Как измерить индуктивность с помощью компьютера
Внимание! Перед тем как создавать тему на форуме, воспользуйтесь поиском! Пользователь создавший тему, которая уже была, будет немедленно забанен! Читайте правила названия тем. Пользователи создавшие тему с непонятными заголовками, к примеру: "Помогите, Схема, Резистор, Хелп и т.п." также будут заблокированны навсегда. Пользователь создавший тему не по разделу форума будет немедленно забанен! Уважайте форум, и вас также будут уважать!
Измеряем LCR на компьютере, Тест ПО виртуальных LCR измерителей"Прошерстил" в интернете тему виртуальных измерителей LCR,информации достаточно много,но она разбросана по кускам,толковые и доходчивые материалы по использованию и тестированию ПО можно пересчитать по пальцам. Поэтому,постараюсь в силу своих знаний,возможностей,проведённых экспериментов, описать наиболее эффективные программы и полученные в них результаты.
На форуме уже есть тема по одному из таких измерителей -ZMeter
Link
а также очень познавательная ветка по этой программе на VegaLab Link
Собственно,прочтение этих тем и покупка простенькой(недорогой) USB звуковой карты подтолкнули к тестированию аналогичного ПО.
1.1-й пункт пропускаю - думаю,что такое добро есть у каждого.
Была куплена внешняя USB ЗК на чипе CM6206LX,даташит на него здесь Link
Внутри плата с полноценной микросхемой от CMedia (не "капля").
Марка(Chongx) примененных электролитов сразу вызывает подозрение на низкое качество,которое подтвердилось последующей их проверкой. Я покажу результаты проверки чуть позже.
После установки драйверов,до выпаивания электролитов и последующей доработки карты, решил проверить её АЧХ с помощью программы RightMark Audio Analyzer(RMAA).Бесплатная версия этой утилиты(у меня сейчас 6.4.1) доступна на сайте Link
Для этого нужно взять или спаять,если нет готового,прямой кабель 1к1 с двумя стереоджеками на концах,типа такого,как на фото
Подключаем ЗК к USB,соединяем линейный выход звуковой карты(FrontOut) с линейным входом (LineIn),запускаем RMAA,настраиваем в микшере уровни сигнала и смотрим АЧХ
Завал в области низких частот,не годится.Будем дорабатывать.
Заменяем керамические С30 и С31 0.1мкФ на керамику по 1мкФ.
Также необходима замена электролитов С5,С6,С14,С29 на более качественные с низким ESR.
Плата после доработки
Запускаем RMAA снова, результат ниже
Уже неплохо,для сравнения AЧХ со встроенного Realteka(ALC882)
"Мозги есть у всех, просто не все разобрались с инструкцией."
Мой вариант конструкции с использованием зажимов Кельвина(Kelvin clip).
Можно применить обычные "крокодилы", но качество и стабильность измерения низкоомных сопротивлений ухудшится.Референсные резисторы(Reference Resistor)желательно использовать прецизионные,но я пока ограничился обычными МЛТ-0.25. DIP Switch применил как наиболее удобный в работе и малогабаритный.
При этом нужно учитывать,что сопротивление контактных групп переключателя должно быть по возможности минимальным и стабильным,так как опорный резистор подключается по 2-х проводной схеме.По этой же причине желательно задействовать качественные стереоджеки.
Схема
Реализация в "железе"
"Мозги есть у всех, просто не все разобрались с инструкцией."
Перед началом тестирования я установил на компьютер программу VisualAnalizer - мощный виртуальный измерительный комплекс,включающий осциллограф,анализатор спектра,вольтметр,частотомер и т.д,а также модуль ZRLC измерителя,который испытаю позднее.
Будет использоваться версия VA2014.02(rel. 0.3.1),которую можно бесплатно скачать по этой ссылке Link
Пересказывать описание работы программы не стану,автор довольно толково всё пояснил,за исключением процедуры автоматической калибровки.
Итак,запускаем файл RLCMeter.exe - программа работает сразу без инсталяции. Регулировками уровня записи и воспроизведения в микшере выставляем примерно такой уровень,как на скриншоте ниже.
Также запускаем инсталированный ранее VisualAnalizer, на DIP Switch движок в положение 100 Ом(красный кружок на фото).
USB ЗК работает на частоте семплирования 48кГц,поэтому настройки вкладки "Main" VisualAnalizer на скриншоте ниже.
Наблюдаем на дисплее следующую картину.
Щупы разомкнуты.
На осциллограмме 2-х частотный сигнал с линейного выхода ЗК(зелёный луч),который через зажим Кельвина подаётся на левый вход ЗК.
На спектрографе также отчётливо видны 2 измерительные частоты 11027 Гц и 1102 Гц(зелёный график). Красный график - правый вход ЗК,он сейчас подключён к "земле" через 100 Ом ,поэтому видим шум на уровне -100-110 децибелл.
Если немного превысить рекомендуемый автором уровень сигнала,то на осциллограмме кроме увеличения амплитуды ничего существенно не изменится,а вот на спектрографе уже будут заметны побочные гармоники,которые могут исказить результаты измерений.
Для калибровки 0(в качестве перемычки) использую отрезок медного стержня диаметром 6мм.
Радиолюбители знают, как важно иметь под рукой средство для измерения емкости конденсаторов и индуктивности дросселей, меньше проблем возникает при измерении сопротивления резисторов. Это нужно при как при подстройке электронных схем, так и для проверки деталей. К тому же у производителей уже давно вошло в моду не ставить маркировку на корпусах множества радиодеталей. Со временем скапливается огромное количество не промаркированных конденсаторов и дросселей с неизвестной индуктивностью. На вид они могут быть абсолютно одинаковые, а номиналы отличаются в тысячи раз. Определить это можно только измерением параметров. При этом обычно не требуется какая-то исключительная точность, достаточно той, с которой маркируется большинство радиодеталей, чаще всего 10%. В былые времена таких приборов хоть сколь приличного качества в продаже не было. Теперь появилась масса импортной измерительной техники. Но что-то мне не попадались мультиметры способные измерять емкость и индуктивность стоимость которых была бы по карману. Однако оказалось, что эту проблему можно решить совершенно неожиданным путем – с помощью оригинальной идеи переложить все бремя измерений на компьютер, даже ничего не меняя в его конструкции.
Тем, что компьютер может стать главным звеном в измерительной или аналитической аппаратуре уже никого не удивишь. Обычно для этих целей используются специальные модули или платы расширения – редкое и дорогостоящее оборудование. Совсем другое дело превратить в цифровой мультиметр самый обычный компьютер, в его стандартной конфигурации, без каких либо дополнительных аппаратных доработок и финансовых затрат. Оригинальная идея программиста, нестандартный подход к стандартному оборудованию ПК и совсем незначительные ухищрения с аппаратной частью позволяют воплотить эту возможность в жизнь. Измерительный прибор из ПК получается с помощью одних только программных средств. Но для начала стоит разобраться с физикой данного вопроса, возможно после экскурса к слегка призабытым знаниям, подобная реализация ПК уже не будет казаться чем-то фантастическим.
Существует два вида электрического сопротивления: активное и реактивное. Активное сопротивление (R) – это обычные резистор, сопротивление которого, в общем-то, не зависит от рода тока. Реактивное сопротивление – это сопротивление катушек индуктивности (дросселей) и конденсаторов. Величина реактивного сопротивления уже зависит от частоты тока. Так на постоянном токе реактивное сопротивление конденсатора устремляется к бесконечности, а дросселя наоборот – к нулю (без учета активной составляющей сопротивления провода). 1
С изменением частоты тока электрическое сопротивление конденсатора изменяется, по закону:
| Xc = 1/2pfC 2где Xc – сопротивление, Ом; f – частота, Гц; С – емкость, Ф. |
Электрическое сопротивление конденсатора переменному току можно измерить. Зная сопротивление и частоту тока, легко по формуле вычислить емкость. Кроме того, если в электрической цепи стоит конденсатор происходит сдвиг фаз напряжения и тока. Причем ток опережает напряжение на величину 90°.
Реактивное сопротивление катушки индуктивности с увеличением частоты возрастает:
| XL = 2pfL где XL – сопротивление катушки, Ом; f – частота, Гц; L – индуктивность, Гн. |
Индуктивность дросселя легко вычисляется по известному сопротивлению и заданной частоте тока. При этом фазы напряжения и тока на катушке индуктивности сдвигаются относительно друг друга, и теперь ток отстает от напряжения на 90°.
В качестве измерительного преобразователя Multi Meter используется обычная звуковая карта. Принцип действия прост. Так как звуковая карта не является полноценным АЦП, – хорошо чувствуя форму сигнала, она совершенно не приспособлена для определения его амплитуды, прямым путем, конечно. Но оказалось, что это ограничение можно обойти, используя сравнение уровней двух независимых сигналов. Генерируемый сигнал переменного тока с выхода Line-Out поступает на линейный вход Line-In. По одной цепи сигнал с Line-Out идет напрямую, без всякого сопротивления на левый линейный вход звуковой карты – это эталонный сигнал. По другой цепи тот же выходной сигнал поступает на правый линейный вход, но уже через измеряемый элемент (рис.1).
Так же вводится дополнительный резистор (R serial), который устанавливается снаружи корпуса системного блока и соединяется одним концом на корпус. Понятно, что уровень сигнала с правого входа Line-In, прошедшего через сопротивление, будет меньше, чем с левого. Программа измеряет соотношение уровней сигналов с левого и правого входов, и по нему вычисляется активное сопротивление для обычного резистора. Для реактивной нагрузки емкости и индуктивности алгоритм несколько усложняется, используется две частоты, кроме ослабления сигнала так же учитывается сдвиг фаз. Емкость конденсаторов и индуктивность дросселей определяется путем решения системы из двух уравнений. Для подсоединения к разъемам звуковой карты понадобится два штекера, разводка которых показана на (рис.2).
Multi Meter состоит из одного исполнимого файла (212кб) и не требует инсталляции, ее интерфейс прост и понятен (рис.3). Слева в области «Work mode» задаются режимы калибровок и измерений. Сначала программа калибруется. В режиме «short» запускается с замкнутой накоротко измерительной цепью (точки А и Б), без всякого сопротивления. При этом нужно подождать некоторое время, пока в окне «Err» не установиться наименьшее числовое значение. Таким же способом калибровка проделывается в режиме «open», но уже при разомкнутой измерительной цепи. Режим «Measure 1st mtd» используется для измерения сопротивления резисторов. В положении «Measure 2nd mtd» измеряется емкость или индуктивность.
В левых верхних окнах пользователем задаются значения генерируемых для измерения частот и сопротивление установленного дополнительного резистора R serial. Эти параметры могут быть разными для различных режимов и величин измерений, что будет уточнено ниже. В левых нижних окнах выводятся числовые значения для измеряемых величин: сопротивление (Ом), емкость (микрофарад), индуктивность (миллигенри). Теоретически каждый электрический элемент может обладать заметными величинами одновременно сопротивления, емкости и индуктивности, что и будет отображаться во всех трех окнах программы. Однако действительным будет только то значение, которое соответствует роду измеряемой величины.
Значения частот Multi Meter могут лежать в интервале 50…1000 Гц. При измерении сопротивления обычного резистора подбор частоты не так важен. Обе частоты применяются в режиме «Measure 2nd mtd», при этом разница между ними (левом/правом окне), согласно рекомендациям разработчика, не должна быть меньше 10% и больше 200%. Хотя последнее условие и не является обязательным. Сопротивление резистора R serial может находиться в пределах 20…1000 Ом (чаще 20…100 Ом), в зависимости от режима и диапазона измерений. Величина сопротивления R serial должна указываться в окне программы с большой точностью. Как показывает практика, при погрешности указанного значения от действительного сопротивления более чем на 1% резко возрастет конечная погрешность измерений Multi Meter. Надо учитывать, что маркировка резисторов обычно наносится с погрешностью 5; 10%, поэтому реальные сопротивления для набора резисторов R serial нужно определить с помощью другого точного прибора или использовать высокоточные детали.
Автор программы дает следующие рекомендации по подбору сопротивления R serial и частот сигнала (Yamaha 724) для Multi Meter v.0.03:
• При измерении емкости конденсаторов номиналом 0,22мкф и выше рекомендуется R serial 20 Ом и частоты 100/1000 Гц. Для измерения конденсаторов меньших номиналов рекомендуется увеличивать частоты и сопротивление R serial, но не более чем 1000 Ом.
• Для измерения резисторов номиналом от 1 Ом до 10 кОм рекомендуется R serial 20 Ом, частоты не оговариваются. Насчет измерения индуктивности никаких рекомендаций нет.
• Уровень сигнала на линейном входе и выходе в микшере Windows рекомендуется поставить на середину, но не выше 3/4. Хотя может оказаться, что эти уровни нуждаются в более скрупулезной настройке.
Я со своей стороны провел всесторонние практические испытания Multi Meter 0.03, перемерив огромное количество радиоэлементов. На основе собственного опыта были определены оптимальные значения R serial и наборы частот для тех или иных режимов и диапазонов. Так же на практике были установлены возможности Multi Meter в связке с саундкартой Yamaha 724 производства Genius. Определялись диапазоны значений, в которых программа еще могла нормально работать, а так же погрешности измерений. При этом для соединения использовались не экранированные провода длиной около 80 см с зажимами типа «крокодил» на концах. Уровни микшера Line-Out, Line-In были выставлены на 50%.
Начнем с резисторов. Измерения проводились в режиме «Measure 1st mtd». Частоты 300/500, хотя в данном случае их значения не имеют большого значения. Измерение резисторов проводились при различных сопротивлениях R serial: 20…500 Ом. При установке R serial 20 Ом оптимальный интервал для измерения сопротивлений соответствовал 1…20000 Ом. В этом диапазоне максимальная погрешность была не хуже 5%. Данные сверялись с показаниями аппаратного цифрового мультиметра. Этот результат можно считать хорошим, учитывая, что резисторы для ширпотреба маркируются с 5% и 10% точностью. Увеличить верхний предел измерений удается увеличением R serial. При значении R serial 100 Ом верхний предел можно поднять уже до 150 кОм. Еще выше поднять верхний предел – до 500 кОм удается с помощью R serial 300 Ом. Хотя в последнем случае уже начинает расти погрешность низкоомных резисторов, этот режим рекомендуется применять для резисторов номиналом не ниже 200 Ом. Дальнейшее увеличение сопротивления R serial уже ник чему не приводило.
Емкость конденсаторов с помощью Multi Meter удавалось измерять в диапазоне от 1 нф до 1000 мкф независимо от типа. Режим программы – «Measure 2nd mtd». Для диапазона от 10 нф и выше рекомендуется использовать R serial 20 Ом и частоты 100/1000. К сожалению я не располагал каким либо другим точным прибором для измерения емкости, по которому можно было бы сверять результаты для определения погрешности измерений Multi Meter’ом. По моему субъективному заключению погрешность измерения емкости в этом режиме не хуже 5…6%. Для конденсаторов меньшей емкости лучше использовать R serial 100 Ом и частоты 500/1000: погрешность здесь в интервале 1…10 нф – около 10%; а от 10 нф до 200 мкф – те же 5…6%; для более высоких номиналов этот режим не рекомендуется. Таким образом Multi Meter охватывает большую часть диапазона наиболее часто используемых конденсаторов, причем, с хорошей точностью измерений, учитывая, что обычные конденсаторы маркируются с 10% и 20% точностью, а электролиты чаще с 20%. В случае конденсаторов с емкостью более 1000 мкф, начиная с 2000 мкф, у меня программа давала завышенные показания примерно на 20…25%. Так же показания Multi Meter плохо согласуются с параллельными соединениями конденсаторов.
Индуктивность дросселей мне удавалось довольно точно измерять в диапазоне от 4 мкГн до 120мГн (выше просто не было чего измерять). Опять же не было точного прибора, с помощью которого можно было бы сравнивать показания. Для тех трех десятков дросселей, что были у меня, я думаю, максимальная погрешность была не хуже 5%. При этом был установлен R serial 20 Ом и частоты 700/1000. При индуктивности ниже 4 мкГн Multi Meter давал сначала заниженные показания, а потом и вовсе нули. Нижний предел можно еще попробовать опустить где-то до 2 мкГн, установив частоты 900/1000, однако здесь падает общая стабильность.
Недостатком Multi Meter является зависимость результатов измерений от уровней Line-Out, Line-In сигнала. Сказываются слишком завышенные или заниженные уровни. Надо учитывать, что у разных звуковых карт уровни могут существенно отличаться. Предусмотренная в программе калибровка по короткозамкнутой и разомкнутой измерительной цепи в этом случае ничего не дает. Поэтому калибровать Multi Meter приходится вручную, выставляя в микшере уровни Line-Out, Line-In, сверяясь по известным номиналам измеряемых элементов. В моем случае, практика показала, что, выставив уровни сигнала входа/выхода по резисторам, программа давала действительные результаты и в случае емкостей и индуктивности. Все полученные результаты относятся к системе со звуковой картой на чипе Yamaha 724 производства Genius, под Windows 98SE на довольно мощной машине. Я не могу обещать, что на других платах, ввиду индивидуальных особенностей их схемных решений, результаты в точности повторятся. Наверное, придется поэкспериментировать и подобрать другие параметры уровней Line-Out, Line-In, возможно, частот и сопротивлений R serial.
Выводы. Программа Multi Meter может стать чрезвычайно полезным приобретением для радиолюбителей и людей связанных с радиоэлектроникой. Мои первые сомнения о том, можно ли с помощью обычной звуковой карты ПК добиться высокой точности измерений, постепенно рассеялись во время многочисленных экспериментов. Оригинальный подход Multi Meter вполне оправдывает себя. Нужно только знать в каких граничных диапазонах измерений реально может работать та или иная звуковая карта. Конечно, точность Multi Meter не прецизионная, но достаточно хорошая – это, еще смотря, с чем сравнивать. Если для сопротивления резисторов можно купить достаточно точный цифровой прибор (порядка 10$), то с емкостью и индуктивностью не так все просто. Такие приборы либо очень дороги, либо дают диапазон и погрешность еще хуже программы Multi Meter и тоже стоят денег. Так обстоят дела с дешевыми стрелочными тестерами, у которых имеются шкалы для L и C. Кроме того, последние берут сигнал переменного тока с розетки 220 В, что небезопасно для человека и самого прибора. Я остался очень доволен тем результатом, который был получен. Стоит отдать должное автору Multi Meter за оригинальность подхода.
| От редакции Мы рекомендуем использовать для подобных измерений не линейный выход звуковой карты (он обычно имеет достаточно высокое выходное сопротивление, что плохо скажется на точности измерений с эталонным резистором Rserial меньше 100 Ом), а выход звуковой карты на наушники (его выходное сопротивление меньше 1 Ома, что достаточно для подобных измерений). В дешевых звуковых картах линейный выход иногда уже является и выходом на наушники (имеется встроенный усилитель). Видимо, так и обстояло дело в указзанной автором статьи карте Genius. При измерениях небольших индуктивностей и емкостей рекомендуем использовать как можно более короткие внешние провода (в идеале — подлючать элементы прямо к миниджеку, воткнутому в линейный вход карты.) |
Имеется ввиду синусоидальный (гармонический) сигнал переменного тока. вернуться
Всем привет! Коротко хочу рассказать, как при помощи компьютера можно измерить индуктивность катушки или дросселя. Хотя этим же способом я замерял малые сопротивления (от 1 до нескольких десятков Ом) и ёмкости конденсаторов (проверял от 200 до 10000 мкФ), но речь здесь будет исключительно об измерении индуктивностей.
Из этого комплекса нам нужна программа Limp. Находим её в папке: C:\ProgramFiles\ArtaSoftware и запускаем. Запустилась? Уже хорошо, но мы пока ещё в начале пути к цели. Чтобы программа научилась что-то измерять, нам понадобится изготовить очень простой адаптер для звуковой карты (Рис.1):
Так как у меня старенький ноутбук и у него из входов есть лишь вход микрофона, поэтому в схему обязательно нужно добавить два разделительных конденсатора по постоянному напряжению, (Рис. 2.).
Собранный адаптер подключаем к звуковой карте компьютера и начинаем настраивать программу Limp под наши конкретные нужды. Кстати, она на английском и платная, но в демо-режиме может работать бесконечно долго со всеми функциями, кроме сохранения результатов и ещё чего-то там. Но мне лично они особо и не нужны. И так, начнём с измерения малых индуктивностей. Смотрим на рисунок 3 и следуем указаниям красных стрелок с цифрами:
1 – жмём на значок «Configure generator»
2 – появится окно « Generator S etup »
3 – выбираем тип сигнала « Sine »
4 – нажимаем кнопку « Test »
5 – нажимаем на кнопку « Output level » и выбираем -20 dB
6 – обращаем внимание на шкалу « Input level monitor », она должна быть зелёного цвета, максимум жёлтого, но не красного цвета
7 – всё, жмём кнопку «ОК»
Рис.3. Настройка генератора
Итак, уровень сигнала генератора настроили. Переходим к настройке диапазона звуковых частот, так как именно в них наша индуктивность будет испытываться. Внимательно разглядываем рисунок 4 и в точности следуем указаниям тех же стрелок:
1 – выбрать вид генератора « Stepped Sine »
2 – выбрать начальную частоту «10000 Hz »
Уже можно подсоединить к адаптеру испытуемую индуктивность, например 33 мкГн, затем:
3 – нажать кнопку старт (красным треугольник) и немного подождать, секнд 30 не больше, у кого как быстро работает компьютер.
4 - нажать на кнопку « Fit », у нас на экране появятся жирненькая серая и зелёная кривая линия
5 – находим самую высокую вершину зелёной линии и запоминаем это место
6 – Осматриваем серую кривую линию. Нас интересует тот участок линии, который выглядит равномерным далеко вправо и влево, располагается над нашей вершиной зелёной линии и обязательно выше нуля (в этой области у нас отстаёт ток и опережает напряжение на катушке на 90 градусов), ноль обведён красным кружком. Потрудитесь кликнуть курсором мышки, появится вертикальная жёлтая линия, которая пересекает зелёную вершину и серую линию. Продолжаем далее.
7 – нажимаем кнопку « RLC ». Появится окно «Impedance at cursor»
8 – Вуаля! Неверим своим глазам, L =33.93 uH , что вполне сносно соответствует номиналу нашей испытуемой индуктивности.
Рис.4. Измерение индуктивностей
А вот фото, сделанного на скорую руку, моего адаптера для программы Limp. Чтобы не подумали, мол всё это теория. Да, небольшое отступление, в адаптере добавлен переключатель «Калибровка», который подаёт сигнал в обход схемы, чисто сделан для эксперимента с другой программой "Виртуальный осцилограф" и с другим адаптером, но вам этот переключатель здесь не понадобится. Так что его ставить совсем необязательно. Было бы не лишним защитить вход микрофона встречно-паралелльными диодами, но это в преспективе.
В заключение, хочу отметить, что такой метод измерения не совсем простой. Потребуется опыт, определённые знания и много разных экспериментов по настройке самой программы, чтобы правильно определить результат исследований. Однако как доступный, интересный, а главное недорогой способ измерений, вполне может пригодится, но, как лично убедился, ни когда не заменит настоящих профессиональных измерительных приборов.
Всем удачи!
Сегодня на рынке много сравнительно дешевых цифровых мультиметров измеряющих сопротивления в широких пределах и емкости конденсаторов до 20 мкФ и более. Однако приборы, измеряющие индуктивности сравнительно дороги, да и нужны они не каждый день.
Электрику-ремонтнику довольно частот приходится измерять индуктивность катушек реле, обмоток трансформаторов и т. п. для определения их исправности. При этом самостоятельное изготовление прибора или приставки для измерения индуктивности затрудняется том, что для него требуется источника питания и частотомер для настройки генератора. Надо отметить, что в таких приборах (приставках) предлагаемых в различных источниках стабильность частоты и амплитуды генератора не высока. Отсюда и точность измерений также не высока.
Предлагается предельно простой прибор на базе компьютера и цифрового вольтметра позволяющий измерять индуктивности от 10 мкГн до 1 Гн и емкости от 10 пФ до 1 мкФ с достаточно высокой точностью, которая определяется точностью вольтметра.
Как известно, импеданс индуктивности описывается формулой:
Перепишем формулу следующим образом:
Для упрощения процесса измерения, рассчитаем f таким образом чтобы k равнялся ровно 100000:
f = к/2π = 100000/6,2831853 = 15915,4943 Гц.
Если сопротивление источника сигнала превышает сопротивление нагрузки в 10 раз и более можно считать что данный источник сигнала является источником тока. Для выполнения этого условия, комплексное сопротивление измеряемой индуктивности не должно превышать 1/10 резистора R1.
Выходное напряжение генератора должно быть равно 1 В (действующее значение), при этом напряжение на измеряемой индуктивности не должно превышать 100 мВ.
Милливольтметр U2 используется на пределе 100 мВ. В качестве источника сигнала используется звуковая карта компьютера (ноутбука). При этом, в качестве тестовых сигналов используются wav-файлы записанные с помощью аудиоредактора (например, GoldWav) с уровнем 0 дБ. Выходное напряжение звуковой карты как правило несколько больше 1 В. Требуемое напряжение выставляют регулятором громкости. Если оно все же меньше 1 В (что может быть в некоторых ноутбуках), то придется использовать поправочный коэффициент, что вносит некоторые неудобства при измерениях. Предположим выходное напряжение звуковой карты равно 0,91 В. В этом случае поправочный коэффициент равен k = 1/0,91 = 1,1.
Упрощенный вариант прибора показан на рис.З, на котором включенный как вольтметр цифровой мультиметр с автоматическим переключением диапазонов показан как стрелочный прибор.
Пределы измерения с помощью этого прибора сведены в таблицу.
Для оперативного переключения резисторов можно использовать переключатель на 3 положения. Пределы измерения можно расширить если дополнительно использовать резисторы 100 кОм и 1 МОм.
При показаниях вольтметра меньше 10 мВ и больше 100 мВ для повышения точности измерений следует перейти на другой диапазон. Это может быть сделано двумя способами: изменением частоты и переключением номинала резистора.
Если при измерении индуктивности напряжение на проверяемой индуктивности больше 100 мВ, то необходимо увеличить резистор или снизить частоту сигнала и наоборот при напряжении менее 10 мВ.
Если при измерении емкости показания прибора больше 100 мВ, то необходимо уменьшить резистор или повысить частоту и наоборот при напряжении менее 10 мВ.
Конструкция упрощенного измерителя
На рис.4 показан такой измеритель с двумя резисторами типа СМД номиналами 1 кОм и 10 кОм, при этом пределы измерения расширяются на порядок.
Измерение электрического сопротивления, ёмкости, индуктивности и частоты с помощью обычного ПK. В предыдущих статьях я познакомил читателей с виртуальными звуковым генератором и осциллографом и работой с ними. Но этим возможности компьютера не ограничиваются. При использовании несложных программ с помощью компьютера можно измерять различные физические величины. Познакомимся с измерением некоторых из них.
1. Программа «Измеритель ёмкости конденсаторов» позволяет превратить ваш компьютер c операционными системами MS-DOS, Windows 95/98 в прибор. Принцип его работы основан на измерении времени зарядки конденсатора. Время зарядки-разрядки конденсатора достаточно стабильно, и его можно считать прямо пропорциональным ёмкости конденсатора. Это время можно измерить, используя таймер компьютера. С этой целью конденсатор подключают к одному из портов компьютера – GAME, LPT, COM или USB. В предлагаемой программе конденсатор подключается к двум выводам свободного СОМ-порта: в качестве «плюсового» щупа используется контакт 7, а в качестве «минусового» – контакт 1.
Прибор позволяет измерять ёмкости конденсаторов до 10 000 мФ. Нижний предел измерения зависит от быстродействия компьютера и лежит в пределах от 150 до 500 пФ. Прибор имеет две ступени ручной калибровки: 0,1% и 0,01% от ёмкости, подключённой к измерителю, а также ручной и автоматический выбор пределов измерения.
Правила работы с прибором :
– перед подключением конденсатора разрядите его (замкнув выводы);
– измеряйте электролитические конденсаторы с рабочим напряжением не ниже 20 В;
– при измерении ёмкости электролитических конденсаторов дождитесь хотя бы трёх циклов измерения. Желательно также откалибровать прибор с помощью образцового электролитического конденсатора ёмкостью около 20 мФ;
– если вы калибровали прибор электролитическим конденсатором, не забудьте перед измерением неэлектролитических конденсаторов откалибровать прибор конденсатором соответствующего типа.
После разархивирования скачанного пакета Izm_Emk.zip в папке Izm_Emk будут находиться три файла: IZM_EMK.EXE, EGAVGA.BGI и KEYUKR_V.EXE. Эти файлы не удаляйте, т.к. без них программа работать не будет. В процессе работы программа создаёт свой служебный файл CONST.KOR.
Программа работает в любой операционной системе, кроме Linux. Однако для получения стабильных результатов измерения желательно запускать программу в среде MS-DOS и калибровать прибор перед каждым измерением термостабильным конденсатором известной ёмкости (желательно около 100 нФ).
2. Виртуальный измеритель ёмкости конденсаторов. Если у вас на компьютере стоит операционная система WindowsXP и возникают проблемы с измерением ёмкости конденсаторов при применении предыдущей программы, то попробуйте эту программу (автор О.Записных, в предыдущих статьях я описывал его виртуальный осциллограф). Она позволяет оценить электрическую ёмкость в пределах от нескольких пикофарад до одной микрофарады. Прибор показывает измеренное значение ёмкости, ближайшее значение из стандартного ряда для конденсаторов, а также промежуточные результаты, используемые при расчёте ёмкости. Принцип действия прибора иллюстрируется схемой и формулой, которые помещены в правой части панели.
Настройка измерителя состоит из двух операций.
1. Отключите Сх, нажмите кнопку «0». При этом программа «запомнит» начальную ёмкость подводящих проводов и гнёзд.
2. Замкните гнёзда Сх перемычкой, нажмите кнопку «U». В открывшееся окно введите 1000 (мВ). Программа запоминает все установки и настройки и восстанавливает их при следующем включении.
3. Измерение электрического сопротивления, ёмкости, индуктивности. Всё это делает программа «MultiMeter», используя весьма оригинальный способ. В качестве измерительного преобразователя «MultiMeter» используется обычная звуковая карта. Принцип действия прост. Так как звуковая карта не является полноценным АЦП, то, хорошо чувствуя форму сигнала, она совершенно не приспособлена для определения его амплитуды (прямым путём, конечно). Но оказалось, что это ограничение можно обойти, сравнивая уровни двух независимых сигналов. Генерируемый сигнал переменного тока с линейного выхода поступает на линейный вход. По одной цепи сигнал с линейного выхода идёт напрямую, без всякого сопротивления на левый линейный вход звуковой карты, – это эталонный сигнал. По другой цепи тот же выходной сигнал поступает на правый линейный вход, но уже через измеряемый элемент.
Так же вводится дополнительный резистор Rдоб, который устанавливается снаружи корпуса системного блока и подсоединяется одним концом на корпус. Понятно, что уровень сигнала с правого линейного входа, прошедшего через резистор, будет меньше, чем с левого. Программа измеряет соотношение уровней сигналов с левого и правого входов и по нему вычисляет активное сопротивление для обычного резистора. Для реактивной нагрузки ёмкости и индуктивности алгоритм несколько усложняется, используются две частоты, кроме ослабления сигнала также учитывается сдвиг фаз. Ёмкость конденсаторов и индуктивность дросселей определяется путём решения системы из двух уравнений. Для подсоединения к разъёмам звуковой карты понадобятся два штеккера, разводка которых показана выше.
Программа «MultiMeter» состоит из одного исполнимого файла (212 кб) и не требует инсталляции, её интерфейс прост и понятен. Слева в области «Work Mode» задаются режимы калибровок и измерений. Сначала программа калибруется: в режиме «Calibrating Short» запускается с замкнутой накоротко измерительной цепью – между точками А и В нет резистора. При этом нужно подождать некоторое время, пока в окне Err не установится наименьшее числовое значение. Таким же способом калибровка проделывается в режиме «Calibrating Open», но уже при разомкнутой измерительной цепи. Режим «Measure 1st mtd» используется для измерения сопротивления резисторов. В положении «Measure 2nd mtd» измеряется ёмкость или индуктивность.
В левых верхних окнах пользователем задаются значения сопротивления установленного дополнительного резистора Rдоб (Rserial) и генерируемых для измерения частот. Эти параметры могут быть разными для различных режимов и измеряемых величин, что будет уточнено ниже. В левых нижних окнах выводятся числовые значения для измеряемых величин: сопротивление (ом), ёмкость (микрофарад), индуктивность (миллигенри). Теоретически каждый электрический элемент может обладать заметными величинами одновременно сопротивления, ёмкости и индуктивности, что и будет отображаться во всех трёх окнах программы. Однако действительным будет только то значение, которое соответствует роду измеряемой величины.
• При измерении ёмкости конденс аторов номиналом 1–10 нФ рекомендуется Rдоб = 100 Ом и частоты 100/1000 Гц. Для измерения конденсаторов больших номиналов рекомендуется уменьшать частоты и сопротивление Rдоб (до 20 Ом).
• Для измерения резисторов номиналом от 1 Ом до 10 кОм рекомендуется Rдоб = 20 Ом, до 150 кОм – Rдоб = 100 Ом, а до 500 кОм – Rдоб = 300 Ом. Частоты не оговариваются.
• Уровень сигнала на линейном входе и выходе в микшере Windows рекомендуется поставить на середину, но не выше 3/4.
• Индуктивность катушек можно довольно точно измерять в диапазоне от 4 мкГн до 120 мГн (Rдоб = 20 Ом, частоты 700/1000 Гц).
4. Измерение частоты. Вот дошла очередь и до цифрового частотомера, также реализованного программным путём. Его частотный диапазон определяется частотой дискретизации 44,1 кГц. Интерфейс этого частотомера отличается приятным видом и небольшими размерами. Даже цифры здесь стилизованы под показания сегментных индикаторов, с их крупными размерами, характерным наклоном и яркостью.
Прибор отличается довольно высокой точностью показаний, хорошо воспринимает импульсный сигнал с импульсами прямоугольной формы, при синусоидальном сигнале желательно, чтобы амплитуда на входе была не ниже 0,5 В.
Под цифровым табло находятся регуляторы периода пересчёта «Timer», который может меняться в довольно-таки больших пределах, и установка синхронизации «Trigger», где можно выбрать автоматический или ручной режим. Справа находится блок кнопок под названием «Hysteresis», об их смысле можно судить на практических примерах: при включении на «0» на показаниях частотомера начинают сказываться наводки в провод ах, что проявляется даже в отсутствие входного сигнала, но при включении последующих значений ситуация исправляется. Таким образом, этот блок отвечает за чувствительность по входному каналу. Прибор, частоту которого необходимо измерить, подключается к линейному входу звуковой карты.
На этом я заканчиваю наше знакомство с виртуальными приборами. Если у вас возникнут проблемы, то напишите, и я отвечу на все ваши вопросы. В следующих статьях я познакомлю вас с различными видами виртуального физического эксперимента на ПК.
Читайте также: