Внутрисхемный омметр переменного тока mR-71

Автор: Andrey_B
Опубликовано 21.12.2022
Создано при помощи КотоРед.

 Имеется большое количество конструкций для измерения малых сопротивлений на переменном токе, это либо примитивные пробники (ESR-метры), либо достаточно сложные в сборке и настройке универсальные приборы (измерители иммитанса, типа RLC-2). Первые не обладают какой-либо предсказуемой метрологией. У вторых частенько точность в диапазоне низких сопротивлений приносится в жертву универсальности или амплитуда тестового сигнала достаточно большая. В описываемом тут приборе основной упор сделан именно на измерении малых сопротивлений. Предыстория тут.

Прибор предназначен для измерения ESR (ЭПС) электролитических конденсаторов всех типов, прямого измерения внутреннего сопротивления аккумуляторов, а так-же измерения малых индуктивностей и сопротивлений дросселей, больших ёмкостей конденсаторов. Измерение ESR конденсаторов можно проводить без выпайки их из схемы, так как размах тестового сигнала меньше напряжения открытия любых полупроводников, включая диоды Шоттки. Отвязка измеряемой цепи по постоянному току позволяет измерять ESR конденсаторов без снятия с них напряжения (что теоретически более верно). Прибором можно проводить прямые измерения выходного сопротивления источников питания. Измерение ёмкости электролитических конденсаторов на частоте 15Гц, максимально близко к способу измерения "заряд-разряд", для которого производители конденсаторов указывают номинальное значение ёмкости в даташитах.

Основные ТТХ.
Одновременно измеряемые величины: R, C/L, Q/tg, Z.
Размах тестового сигнала: не более ±100мВ Vp-p.
Ток через тестируемую цепь (отображается): не более 40мА.
Частоты, на которых производится измерение: 15Гц, 1кГц, 100кГц.
Подключение: 4х-проводная схема (Кельвина).
Отвязка измеряемой цепи по постоянному напряжению, не более: ±25В.
Автоматический выбор схемы замещения.
Автоматический выбор диапазона.
Относительные измерения (для R, L, C).
Размер: 120х56х35мм.
Диапазоны измерения:
  R: 1мОм...1МОм, разрешение от 1мкОм.
  L: 1нГн...10Гн, разрешение от 10пГн.
  C: 10пФ...100000мкФ, разрешение 0.1пФ.

Прибор имеет два перекрывающихся диапазона измерения, центр первого диапазона 3 Ома, центр второго 1 кОм. Погрешность измерения в центре каждого диапазона, не хуже 0.2%, по краям погрешность возрастает. При измерении сопротивления 10 мОм на частоте 100 кГц, погрешность не хуже 2%, показания в разряде 1 мкОм с включенным фильтром достаточно стабильны. Точка автоматического переключения диапазонов - около 40 Ом.

Конструкция основана на программно-аппаратной платформе щупа измерителя RLC-71. Принцип измерения отличается от RLC-71 тем, что уровень тестового сигнала автоматически поддерживается на таком уровне, что-бы не превысить максимально допустимого размаха на измеряемой цепи. МК непрерывно измеряет амплитуду и фазу переменных напряжения и тока измеряемой цепи. По этим данным вычисляется сопротивление, ёмкость, индуктивность и другие параметры. Тестовый синусоидальный сигнал тоже формирует МК.

Для удобного подключения прибора к измеряемой цепи, желательно изготовить несколько 4х-проводных адаптеров:
- зажимы Кельвина (крокодилы).
- двух-контактные пружинные щупы с заострёнными концами.
- одинарный или двойной пинцет.
- посадочное место на специальной печатной плате под SMD-компоненты различных форм и размеров.

Провода подключения адаптеров должны быть экранированными. Прибор может хранить 5 калибровок для разных адаптеров. Для удобства калибровки желательно подготовить калибровочные заглушки ("Разомкнуто", "Замкнуто", "3 Ома", "1 кОм") для каждого типа адаптеров.

МК STM32F303CBT или STM32F303CCT. DA2 ОУ с выходным током не менее 60мА, полосой не менее 10МГц, с нижним Rail, например МАХ4392, или возможно даже дешевый MC33202. DA1 ОУ Rail-to-Rail. Конденсаторы С11, С12 имеют диэлектрик NP0. Резисторы R16, R2, R3 - прецизионные 1%. Прибор потребляет около 190 мА, поэтому аккумулятор нужен помощнее, но размером не более 45х90 мм для корпуса Sanhe 20-21. Дисплей Z180SN007, SPI 18PIN 128*160 на контроллере ST7735S, применяется в тестере GM328A. Из-за расположения кнопок, перед запайкой дисплея нужно с двух сторон аккуратно надрезать его шлейф, что-бы он прошел между крайними кнопками. Надрез не должен выходить из полигона земли на обоих слоях шлейфа, как в конструкции Амплипуль-Микро.

Модуль заряда аккумулятора на микросхемах MT3608 и TC4056A. Перед запайкой модуля заряда аккумулятора, необходимо выходное напряжение его повышающего преобразователя выставить на 10.5-11В и разрезать дорожку как показано на картинке.

Печатная плата кроме своего традиционного назначения, является ещё и передней панелью прибора. Изготовление такой платы на производстве позволяет легко решить вопросы с корпусированием. Прошивку МК можно осуществить с помощью программатора ST-Link V2. Подключения как в конструкции Амплипуль-Микро.

Прибор не нуждается в настройке, но в некоторых случаях можно подстроить некоторые параметры схемы. Выбором конденсатора С7 в диапазоне 0.1 - 2.2 мкф можно убрать возможное возбуждение буфера на DA1.2. Подбором резисторов R17R19 и R18R20 (делители должны быть одинаковые) добиваются размаха неискаженного синуса 15 Гц и 1 кГц на выходах ОУ от +1 до +10В (при замкнутых щупах прибора). Подбором конденсатора C27 добиваются максимальной амплитуды неискаженного синусоидального сигнала на С3 на частоте 100 кГц. R8R9 (резисторы должны быть одинаковые) - размаха синуса от +0.1В до +2.9В на 16 ноге МК, при замкнутом входе прибора, на диапазоне 3R. R1 - размаха синуса от +0.1В до +2.9В на 16 ноге МК, при замкнутом входе прибора, на диапазоне 1k. Подбором резистора R16 добиваются размаха сигнала на выходе прибора ровно +-100мВ, при этом ко входу прибора нужно подключить сопротивление 200-300 Ом.

1. Частота, на которой производится измерение.
2. Полное сопротивление.
3. Среднеквадратичное значение тока через измеряемую цепь.
4. Добротность "Q" или тангенс угла потерь "tg".
5. Ёмкость "C" или индуктивность "L".
6. Заряд аккумулятора.
7. Тут отображается значок "Rel" при включенном режиме относительных измерений.
8. Схема замещения (параллельная или последовательная. Символ "А" - автоматический выбор.
9. Индикатор ориентировочной погрешности, чем красной части линии больше, а зеленой меньше, тем выше погрешность измерения. Верхняя линия - канал тока, нижняя - канал напряжения.
10. Активное сопротивление.
11. Текущий диапазон (3R/1k).

* значок "NC" отображается если требуется калибровка.

Меню настройки:
12. "Calibr.: OS+ / L-". Запуск процедуры калибровки. Нажатие F+ вызовет переход к процедуре калибровки замкнутого и разомкнутого состояния щупов. Нажатие S- - к процедуре полной калибровки по эталонным сопротивлениям. На дисплее будут появляться требования ожидания, замкнуть или разомкнуть щупы, или подключить эталонное сопротивление, или нажать кнопку. Нужно пошагово выполнить эти требования.
13. "Filtering: 1.000". Фильтрация показаний, чем меньше число, тем сильнее.
14. "Set accu. 100% now". При активации этого пункта происходит приравнивание текущего уровня заряда аккумулятора к 100%.
15. "Auto-Off.: 300 sec". Установка времени автоотключения.
16. "Rcal 1: 3.0000 Ом". Реальное значение эталонного сопротивления для калибровки диапазона 3R.
17. "Rcal 2: 1000.0 Ом". Реальное значение эталонного сопротивления для калибровки диапазона 1k.
18. Указатель меню настройки.

Управление в режиме измерения:
- нажатие/удержание P: вкл/выкл прибора.
- нажатие F+: переключение частоты измерения.
- нажатие S-: вкл/выкл относительных измерений.
- удержание F+: переключение диапазона измерения вручную.
- удержание S-: переключение схемы замещения.
- одновременное удержание F+ и S-: переход в меню настройки.

Управление в меню настройки:
- удержание любой кнопки: выкл прибора.
- нажатие P: переход к следующему параметру меню.
- нажатие F+ или S-: изменение выбранного параметра.

Особенности интерфейса:
- при включении прибор будет ожидать выбор номера адаптера, при этом на отобразится версия прошивки и краткая памятка.
- номер адаптера по умолчанию, с которым будет происходить включение прибора, будет тот, который был в момент записи какого-нибудь параметра меню в энергонезависимую память.
- значение сопротивления тускнеют при отрицательной действительной части комплексного сопротивления.
- критерий автоматического выбора схемы замещения: если полное сопротивление менее 10кОм – последовательная, более 10кОм – параллельная.

Для зарядки аккумулятора можно использовать любой адаптер +5В с разъемом microUSB. Красный светодиод на модуле светится во время зарядки, зелёный - при её окончании. Свечение вполне просматривается через белый пластик корпуса. Ток заряда при необходимости можно подстроить подбором резистора на модуле заряда аккумулятора.

Тут новые прошивки, плата для изготовления щупов, фотографии и видео с процессом работы и другой материал: Яндекс-Диск.

Файлы:
Gerber
Прошивка v0.1
Монтажная схема
Принципиальная схема

Все вопросы в Форум.