Измеритель nRLC

 

Прибор nRLC представляет собой измеритель иммитанса и является развитием и доработкой проекта uRLC. Были взяты лучшие схемные решения и внедрены новые идеи для уменьшения габаритов и веса, улучшения технических характеристик и удобства использования. Ну и как ранее ставилась задача догнать и перегнать технические образцы вероятного противника
На фото uRLC сверху, nRLC снизу.

На текущий момент прибор собран и успешно работает в 2-х экземплярах.

 

 

-Прибор существенно уменьшился в размерах.
- увеличена амплитуда тестового сигнала с 1,5В р-р до 2,7В р-р, что позволило улучшить параметр сигнал-шум, увеличить динамический диапазон входных напряжений АЦП и в конечном итоге улучшить точность измерения. Для реализации данного решения в схеме установлен эффективный повышающий преобразователь с 3.7В до 5В.
- переделан узел преобразователя ток- напряжение, вместо 4-х измерительных шунтов установлены 2 на 100 Ом и 10К. 4 шунта давали избыточное количество комбинаций вместе с программируемыми усилителями, схемное решение было более громоздким, а также давали повышенную паразитную емкость. На высоких частотах применение высокоомного шунта было ограничено, и он становился бесполезным.
- изменена компоновка прибора, для снижения габаритов, применено 2 ПП, соединенных малогабаритными разъемными соединителями. Расположение элементов более выверенное, для максимального снижения шума на аналоговой части .
- 1,3’ OLED экран низкой контрастности заменен на более качественный яркий и контрастный IPS экран 1,14’, который имеет более высокое разрешение, что позволило получить более привлекательный интерфейс. Основные параметры выводятся крупным шрифтом, несмотря на небольшую диагональ экрана читаемость параметров хорошая.
- Интерфейс имеет русский и английский языки.
- установлен 5-кнопочный джойстик вместо 3-кнопочной «качельки», что упростило управление прибором. Реализован аппаратный сброс МК комбинацией кнопок ОК+ Вниз и ввод в режим программирования через USB комбинацией кнопок Ок+ Вверх.
- добавлена ИМС гироскопа - акселерометра BMI160, что позволило реализовать удобные сервисные функции: переворот экрана при смене руки с правой на левую, автовключение и автовыключение по наличию движения/ вибрации.
- Разработано специальное приложение под ОС Win 10, прибор подключается по USB кабелю, ведутся работы по подключению через Bluetooth BLE.
- применены качественные наконечники щупов с серебряным покрытием, что обеспечивает низкоомный и надежный контакт.
- использован современный разъем USB- Type C, реализовано подключение к ПК для связи с программой и передачи показаний, а так же программирование через USB двумя способами: напрямую либо через программатор St-Link.
- базовые элементы новой схемы- МК, инструментальные ОУ, PGA, такие же как в предшествующем приборе. Что позволяет с минимальными капиталовложениями, используя uRLC как донора, собрать доработанную версию nRLC.
Видео демонстрация работы https://youtu.be/Y4qtolGoLX4

ТТХ

- измерение R, L,C,X, Z, Q,tg b элемента.
-измерительные частоты зависят от настроек в прошивке. По умолчанию 20Гц, 100Гц, 1кГц, 10кГц, 50кГц,100кГц, 200кГц.
- амплитуда тестового сигнала 2,7В р-р для обычного измерения и 0,25В р-р для внутрисхемного.
- базовая погрешность измерения в середине диапазона не хуже 0,1% для частот до 50кгц, 0.3% для 100кгц и 0,5% для 200кГц.
- пределы измерения 10мОм- 10Мом, 10нГн-100Гн, 0,1пФ- 100мФ, минимальное разрешение не хуже 1 мОм, 1нГн, 0,010пф.
- питание от Li-po аккумулятора 3,7В 150мАч с размерами 20х30х4(5)мм.
- ток потребления зависит от профиля производительности, яркости экрана, в среднем 50мА.
-размеры в корпусе со щупами 132х 23х 15мм. В защитном чехле 140х26х18мм.
-Вес 29 гр.

Особенности конструкции.
Схема разбита на фрагменты: аналоговая часть, цифровая часть и периферийная

В высоком разрешении выложена в  pdf прикрепленном к статье. 

 

Монтируется все  из 6 отдельных ПП, которые находятся на одном листе- заготовке двухстороннего текстолита толщиной 1мм. ПП заказываются одним заказом у производителя ПП из Китая.
Платы вырезаются ножницами по металлу и механически обрабатываются по контуру, подгоняются пазы под щупы для плотной установки. Каждый из 2-х щупов состоит из 2х ПП, создающих аналог коаксиального кабеля, экранирующего сигнальные дорожки от ЭМИ.

Непосредственно устройство собрано на 2-х пп. На основной плате смонтирована аналоговая часть, цифровая часть- МК, цепи питания. На второй плате установлены элементы из 3-го листа схемы - экран, джойстик, акселерометр, бузер, разъем USB. Несмотря на чрезмерно плотный монтаж предпринимались меры для максимального улучшения параметра С/Ш измерительной части. Платы устанавливаются в 2 этажа друг над другом при помощи 2-х 10-пиновых штыревых разъемов с шагом 1,27мм. Щупы плотно вставляются в пазы в основной плате, центруются так, чтоб сходились кончики щупов и обпаиваются по всем смежным контактным площадкам, после чего напильником подпиливаются кончики щупов для лучшей центровки.

Схема питается от небольшого Li-ion аккумулятора, подключаемого на разъеме, зарядка осуществляется микросхемой U13, R41 задает ток заряда. Разъем- USB Type C. Через разъем возможна зарядка, а так же программирование МК через специальный переходник к программатору, таком же, как в осциллографе GFX-3(4), только с разъемом USB Type C. На контакты D+, D- USB подключены пины SWDIO, SWCLK. Имеется альтернативный режим программирования через режим DFU, для инициации режима следует перед включением зажать кнопку «Вверх», затем включить прибор, нажав ОК, при помощи утилиты DFUSEDemo прошить прибор.
Прибор имеет 2 отдельные шины SPI «аналоговую» для настройки КУ программируемых ОУ и «цифровую» для управления акселерометром и экраном. С целью снижения наводок на аналоговую часть передача данных происходит в перерывах между измерениями.
Q1, Q2 подают питание на основную схему, первичное включение происходит при нажатии кнопки ОК, далее МК поддерживает каскад во включенном виде до момента выключения.
U12, U16, U17 - LDO стабилизаторы напряжения, U17 питающий аналоговую часть, выбран с хорошим параметром подавления вкодных пульсаций. Входные цепи питаются повышенным напряжением 5-5,5 В, формируемым синхронным повышающим инвертором на U15. Для снижения пульсаций от инвертора после него установлен дополнительный DO стабилизатор U12.

Аналоговая часть.

Входные цепи питаются повышенным напряжением 5В для исключения искажений формы и амплитуды сигнала с учетом повышения тестового сигнала. Прежде всего, требовательны к величине питания инструментальные ОУ. Выходная часть, работающая на АЦП для согласования с уровнями МК, запитана от 3,3В.
ИОН на U8 формирует 2 опорных напряжения для 5 и 3,3В как половину питания, 2,5В и 1,65В соответственно.
U1- повторитель сигнала ЦАПа, необходим для получения низкого выходного сопротивления тестового сигнала.
U2 защищает от пробоя входные цепи в случае подключения к прибору заряженного конденсатора.
U6 – инструментальный ОУ, измеряющий напряжение на щупах, канал «напряжения».
U3-U4- аналоговые коммутаторы 2 измерительных шунтов преобразователя ток-напряжение.
U5- ОУ, формирующий замкнутый контур протекания тока через измерительный шунт. Формирует напряжение близкое к опорному на нижнем щупе вне зависимости от протекающего тока.
U7- инструментальный ОУ, измеряющий напряжение на одном из подключенных шунтов, канал «тока».
U10,U11 –программируемые по шине SPI ОУ с устанавливаемым КУ от 1 до 50, более высокие доступные значения 100 и 200 не используются в связи с низкой скоростью нарастания сигнала и повышенной шумностью. После данных МС сигналы напряжения и тока поступают на соответствующие каналы АЦП МК.

Цифровая часть.

Схема работает под управлением контроллера STM32F303. Для экономии заряда аккумулятора реализованы 3 профиля работы, в которых среди прочего меняется тактовая частота МК.

Экран использован цветной IPS 1,14’ 135x240p на контроллере ST7789 c управлением по SPI, экран осторожно демонтируется с шилда и паяется шлейфом на вторую плату устройства (также экран можно купить без шилда, это даже дешевле). Яркость подсветки регулируется при помощи ШИМ с МК. Имеется 2 варианта работы экрана: прямое отображение с белым фоном и черными символами, либо инверсное с черным фоном и белыми символами.
Акселерометр - гироскоп BMI160 монтируется на вторую плату при помощи паяльного фена. Через пин INT1 и диод D4 реализовано включение устройства по сработке акселерометра (детекция движения). При вибрации на пине появляются импульсы высокого уровня.
Управление
Управление схемой происходит совмещенными 5-ю кнопками- джойстиком: влево-ок-вправо- вверх-вниз. Несколько кнопок делают управление более удобным и быстрым.
Программно задействованы функции на короткое и длинное нажатие. При этом 2 кнопки влево-вправо для экономии ног МК опрашиваются через цепь АЦП измерения батареи. Кнопка вниз через лог элемент U18 может формировать сигнал сброса МК при одновременном нажатии «Ок» и «Вниз». Кнопка «Вверх» через инвертирующий сигнал Q3 может вводить МК в режим программирования через DFU в момент включения, либо работать просто как кнопка переключения режимов.

Приложение

 

Устройство может соединяться с ПК через USB кабель, также планируется реализовать беспроводное Bluetooth BLE соединение. Работа происходит в специально созданной программе под ОС Win10. На экран ПК выводится существенно больше параметров, чем на штатный экран. Имеется опция сортировки элементов по заданному параметру и отклонению.

Корпус

Корпус устройства разработан для печати на 3д принтере. Кроме непосредственно деталей корпуса предусмотрен защитный чехол, защищающий прибор от повреждений при транспортировке и хранении. Корпус печатался из ABS пластика с настройками печати 0,3 мм ширина линии, 0,1 мм толщина. Наиболее требовательны к качеству элементы толкателя кнопок. Посадочное место толкателя и сам толкатель необходимо подогнать скальпелем и надфилем. При необходимости можно обработать элементы корпуса мелкой наждачной бумагой или ацетоновой баней для уменьшения неровностей текстуры и придания глянца поверхности.

Работы по усовершенствованию прибора продолжаются, все материалы, схемы, дополнительные инструкции и обновления прошивки будут выкладываться на Яндекс диске https://yadi.sk/d/b8ccGOW2jkNCRg