AT90S2313 디지털 용량계

AVR Project 조회 수 41979 추천 수 34 2003.09.22 10:26:21


http://elm-chan.org/works/cmc/report.htmlipstack

AT90S2313 디지털 용량계



이것은 용량을 빨리 측정하는 간단한 용량계이다.

용량의 측정 원리는 임피던스 브릿지나 딥메터처럼 용량을 한번에 측정한다.

요즈음의 표준 용량계는 Cx에 인가된 교류전압의 전류벡터로 부터

특성이 추가된 용량을 측정한다.

어떤 간단한 용량계는 R-C 넷트웍의 과도현상을 측정하는 적분이론을 사용한다.

제작 키트는 이 원리가 기본이다. 이 프로젝트는 적분이론을 사용한다.

이것은 시간측정을 기본으로 디지털 데이터를 직접적으로 측정하는 이점이 있다.

정밀한 아날로그 회로는 필요치 않으며, 마이크로 콘트롤러로 교정이 간단히 끝난다.

이러한 적분 이론은 고신뢰성의 수제품 용량계에 알맞는다.



과도현상




폰노이만은 회로는 안정될 때까지 변화하여 정상상태로 안정된다고 생각하였다.

과도현상이라 불리는, 이것은 펄스회로의 고유한 작동이다.

스위치가 그림1a에서 열리면, 캐패시터 C는 저항 R을 통하여

전압 Vc로 그림1b와 같이 충전된다.  

안정하게 바뀌는 회로에서, 바뀌는 EMF E 대신 좋은것으로 할수 있다.  

늦은 시간 t와 전압 VC는 다음식과 같이 표현된다.




단위 : t는 seconds, R은 ohms, C는 farad 그리고  epsilon은 자연대수의 밑(참고 2.72).

VC가 VC1에 도달하는, 시간 t1은 공식과 같이 표현된다.






t1은 C에 따라서 비레한다는 뜻이다. 용량은 충전시간과 다른 고정된 파라메터로 부터 계산된다.



하드웨어

충전시간의 측정, 전압비교기 만으로, 카운터와 약간의 주변 로직이 필요,

그러나 마이크로콘트롤러 (AT90S2313)을 사용하여 장치를 쉽게 풀었다.

요점으로, AVR의 내장 아날로그 비교기는 친숙하다고 생각했다.

그러나, 비교기 출력을 TC1의 캡쳐 트리거로 쓸수 있는 것을 찾았다

이것은 사용하는데 좋은 장점이다.



적분회로는 회로도에 보여준 것과 같이 간단하게 된다.

드레숄드 전압은 분압저항에서 만들어 진다.

이것은 전원전압의 변동으로 안정하지 않게 보인다.

그러나 충전시간은 전원전압으로 영향받지 않는다.

전압값은 추가된 공식2로 부터 삭제되는 것을 알 수 있다.

VC1/E의 해는 오직 분할비로 정의된다. 이 장점은 NE555 칩에서 찾은 핵심이다.

물론 전원전압은 적분을 위해 반드시 안정해야 한다.



그러나 접지레벨 부근의 입력전압은 다음의 이유로 조금 까다롭게 된다.

전압은 0볼트로 내려가지 않는다. 캐패시터의 전압은 0볼트로 방전되지 않는다.

측정을 위해서 충분히 낮은 전압까지 캐패시터가 방전하는 시간이 필요하다.

그것은 측정간격으로 표현될 것이다. 방전스위치의 포화전압은 이 효과로 증가된다.

이것은 충전시작과 타이머 사이의 시간이다. 에러를 측정할 것이다.

시이컨스에서 요구하는 1 클럭의 사이클을 AVR에서 무시할 수 있다.  

어떤 다른 마이크로콘트롤러는 이 요구를 고려해야 한다.



아날로그 입력의 누설전류는 AVR의 데이터 시트에 따라서,

누설전류가 있는 아날로그 입력은 0V 가까이 증가된다. 이것은 오류를 측정하게 한다.

0 부근의 사용을 피하여, 2개의 기준전압 VC1(0.17 Vcc) 와 VC2(0.5 Vcc)가 사용된다.  

그리고 t2-t1(0.5RC)를 측정한다.  이것은 낮은 전압문제를 회피하고,

비교기의 지연과 옵셋(무신호시 0전압 에러)을 방지한다.

회로기판은 표면의 누설전류를 줄이기 위해 청결을 유지하라.

  

전원전압은 한개의 AA 전지로 부터 DC-DC에 의해 발생된다.

스위칭전원은 측정회로에 맞지 않는다.

2개의 리플필터가 추가 되어도 리플전압이 줄어들지 않는다.

6LR61 타입의 건전지와 78L05를 추천한다.



교정

처음으로 전원을 켜면, 모든 세그먼트의 표시는 E4가 되고,

대부분 10pF가 표시될 것이다. 이값은 분포용량이다.

분포용량은 SW1으로 삭제한다.

용량계를 교정하기 위해 2개의 1nF와 100nF 기준 캐패시터가 필요하다.

기준 용량을 구할수 없으면, 정도가 ±1% 이내의 캐패시터를 구한다.

이 용량계는 어떤 ㅂ나고정저항도 가지지 않는다

완전자동 기능으로 교정기능에서 기준용량을 읽고 저장하여 게인을 조정한다.



낮은 범위의 교정:

SW1으로 영점을 잡는다

다음, #1핀ㄴ과 #3핀 사이에 P1을 연결한다,

1nF 기준 용량을 세트하고 sw1을 누른다.



높은 범위의 교정:

#4와  #6을 묶어 P1으로 연결한다,

100nF의 기준용량을 세트하고 SW1을 누른다.



EEPROM이 망가지면 전원 ON으로 "E4"가 나온다

그것은 교정한 값을 결코 표시하지 못한다.

제로 조정으로 EEPROM에 분포용량을 저장하지 못한다,

그것은 전원을 한번 on 해 주거나 어떤 점검장치를 필요로한다.



사용법

전원을 켠다음, SW1을 눌러서 먼저 영점을 맞춘다.

측정 작동은 500ms 간격으로 트리거된다. Cx를 세팅하면.

작동은 낮은 범위(3.3M ohms) 부터 시작된다.

캐패시터의 전압(>57nF)이 130msec 이내에 전원전압의 1/2에 도달하지 않으면 ,

캐패시터는 방전되고 높은 범위(3.3k ohms)로 다시 시작된다,

만일 캐패시터(>440µF)의 전압이 1초 이내에 전원전압의 1/2에 도달하지 않으면,

오류표시인 "E2" 가 표시된다.



두개의 측정 범위는 자동적으로 바뀐다.

유효한 시간이 측정될때, 용량이 계산되고 표시된다.

결과는 왼쪽부터 저장되고 표시된다.

좌측의 3자리는 LED로 표시될 뿐이다.

8개의 표시범위는 자동적으로 바뀐다.

어떤 범위 선택도 필요하지 않다.



Cx는 작동하는데 필요한 마지막 2.5볼트로 Cx는 2.5 볼트까지 충전된다.

100pF이하의 작은 용량에서, 마지막 자리는 0.1pF가 된다.

어떤 분포용량도 정도에 영향을 준다.

나는 번인 소켓의 반을 잘라서 사용하였다.

리드 캐패시터와 칩캐패시터(1608 에서 3216 까지)는 매우 잘 장착 되었다.

접촉용 기구는 측정 정도에 영향을 준다.

Cx를 측정하는데 가능하면 긴 길이의 전선을 사용하지 마라.

금속 케이스 혹은 금속으로 실드된 케이스는 안정도를 증가한다,






높은 2전극 고정값 세라믹 캐패시터는 직류 바이어스 전압과 온도에 따라서 용량이 바뀐다.

그림을 참조하라




















회로도


http://elm-chan.org/works/cmc/cmc.png


펌웨어


http://elm-chan.org/works/cmc/cmcsrc.zip




번역 : ipstack@ipstack.co.kr

 




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