di fissaggio, preferibilmente con un pezzo di filo corto di buona sezione per ridurre al minimo l’induttanza

3.       selezionare Calibra dal menu generale

4.       premere il pulsante di esecuzione

 lo strumento visualizzerà:

Dove F1 è la frequenza di oscillazione del circuito senza Cref e F2 la frequenza di oscillazione del circuito con Cref inserito (vedi paragrafo precedente – principio di funzionamento).

Per terminare la funzione di calibrazione basterà premere uno dei due pulsanti. A questo punto lo strumento strumento visualizzerà:

  Indicando che lo strumento è calibrato e pronto per la misura di induttanza.

Per misure di capacità occorre:

5.       configurare il circuito su C con l’apposita funzione “Scambia L/C”

6.       lasciare aperti terminali di misura

7.       selezionare Calibra dal menu generale

8.       premere il pulsante di esecuzione

 lo strumento visualizzerà:

Dove F1 è la frequenza di oscillazione del circuito senza Cref e F2 la frequenza di oscillazione del circuito con Cref inserito (vedi paragrafo precedente – principio di funzionamento).

Per terminare la funzione di calibrazione basterà premere uno dei due pulsanti. A questo punto lo strumento strumento visualizzerà:

Indicando che lo strumento è calibrato e pronto per la misura di capacità.

Misura

  Per misurare induttanze o capacità occorre montare il componente di valore incognito sull’eventuale attrezzo di fissaggio. Quindi selezionando la funzione “Misura” dal menu generale e premendo il pulsante di esecuzione lo strumento visualizzerà il valore misurato, ad esempio, in caso di induttanza:.

Sulla seconda riga del display viene visualizzata una serie di linee verticali che rappresentano la stabilità dell’oscillatore e quindi la precisione della misura come meglio descritto nel successivo paragrafo – Stabilità dell’oscillatore -.

Lo strumento continuerà ad eseguire la misura circa ogni secondo fino a che sarà premuto uno dei due pulsanti.

Scambia L/C

Questa funzione permette di cambiare la configurazione del circuito di misura da L a C e viceversa attraverso l’attivazione dell’apposito relay. Questo relay è del tipo bistabile quindi la posizione dei contatti viene mantenuto anche quanto si spegne lo strumento.

Spegni

Questa funzione serve per spegnere lo strumento

Luce

Questa funzione serve per spegnere/accendere la retroilluminazione del display

Taratura

Questa funzione consente di tarare il valore del condensatore di riferimento. Come esposto nei paragrafi precedenti, il valore del condensatore di riferimento di 1000pF è usato come base dei calcoli di induttanza e capacità. Perciò deve essere montato sul circuito un condensatore da 1000pF con tolleranza migliore o uguale al ± 1%. Tuttavia, disponendo di condensatori di diversa capacità si rende necessario poter modificare tale valore. Agire come segue:

1. Selezionare modalità L o C
2. Calibrare lo strumento come indicato precedentemente
3. Selezionare Taratura e premere il pulsante di esecuzione. Sulla seconda riga del display sarà visualizzato il valore del con densatore di riferimento (default 1000pF)
4. Agendo sui due pulsanti sarà possibile incrementare o decrementare tale valore che dovrà essere compreso tra 600 e 1400 pF
5. Durante la taratura lo strumento continua ad effettuare la misura ogni secondo e quindi sarà possibile verificare l’effetto della variazione della capacità di riferimento sulla misura
6. Per uscire dalla taratura basterà tener premuto uno dei due pulsanti fino a che compare la scritta Taratura OK. Al rilascio del pulsante lo strumento resterà in modalità di misurazione.
7. Lo strumento manterrà il nuovo valore del condensatore di riferimento nella memoria non volatile della PIC e quindi rimarrà tale fino a nuovo cambiamento

  Disponendo di condensatori o induttanze campione è possibile utilizzare la stessa procedura per tarare lo strumento.

Setup

Questa funzione permette di impostare le seguenti opzioni di default:

Per impostare un’opzione occorre:

• Posizionarsi sull’opzione con il pulsante di selezione
• Impostare lo stato con il tasto di esecuzione

Quando si esce dalla funzione di setup le opzioni vengono salvate nella memoria non volatile della PIC e quindi rimangono tali anche dopo lo spegnimento dello strumento. I valori di default programmati inizialmente nella PIC sono:

• Buzzer ON
• Luce ON
• Spegni dopo 2’
• Spegni luce dopo 2’

Stabilità dell’oscillatore

La stabilità dell’oscillatore può essere fortemente condizionata dal componente da misurare. Ad esempio volendo misurare l’induttanza di avvolgimenti su toroidi succede spesso che l’oscillatore diventi instabile forse a causa della permeabilità del nucleo ferromagnetico non adatta alla frequenza dell’oscillatore. Lo stesso succede quando si vuole misurare la capacità di un condensatore di valore elevato (> 200 nF) o di scarsa qualità. In questi casi la misura effettuata dallo strumento è poco precisa.

È nata quindi l’esigenza di poter conoscere la stabilità dell’oscillatore durante la misura. A partire dalla versione V0808 del software, durante la misura di induttanza e capacità, viene visualizzata sulla seconda riga del display una barra che fornisce una indicazione della stabilità della frequenza dell’oscillatore.

Quando la frequenza dell’oscillatore è stabile (variazioni di ± 16 Hertz rispetto alla media) il display visualizza due linee verticali centrali

Per ogni variazione ulterione di ± 16 Hertz rispetto alla media misurata nel periodo viene aggiunta una linea verticale rispettivamente a destra o a sinistra. Ad esempio la figura successiva mostra un range di oscillazione che va da – 192 a + 160 Hertz rispetto alla media.

Poiché la barra viene visualizzata ogni 16 millisecondi circa, il movimento della stessa sul display fornisce un’indicazione immediata della stabilità dell’oscillatore.

Costruzione dello strumento

Prima di procedere alla costruzione dello strumento dovete assolutamente:

• Leggere attentamente tutto questo documento, analizzando in dettaglio figure e tabelle
• Studiare bene lo schema elettrico per comprendere i vari circuiti (alimentazione, oscillatore, tasti e display, processore)
• Farsi un’idea precisa del tipo di realizzazione finale che si vuole ottenere immaginando tutte le attività che dovranno essere eseguite per arrivare a tale realizzazione, soprattutto quelle di lavorazione del contenitore (fori, finestre e quant’altro).
• Verificare gli ingombri dei singoli componenti, in particolare pile e/o batterie, in modo che alla fine il circuito possa essere alloggiato nella propria scatola senza problemi
• Qualora non si abbia esperienza in montaggi di componenti SMD si consiglia di fare un po’ di pratica di saldatura e dissaldatura utilizzando rottami di schede di PC che si trovano facilmente alle fiere.
• È indispensabile avere una stazione saldante termostatata con saldatore a punta sottile ed un buon illuminatore con lente

Considerazioni sull’alimentazione

Lo strumento può essere alimentato nei seguenti tre modei:

1. Con 4 pile AAA da 1,5 Volt
2. Con 5 pile ricaricabili AAA da 1,2 Volt
3. Con alimentazione esterna da 10 a 20 VDC

  Combinando questi tre modi possono essere implementate diverse soluzioni, ad esempio:

Il consumo dello strumento dipende fortemente dalla retroilluminazione del display, quindi dal tipo di display utilizzato. Sono stati misurati i seguenti valori:

Materiale occorrente

Per alcuni componenti e' indicato il codice articolo di RS-Componenti (rs-components.it)

Nota 1 Questo componente è reperibile attraverso ARI Monza

Nota 2 Il display WAYTON MC-1602X è reperibile alle fiere presso la ditta Provenzi

Nota 3 Questo componente è reperibile alle fiere presso la ditta Antares di Arquata Scrivia (AL)

Circuito stampato

Il circuito stampato è a doppia faccia ed ha i componenti su entrambi i lati. Le dimensioni dello stampato sono state adattate alle dimensioni della scatola che conterrà lo strumento (BXP0078 145x85x28 mm) con i fori corrispondenti alle colonnine già presenti nella scatola.

Le dimensioni dello stampato possono essere ridotte fino a 110x70 mm onde consentire l’impiego di diverso contenitore. Per lo stesso motivo è stato predisposto il doppio posizionamento del connettore di alimentazione, del relativo LED e del regolatore di tensione 7808.

Prima di procedere al montaggio dei componenti si consiglia quanto segue:

·         ispezionare il circuito stampato con lente di ingrandimento per individuare eventuali baffi di rame/stagno ed eliminarli con bisturi e/o punta di saldatore calda.

·         usare lo stampato come dima per segnare le aperture che dovranno essere praticate sulla scatola di plastica, ad esempio i fori per le boccole e per i pulsanti.

·         fare una fotocopia ingrandita dello stampato che permetterà di conoscere la disposizione delle piste anche quando i componenti saranno montati.

Disposizione dei componenti lato display

La figura seguente mostra il lato dello stampato che sarà rivolto verso l’utilizzatore. Su questo lato vanno posizionati il display, le boccole, i due pulsanti ed alcuni componenti SMD.

Disposizione dei componenti lato pile

La figura seguente mostra il lasto opposto del circuito stampato su cui saranno montati i componenti più voluminosi quali i due relé, l’altoparlantino, le pile o batterie, lo zoccolo per la PIC, il quarzo, il connettore RCA a 90° in alternativa alle boccole, ecc.

Il regolatore di tensione 7808 può essere montato col proprio dissipatore indifferentemente su questo lato del circuito stampato oppure sull’altro lato. Vedere i dettagli più avanti.

Si noti il doppio posizionamento del connettore di alimentazione e del relativo LED utile nel caso che si decida di ridurre le dimensioni dello stampato.

Per l’alloggiamento delle pile sono state previste delle grandi piazzole dove potranno essere saldate delle clip che provvedano al contatto elettrico ed alla ritenuta meccanica.

Il circuito serie delle pile è realizzato sullo stampato quindi basterà alloggiare ciascuna pila sulle proprie piazzole.

Nel caso di impiego pile non ricaricabili (4 pile da 1,5V) si potrà utilizzare solo 4 delle 5 posizioni previste sullo stampato.

Per pile ricaricabili occorrerà montare la resistenza R8 da 1 Ohm 1 Watt per consentirne la ricarica.

Nel caso di utilizzo di pile la resistenza R8 non dovrà essere montata, in modo da permettere l’esclusione delle pile dal circuito elettrico quando si inserisce l’alimentazione esterna.

Schema elettrico

Lo schema elettrico è riportato nel file LCMV2ASE.PDF

Montaggio dei componenti

Seguire la seguente procedura per il montaggio del circuito:

1. Procurarsi il circuito stampato ed il relé bistabile tramite ARI Monza.
2. Procurarsi il resto dei componenti reperibili presso i negozi di elettronica e/o alle fiere.
3. Ispezionare il circuito stampato con una lente per verificarne l’integrità e per eliminare eventuali baffi di stagno.
4. Montare dapprima i componenti lato display avvalendosi dello schema elettrico e della disposizione dei componenti (vedi figura a pagina 10 ) ad esclusione del display, dei due pulsanti e delle due boccole.
5. Montare quindi i componenti lato pile (vedi figura a pagina 11 ) ad esclusione delle pile o batterie.

Attenzione: il quarzo va montato orizzontalmente e va sollevato rispetto allo stampato per evitare cortocircuiti con le piste sottostanti. A questo scopo si può saldare con un pezzo di filo di rame rigido la carcassa metallica del quarzo alla massa conferendo così solidità meccanica all’insieme.

  Attenzione: la PIC va montata su zoccolo DIP18. La PIC, preventivamente programmata, andrà inserita nello zoccolo solo al momento della prova finale dello strumento.

  Attenzione: se si usa il display WAYTON MC-1602X le resistenze R16, R17, R18 ed R19 non vanno montate. Al loro posto si mette un pezzo di filo (zero Ohm). Inoltre se si vuole ulteriormente aumentare la luce del display WAYTON MC-1692X e possibile cortocircuitare la resistenza R7 da 15 Ohm che si trova sullo stampato del display. Per altri tipi di display il valore delle resistenze R16, R17, R18 ed R19 dovrà essere sperimentalmente valutato in funzione della luminosità che si vuole ottenere.

  Attenzione: il connettore di alimentazione ed il LED possono essere montati in due posizioni diverse a seconda delle dimensioni che si intende dare al circuito stampato. Per realizzazione standard con scatola BXP0078 145x85 si utilizzeranno le posizioni più esterne.

  Attenzione: il regolatore U4 7808 può essere montato indifferentemente sia dal lato display che dal lato pile. Per realizzazione standard con scatola BXP0078 145x85 si consiglia di montarlo dal lato delle pile. Il regolatore va munito di dissipatore (bandella di rame 5 cmq).

6. A questo punto si consiglia di provare l’alimentazione (senza montare la PIC) connettendo alla presa di alimentazione una tensione continua (min 10VDC, max 15 VDC) e verificare che l’assorbimento di corrente sia vicino allo zero. In caso di assorbimento maggiore occorrerà trovare e rimuovere la causa. (solitamente un corto circuito sullo stampato o regolatore difettoso o condensatore tantalio difettoso o regolatori di tensione montati al contrario). Nel caso che il LED non si accenda verificare che i diodi 1N4007 siano montati nel senso corretto e che l’alimentazione di ingresso sia presente. Verificare la presenza di circa 7 Volt al pin 8 del regolatore KF50BD e di zero Volt in uscita dello stesso integrato (pin 1). Qualora sia presente tensione sul pin 1 (5 Volt) vuol dire che c’è un errore di montaggio dei diodi 1N4148 o altri errori.
7. Montare quindi provvisoriamente i due pulsanti e, collegando l’alimentazione e tenendo premuto uno dei due pulsanti, ci dovrà essere il +5 in uscita dal regolatore KF50BD (pin 1). Se così non fosse vuol dire che sono ancora presenti errori nel circuito. In particolare verificare che sul pin 5 (Inhibit) del KF50BD ci siano meno di 0,8 Volt quando si preme uno dei due tasti. Se il pin 5 è OK verificare a valle del regolatore la presenza di corto circuiti o componenti montati al contrario.
8. Successivamente si potrà inserire la PIC precedentemente programmata nel suo zoccolo. Collegando l’alimentazione e premendo uno dei due pulsanti si dovrà sentire un beep. Si potrà inoltre montare il display, inizialmente senza saldarlo. Se la retroilluminazione funziona e se compare la scritta LCMetro V1008/ARI Monza si potrà procedere a saldarlo in maniera definitiva. Ricordarsi di regolare il contrasto tramite il trimmer P1 altrimenti il display apparirà senza scritte.

Quando alla fine il tutto funzionerà si potrà montare e saldare i pulsanti, le boccole ed eventuali pile o batterie nella loro posizione definitiva ed inscatolare il tutto.

*** FINE DOCUMENTO ***

LCmetro   versione dicembre 2008   

INFORMAZIONI: info@arimonza.it