LC Meter Digitale di IN3NNT


Antonello Adamoli IN3NNT	foto2 Disposizione componenti	foto1 Schema	foto L C	foto9 Lista componenti

foto5 Schema lato rame	foto6 Circuito assemblato	foto7 L C Meter	foto8 Circuito lato rame

Una tesina di fine anno scolastico da fare,qualcosa di nuovo,di diverso dai soliti robot che, proposti dalla scuola l'anno successivo vengono smontati, per essere poi ricostruiti da allri sludenti. Vista la necessità di avere a disposizione uno strumento in più per i due Radioamatori di casa (IN3NNT e IN3CHQ) è quella di predisporre una tesina diversa per il maturando, con la collaborazione di alcuni professori dell'istituto Tecnico Buonarroti di Trento,è stato deciso di realizzare un LC meter portalile digitale, con l'ausilio di un microcontrollore della famiglia PIC18 uno strumento in grado di misurare con precisione il valore di componenti reattivi, compresi tra 1 uH e 50 mH e fra 1 pF e 1uF,con visualizzazione dei dati rilevati su display LCD e con alimentazione fornita da una batteria interna a 9V. Il dispositivo realizzato,è dotato di controlli ON/OFF, di selezione per la misura di capacità o la misura di induttanze, della retroilluminazione dello schermo con regolazione del contrasto del display, di un reset, del richiamo delle frequenze del circuito oscillatore rilevate durante la fase di calibrazione e la visualizzazione della frequenza istantanea, dello stesso. Lo schema elettrico (Foto. 1) è diviso in 3 blocchi fondamentali: il regolatore di tensione, lo stadio oscillatore il microcontrollore con display e relè. Il primo serve per fornire a tutto il circuito una tensione di alimentazione stabile a 5 Volt durante il lunzionamento. E' composto da 2 componenti uno stabilizzatore LM7805 e un condensatore elettrolitico da 10 uF; il primo è in grado di fornire in uscita una tensione fissa a 5 Volt (± 2%), con corrente massima di 1 A, avendo una tensione in ingresso compresa tra 7 Volt e 35 Volt. E' dotato di protezione, in caso di surriscaldamento e di cortocircuito. Il secondo serve per stabilizzare ulteriormente la tensione in uscita dallo stabilizzatore LM7805, in particolare, durante le commutazioni del relè. Lo stadio oscillatore è una rete in grado di fornire un'onda quadra a tensione 0-5 Volt. E' composta da un comparatore di tensione LM311 ad open collector e da una rete di resistenze, condensatori e induttanza. A seconda del potenziale più alto, se presente sull'ingresso invertente o su quello non invertente, l'integrato accoppiato alla resistenza di pull-up da 100 kohm genera in uscita un potenziale basso (0 Volt) o alto (5 Volt). In particolare, all'istante iniziale (t=0) il potenziale più alto si trova sull'ingresso non invertente (2,5 Volt dovuti al partitore creato con le due resistenze da 100 kohm poste una fra la massa e l'ingresso + e l'altra fra i 5 Volt e l'ingresso +. Inoltre è da tener presente che le componenti L e C a monte fanno si che questa tensione sia variabile nel tempo in maniera sinusoidale ad una frequenza ben determinata. L'LM311, visto fra l'uscita (pin7) e la massa, si comporta come un interruttore aperto e si ottiene il livello alto di tensione sull'uscita grazie alla resistenza di pull-up. Nel frattempo, il condensatore elettrolitico posto fra l'ingresso invertente e la massa si carica, limitato dalla resistenza da 47 kohm. Quando la sua tensione supera i 2,5 Volt l'ingresso invertente, a potenziale piu alto di quello non invertente, fa si che l'LM311 si comporti come un interruttore chiuso verso massa, portando dunque gli 0 Volt sull'uscita e ottenendo così il potenziale basso, il condensatore posto sull'ingresso si scarica finchè la sua tensione diventa minore di quella sull'ingresso non invertente, iniziando così un nuovo ciclo di carica e scarica, con corrispondente tensione in uscita 5 Volt-0 Volt. La frequenza di oscillazione dipende dalla posizione del selettore L/C, dal componente esterno collegato di cui si vuole sapere il valore nonchè, ovviamente, dai componenti interni al circuito. Durante la fase di calibrazione effettuata solamente con commutatore L/C posizionato su C, la frequenza di oscillazione è di circa 395 kHz; a vuoto in modalità C, si aggira attorno ai 550 kHz e in modalità L, il circuito non oscilla in quanto un ramo della rete LC è aperto e si ha quindi un potenziale costante sull'ingresso non invertente. Il PIC ha il compito di misurare, istante per istante, la frequenza dell'onda quadra in ingresso ad un suo piedino prodotta dallo stadio oscillatore in realtà con il software scritto il PIC esegue una misura ogni 0,5 s circa, verifica lo stato dei pulsanti e selettori in ingresso controlla lo stato del relè utilizzato durante la fase di calibrazione ed invia segnali al display per la visualizzazione delle scritte. Il PIC è stato configurato con l'oscillatore interno a 8 MHz, con pulsante di reset/MCLR abilitato sul piedino 1; ingresso dell'onda quadra sui piedino 6 impostato come T0CKI (Timer0 ClocK Input) che incrementa il Timer0 configurato a 16 bit ovvero un contatore presente interno alla MCU ad ogni impulso; ingresso per il pulsante che richiama le frequenze di calibrazione e visualizza la frequenza istantanea su piedino 12 RC1; l'uscita per il controlto del relè sul piedino 15 RC4; controllo della modalità L/C sul piedino 16 RA5 se il selettore è su C, il PIC ha in ingresso 5 Volt forniti dalla resistenza di pull-up, altrimenti 0 Volt; display sui piedini 23, 24, 25, 26, 27, 28 (RB2, RB3, RB4, RB5, RB6, RB7). I pin non utilizzati sono stati impostati come uscite a 0 Volt per evitare di appesantire il circuito con ulteriori resistenze di pull-up/ pull-down. Lo stadio che pilota il relè, è costituito da un transistor PNP con emettitore a 5 Volt e collettore portato alla bobina del relè. Il transistor è controllato dal PIC e l'uscita fornita da quest'ultimo risulta complementare rispetto allo stato del PNP se RC1 è a 0 Volt il transistor entra in conduzione. Il diodo in antiparallelo alla bobina del relè, evita danni al transistor per sovratensioni di origine induttiva che si hanno nel momento in cui la bobina non viene più alimentata.Il display LCD 2 righe, 16 caratteri, compatibile con standard Hitachi HD44780 è dotato di retroilluminazione disattivabile e contrasto regolabile per mezzo del potenziometro che regola la tensione di alimentazione delle stesso. E' dotato di una serie di dispositivi che permettono di tradurre i bit inviati dal PIC in scritte. Comunica con il microcontrollore tramite dei canali: in particolare l'ingresso EN ENable abilita il display, RS (Register Select) informa se il PIC sta inviando dati da visualizzare o comandi che sono inviati dal microcontrollore sui canali B4÷B7. il dispositivo in questione, basa il suo funzionamento su un metodo di misura indiretto, detto metodo dello slittamento avendo un circuito oscillante, collegando componenti esterni di natura reattiva nota e osservando come varia la frequenza di oscillazione, è possibile risalire tramite procedimenti matematici, al valore del componente aggiunto. Con i soli componenti C1 ed L 1, l'oscillatore generera un'onda a frequenza F1. Inserendo C2 in parallelo a C1, la nuova frequenza di oscillazione sara F2. Se il valore di C2 è noto nel circuito in questione è stato utilizzato un condensatore da 1000 pF con tolleranza 1% è possibile determinare i valori di L 1 e di C1, dopo aver misurato le due frequenze di oscillazione. Dato ciò, in linea teorica, gli unici fattori che concorrono ad una misurazione precisa, sono la capacità del PIC di misurare correttamente la frequenza di oscillazione del circuito e il valore inserito nel listato del software della capacità nota. Piu piccola sarà la tolleranza di questo componente e più preciso sarà il risultato ottenuto. A livello pratico, c'e da tenere presente che, con componenti di valore troppo elevato,in particolare nel caso dei condensatori, la frequenza di oscillazione della rete a monte della MCU, non cala in maniera lineare raddoppiando il valore del componente esterno, la frequenza dovrebbe dimezzarsi e, superata una certa soglia, per la misura di capacita tende pure ad aumentare. Questo è un difetto dovuto probabilmente al tipo di oscillatore. Un altro fattore che influenza la misura, è la lunghezza dei conduttori che vanno dal circuito stampato al componente esterno: piu corti sono e più essa sarà precisa. In (Foto. 2), vedete il piano di montaggio e in (Foto. 5), il master. Per la misura della frequenza, il PIC è stato programmato in modo da azzerare i byte TMR0H e TMR0L, abilitare il contatore Timer0, effettuare un ritardo di 100 ms, leggere il valore di TMR0L e TMR0H copiarli in una variabile (fx) e moltiplicare quest'ultima per 10 ogni ciclo di misura. Durante la calibrazione, si otterranno i valori f1 ed f2 visualizzabili in un qualsiasi momento, tenendo schiacciato il pulsante "flniziale", insieme a quella istantanea che indicano, rispettivamente, la frequenza di oscillazione a vuoto e con il condensatore di riferimento inserito. Applicando le formule soprastanti, si ottengono i valori C1 e L1 necessari per il calcolo del valore del componente da misurare che sarà in F o in H, a seconda della sua natura comunicata all'apparecchiatura dall'utente tramite il selettore L/C. Per visualizzarlo sullo schermo, anzichè stampare il suo valore in notazione esponenziale come è stato fatto per C1 e L1), è stato appositamente creato una funzione in grado di arrotondarlo (o troncarlo), dopo averlo moltiplicato per una potenza del 10 opportuna in modo da renderlo compreso fra 999,9 e 0,1. Sarà quindi visualizzata l'opportuna unità di misura (H o F) con il relativo sottomultiplo (m, u, n, p).
P.S.: Michele si è diplomato con il voto di 100/100, e forse sarà il terzo Radioamatore in famiglia.

Antonello Adamoli IN3NNT - Rewritten I1WQR