Например TDA7294
Z
Z
Z
2
2
2
2
2
2
16 ? !

РадиоКот >Конкурсы >Поздравь Кота по-человечески 2021! >

Теги статьи: ЧастотометрSTM32Измеритель RLCДобавить тег

Щуп измеритель RLC-71 + Тестер полупроводников

Автор: Andrey_B
Опубликовано 14.09.2021
Создано при помощи КотоРед.

Поздравляю Кота с юбилеем !  Ведь, как известно каждому программисту, это очень круглая дата, 16 = 2^4 = 2^2^2 !

+++ Вступление

Самые распространённые измерительные приборы в домашней лаборатории, мультиметр и осциллограф, наверное есть у каждого, кто занимается электроникой. Этими приборами покрывается подавляющее большинство потребностей в измерениях. Хорошим к ним дополнением будут приборы, которые описаны в этой статье. Щуп измеритель RLC и тестер полупроводников занимают одну нишу применения в лаборатории. Основное их назначение - измерение различных параметров компонентов, пассивных и активных (полупроводниковых), тестирование их работоспособности, проверка на контрафакт и перемаркировку.

Кроме общей занимаемой ниши и взаимного функционального дополнения, а так же некоторых элементов конструкции, эти приборы объединяет схожая судьба. Они были спроектированы для компании Мастеркит, но в связи с известными событиями на рынке полупроводниковых компонентов, стали не востребованы и их развитие остановлено. Это не помешает любителям их изготовить для собственного использования.

+++ RLC и все-все-все

Первый прибор - миниатюрный щуп измеритель RLC-71 (предполагаемое название BM8132, позиционировался как дальнейшее развитие уже продаваемого BM8032). Уже много лет эта тема не только не теряет популярности, но и продолжает пополняться все новыми и новыми вариантами приборов. Всё потому, что в реалиях современной электроники со сверхминиатюрными компонентами, на которых нет места для нанесения маркировки, универсальный прибор, который "скажет", что это за компонент, является одним из самых нужных для каждого, кто связан с электроникой.

Личный опыт использования подобных приборов, а также анализ их обсуждений и отзывов показал, какие функции в таком приборе должны быть обязательно, какие желательны, а чем можно и пренебречь. Описываемый прибор не замена прецизионному измерителю иммитанса, он позиционируется как универсальный пробник, находящийся всё время под рукой. Дополнение к мультиметру, осциллографу, при ремонте или наладке различной электроники. От него требуется быстро определить тип и оценить исправность компонента, и по возможности не сгореть, если например попался не разряженный конденсатор.

Основные отличительные черты прибора:
- отвязка измеряемого компонента по постоянному току, при измерении под напряжением (внутреннее сопротивление аккумуляторов/батареек) или со смещением (полупроводниковые переходы).
- устойчивость входа к перегрузкам (защита).
- быстрое отображение результатов измерения, одновременно во всем диапазоне частот, на достаточно крупном дисплее.
- расширенный диапазон измерений и дополнительные режимы работы (генератор/вольтметр/частотомер/тестер полупроводников).
- компоновка в виде двух щупов вместо пинцета, так как замерять приходится не только компоненты в SMD-корпусах (для которых пинцет в общем тоже имеет недостатки - одно неосторожное усилие при неидеальной форме контакта, и компонент уже нужно искать на полу). Использовать же две иглы в двух руках достаточно удобно, так как левая рука при измерении пинцетом все равно свободна.
- удобное управление и быстрый доступ до требуемых функций.
- точность, достаточная для пробника.
- несложная калибровка, осуществимая в домашних условиях.
- доступная, относительно дешёвая элементная база без экзотики.
- технологичная конструкция с минимальными заморочками по корпусу.
- прошивка МК без программатора.

Характеристики прибора

Режим измерителя RLC:
- сопротивление до 100МОм, разрешение от 0.1мОм.
- ёмкость до 100000мкф, разрешение от 0.001пФ.
- индуктивность до 100Гн, разрешение от 0.1нГн.
- принцип измерения: мост переменного тока.
- частоты синусоидального измерительного сигнала:
95Гц, 1кГц, 10кГц, 95кГц, 160кГц.
- схемы замещения: параллельная, последовательная, автовыбор.
- дополнительные измеряемые величины: Z, tg, Q.
- режим относительных измерений.
- размах измерительного сигнала: 2В.
- постоянный поляризующий сигнал: 1.5В (2мА/30мкА).
- диапазон допустимого внешнего напряжения смещения: ±24В.
- возможность одновременного отображения результатов измерения на нескольких частотах.
- возможность отображения результатов измерения крупным шрифтом.
- 5 значащих разрядов измеряемой величины (стабильные избыточные разряды полезны при сравнении или анализе компонента под внешним воздействием температуры, деформации и т.д.).

Режим пробника FDU:
- напряжение 0...±24В, полоса частот 200кГц:
- переменное среднеквадратичное (действующее, TrueRMS).
- постоянное (среднее).
- размах переменной (выше 5Гц) составляющей (пик-пик).
- частота 10Гц...30МГц, разрешение 0.001Гц, порог 30мВ.
- период 100мс...35нс.
- скважность 0.1%...99.9%.
- количество импульсов, до 1000000.
- отключаемый постоянный поляризующий сигнал (для теста полупроводников): 3В, 1мА.

Режим генератора G:
- синус: 30мВ, 300мВ, 3В. Регулировка частоты: 10Гц...100кГц.
- прямоугольник ШИМ 3В: 50Гц, 2кГц, 50кГц. Регулировка скважности: 1..99%.
- белый шум. Регулировка размаха: 20мВ ... 2.5В.

Общие:
- цветной LCD TFT дисплей 1.8d, графический 128х160.
- скорость измерения 5 раз в секунду.
- быстрый доступ до всех часто используемых функций.
- автовыключение по времени и по порогу разряда аккумулятора.
- возможность полной калибровки в домашних условиях.
- встроенный Li-Ion аккумулятор 180мА*ч.
- стандартная зарядка MicroUSB.
- масса 60г.
- размер (без щупа) 145х38х14мм.
- длина кабеля щупа 20см.

Погрешность измерений зависит от частоты и точки на участке диапазона, где производится измерение. В конце статьи ссылка, где можно ознакомиться с результатами тестирования этого прибора на образцовке, а также посмотреть процесс измерения на видео.

Назначение:
- определение типа и номинала пассивных компонентов (R,L,C).
- сравнение качества компонентов разного исполнения с близкими номиналами.
- сравнение параметров компонента на разных частотах.
- анализ параметров компонента под различным воздействием (нагрев, деформация).
- подбор компонентов по определенным параметрам.
- прямое измерение внутреннего сопротивления аккумуляторов и батарей (макс.24В).
- измерение ESR электролитических конденсаторов.
- измерение емкости переходов полупроводниковых компонентов.
- проверка диодов, транзисторов, светодиодов и т.д.
- поиск короткозамкнутых витков трансформаторов и обмоток электродвигателей.
- вольтметр/частотомер/функциональный генератор, который всегда под рукой.
- быстрое измерение АЧХ схемы сигналом белого шума совместно с анализатором спектра осциллографа.

Управление (3 кнопки):
- включение - нажатие Р (в режим RLC).
- удержание F+ - режим DFU.
- удержание S- - режим G.
- одновременное удержание S- и F+ - вход в меню.
- удержание Р - выкл.
- в режиме RLC:
- нажатие F+ - переключение частоты измерения.
- нажатие S- - принятие текущей величины за 0 для относительных измерений.
- одновременное нажатие S- и F+ - выбор схемы замещения.
- нажатие Р - выкл.
- в режиме FDU:
- нажатие F+ - вкл/выкл тока смещения для прозвонки диодов.
- нажатие S- - сброс счетчика импульсов.
- нажатие Р - выкл.
- в режиме G:
- нажатие F+ - "+" параметра.
- нажатие S- - "-" параметра.
- нажатие Р - выбор типа сигнала.
- в режиме меню:
- нажатие F+ - "+" параметра.
- нажатие S- - "-" параметра.
- нажатие P - выбор параметра.
- одновременное нажатие F+ и S- - фиксация и переключение поддиапазонов RLC вручную.

Особенности интерфейса:
- если не сразу отпустить кнопку при включении, на дисплее отобразится краткая памятка.
- для запоминания режима RLC (частоты, схема замещения) в котором прибор включится, нужно находясь в этом режиме войти в меню и изменить какой-нибудь параметр и вернуть назад, затем выйти из меню.
- значение сопротивления тускнеют при отрицательной действительной части комплексного сопротивления.
- автоопределение схемы замещения при измерении на 5ти частотах выполняется по большинству. Предположим если на двух частотах схема замещения параллельная, на трех оставшихся последовательная, будет фактически для всех частот будет выбрана последовательная. Критерий выбора: если полное сопротивление менее 10кОм – последовательная, более 10кОм – параллельная.
- интерфейс интернациональный (английский).

1. Активное сопротивление.
2. Ёмкость или индуктивность.
3. Схема замещения (параллельная "Par" или последовательная "Ser"). Символ "А" - автоматический выбор.
4. Заряд аккумулятора.
5. Частота, на которой производится измерение.
6. Добротность "Q" или тангенс угла потерь "tg".
7. Полное сопротивление.
8. Индикатор ориентировочной, относительной погрешности, чем красной части линии больше, а зеленой меньше, тем выше погрешность измерения.
9. Смещение на щупах "none" - отключено или "+1мА" - включено.
10. Переменное среднеквадратичное напряжение.
11. Постоянное среднее напряжение.
12. Напряжение пик-пик переменной составляющей.
13. Частота.
14. Период.
15. Скважность.
16. Количество импульсов.
17. Частота синуса, скважность ШИМ, или амплитуда Белого шума.
18. Выбранный размах синуса, размах и амплитуда ШИМ, или Белый шум.
19. Указатель меню настройки.
20. Номер поддиапазона (внутренняя информация).
21. Тут отображается значок "Rel" при включенном режиме относительных измерений.
* значок "NC" отображается если требуется калибровка данного режима.

Меню настройки:
1. "Display : Right". Активация этого пункта меняет положение изображения на дисплее под правую или левую руку.
2. "Cal RLC: OS+ / L-". Калибровка режима измерения RLC. Нажатие F+ вызовет переход к процедуре калибровки замкнутого и разомкнутого состояния щупов. Нажатие S- - к процедуре калибровки по эталонному сопротивлению. На дисплее будут появляться требования ожидания, замкнуть или разомкнуть щупы, или подключить эталонное сопротивление, или нажать кнопку. Нужно пошагово выполнить эти требования.
3. "Calibration U +". Калибровка измерителя напряжения в режиме FDU. Сначала для установки 0 потребуется замкнуть щупы и нажать кнопку F+. Затем нужно подать на щупы образцовое напряжение 10..15В, кнопками F+ и S- добиться его точного отображения и нажать кнопку Р.
4. "Set accu. 100% now". При активации этого пункта происходит приравнивание текущего уровня заряда аккумулятора к 100%.
5. "Auto-Off.: 300 sec". Установка времени автоотключения.
6. "Rcal 1,2 : 150.0 Ohm". Реальное значение эталонного сопротивления для калибровки поддиапазонов 1 и 2.
7. "Rcal 3 :" 20000 Ohm". Реальное значение эталонного сопротивления для калибровки поддиапазона 3.
8. "Fcorr : +120 Hz". Компенсация частоты внутреннего кварцевого генератора, для подстройки точности частотомера.

Для зарядки встроенного аккумулятора можно использовать любой адаптер +5В с разъемом microUSB. Красный светодиод около разъема светится во время зарядки и гаснет при её окончании.

Алгоритм измерения величин R,L,C заключается в накоплении комплексных значений напряжения и тока действующих на исследуемый элемент, усреднении и далее по общеизвестным формулам, нахождении численных значений величин.

Прибор собран на микроконтроллере STM32F303CBT, который имеет достаточно богатый набор периферии, множество таймеров, несколько АЦП, контроллеров ПДП, ЦАП, ОУ, компараторов и др. На ОУ DA3.2 собран фильтр и усилитель измерительного сигнала. ОУ DA3.1 - усилитель сигнала с опорного резистора (шунта) R5(R6), которые переключаются коммутатором DA1. DA7 - ключ, отключающий усилитель измерительного сигнала во время измерения напряжения и частоты. На ОУ DA2 собран усилитель напряжения на исследуемом элементе. Коммутатор DA4 переключает коэффициент усиления этого усилителя. DA8 - буфер опорного напряжения, которое формируется ЦАП микроконтроллера. DA5 - стабилизатор питания 3 В (LDO). DA6 - контроллер заряда Li-Ion аккумулятора.

Канал напряжения на измеряемом компоненте и канал напряжения на опорном резисторе (канал тока) синхронно оцифровываются каждый своим АЦП. Дифференциальный режим АЦП не используется, отдельно оцифровываются положительный и отрицательный сигналы по очереди. На каждый отсчёт производится две пары выборок АЦП для каждого сигнала. Частота выборок 3.2МГц, частота отсчётов 800кГц. Формирование измерительного сигнала осуществляется ЦАП по алгоритму DDS, частота семплирования 800кГц. Разрядность ЦАП и АЦП 12 бит. Длины буферов по 1024 отсчета.

Замеры на разных частотах происходят по очереди, время измерения на каждой - 200 мс. Для каждого второго замера для одной частоты, алгоритмически переворачивается фаза измерительного сигнала на 180 градусов, при этом физически, сам сигнал на тестируемом компоненте остается непрерывным. Для подавления постоянной составляющей, в качестве результата берётся разность двух последних замеров для каждой частоты.

Параллельно работает механизм автоматического переключения усиления по каналу напряжения и выбора опорного резистора по каналу тока (поддиапазонов) для каждой частоты.

Далее коррекция по значениям процедуры калибровки (open/short/load), механизм которой хорошо описан в документе an_346-3.pdf от Hewlett-Packard. Затем вычисления численных значений и вывод их на дисплей. При измерении на одной частоте дополнительно производится фильтрация. Калибровка эффективно компенсирует все неидеальности аппаратной части прибора.

Подробнее про тонкости процесса измерения очень доходчиво объяснил u37 вот тут: http://forum.easyelectronics.ru/viewtopic.php?f=17&t=36932&start=25

Режим измерения частоты имеет некоторые особенности. Обычно в частотомерах используется один из алгоритмов: подсчёт входных импульсов в течении известного интервала (прямой счёт) или подсчёт импульсов заполнения известной (опорной) частоты в течении периода входного сигнала (обратный счёт). У этих алгоритмов сильно падает точность в начале или конце диапазона соответственно.

В данной конструкции применен алгоритм свободный от этих недостатков. Измерение реализовано полностью аппаратно, задействовано 4 таймера и компаратор. Компаратор формирует входной сигнал, пара таймеров, связанных в каскад подсчитывает количество импульсов системной (опорной) частоты (Fо), другой 32х-разрядный таймер производит подсчёт входных импульсов с захватом по фронту входного сигнала. Последний таймер осуществляет синхронный с фронтом входного сигнала старт и остановку остальных таймеров. После окончания, асинхронно формируемого, измерительного интервала (примерно 200мс) таймеры будут содержать точное количество импульсов входной частоты (M) и количество импульсов опорной частоты (N) с точностью ± 1 такт Fо, на момент последнего фронта входного сигнала. Далее по формуле Fx=Fо*М/N вычисляется частота входного сигнала.

Относительная погрешность измерения во всем диапазоне измерений (при выбранном интервале 200мС) 1/80MГц/0.2с = 6.25*10^(-8), в абсолютных значениях, например для 1кГц, составит ±0.0000625Гц. Конечно к этой погрешности нужно будет ещё добавить погрешность кварца и погрешности, вызванные неидеальностью входного формирователя.

Изначально данный алгоритм применительно к AVR был подробно описан =GM= (за что ему огромное спасибо), вот тут: https://electronix.ru/forum/index.php?app=forums&module=forums&controller=topic&id=29796&do=findComment&comment=234466

Дополнительно 32х-разрядный таймер производит захват по каждому спаду входного сигнала для вычисления скважности.

Прибор собран на двух печатных платах, одновременно выполняющих роль верхней и нижней стенок корпуса прибора. Боковины закрыты стенками тоже выполненными из текстолита на той-же заготовке, которые припаиваются к верхней плате прибора встык. Надписи выполнены шелкографией. Таким образом элегантно решается постоянный, трудный вопрос с презентабельным внешним видом. Толщина текстолита 1.5 мм. Трассировка традиционно произведена в Topor'е. Нижнюю сторону нижней платы желательно покрыть лаком Plastik 71. Дисплей приклеен по контуру на узкий тонкий двухсторонний скотч. В качестве щупа применена швейная игла подходящего размера, припаянная к плате сразу к двум полигонам. Выносной щуп, любой подходящий, например от мультиметра, кабель - экранированный. Кнопки должны иметь такую высоту толкателя, чтобы он выступал на 2-3 мм над верхней платой. Прошить микроконтроллер можно либо программатором (например ST-Link/V2) через контакты XP1, либо используя загрузчик USB, предварительно сконвертировав hex-файл в dfu и подав +3В на пин 44 (предварительно сняв перемычку R25, точнее перерезав на плате перемычку).

Инструкцию можно взять из статьи Тепловизор или Функциональный генератор ГА-71.

Кроме микроконтроллера STM32F303CBT возможно применение STM32F303CCT. Тактовая частота 80 МГц. Дисплей - Z180SN007, графический TFT 128x160, 1,8 дюймов, на контроллере ST7735S с SPI-интерфейсом, 18PIN, шаг выводов 0,8мм, (применяется в транзистор-тестере GM328A). Аккумулятор Li-Ion LP303030 (LP403048).

Изготовленная партия приборов в пару десятков штук показала хорошую повторяемость и несложность наладки, хотя сам процесс сборки требует определенной квалификации. Имея большой опыт, можно изготовить печатные платы в домашних условиях по ЛУТ-технологии. Можно изготовление печатных плат или монтаж заказать на производстве, для этого к статье прилагаются полная спецификация и gerber-файлы. Тем, кто из-за недостатка опыта или по другим причинам не может этого сделать, могу предложить приобретение готовых приборов из остатков пилотной партии. Подробности ищите в соответствующем разделе форума.

Существует странный стереотип, если в статье с описанием конструкции присутствуют коммерческие предложения, например о приобретение наборов для сборки, такая статья подсознательно начинает воспринимается в негативном свете. Хотя по идее, если к детальному изложению конструкции добавится возможность приобретения печатных плат или наборов для самостоятельной сборки, все только выиграют. Начинающие смогут легко получить недоступную конструкцию. Продвинутые, способные собрать конструкцию без посторонней помощи, получают увеличение числа единомышленников, заинтересованных в модернизации, избавлении от недостатков и развитии конструкции. У авторов появляется лишний стимул написать подробную, качественно оформленную статью, и возможность как-то отбить затраченные на проектирование конструкции средства. Владельцы площадки получают увеличение активной аудитории и как следствие - посещений.

+++ Благодарности

Хочу поблагодарить авторов подобных приборов за развитие идеи, за опубликованные статьи, схемы, исходники и разъяснения:

u37  http://forum.easyelectronics.ru/viewtopic.php?f=17&t=36932&start=25

Neekeetos  https://radiokot.ru/circuit/digital/measure/108/

ub3taf  https://www.radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=25&t=133817

balmer  https://www.radiokot.ru/circuit/digital/measure/119/

Galizin  http://radiokot.ru/circuit/digital/measure/113/

GFXAlex2  https://radiokot.ru/artfiles/6435/ 

и других.

+++ Планы на будущее

На момент остановки проекта RLC-71 уже было почти готово дальнейшее развитие этого прибора, в котором источник тока смещения в режиме тестирования полупроводников имеет выходное напряжение 24В. Это позволяет определять номинальное напряжение стабилитронов и светодиодных матриц. Эта разновидность имеет более ёмкий аккумулятор и чуть большую длину корпуса. Ещё, зная о чрезвычайной и где-то даже нездоровой популярности часов у здешней аудитории, подумываю добавить в прибор и их :-)

+++ Ну перемарк, погоди

Второй прибор, тестер полупроводников (предполагаемое название BM8053, недорогих продаваемых аналогов не имеет). На идею прибора натолкнула хоть и на мой взгляд излишне усложнённая, но очень интересная конструкция автора

Nijka  https://radiokot.ru/konkursCatDay2017/48/

В основу работы прибора, положено явление обратимого лавинного пробоя полупроводниковой структуры. В процессе тестирования измеряется падение напряжения на тестируемом элементе с ограничением тока, исключающим необратимый тепловой пробой перехода. При нажатии на кнопку, на тестируемом элементе начинает плавно нарастать напряжение. При достижении порогового значения тока, нарастание прекращается и начинается стабилизация тока. При этом на дисплее отображается:
- текущее напряжение на тестируемом элементе.
- пиковое значение напряжения, случившееся в течении процесса измерения.
- ток через тестируемый элемент.
При отпускании кнопки пиковое значение напряжения остается на дисплее. Это полезно при наличии падающего участка ВАХ элемента, когда после пробоя полупроводниковой структуры (как у динистора), на ней значительно падает напряжение. Подобная методика изложена в ГОСТ 18604.27-86.

Для чего можно использовать этот прибор:
- отбраковка перемаркированных и неисправных компонентов.
- определение максимального напряжения работы (напряжение пробоя, обратное напряжение) диодов, транзисторов, тиристоров, симисторов, оптронов.
- измерение напряжения стабилизации стабилитронов.
- проверка и измерение рабочего напряжения высоковольтных светодиодов, светодиодных матриц и модулей.
- измерение напряжения ограничения варисторов и защитных диодов (TRANSIL, TRISIL,TVS).

Характеристики прибора:
- максимальное напряжение тестирования: не менее 1500В.
- максимальный ток тестирования: 700мкА.
- время нарастания тестирующего сигнала: 1.5сек.
- подключения: стандартные шнуры 17см Banana с "крокодилами" на концах.
- питание: =5В, USB-B (стандартный адаптер или пауэрбанк).
- ток потребления, не более: 270мА.
- дисплей: LCD TFT 160х128.
- размеры: 102х55х45мм.
- масса: 90г.

Прибор собран на микроконтроллере STM32L151C8T, который работает на частоте 32МГц. Сигнал ШИМ частотой около 1.5кГц с микроконтроллера, через драйверы поступает на ключи полумостового выходного каскада импульсного преобразователя. Ключи работают на повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к умножителю напряжения на 6. На выходе умножителя имеется делитель напряжения, для измерения выходного напряжения микроконтроллером. Ток, проходящий через исследуемый элемент на токоизмерительном сопротивлении создает падение напряжения, которое измеряется АЦП микроконтроллера.

Трансформатор выполнен на феррите N87, E-13/17/4, без зазора. Обмотки I и II содержат по 10 витков провода диаметром 0.27мм, обмотка III содержит 400 витков провода диаметром 0.09-0.1мм. Ориентировочная индуктивность обмотки III - 100-150 мГн. Дисплей - тот же, что и в вышеописанном щупе-измерителе RLC-71.

Подключение программатора для прошивки микроконтроллера и конструкция прибора аналогична Амплипульс-Микро в корпусе G1032B.

Питание можно сделать встроенное, от LiIon аккумулятора, в этом случае нужно применить две банки, т.к. прибор очень критичен к пониженному напряжению питания, и одной банки может оказаться недостаточно для питания повышающего преобразователя.

При тестировании транзисторов нужно принять меры для того, чтобы во время измерения канал оставался закрытым. Для этого нужно соединить перемычкой выводы база-эмиттер (или затвор-исток).

+++ Предупреждения

Внимание! При тестировании на контактах тестера полупроводников присутствует высокое напряжение, которое в виду маломощности прибора и ограничения тока не опасно для жизни, но достаточно болезненно при прохождении через тело человека.

И помните, щуп RLC-метра острый, а меньшее количество глаз не уменьшает шансы наколоться! :-)

+++ Фото и видео работы

RLC-71:
https://disk.yandex.ru/d/4wZG0BMyuofu9w

Тестер полупроводников:
https://disk.yandex.ru/d/xlIxZRsuIe2O7g

 


Файлы:
печатная плата под ЛУТ для RLC-71
монтажная схема RLC-71
принципиальная схема RLC-71
краткий мануал RLC-71 (BM8132)
печатная плата под ЛУТ для тестера
монтажная схема тестера
принципиальная схема тестера
гербера и спецификация для RLC-71_r31
прошивка RLC-71_ver0.5
прошивка тестера ver0.1


Все вопросы в Форум.




Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

89 0 1
2 0 0

Эти статьи вам тоже могут пригодиться: