Questo articolo ha lo scopo di riunire tutta una serie di notizie ed idee
relative alla costruzione di un induttanzimetro digitale basato su micro
controller. Infatti molte sono le fonti che trattano questo argomento,
soprattutto a livello hobbistico, ma a volte le informazioni fornite risultano
insufficienti o confuse. Le varianti implementative di questo utile strumento
sono innumerevoli e spaziano dalla versione con strumentino analogico a quella
che coinvolge l'uso del PC. La realizzazione trattata in queste righe è basata
su un uC tipo PIC 16F84 con lettura su display LCD alfanumerico. Come accennato,
in rete e sulle riviste specializzate si trovano moltissime altre versioni di
questo tipo di realizzazione, basate su diversi tipi di uC (PIC, AVR, Motorola,
ecc.) e la scelta di utilizzare un PIC 16F84 è stata dettata dal fatto che per
questo micro ho trovato innumerevoli versioni di firmware e perché risulta
essere il micro forse più conosciuto e sicuramente quello di più facile
reperibilità.
Il metodo di misura adottato è noto come "metodo dello slittamento" ed è un
metodo di misura indiretto, ovvero quello che viene effettivamente valutato
dallo strumento non è il valore dell'induttanza, ma la frequenza di un
oscillatore che dipende, con una legge ben precisa, dal valore della grandezza
da misurare (nel nostro caso l'induttanza). Questo metodo verrà descritto con
maggior dettaglio nel seguito dell'articolo.
Un'altra importante caratteristica di questo strumentino è, data la natura del
metodo di misura, di consentire anche la valutazione di capacità incognite. Il
firmware che ho collaudato, e sul quale ho basato lo sviluppo dell'intero
progetto, consente di misurare induttanze (L) o capacità (C) tramite
l'impostazione di un commutatore a levetta.
I range all'interno dei quali lo strumento è in grado di fornire valori di
misura con una precisione del 1% sono:
Capacità: 0,1 pF .. 100 nF
Induttanza: 10 nH .. 100 mH
I dispositivo può essere scomposto in 3 blocchi principali:
Un oscillatore costituito da un LM311 (comparatore di tensione di precisione) con una frequenza nominale di circa 600 kHz
Un frequenzimetro digitale costituito dal timer/counter del PIC
Una unità di calcolo e visualizzazione costituita da una porzione di codice programma del PIC e dal LCD alfanumerico
Visto che buona parte del processo di misura viene svolto dal firmware del PIC, lo schema elettrico ne risulta fortemente semplificato, come si può notare dalla figura seguente:
Lo
schema prevede un relè comandato da un particolare pin del micro che consente di
commutare l'oscillatore su di una capacità nota di riferimento (Ccal) al fine di
permettere una calibrazione dello strumento garantendo così la massima
precisione possibile. Il comparatore di tensione LM311 ed i componenti
ausiliari costituiscono l'oscillatore di misura ed il doppio deviatore ha il
duplice scopo di far commutare il bipolo incognito (L o C) e di informare il
micro del tipo di misura che si intende effettuare tramite un apposito pin. Lo
schema prevede inoltre uno stabilizzatore di tensione a 5V che permette di
alimentare il tutto con una tensione dai 9 a 18V unipolare, cioè anche
semplicemente raddrizzata da un unico diodo o da un ponte di Greatz. Lo
strumento effettua una calibrazione ogni volta che viene fornita tensione al
micro, ed il pulsante SW1 consente di richiamare la routine di
calibrazione semplicemente resettando il dispositivo.
Il ponticello J1 informa il micro che il display LCD può essere del tipo
16x2 oppure 16x1 righe.
J3 attiva o disattiva la retro-illuminazione a led del display, se questo
la prevede, mentre J2 fa visualizzare la frequenza iniziale
dell'oscillatore, che come detto deve essere intorno ai 600 kHz (tale valore non
risulta critico ai fini della misura).
La costruzione di questo strumento non presenta particolari difficoltà ed è ulteriormente facilitata se si decide di seguire la traccia rame che propongo di seguito, dove trovano posto tutti i componenti necessari. L'unica raccomandazione che mi sento di sottolineare è quella di mantenere i collegamenti tra le boccole di misura e il circuito stampato il più corti possibile al fine di non alterare in maniera troppo pesante i valori di induttanza misurati. Lo stesso discorso vale per il doppio deviatore per la commutazione del tipo di misura, che dovrà risultare saldato anch'esso il più vicino possibile al PCB.
Resistenze:
Condensatori:
Altri componenti:
R1 = 100 Khom 1/4 Watt C1 = 10 uF 16 V (elett.)
Q1 = BC 237 (Transistor)
R2 = 100 Khom 1/4 Watt C2 = 10 uF 16 V (elett.)
Q2 = 7805 (Stabilizzatore)
R3 = 100 Khom 1/4 Watt C3 = 22 pF
U2 = Lm311 (Integrato)
R4 = 1 Khom 1/4 Watt C4 = 22 pF
U3 = Pic 16f84a (Pic)
R5 = 1 Khom 1/4 Watt C5 = 1000 pF
D1 = 1n4148 (Diodo)
R6 = 47 Khom 1/4 Watt C6 = 56 pF
D2 = Led 5 mm (Diodo Led)
R7 = 6,8 Khom 1/4 Watt C7 = 100 pF
Q1 = Quarzo 4 Mhz
R8 = 6,8 Khom 1/4 Watt Ccal=1000 pF (Toll 5%)
Dl = Display 16 caratteri
R9 = 330 Hom 1/4 Watt C8 = 0,1 uF
L1 = 82 uH (Induttanza)
V1= 10 Khom (trimmer) C9 = 0,1 uF
Rl1 = Rele 6 volt 1 o 2 scambi
C10 = 10 uF 16 V (elett.)
C11 = 100 uF 16 V (elett.)
J2 = Ponticello mobile
Z1 = Zoccolo 8 pin
J3 = Ponticello mobile P1 = Ponticello fisso (n. 8) Z2 =
Zoccolo 18 pin
Vcc= entrata 9/12 volt SW1= Pulsante norm. aperto
B1 = Boccola banana femmina Rossa
J1 = Ponticello mobile Sw2= Deviatore doppio
B2 = Boccola banana femmina Nera
Il metodo di misura adottato da questo strumento è noto con il nome di "metodo dello slittamento di frequenza" (Frequency Shifted Oscillator) e si basa sulla misurazione diretta della frequenza di oscillazione di un oscillatore libero, generalmente realizzato con un multivibratore, nel quale la rete selettiva comprende anche l'elemento reattivo del quale interessa conoscere il valore di reattanza. Per semplicità riferiamoci allo schema seguente:
Sono individuabili due configurazioni: una con l'interruttore aperto che esclude C2 dal circuito ed un'altra con l'interruttore chiuso che pone C2 in parallelo a L1 e C1. Si presume che in entrambe le configurazioni sia possibile misurare con molta accuratezza il valore della frequenza generata dall'oscillatore, e precisamente:
1. F1: frequenza con L1 e C1
2. F2: frequenza con L1 e C1+C2
Analiticamente tali valori sono calcolabili come:
Utilizzando per C2 un componente di valore noto possiamo risolvere il sistema nelle incognite L1 e C1:
Una volta ottenuti i valori di L1 e C1 (operazione che viene fatta al momento dell'avvio del codice programma all'interno del micro: operazione di calibrazione) siamo in grado di calcolare la capacità incognita di un condensatore posto in luogo di C2 (chiamato questa volta Cx):
Quindi la precisione con la quale lo strumento stima i valori di capacità e
induttanza è direttamente legata alla precisione con la quale viene misurato lo
scarto di frequenza dell'oscillatore e dalla precisione del valore di capacità
dell'elemento di calibrazione.
Dualmente è possibile calcolare il valore di una induttanza di una bobina
incognita calibrando lo strumento sempre con una capacità nota come fatto in
precedenza, ed i calcoli per estrarre il valore di Lx è sono i seguenti:
Anche in questo caso i valori di L1 e C1 sono forniti dalla procedura di calibrazione. Da notare che anche nella misura di induttanze incognite tutti i valori delle grandezze sono espressi in funzione dei valori delle frequenze F1 e F2 e dal valore dell'elemento di calibrazione e dalla precisione di questi valori dipende l'accuratezza totale della misura. Questi sono esattamente i calcoli che il PIC deve svolgere per fornire il valore delle grandezze incognite ed è sufficiente far commutare lo stato di un suo pin tramite il doppio deviatore per informarlo della situazione nella quale si intende effettuare la misura.
Lo strumento realizzato da Giovanni [IW3FBX]
PCB formato Circad98
PCB formato GIF (300 dpi)
LC_Meter.hex
LC_METER.rar
Ultimo aggiornamento:
20/07/2009 08.48.57
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