L-C Meter con PIC 16F84

Introduzione

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

Schema a blocchi ed elettrico

I dispositivo può essere scomposto in 3 blocchi principali:

  1. Un oscillatore costituito da un LM311 (comparatore di tensione di precisione) con una frequenza nominale di circa 600 kHz

  2. Un frequenzimetro digitale costituito dal timer/counter del PIC

  3. 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).

Realizzazione pratica

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.

Elenco materiale

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

Metodo di misura

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.

Photo gallery

Il mio prototipo

La realizzazione di Nicola

Un altro esemplare

Lo strumento realizzato da Giovanni [IW3FBX]

Download

PCB formato Circad98
PCB formato GIF (300 dpi)
LC_Meter.hex
LC_METER.rar

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Ultimo aggiornamento: 20/07/2009 08.48.57  [Home]