Miernik indukcyjności i pojemności Mk³

Do opracowania miernika LC zainspirowała mnie lektura cyklu artykułów poświęconych miernikowi LC Tektronix Type 130 z 1954 roku, opublikowanego w miesięczniku Vintage Workbench (czerwiec–sierpień 2020), autorstwa Alana Hampela. W tamtych czasach była to imponująca konstrukcja inżynierska, w pełni oparta na technice analogowej.

Choć dziś dostępnych jest wiele niedrogich mierników LC, ich podstawową wadą jest ograniczona dokładność przy pomiarze bardzo małych wartości. Filtry radiowe (RF) często wymagają precyzyjnych pomiarów elementów o pojemności poniżej 10 pF, lub indukcyjności mniejszej niż 10 μH.

Konstrukcja Tektroniksa wykorzystywała generator odniesienia o częstotliwości 140 kHz (FREF). Generator pomiarowy (FTEST) był początkowo dostrajany do tej samej częstotliwości.

Następnie, po dołączeniu kondensatora do obwodu rezonansowego lub cewki szeregowo z już istniejącą, częstotliwość generatora testowego ulegała obniżeniu.

Zmieszanie obu sygnałów dawało składowe o częstotliwościach FREF + FTEST oraz FREF − FTEST. Wybierając tę drugą za pomocą filtra dolnoprzepustowego, model T-130 wykorzystywał pomysłowe rozwiązania analogowe do przekształcenia uzyskanego sygnału na odpowiadającą mu wartość pojemności lub indukcyjności, wskazywaną przez wskaźnik z ruchomą cewką. Urządzenie umożliwiało dokładny pomiar w zakresie od 1 pF do 300 pF oraz od 1 μH do 300 μH.

Należy pamiętać, że w tamtych czasach nie było jeszcze tranzystorów, dlatego wykorzystywano dostępne wówczas rozwiązania, czyli lampy elektronowe.

Mój pierwszy projekt miernika LC opierał się w dużej mierze na tych samych zasadach i działał całkiem dobrze, jednak miał pewne wady. Do ustawiania częstotliwości testowej przed pomiarem pojemności lub indukcyjności służyły dwa kondensatory nastawne – jeden do regulacji zgrubnej, drugi do precyzyjnej. Było to czasochłonne i niewygodne, dlatego dodałem funkcję automatycznego zerowania po włączeniu zasilania.

Dodatkowym utrudnieniem była obecność dużego wyświetlacza LCD, który zastąpiłem wyświetlaczem OLED – takim samym, jakiego użyłem wcześniej w moim generatorze sygnału AM/FM DDS (EdW 01/2025) oraz tłumiku RF 0…110 dB (EdW 03/2025). Wyświetlacz OLED jest tańszy i pobiera znacznie mniej energii, dzięki czemu miernik może pracować przez wiele godzin na trzech ogniwach AA. Zastosowanie przetwornicy podwyższającej napięcie (step-up) pozwala na jego działanie aż do momentu, gdy napięcie całego zestawu baterii spadnie do 1,8 V (czyli 0,6 V na ogniwo). Przekłada się to na realne oszczędności w eksploatacji.

Po wprowadzeniu tych zmian powstał miernik, który działał poprawnie, jednak nadal miałem poczucie, że konstrukcja jest zbyt złożona i zawiera zbyt wiele elementów – w tym również takich, które trudno było zdobyć. Funkcja automatycznego zerowania trwała zbyt długo, a dokładność i rozdzielczość nie spełniały moich oczekiwań. Dodatkowym wyzwaniem była kalibracja urządzenia.

Wszystkie te problemy udało mi się rozwiązać w finalnej wersji projektu. Odbiega ona nieco od pierwotnej koncepcji firmy Tektronix, ponieważ pomiar nie rozpoczyna się od określonej częstotliwości. Częstotliwość robocza ma obecnie znaczenie drugorzędne, ponieważ jej wpływ jest uwzględniany i eliminowany w obliczeniach. Zastosowano również układ samokalibracji, który zapewnia dokładność na poziomie około 2% w całym zakresie pomiaru pojemności.

Aktualny zakres pomiarowy pojemności to od 1 pF do ponad 1200 pF, z rozdzielczością 0,1 pF. Zakres pomiaru indukcyjności wynosi od 100 nH do ponad 2500 μH, przy rozdzielczości 10 nH dla wartości poniżej 10 μH.

Można zauważyć, że nowa koncepcja automatycznej kalibracji sprawia, iż działanie tego układu jest nieco zbliżone do naszego cyfrowego miernika LC opartego na Arduino, opisanego w czerwcu 2017 r. (siliconchip.au/Article/10676), który z kolei bazował na wcześniejszym cyfrowym mierniku LC o wysokiej dokładności.

W tamtych konstrukcjach zastosowano komparator w układzie generatora, co powodowało pewne problemy i ograniczenia. Jak się przekonasz, gdy przejdziemy do omawiania schematu, sposób realizacji tego miernika różni się nieco od poprzednich. Wykorzystuje on osobny generator oparty na inwerterze oraz mechanizm autokalibracji, co pozwala uzyskać lepszą dokładność w szerokim zakresie mierzonych wartości.

Dostępność komponentów

Pozyskiwanie komponentów sprawia czasem trudności, jednak dołożyłem starań, by w chwili pisania tego artykułu wszystkie elementy były dostępne w ofercie element14. Część z nich można również znaleźć u wielu sprzedawców na AliExpress, i to w bardzo przystępnych cenach. W niektórych przypadkach konieczny może być jednak zakup większych partii. Mimo to, ze względu na atrakcyjne ceny, warto rozważyć taką opcję.

Oczywiście, jak to bywa, licho nie śpi – i zanim artykuł trafił do druku, część kluczowych elementów zdążyła się wyprzedać. Na szczęście zorientowaliśmy się w porę i zdołaliśmy zabezpieczyć odpowiednią ilość, dlatego dostępny jest niemal kompletny zestaw (szczegóły w wykazie elementów). Jeśli więc nie masz możliwości samodzielnego skompletowania wszystkich niezbędnych elementów lub po prostu nie chcesz się tym zajmować, gotowy zestaw będzie wygodnym rozwiązaniem.

Wydajność

Jednym z głównych celów tego projektu było uzyskanie precyzyjnych odczytów dla cewek o niskiej indukcyjności. Filtry VHF zazwyczaj wymagają cewek o indukcyjności poniżej 1 μH.

Posiadam zabytkowy miernik Q, model Meguro MQ-160. Konstrukcja tego urządzenia sięga lat 40. XX wieku, natomiast egzemplarz, który mam, został wyprodukowany w 1969 roku. Nadal działa całkiem przyzwoicie – pod warunkiem, że lampy są sprawne.

Do miernika MQ-160 dołączone było pudełko z 14 cewkami kalibracyjnymi o indukcyjnościach od 1 μH do 25 mH. To duże cewki z rdzeniem powietrznym, które śmiało można uznać za prawdziwe dzieła sztuki. Ich dokładność nie zmienia się z upływem czasu, dlatego nadal stanowią wiarygodny wzorzec.

Założyłem, że moje cewki wzorcowe mają odpowiednią dokładność, ponieważ w instrukcji do miernika Meguro nie podano szczegółowych informacji na temat ich tolerancji. Dokładność pomiaru pojemności kondensatorów zależy od tego, jak blisko wartości nominalnej znajdują się kondensatory kalibracyjne o tolerancji 1%, dlatego można przyjąć, że dokładność nie jest gorsza niż ±2% (a prawdopodobnie bliższa ±1%).

Przy częstotliwości pomiarowej 600 kHz lub niższej wszystkie cewki z rdzeniem ferrytowym wykazują zaniżone wartości, ponieważ przenikalność ferrytu maleje wraz ze spadkiem częstotliwości. Na przykład pomiar cewki o nominalnej indukcyjności 68 μH przy częstotliwości 572 kHz dał wynik 58,5 μH, natomiast dla cewki 1 μH rezultat był znacznie lepszy – przy 630 kHz uzyskano wartość 89 μH. W przypadku cewek z rdzeniem powietrznym częstotliwość pomiarowa nie ma istotnego wpływu na wynik – odczyty pozostają stabilne.

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz