LC meter

LC meter

Inleiding

De hierin beschreven lc-meter meet zeer nauwkeurig spoelen en condensatoren en voldoet ruimschoots aan alle amateur eisen. Het oorspronkelijke idee van deze lc-meter komt van Bill Carver, W7AAZ en is beschreven in Communications Quaterly, Winter, 1993. Later hebben amateurs zoals Neil Heckt (www.aade.com) dit schema verder uitgewerkt.

Schema

Let op! De componenten benaming en opbouw wijken af van het werkelijke schema.

Theorie

Wanneer de aansluitklemmen zijn kortgesloten ligt de spoel aan GND. De spoel met een waarde van ca. 68 en =680 , inclusief parasitaire capaciteiten, resoneren na het aanzetten van de LC meter op een frequentie van ca. 700 kHz (zie figuur 1). Noem deze frequentie . Wanneer je op calibreren drukt wordt parallel aan en parasitaire capaciteiten geschakeld. De frequentie die nu gemeten wordt noemen we f2 en deze ligt lager dan f1. Dus >> .

Omdat de LC kring in resonantie is geldt:

=1 eq 1

eq 2

Na het bijschakelen van geldt:

eq 3

eq 4

Substitueer uit formule 2 in formule 4 en na het ombouwen volgt:

eq 5

Hieruit zien we dat we uit kunnen berekenen en dat daarom bijzonder nauwkeurig moet zijn; dus een mica of polystyreen condensator.

Als we een onbekende op de uitgangsklemmen aansluiten dan kunnen we dezelfde beredenering volgen als hierboven want . Hieruit volgt:

eq 6

kan berekend worden uit wanneer we uit formule 4 invullen in formule 6 en door het meten van , en .

meet je voor het calibreren, tijdens het calibreren en na het aansluiten van de onbekende capaciteit . De gemeten frequenties worden opgeslagen in het PIC geheugen. In het geheugen is ook de waarde van , 1000 pF inclusief parasitaire capaciteiten, als getal opgeslagen. Daarom is het belangrijk dat nauwkeurig bepaald wordt en dat gemaakt moet worden van stabiele en temperatuuronafhankelijke condensatoren. Wanneer we vervangen door een andere waarde dan moeten we ook de waarde die in de PIC zit opgeslagen veranderen. De waarde van de luchtspoel is niet belangrijk. Deze waarde wordt uit formule 1 berekend en in de PIC opgeslagen. Een praktische waarde is 68 .

Om te bepalen volgen we dezelfde procedure als bij het bepalen van .

Omdat en bekend zijn kunnen weuit formule 7 berekenen.

=1 eq 7

Verder geldt:

eq 8.

Substitueren we uit formule 7 in formule 8 dan krijgen we:

eq 9

De formules voor en zijn nu bekend. Vanaf dit punt kunnen wij nu een programma gaan schrijven die bovenstaande formules in programmastappen kan omzetten. Dit omzetten wordt besproken in het volgende hoofdstuk.

PIC 16F628A

In de PIC zit het programma opgeslagen dat de pulsen telt die op pin 3 binnenkomen.

Voor het calibreren wordt gedurende een bepaalde tijd de frequentie gemeten. Wanneer het knopje calibreren wordt ingedrukt wordt gemeten en na de calibratie .

Door temperatuureffecten verloopt, na verloop van tijd, de LC meter en moet het calibreren opnieuw gebeuren.

We hebben al eerde vastgesteld dat de frequentie ongeveer 700 KHz bedraagt. Deze frequentie tel je met een stukje software dat in de pic zit opgeslagen. Dit stukje software bepaalt de meettijd. Deze meettijd bepaalt ook de andere frequenties. Zijn alle frequenties, en bekend dan kunnen hieruit de op de meetklemmen aangesloten C of L bepaald worden. Het uitrekenen van de onbekende en gebeurt met een programma dat in de PIC wordt opgeslagen. Er zijn twee mogelijkheden om dit in een PIC te zetten te weten; met een assembler of met een compiler. Met een compiler maak je een code die goed te onderhouden en overdraagbaar is. Tevens gebruik je een compiler om floatingpoint berekeningen te maken; iets dat met een assembler niet gemakkelijk gaat. Helaas neemt een compiler extra kostbare geheugenplaatsen in beslag. De functies die de PIC moet uitvoeren zijn:

meettijd, bepalen van de drie frequenties, berekenen van de spoel en , berekenen van de onbekende spoel of capaciteit, aansturen van het LCD display, calibreren, busy indicatie, foutafhandeling enz.

De werking

Het hart van de schakeling (zie fig 1) is de LM311, een voltage comparator. Deze schakeling met de LM311 wordt een Schmitttrigger genoemd en oscilleert op een frequentie van 3 Hz als je de LC kring als niet aangesloten beschouwd. Het outputsignaal van de LM311 is blokvormig. Een blokvormig signaal zit vol met harmonischen waarop de LC kring zal reageren. Eén van de harmonischen is zo sterk dat de schakeling hierop gaat oscilleren. Deze frequentie is rond 700 kHz. De nauwkeurigheid van deze LC meter wordt alleen maar bepaald door de referentie condensator . Dit is óf een polystyreen óf een mica condensator van 1000 pF. De tolerantie van deze capaciteit moet kleiner dan 1% zijn. Als dit niet nauwkeurig genoeg is, moet een combinatie van C’s gemaakt worden of een C worden uitgezocht m.b.v. een capaciteitsmeter. Andere kleine afwijkingen kunnen ontstaan door capacitieve strooieffecten van enkele ’s.

De spoel heeft geen enkele invloed op de nauwkeurigheid van deze meter zolang het maar een luchtspoel is. De zelfinductie is voor een luchtspoel frequentie onafhankelijk; een spoel gewikkeld op een ferrietkern daarentegen wel.

De constructie

De bouw levert geen enkel probleem op. De kritische onderdelen zijn het spoeltje en condensatoren C1, C9 en C10. Het spoeltje is een luchtspoeltje of een standaard ferrietloos spoeltje van 68 H. De hiergenoemde capaciteiten zijn polystyreen capaciteiten. Let er verder goed op dat de PIC 16F628, LM311, 78L05 en het LCD display goed worden aangesloten. Check, check, dubbel check, alles.

Neem voor alle zekerheid een diode op in de pluslijn van de batterij. Sluit je de batterij verkeerd aan dan zorgt de diode ervoor dat de kritische onderdelen niet voortijdig het loodje leggen. Wanneer er geen letters op de LCD display verschijnen dan moet de instelpot verdraaid worden.

Gebruik

De modes van de LC meter worden ingesteld door een 3 deks 4 standen schakelaar.

Mode 1 helemaal linksom is uit

Mode 2 Wait / Calibrating / Ready Measure n (n van nano)

Mode 3 Onbekende C: druk op het drukknopje om parasitaire capaciteiten te elimineren

Mode 4 Onbekende L: druk op het drukknopje om parasitaire inducties te elimineren

Door elke keer op het drukknopje te drukken kunnen uit diverse meet methodes gekozen worden wanneer de 3 desk 4 standenschakelaar in mode 2 staat.

Reay Measuring n Uitlezing in nano’s

Ready Measuring Uitlezing in micro’s

Ready Match n Mode Uitlezing Lz – Lx ofwel Cz – Cx in nano’s

Ready Match Mode Uitlezing Lz – Lx ofwel Cz – Cx in micro’s

Ready Match % Mode Uitlezing in procenten

Hierin is Lz / Cz het nullen van een bekende L / C en Lx is de onbekende L / C; je meet dus het verschil tussen een bekende en onbekende L of C.

Wanneer de LC meter aangezet wordt, wordt de meter gekalibreerd. Voor een C meting laat je de aansluitcontacten open, voor een L meting sluit je de contacten kort. Zet de meter in de stand in stand 3 en druk op het drukknopje om een misaanwijzing van de LCD te compenseren. Wanneer óf de C óf de L te groot is werkt de LC meter niet meer. Dit wordt veroorzaakt door de te lage Q van de componenten waardoor de impedantie van de LC kring te laag wordt waardoor de schakeling niet meer oscilleert.

Met deze meter kunnen ook varicaps gemeten worden.

Controleer voor het monteren of de printsporen op de printplaat niet onderbroken zijn. Herstel deze sporen met een stukje blank montagedraad.

Specificaties

Het meetbereik is:

Bereik L 1 100