Abstrakt - Studentská konference Fakulty mechatroniky 2010

Studentská konference Fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2010
15. červen 2010, Liberec, Česká republika
Rozšířený Abstrakt
Automatický měřič RLC s indikací v řadě jmenovitých hodnot
Bc. Petr Bílek, doc. Ing. Ivan Doležal, CSc.
Abstrakt
Práce se zabývá návrhem měřicího přístroje elektronických součástek – rezistoru, kapacitoru a
induktoru. Přístroj automaticky určuje druh součástky a její vlastnosti zobrazuje na displeji v řadě
jmenovitých hodnot. Nevyžaduje se vysoká přesnost měření, důraz je kladen zejména na rychlost.
Součástka je měřena Ohmovou metodou při různých frekvencích. Blokovými schématy je popsán
princip měření a měřicí řetězec, skládající se z jednotlivých vybraných obvodů. Řídicí software
měřicího přístroje a podrobná tabulka použitých rozsahů jsou uvedeny v příloze. Výsledkem práce je
funkční prototyp měřiče, jehož parametry jsou porovnány s teoretickými.
Úvod
Existuje celá řada kvalitních RLC měřicích přístrojů, které měří přesně a v širokém rozsahu
hodnot. Pro naše potřeby však požadujeme rychlé automatické určení typu měřené součástky a její
zařazení podle hodnoty do normalizované řady E24 u rezistorů nebo E12 u kondenzátorů a cívek.
Vyvíjený přístroj bude využíván v laboratoři k třídění součástek. Měření musí být velmi rychlé (do
0,5 s) a obsluha jednoduchá. Po zapnutí měřiče pouze připojíme součástku. Vlastnosti součástky se
zobrazí na displeji přístroje v řadě jmenovitých hodnot po celou dobu jejího připojení. Není důležitá
vysoká přesnost měření, přístroj musí správně zařadit měřenou součástku do příslušné řady.
Experiment a metody
Měřený prvek je zapojen v invertujicím zesilovači s operačním zesilovačem, který slouží jako
převodník modulu impedance na napětí. Toto zapojení je pro automatické měření nejvhodnější a je
využíváno v naprosté většině měřicích přístrojů. Výhodou této Ohmovy metody měření je možnost
měření všech typů pasivních součástek (rezistorů, kondenzátorů a cívek) jedním měřicím obvodem.
Ze známých hodnot jako jsou vstupní napětí U1, odpor ve zpětné vazbě RZV a výstupní napětí
U2 se již jednoduše vyjádří neznámá hodnota odporu (1). Ze znalosti budicí frekvence je možno určit i
reaktanci kondenzátoru nebo cívky (2, 3). Přepínaní rozsahů je zajišťováno změnou rezistorů ve
zpětné vazbě zesilovače a hodnotou vstupního napětí U1. U měření kondenzátorů a cívek dochází
navíc ke změnám frekvence budicího signálu.
R1
R2
R3
R4
Rm
U2
U1
Obrázek 1. Jádro měřicího přístroje, měřicí zesilovač
1
Studentská konference Fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií 2010
15. červen 2010, Liberec, Česká republika
Rozšířený Abstrakt
R=
R U
U2
RZV
U 1 , L = ZV 1 , C =
U2
U 2 2πf
2πfR ZV U 1
(1,2,3)
Výstupní signál z měřicího obvodu je usměrněn, vyfiltrován a přiveden na vstup analogověčíslicového převodníku. Srdcem celého přístroje je mikrokontrolér, který pomocí multiplexorů ovládá
vlastnosti budicího signálu a vypočte hodnotu měřené součástky ze známých rozsahů a naměřených
dat. Výsledky jsou zobrazeny na jasném grafickém OLED displeji v řadě jmenovitých hodnot. Měřič
může obsahovat i reproduktor a LED diody pro zvukovou a světelnou signalizaci.
Tabulka 1. Rozsahy měřených součástek
měření od
měření do
rozsah
zobrazení v řadě
rezistory
10 Ω
10 MΩ
6 řádů
E24
kondenzátory
10 pF
1 µF
5 řádů
E12
cívky
100 µH
100 mH
3 řády
E12
Výsledky a diskuze
Po finálním sestrojení, odladění firmwaru a kalibraci byla změřena relativní chyba měření
RLC měřiče.
Tabulka 2. Celková relativní chyba pro každý rozsah měření
rozsah
1
2
3
4
5
6
relativní ch. Rx [%] relativní ch. Cx [%]
2
1,2
0,9
0,7
0,3
0,7
0,8
0,6
0,8
0,6
2
-
relativní ch. Lx [%]
2,9
0,7
1,1
-
Závěr
Měřicí přístroj se mi podařilo úspěšně navrhnout, zkonstruovat a oživit. Přístroj spolehlivě
zvolí správný rozsah, spolehlivě určí, o jaký typ prvku se jedná a poté jej zařadí do příslušné řady. To
vše vykoná v relativně krátkém čase. Hodnota se zobrazuje na displeji velkými znaky jako nominální
hodnota v unifikovaném tvaru např.: 3k3 Ω, 2n2 F, 10m H, atp.. Navíc je na displeji malými znaky
zobrazena přesně změřená a vypočtená hodnota a informace o druhu součástky pomocí textu a
obrázku. V přístroji je naprogramováno menu, kde je možnost nastavení jasu displeje, zapnutí zvukové
signalizace a nastavení poměru rychlosti/přesnosti měření. Měřicí přístroj bylo potřeba přesně nastavit
a zkalibrovat. Poté byla změřena přesnost přístroje (relativní chyba < 3 %). Přístroj je zabudován do
umělohmotné skříňky. Měřicí svorky, vyrobené “vlastními silami”, jsou uloženy uvnitř plastové
skříňky a tím celý přístroj působí velmi profesionálně.
Reference
[1] BÍLEK P.: Měřicí obvod automatického měřiče RLC. TUL. Liberec 2009. Semestrální
projekt.
[2] MATOUŠEK D.: Práce s mikrokontroléry ATMEL AVR ATmega16. Praha 2006. ISBN:
80-7300-174-8.
[3] Datasheety vybraných obvodů. Si7661. ATmega64L. AD9834. AD8620. ADG1409.
AD7685. [cit. 2010-2-22]. URL: < http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf>.
2