LC Meter met AT80x2051

L-C Meter Version 2.0

Note:If you found this article via Google, this is obsolete, due to the availability of the AT80C2051. A better working LC meter can be found in "Improved LC Meter for SMD's with a PIC16F628". Link here: lc_meter_628.html

Only Netherlands

Deze LC-meter is een zeer nuttig apparaat om kleine indukties en capaciteiten te meten , gebruikmakend van de frequentiemeting van een LC-oscillator en nauwkeurige berekeningen met een Atmel micro-controller. Aanleiding om dit project te bouwen was de mogelijkheid om ook nog andere dingen met deze meter te doen : b.v. het meten van VARICAP dioden ! - zie het artikel bij LABO Varicaps_meten.htm

Voor dit meetinstrument is een print ontworpen , iets groter als het LCD display , en gebouwd met zeer veel aandacht om de onderdelen op een ideale plaats op de print te krijgen . De software voor de micro-processor is gratis . Het instrument is gebaseerd op een andere LC-meter met een PIC in plaats van een Atmel. Vermits ik meer thuis ben in Atmel programma's, heb ik mogelijkheid tot verbetering of uibreiding. De Atmel chip is geprogrammeerd met de standaard Bascom programmer en Bascom 8051 . Er is niet gebruik gemaakt van Basic, maar van assembler.

L en C Meter functie :

Range in C : meting vanaf 0.10 pF, tot een maximum capaciteit van ongeveer 150nF – of zo lang dat de oscillator werkt.
Capaciteit : alleen bipolair, dat betekent, geen elco condensatoren .
Range in L : meeting vanaf 0,10 µH, tot een maximum inductiviteit ongeveer 100 mH – misschien een beetje meer.
Varicap meting : met een klein opzetstukje zijn metingen met VARICAP DIODEN mogelijk.

Calibratie en berekeningen :

Bij het aanzetten van de meter , met de schakelaars in Cx meting, moet de spoel aan massa liggen (= S4 gesloten) en wordt er een frequentie meting gedaan van de LC resonantiekring met 150µH (L1) en 1000pF (C1) = een frequentie van ca. 410.936 KHz. Deze frequentie wordt in het geheugen opgeslagen als F1.
Bij het induwen van de S2 Calibratie schakelaar , wordt er een C van 1000pF (C2) parallel bij-geschakeld. De frequentie wordt opnieuw gemeten en opgeslagen als F2. Deze frequentie zal dus lager zijn dan de eerste door de parallel schakeling van C1+C2. Na het loslaten van S2 callib. wordt er een continue frequentie-meting (F3) gedaan . Zonder aangesloten condensator Cx zal de display-waarde rond de nul pF hangen, en bij aansluiten van een onbekende Cx zal het display de waarde van de onbekende Cx aanduiden. Als we nu voor C2 een preciesie-C nemen (+ temperatuur-ongevoelig ), kunnen we wiskundig gezien de waarde van C1 berekenen :

Op dezelfde manier kunnen we i.p.v. C1 ook de onbekende Cx berekenen : Cx= C1*(F1² /F2²-1)
In het processor geheugen wordt de waarde van 1000pF (C2) als referentie ingegeven.
Als de gebruikte referentie C2 niet de waarde van 1000pF heeft, maar b.v. 1004pF, moet dat aangegeven worden in de software van het programma.

De precieze waarde van de spoel 150µH is niet erg belangrijk, zolang het maar een luchtspoel is. Deze zijn nl. weinig temperatuur-afhankelijk. In nood kan een 150µH spoeltje gewikkeld zoals een weerstand gebruikt worden.

De spoel L1 wordt berekend met :

Het is raadzaam om regelmatig te calibreren, omdat buiten de referentie C2, de andere componenen WEL temperatuur afhankelijk zijn, en de meting kan afwijken van de echte waarde.
Bij een Lx meting is de procedure dezelfde als hierboven, behalve dat er bij de spoel een onbekende spoel in serie geschakeld wordt, in plaats van een onbekende Cx parallel over C1.

Formule voor de berekening van een onbekende inductiviteit : Lx= (F1² / F2²-1) *L1
Formule voor de berekening van een onbekende capaciteit : Cx= (F1² / F2²-1) *C1

Schema :

Werking van de schakeling :

De schakeling bestaat uit een oscillator met een voltage comparator LM311 . Als de LC kring gesloten is, is de output van de LM311 blokvormig , met harmonischen waarop de LC kring terug zal reageren. Eén van de harmonischen zal sterk reageren op de resonantie-frequentie, en de schakeling zal gaan oscilleren op deze frequentie. Dat zal hier rond de 410.936KHz zijn.
De nauwkeurigheid van de oscillator wordt hier alleen bepaald door de referentie condensator C1. Dit moet een 1% type mica of polystyreen zijn. Eventueel kan een juiste waarde uitgezocht worden met een goede capaciteits-meter.
De beste spoel is zoals reeds eerder gezegd een luchtspoel, of anders een goed verkrijgbaar 150µH weerstands-spoeltje.
De pulsen uit de LM311 gaan naar poort P3.5 van de micro-controller. De meet-tijd van het aantal pulsen op deze poort wordt bepaald door de software.
De micro-controller meet 3 frequenties F1, F2 en F3, berekend de waarde van de spoel en C1, berekend de onbekende spoel of capaciteit en zet de waarden op het display.
De Microcontroller reset op pin1 gebeurt met een elko van 1 µF. Eventueel kan ook een reset-knopje voorzien worden.
Display :

Om de resultaten weer te geven, gebruik je best een intelligent LCD display van 2 regels van 16 karakters. In de bovenste rij komt het resultaat van het gemeten component, in de onderste rij komt de huidige meet-frequentie van de LC oscillator.
Voorbeeld:
Cx= 1004.9 pF
302052 Hz

De verversingssnelheid van het display is altijd een compromis tussen het knipperen van het display en de meet-nauwkeurigheid. De eigenlijke meting bestaat uit een frequentie-meting met behulp van een TIMER en een teller. De teller-inhoud wordt regelmatig gelezen en ge-reset. Hier is gekozen voor 4 metingen per seconde; de frequentie wordt dus 4x per seconde gemeten en weergegeven op het LCD. Het gebruikte kristal van 11.059 MHz limitteerd de maximum toonbare oscillator frequentie tot 460 kHz. Indien de timing en preselectie in het programma aangepast wordt, is het ook mogelijk om een 24 MHz kristal te gebruiken. Dat maakt het mogelijk om een hogere LC oscillator frequentie te gebruiken en hogere nauwkeurigheid met kleinere ranges. Een 11.059 MHz kristal is hier voldoende, omdat de nauwkeurigheid voor deze toepassing voldoende is.

Voeding :

Het instrument krijgt zijn voeding via een 9 V batterij , met daarachter een kleine 5 V stabilisator in een TO92 behuizing. Eventueel kan een kleine net-adapter gebruikt worden van 240V/100mA gelijkstroom . Het verbruik is ongeveer 30mA zonder de verlichting van de LCD .

Gebruik :

Zet de meter aan met de S1 schakelaar , en met de S4 schakelaar gesloten. Anders is er geen frequentie te zien of krijg je gekke waarden.
Om capaciteit te meten : zet de meter aan
Zet schakelaar S3 op CX en S4 op CX ( gesloten). Hierna schakelaar S2 (Call.) een paar seconden induwen - er komt op het display b.v. 1004.9 pF - en loslaten. Het display komt nu ongeveer naar 00.11pF . Er kan nu een onbekende Condensator aangesloten worden en de waarde daarvan afgelezen worden.
Om induktiviteit te meten : zet de meter aan
Zet schakelaar S3 op LX en schakelaar S4 op CX ( gesloten). Hierna schakelaar S2 (Call.) een paar seconden induwen - er komt op het display b.v. 150.20 µH - en loslaten. Het display komt nu ongeveer naar 0.025µH . Schakelaar S4 op Off zetten (= meetpunten open) . Deze procedure is nodig om eventuele induktiviteit van de meetsnoeren te elimineren. Er kan nu een onbekende spoel worden aangesloten en de waarde afgelezen worden.
Doe regelmatig terug een callibratie van de meter.

Design beschrijving :

Het instrument met het batterijvak is in dit geval ingebouwd in een kastje van een oude IR-TV bediening. Het display en schakelaars zijn in bestaande gaten gemonteerd waar vroeger toetsen zaten , en de meetbusjes zijn uit-geboord in het kastje. Het print-circuit bord is vastgezet samen met de LCD. Tussenin zitten afstands-busjes. Zie voor meer info naar de beelden hieronder.

Beelden van het apparaat :

Componenten lijst :

Onderdeel Waarde
R1, R2, R3   100 K
R4           47 K
R5         1 K
SIP             14 rij pennen voor LCD
C1              1000 pF condensator 2% of gelijkaardig
C2             1000 pF styroflex condensator 1%
C3,C4        10 µF/16V condensator
C5,C10,C11 100 nF MKT condensator
C6,C7        22 pF keramische condensator
C8               1 µF electrolyt condensator (for start-up reset)
LCD        2 x 16 character LCD
X1           11.059 MHz crystal - Low profile
L1               150 µH
IC1         LM311N voltage comparator
IC2              Atmel AT89C2051 microcontroller
IC3              LM 78L05 stabilisator 5V
A1             Display LCD 16x2 characters + 14p connector
1                  20 pin voet voor IC2
S1                Switch 1x on/off - power on-switch
S2a,S2b    Switch 2x wissel met autorelease
S3a,S3b    Switch 2x wissel
S4              Switch 1x wissel
X2, X3     Mini stekker-busjes
1              Plastic of metalen kastje
1                  Clip voor 9V batterij

Controller programma :

De sofware van de microcontroller is zo eenvoudig mogelijk geprogrammeerd met maar 1 doel : de functionaliteit van het toestel garanderen. Er zijn zeker nog verbeteringen mogelijk . Het hier verkrijgbare voorbeeld is ter beschikking gesteld door Jiří Reček.

Het gebruik van het programma is gratis. U kan het gebruiken als er geen wijzigingen aan gebeuren. Een gewijzigd programma moet naar de auteur verzonden worden.
Voor de programma-code , zie Download sectie.

Download en links :

Programming code : lcm2051code.zip
All Files : Schema - Lay-out - Print circuit : lcm_2051 all.zip
Original design whith PIC http://www.aade.com/lcm2binst/LC2Binst.htm

mail: on1bes Scarlet.be

ON1BES Labo 2015 LC meter met AT80c2051