В данной статье даётся представление об измерении ёмкости, индуктивности, сопротивления и частоты с помощью микроконтроллера Arduino посредством измерения постоянной времени RC(L) или CL цепи. Диапазон измерения емкости от единиц пикофарад до одной милифарады.

Схема измерителя ёмкости приведена на рис.1. R1, R2, R3 заряжают измеряемый конденсатор С1, паралельно производится измерение напряжения на конденсаторе. Напряжение на конденсаторе определяется формулой \(V_с(t)=V_1\cdot(1-e^{-t/RC})\). Отсюда можно получить формулу для емкости \(С=-t/R/ln(1-V_{ref}/V_1)\), где \(V_{ref}\) опорное напряжение компаратора. Сопротивление R ограничивает нижнее значение измеряемой прибором ёмкости, так как необходимо обеспечить \(T_{meas}=100\cdot T_{sampl}\), где \(T_{smpl}\) время дискретизации АЦП. Cопротивление R ограничено токами утечки GPIO, поэтому выбор R=200К даёт нижнюю границу измерения. Arduino имеет в своём составе аналоговый компаратор защелкивающий значение таймера T1 на частоте 16МГц, что даёт нижнюю границу измерения емкости \(С=100/F_{smpl}/R/ln(1-V_{ref}/V_1)=100/(16\cdot 10^{6})/(200\cdot 10^{3})/ln(1-V_{ref}/V_1/)=289pF±1\%\). Верхняя граница ограничена временем измерения \(T_{meas}=100ms\) и R=100(Ом), что даёт \(С=100\cdot 0.1/100/ln(1-1.1/5)=926mF±1\%\).

Исходные коды и прошивка для Arduino выложены на гитфлик https://gitflic.ru/project/newstep/lcr-meter. Вывод скетча для Arduino в последовательный порт показан на рис.2. Измеренная мультиметром ёмкость конденсатора даёт 47nF значение ёмкости, что показывает работоспособность программы. Погрешность измерения определяется погрешностью задания опорного напряжения \(U_{ref}=1.1V\) компаратора. Измерение мультиметром даёт значение \(U_{ref}=1.128V\). Измеренное значение \(U_{ref}\) введено в программу и результат даёт погрешность измерения около 0.5%.

На Aliexpress был заказан корпус для измерителя ёмкости.

Аналогичным образом реализовано измерение индуктивности L в L/R цепи. Переключение режимов измерения емкости, индуктивности происходит автоматически. Нижняя граница измерения индуктивности составит \(L=-100\cdot R/F_{smpl}/ln(V_{ref}/U_1)=-100\cdot 100/(16\cdot 10^{6})/ln(1.1/5)=950uH±1\%\). Верхняя граница измерения индуктивности составит \(L=-100\cdot R \cdot T_{meas}/ln(V_{ref}/U_1)=-100\cdot 200 \cdot 10^{3} \cdot 0.1/ln(1.1/5)=30414H±1\%\).

Отметим, что диапазон измерения емкости в RC цепочке ограничен величиной 289pF, а диапазон измерения L индуктивности ограничен величиной 950uH. Для расширения диапазона измерения ёмкости до единиц пикофрад и индуктивности до единиц микрогенри следует использовать LC цепочку и производить измерение частоты колебаний получившегося LC контура. Частота колебаний LC контура определяется формулой \(f=1/(2\cdot \pi\cdot \sqrt{L\cdot C})\). Схема измерения LC цепочки приведена на рис.3. На компараторе U1 собран генератор частоты значением зависимым от измеряемой ёмкости или индуктивности. Ключ Q1 определяет режим измерения C(L)R или LC цепочки, ключ Q2 переключает режим измерения F или L/C, ключ Q3 задает режим измерния L или C.

В компании NextPCB была заказана печатная плата в количестве 5шт. (Рис. 4).