Курсова


ВСТУП
Поява мікропроцесорів та мікроконтролерів (обчислювальних пристроїв, виконаних у вигляді однієї ВІС, що має основні частини мікроЕОМ: МП, пам’ять програм і даних, інтерфейсні схеми, генератор тактових імпульсів, інколи таймери) створило сприятливі умови для реалізації в радіотехнічних системах (РТС) багатьох оптимальних алгоритмів обробки сигналів, раніше відкидаємих із–за складності і великих апаратурних витратах.
В результаті застосування мікропроцесорів та мікроконтролерів покращилися тактико–технічні характеристики РТС, їх маса, розміри, споживана потужність та надійність. Істотно скоротилися і строки розробки апаратури та з’явилася можливість її модифікації в процесі експлуатації за рахунок змін алгоритму функціонування, яке зберігається в ПЗП або ППЗП (EPROM).
Як правило, вироби для застосування у РТС повинні бути прості за своєю схемотехнікою, надійні, технологічні, мати низьку вартість та забезпечувати достатню безболісність модифікацію виконуваних функцій.
Розробка виробів з застосуванням мікроконтролерів не потребує великих капіталовкладень для спеціального обладнання, може бути виконана достатньо швидко і принести добрі комерційні результати.
МК-вимірювач ємності, який буде розроблено в даному дипломному проекті, може бути використаний для експлуатації в польових умовах і придатний для вимірювання оксидних конденсаторів великої ємності без їх відпаювання. Крім того, він має захист від напруги заряджених конденсаторів.
Цифровий вимірювач ємності
В роботі наведено відносно простий цифровий вимірювач ємності. Є декілька методів вимірювання ємності, наприклад, за допомогою моста опорів або вимірюючи відхилення магнітної стрілки. Останнім часом типові вимірювачі ємності вимірюють ємність і деякі додаткові характеристики, вимірюючи вектор струму, подаючи на вимірювану ємність змінну напругу. Деякі прості вимірювачі ємності використовують метод інтеграції, вимірюючи короткочасний відгук RC-ланки при перехідному процесі.
У приладі, описаному в використовується метод інтеграції. Перевага цього методу у тому, що результат легко може бути одержаний відразу в цифровому вигляді, тому як метод заснований на вимірюванні часових інтервалів, точної аналогової схеми не вимагається, вимірювач легко може бути відкалібрований при використовуванні мікроконтролера. Таким чином метод інтеграції найбільш підходить для вимірювання ємності ручної збірки.
Явище, що проявляється доти, поки стан ланцюга не стабілізується після зміни стану, називається перехідним процесом. Перехідний процес це одне з фундаментальних явищ в імпульсних схемах. Коли вимикач на Рис.2.5, а розімкнеться, конденсатор С заряджатиме через резистор R і напругу Vc змінюватиметься так, як показано на Рис.2.5, б. Для зміни стану ланцюга на Рис.2.5. а, також можливо змінювати ЕРС Е, замість використання вимикача, ці два методи будуть еквівалентні. Залежність напруги Vc від часу t виражається формулою.
(2.4)
Розмірності величин: t - секунди, R - Оми, C - Фаради, число - е, приблизно 2,72. коли напруга Vc досягне деякого значення Vc1, час t1 може бути виражене по формулі:
(2.5)
Це означає, що час t1 пропорційний С. Таким чином ємність може бути обчислена з часу заряду і інших фіксованих параметрів.

Рис.2.5. Еквівалентна схема перехідного процесу (а), графік залежності напруги Vc від часу (б)
Щоб виміряти час заряду потрібно тільки компаратор напруги, лічильник і деяка сполучна логіка. Проте, мікроконтролер AT90S2313, що використовується в цьому пристрої дозволяє реалізувати це простіше. В даній схемі використовується внутрішній аналоговий компаратор контролерів AVR.

Рис.2.6. Електрична принципова схема цифрового вимірювача ємності
Інтегруюча схема може бути спрощена, як показано на схемі пристрою (див. рис.2.6). Опорна напруга створюється резистивним дільником. З вигляду здається, що використовування дільника робить результат нестабільним до зміни напруги живлення, проте час заряду не залежить від напруги живлення. Використовуючи формулу (2.5), ви можете знайти, що напруга взагалі можна замінити параметром Vc1/E, який залежить тільки від співвідношення опорів дільника. Ця перевага використовується в мікросхемі таймера NE555 зрозуміло, напруга живлення повинна бути стабільною під час вимірювання.
Відповідно до фундаментальних принципів, при вимірюванні ємності може бути використане тільки одна опорна напруга. Проте використовування вхідної напруги близької до нуля проблематичне з наступних причин:
Напруга ніколи не впаде до нуля вольт. Напруга на конденсаторі не може впасти до 0 В. Потрібен час, щоб розрядити конденсатор до достатньо низького рівня напруги, що дозволяє виконувати вимірювання. Це збільшуватиме інтервал вимірювань. Падіння напруги на ключі розряду також збільшить цей ефект.
Є час між запуском заряду і стартом таймера. Це може викликати помилку вимірювань. Цим можна нехтувати на AVR, так як їм потрібен тільки один цикл тактової частоти, для цього. На інших контролерах можливо потрібно буде вирішувати цю проблему.
Струм витоку в аналоговому ланцюзі. Відповідно до специфікації AVR, струм витоку на аналогових входах зростає при напрузі на них близькій до нуля. Це може стати причиною помилки вимірювань.
Щоб уникнути використання близької до нульового напруги, використовуються дві опорні напруги Vc1 (0,17 Vcc) і Vc2 (0,5 Vcc) і вимірюється різниця часових інтервалів t2-t1 (0,5RC). Це дозволяє уникнути вищеописаних проблем і затримка компаратора також компенсується. Друкована плата пристрою повинна міститися в чистоті, щоб мінімізувати витік струму по поверхні.
Напруга живлення генерується перетворювачем, який живиться від 1,5 В батарейки. Ключове джерело живлення непридатне для схеми вимірювань, хоча з вигляду здається що схема не схильна до коливань напруги, оскільки в ланцюзі живлення застосовані два фільтри. Рекомендовано використовувати 9 В батарею з 5 В стабілізатором 78L05 замість ключового джерела живлення, і не виключайте функцію BOD, щоб уникнути псування даних в незалежній пам'яті контролера.
Коли живлення подане вперше, користувач побачить «Е4» і декілька пікофарад. Це значення означає паразитну ємність пристрою. Паразитна ємність може бути врахована натисненням перемикача SW1. Для калібрування пристрою використовуються два прецизійні конденсатори 1 нФ і 100 нФ. Цей вимірювач ємності не має жодного підлаштовочного елементу, він калібрується вимірюванням ємності еталонних конденсаторів і записує значення коефіцієнта посилення автоматично.
Щоб прокалібрувати нижній діапазон в першу чергу необхідно встановите 0 кнопкою SW1. Потім підключити прецизійний конденсатор ємністю 1 нФ, замкнути контакти #1 і #3 роз'єму Р1 і натиснути кнопку SW1.
Щоб прокалібрувати верхній діапазон: підключіть прецизійний конденсатор ємністю 100 нФ, замкнути контакти #4 і #6 роз'єму Р1 натиснути кнопку SW1. «Е4» при ввімкненні означає, що каліброване значення в незалежній пам'яті пошкоджене. Це повідомлення ніколи не буде показано, якщо калібрування вже проводилося. Що стосується установки нуля, це значення не записується в незалежну пам'ять і вимагає повторної установки при кожному ввімкненні і перед кожним вимірюванням.
Процес вимірювання запускається з інтервалом 500 мілісекунд, з моменту підключення вимірюваної ємності. Вимірювання починається з нижнього діапазону (3,3 мОм). Якщо напруга на конденсаторі не досягне 0,5 Vcc впродовж 130 мілісекунд (>57 нФ), конденсатор розряджається і вимірювання перезапускається на верхньому діапазоні (3,3 кОм). Якщо напруга на конденсаторі не досягне 0,5 Vcc впродовж 1 секунди (>440 мкФ), вимірювання відміняється і виводиться повідомлення «E2». У разі, коли допустиме значення часу виміряне, ємність обчислюється і відображається. Значення ємності відображається таким чином, що на дисплеї відображаються тільки перші три цифри зліва. Таким чином автоматично вибираються два діапазони вимірювань і три діапазони відображення.
Остання цифра відображає десяті частки пікофаради, при вимірюванні ємностей менше 100 пкФ. Будь-які зміни паразитної ємності впливають на точність вимірювань. В даній роботі використовують роз'єм, який може використовуватися з більшістю конденсаторів з виводами і пакетними конденсаторами. Механізм з'єднання конденсатора з пристроєм впливає на точність вимірювань, довгі дроти не повинні використовуватися для підключення вимірюваної ємності. Щоб підвищити стабільність можна використовувати металевий корпус або металеве екранування.
Вимірювач ємності конденсаторів на операційному підсилювачі
Пристрій, схема якого приведена на Рис.2.2, дозволяє вимірювати ємність конденсаторів від декількох пікофарад до 1 мкф. Нижня межа вимірювань багато в чому залежить від конструкції приладу, зокрема, від паразитної ємності між клемами для підключення досліджуваного конденсатора.

Рис.2.2 Вимірювач ємності конденсаторів на операційному підсилювачі
Прилад має шість піддіапазонів, верхні межі для яких рівні відповідно 10пф, 100пф, 1000пф, 0,01мкф, 0,1мкф і 1мкф. Відлік ємності виконується за лінійною шкалою мікроамперметра.
Принцип дії приладу заснований на вимірюванні змінного струму, що протікає через досліджуваний конденсатор. На операційному підсилювачі DA1 зібраний генератор прямокутних імпульсів. Частота повторення цих імпульсів залежить від ємності одного з конденсаторів С1-С6 і положення движка підлаштовочного резистора R5. Залежно від піддіапазону, вона змінюється від 100Гц до 200кГц. Підлаштовочним резистором R1 встановлюємо симетричну форму коливань (меандр) на виході генератора.
Діоди D3-D6, підлаштовочні резистори R7-R11 і мікроамперметр PA1 утворюють вимірювач змінного струму. Для того, щоб похибка вимірювань не перевищувала 10% на першому піддіапазоні (ємність до 10пФ), внутрішній опір мікроамперметра повинен бути не більш 3кОм. На решті піддіапазонів паралельно PA1 підключають підлаштовочні резистори R7-R11.
Необхідний піддіапазон вимірювань встановлюють перемикачем SA1. Однією групою контактів він перемикає частотозадавальні конденсатори С1-С6 в генераторі, іншою - підлаштовочні резистори в індикаторі. Для живлення приладу необхідне стабілізоване двополярне джерело на напругу від 8 до 15 В. Номінали частотозадавальних конденсаторів С1-С6 можуть відрізнятися на 20%, але самі конденсатори повинні мати достатньо високу температурну і часову стабільність.
Налагодження приладу виконують в наступній послідовності. Спочатку на першому піддіапазоні добиваються симетричних коливань резистором R1. Движок резистора R5 при цьому повинен бути в середньому положенні. Потім, підключивши до клем "Сх" еталонний конденсатор 10пф, підлаштовочним резистором R5 встановлюють стрілку мікроамперметра на поділку, яка відповідає ємності еталонного конденсатора (при використовуванні приладу на 100 мкА, на кінцеву поділку шкали).
Після цього перевіряють форму коливань на виході генератора і, при необхідності, ще раз підстроюють резистори R1,R5. На решті піддіапазонів калібрування приладу також виконуватись по еталонних конденсаторах, використовуючи для цього підлаштовочні резистори R7-R11.
Оскільки змінна напруга на виході генератора двох полярна (практично, воно змінюється від +Uжив до -Uжив),то вимірювати цим приладом ємність електролітичних конденсаторів не можна.
Вимірювач ємності електролітичних конденсаторів
Однією з найчастіших причин виходу радіоелектронної апаратури з ладу або погіршення її параметрів є зміна властивостей електролітичних конденсаторів. Іноді при ремонті апаратури (особливо виробленої в колишньому СРСР), виготовленої із застосуванням деяких типів електролітичних конденсаторів (наприклад, K50-...), для відновлення працездатності пристрої вдаються до повної або часткової заміни старих електролітичних конденсаторів. Все це доводиться робити через те, що властивості матеріалів, що входять в електролітичний (саме електролітичний, оскільки в складі використовується електроліт) конденсатор, під електричною, атмосферною, тепловою діями з часом змінюються. І таким чином найважливіші характеристики конденсаторів, такі як ємність і струм витоку - так само змінюються (конденсатор "висихає" і ємність його збільшується, часто навіть більш ніж на 50% від первинної, а струм витоку зростає, тобто внутрішній опір, що шунтує конденсатор зменшується), що природно приводить до зміни характеристик, а у гіршому разі і до повної відмови апаратури.
Вимірювач володіє наступними якісними і кількісними характеристиками [3]:
вимірювання ємності на 8 піддіапазонах:
0 ... 3 мкф;
0 ... 10 мкф;
0 ... 30 мкф;
0 ... 100 мкф;
0 ... 300 мкф;
0 ... 1000 мкф;
0 ... 3000 мкф;
0 ... 10000 мкф.
2) оцінка струму витоку конденсатора по світлодіодному індикатору;
3) можливість точного вимірювання при зміні напруги живлення і температури навколишнього середовища (вбудоване калібрування вимірника);
4) напруга живлення 5-15 В ;
5) визначення полярності електролітичних (полярних) конденсаторів;
6) струм споживання в статичному режимі не більш 6 мА;
7) час вимірювання ємності не більш 1 с;
8) струм споживання під час вимірювання ємності з кожним піддіапазоном зростає, але не більш 150 мА на останньому піддіапазоні.
Суть роботи приладу полягає у вимірюванні напруги на виході диференціюючого ланцюга, рис.2.3.

Рис.2.3. Ланцюг, що диференціює
Напруга на резисторі: Ur = i R,
де i - загальний струм через ланцюг, R - зарядний опір ;
Оскільки ланцюг диференціюючий, то струм, що протікає через нього:
i = С(dUc/dt),(2.3)
де С - заряджена ємність ланцюга, але конденсатор лінійно заряджатиметься через джерело струму, тобто стабілізованим струмом : i = С*const значить напругу на опорі (вихідне для цього ланцюга): Ur = i*R = C*R*const - прямо пропорційна ємності заряджаючого конденсатора, а значить вимірюючи вольтметром напругу на резисторі ми вимірюємо в деякому масштабі і досліджувану ємність конденсатора.
Схема пристрою представлена на Рис.2.4.

Рис.2.4 Принципова електрична схема вимірювача ємності електролітичних конденсаторів
У початковому положенні випробовуваний конденсатор Сх (або калібрувальний С1 при включеному тумблері SA2) розряджений через R1. Вимірювальний конденсатор, на якому (не на випробовуваному безпосередньо) вимірюється напруга, пропорційна ємності випробовуваного Сх, розряджений через контакти SA1.2. При натисненні кнопки SA1 випробовуваний Сх (С1) заряджає через відповідні піддіапазони (галетний перемикач SA3) резистори R2... R11. При цьому зарядний струм Сх (С1) проходить через світлодіод VD1, чия яскравість свічення дозволяє судити про струм витоку (опорі, що шунтує конденсатор) в кінці заряду конденсатора. Одночасно з Сх (С1) через джерело стабілізованого струму VT1,VT2,R14,R15 заряджає і вимірювальний (явно справний і з малим струмом витоку) конденсатор С2. VD2, VD3 використовуються для запобігання розряду вимірювального конденсатора через джерело напруги живлення і стабілізатор струму відповідно. Після заряду Сх (С1) до рівня, який визначається резисторами R12, R13 (в даному випадку до рівня зразково половини напруги джерела живлення), компаратор DA1 відключає джерело струму, синхронне з Сх (С1) заряд С2 припиняється і напруга з нього, пропорційна ємності випробовуваного Сх (С1) відображається мікроамперметром PA1 (дві шкали із значеннями кратними 3 і 10, хоча можна налаштувати на будь-яку шкалу) через повторювач напруги DA2 з високим вхідним опором, що також забезпечує довге збереження заряду на С2.
При налаштуванні положення калібрувального змінного резистора R17 фіксується в яким-небудь положенні (наприклад, в середньому). Підключаючи еталонні конденсатори з точно відомими значеннями ємності у відповідному діапазоні, резисторами R2, R4, R6-R11 виконується калібрування вимірювача - підбирається такий струм заряду, щоб еталонні значення ємностей відповідали певним значенням на вибраній шкалі.
Після калібрування один з еталонних конденсаторів стає калібрувальним С1. Тепер при зміні напруги живлення (зміни температури навколишнього середовища, наприклад при сильному охолоджуванні готового відладженого приладу на морозі покази ємності виходять заниженими відсотків на 5 або просто для контролю точності вимірювань достатньо підключити С1 тумблером SA2 і, натиснувши SA1, калібрувальним резистором R17 виконати підстроювання PA1 на вибране значення ємності С1.
При роботі з приладом потрібно бути уважним з полярністю підключення електролітичних (полярних) конденсаторів. При будь-якій полярності підключення індикатор показує одне і те ж значення ємності конденсатора, але при неправильній полярності підключення, тобто «+» конденсатора до «-» приладу, світлодіод VD1 відображає великий струм витоку (після заряду конденсатора світлодіод продовжує яскраво горіти), тоді як при правильній полярності підключення світлодіод спалахує і поступово гасне, демонструючи зменшення зарядного струму до дуже малої величини, практично до повного затухання (слід спостерігати 5-7 секунд), за умови, що випробовуваний конденсатор володіє малим струмом витоку. Неполярні неелектролітичні конденсатори мають дуже малий струм витоку, що і видно по дуже швидкому і повному гасінню світлодіода. А якщо ж струм витоку великий (опір, що шунтує конденсатор малий), тобто конденсатор старий і «тече», то свічення світлодіода видно вже при Rвитікання = 100 кОм, а при менших шунтуючих опорах світлодіод горить ще яскравіше.
Таким чином можна по свіченню світлодіода визначати полярність електролітичних конденсаторів: при тому підключенні, коли струм витоку менше (світлодіод менш яскравий) - полярність конденсатора відповідає полярності приладу.
ВИЗНАЧЕННЯ ЄМНОСТІ КОНДЕНСАТОРА МОСТОВОЮ СХЕМОЮ
Ємність конденсатора вимірюється за допомогою мостової схеми, яка дозволяє визначити ємність даного конденсатора, якщо відома ємність еталонного конденсатора.
30518109271000
40957417780ГЗ - 53
C
C0
M
D
I
I1
I2
R1
R2
I1
I2
EO
A
B
yy00ГЗ - 53
C
C0
M
D
I
I1
I2
R1
R2
I1
I2
EO
A
B
yy





Мостова схема для вимірювання ємності зображена на рис. 3. На схемі прийняті позначення: R1 і R2 - магазини опорів; С0 - еталонний конденсатор; С - досліджуваний конденсатор; ГЗ-53 - генератор звукових коливань; ЕО - електронний осцилограф. (Генератор не заземляти.)
Вимірювання ємності мостовою схемою основане на проходженні змінного струму через конденсатор. Змінна напруга викликає в діелектрику конденсатора змінну поляризацію, внаслідок чого заряди однієї пластини конденсатора індукують заряди протилежного знака на іншій пластині конденсатора. Опір конденсатора змінному струму
,
де - циклічна частота змінного струму.
Змінний синусоїдний струм виробляє генератор ГЗ-53. При ввімкнені генератора струм I у вузлі D розділяється на струми I1 і I2, які у вузлі М знову сходяться. Електронний промінь осцилографа дає на екрані зображення синусоїдного струму. Амплітуда коливань на екрані залежить від різниці потенціалів точок А і В. Можна підібрати такі опори R1 і R2, при яких точки А і В будуть мати однакові потенціали. У цьому випадку амплітуда коливань на осцилографі дорівнює нулю.
Враховуючи, що A-B=0, застосуємо закон Кірхгофа:
для ділянки схеми АДВ
, ; (3)
для ділянки схеми АМВ
, . (4)
Поділивши почленно рівняння (13) на (14), отримаємо, ,
. (5)
Відносна похибка вимірювання ємності. (6)
Декади магазинів опору дозволяють набрати опори R1 і R2 з точністю до 0,1 Ом. Отже, R1=R2=0,05 Ом. Відносна похибка еталонної ємності
порядок виконання роботи
1. Скласти схему згідно з рис. 3 з одним із досліджуваних конденсаторів С. Частоту розгортки променя осцилографа ставлять у положення "150". Після перевірки схеми керівником занять вмикають осцилограф. Через декілька хвилин промінь осцилографа повинен давати на екрані горизонтальну лінію. У разі необхідності промінь фокусують і зміщують за віссю ОУ в точку початку відліку.
2. Установити частоту коливань звукового генератора 400-500 Гц. Опори R1 і R2 набирають по декілька десятків Ом. Вмикають генератор і спостерігають на екрані осцилографа синусоїдне зображення коливань. У разі нестійкості зображення стабілізують його ручкою "синхронізація" осцилографа. За допомогою декадних перемикачів магазинів опорів (або одного з них) набирають такі значення опорів R1 та R2, при яких амплітуда коливань на екрані осцилографа дорівнюватиме нулю і промінь буде рисувати горизонтальну лінію. Записують значення опорів R1 та R2.
3. Повторюють описаний дослід (п. 2) ще з двома досліджуваними конденсаторами, ємності яких C1 і C2.
4. З'єднують три досліджувані конденсатори паралельно і виконують такі самі вимірювання (п. 2).
5. З'єднують три досліджувані конденсатори послідовно і виконують такі самі вимірювання (п. 2). Вимикають апаратуру.
6. Беручи C0=2 мкФ, за формулою (8) обчислюють ємності C1, C2, C3, Спр, Спс.
7. За формулою (9) обчислюють відносні похибка вимірювання ємностей C1, C2 і C3. Знаходять абсолютні похибки C1, C2 і C3.
8. За формулами (4) і (5) обчислюють ємності батареї конденсаторів СІпр і СІпс значеннями Спр і Спс, порівнюють їх зі знайденими в дослідах значеннями, беручи останні за істинні. Обчислюють абсолютні та відносні похибки вимірювання.
Досліджувана
ємністьR1,
Ом R2,
Ом Спос,
мкФ С,
мкФ ,
% Спр,
мкФ Спс,
мкФ
1 - -
2 - -
3 - -
4 -
5 -

Приложенные файлы

  • docx 1752423
    Размер файла: 174 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий