高精確度又低成本的數位 LC 測量表實作

kenneth

動機：
最早是看到小龐大大發的這篇 簡易PIC燒錄器 (網路上找的) 看到裡面有 LC Meter 的連結。
還有這篇 使用16F84與LM311組合 VS 使用16F628A的小型 LC meter (網路上找的)
看了其工作原理發覺這是非常優秀的設計，於是也想自己動手做一做，看一下自己手邊有的材料只缺那顆 PIC 的單晶片。
這個電路設計的非常巧妙，是個類比與數位電路完美的組合，能夠展現各自的專長，以類比線路作為測量核心，數位電路而專長於控制與顯示。
很適合一般程度電子人來 DIY，成本不高製作容易，又能來測量您手邊一些很難親近了解的電容電感元件。
製作的過程能讓您能夠了解一些基礎線路，又能親手玩玩有趣的單晶片，您能夠以不同的程式碼去燒錄她，甚至還有原始碼能夠下載讓您能修改其功能，而創造一台獨特的 LC Meter。
而相關的製作或成品只要在網路上輸入 LC Meter 就可以找到一大堆資料，關於電路與程式都有許多版本可供使用，還有增加擴充其量測範圍的第二代版本。
我這裡用標準版本來說明一些線路基礎知識也以我的心得來分享給在這邊喜歡電子電路的朋友們。


規格：
電容器測量範圍：0.1pF ~ 0.999uF，使用不同的程式在最大量程會有些小差異。
電感器測量範圍：0.01uH ~ 99.9mH，使用不同的程式在最大量程會有些小差異。
解析度：4位數，零件單位直接顯示。
精確度：約1％，取決您採用的精密電容的誤差。
取樣率：約每秒 6 次。
檔位：自動換檔。
不適用於測量電解質等有極性電容器。


應用：
業餘無線電收發機、天線的製作。
各類電源、線路濾波器的製作。
音響器材的等化音控線路、喇叭分音器的製作。
交換式電源的線圈、變壓器的檢驗與自製。


特點：
不需特別校正，只要每次測量前都按歸零（reset）按鍵就可。
精確度高，可靠度高，測量錯誤率低。
製作難度低，失敗率低。
零件容易購得，低成本（台幣 500 元以內）。


線路一：
這個線路比較容易看，但是有些小錯誤，請參考第二個線路來比對。
http://electronics-diy.com/img/lc_meter_pic16f84a.jpg
Ccal 這個最重要的電容器位置標示錯誤，在繼電器接點上的那兩顆並連電容器才是 Ccal。
繼電器的接點最好也像線路二所示接在接地的位置，才不會因為繼電器的接點結構影響到振盪器的穩定度。
繼電器的線圈也沒有並連上保護二極體。
LCD 模組的第 15 號背光電源腳要加上限流電阻。


線路二：
這個線路比較對，但是畫得比較亂不容易看，而且還是有改良的空間在。
http://ironbark.bendigo.latrobe.edu.au/~rice/lc/lcdiagram.gif
LCD 模組的第 15 號背光電源腳有限流電阻，但是因為背光板吃電很大所以不建議接在 5 伏穩壓 IC 的後側，最好是接在電源輸入端未穩壓前，而限流電阻請自己根據使用電源的電壓來自己算，也要注意電阻瓦特數。
7805 的穩壓 IC 可以改用 TO-92 的小功率 78L05 了，因為吃電最大的背光板已經不經過她了，安裝時也請注意 78L05 與 7805 的接腳是剛好相反的。
LM311 的電源接腳沒有畫出來，線路一就有畫出來了。且第 5、6 腳要短路起來，這兩份線路圖都沒畫出來而實際使用的 PCB 圖就有畫，不然此 LM311 振盪在低頻時就會不穩定而可能振盪不起來。
繼電器的控制電晶體也可以省略，只要是您買的 Relay 也很省電就可以，接法請用線路一的 Relay 直接接法但要記得還是要有 100 歐姆的限流電阻。


線路三（我修改過的）：
剛好在試用一個比較簡易的 Layout 軟體（Eagle for Mac)，就是用她來試畫的。不知會不會比較難看的懂？
http://farm4.static.flickr.com/3389/3428804556_d162cdec7c_b.jpg


工作原理說明：
我這裡用線路圖一來說明。
LM311 是個常見的比較器在這裡是拿來當方波振盪器用，其相關的振盪頻率的公式如下：
http://ironbark.bendigo.latrobe.edu.au/~rice/lc/form.jpg
振盪出來的頻率用 PIC 的單晶片來計算並顯示結果出來。

平常待機時振盪器會依據 L C 的數值產生 F1（公式 1）的頻率，要測量前需按一下 SW1 的歸零按鍵，這時 PIC 就會控制繼電器導通將校正電容 Ccal 並連加入振盪迴路，這時 PIC 會記錄下頻率數值 F2（公式 2），接上被測電容後就會產生 F3 （公式 3），將這 3 組頻率經過公式 4 的運算就能得到被測物電容數值。而電感器的運算也是相同適用公式 6 到 8。

最前面的雙刀雙擲開關是選擇被測物是電容或電感，選到電容時被測電容並連加入振盪迴路，選到電感時被測電感串連加入振盪迴路，並且經過 PIC 的第 13 號控制腳讓 PIC 知道現在要算電容還是電感。

PIC 側的 J1 是選擇 LCD 模組是 16x1 或是 16x2 的，短路接地是 16x1 的。
PIC 側的 J2 是讓 PIC 直接顯示 LM311 振盪器的振盪頻率，因為內建之頻率計數器的取樣是10分之1秒，所以實際的頻率讀數會少一位數，也就是說 555793Hz 會顯示成 00055579。這是查錯用的其個數值只是參考而不需弄到準確，如果振盪線路不振盪就會直接顯示 00000000。
PIC 側的 J3 是 LCD 模組的背光控制。10K VR 是調整 LCD 模組文字的清晰度。


零件需求：
所有的電阻只要用 5％ 精確度的，因為按照公式電阻沒有加入 LC 振盪計算。建議使用 1/8 W 的小型化電阻，可以縮短零件間的間距與跑線長度。
82uH 的電感也不要求精密，固定式或可變的都行，只要求穩定就好。
PIC 的時基振盪要求是 4 Mhz，只能用石英振盪器不能用陶瓷振盪器，頻率不準運算出來的數值也會不準。
穩壓 IC 與電源側的電容用一般的就好，石英振盪器旁的用一般陶瓷電容，LM311側的兩顆 10uF 建議使用鉭質電容其低內阻特性對振盪穩定有幫助。
有兩顆 1nF 的電容均要求材質為穩定的塑料電容，積層 MKT 電容可以，而以 PS（聚苯乙稀膜）或雲母電容為最佳，而繼電器接點上那顆 Ccal 電容還有要求其精密度，最好是找誤差為 1％ 因為整台 LC Meter 的精確度完全是靠這顆電容，但是 1％ 的難找又很貴所以可以改採用 J （5％）精確度的普通塑料電容再多加一顆約在 100pF 以內的小電容並連補償使用之。


電路板：
電路板的選用以綠色單面的玻璃纖維萬孔板為佳，製作容易，耐用又不會太貴。
焊錫面的線路連接有些準則請依據此原則比較不易失敗且以後也比較容易修改線路與零件。
以焊點與單心線搭橋連接為最佳，用 OK 線跳接為最不得已的方法即使要用也要拉在電路板零件面上這會比較美觀也不容易因焊接工作而破壞其外皮的絕緣皮。
線路的搭橋連接以電源與地線為最高優先，並且要多補上焊錫讓線路阻抗降低，其次是類比線路一定要儘量短（太長就會變電感了），最後搭橋連接不到的數位控制線才用 OK 線來飛線過河。
多用點心思跑線與焊接就能很漂亮了。


製作：
因為只是想做一台自己玩，根本不考慮用洗電路板的方式而是採用萬用的洞洞板，因為用花在洗電路板的時間用洞洞板早就焊接完畢了，零件的擺放可以參考別人家的印刷電路板的 Layout。而焊接方面不多說就是花時間而已，我做的成品就是這樣，因為我想做小一點面積要與 LCD 模組一樣，兩片電路板重疊使用連外殼也懶得去找了。洞洞板的好處是製作快要改線路也方便，缺點就是容易焊錯，這對想要練功夫的人也是最適合不過的。
http://farm4.static.flickr.com/3606/3388860513_4b16c30d1a_o.jpg

插座、開關、測試 Pin 與 SVR 都得放在側面使用才會方便，還特別作了兩條測試線。
http://farm4.static.flickr.com/3439/3389671268_336a697718_o.jpg


燒錄：
燒錄 PIC 請參考上面小龐寫的連結，自製簡易燒錄器，而我做的如下圖，也是很簡單。
http://farm4.static.flickr.com/3423/3388860413_0ec3dfbab1_o.jpg
因為我沒有桌上型 PC，只有一台老筆電跟幾台 Mac 而已，要用 RS-232 燒錄必須外部給於13.6 伏特的燒錄電壓。還要多裝兩顆電晶體來讓燒錄軟體控制 Vpp 電壓。
燒錄程式是用 WinPic 我覺得還不錯用。
燒錄碼是到這裡下載，試過幾個後我是用 ic007a.hex 那個。


不工作：
振盪：測試端子不接任何零件時先將 J2 頻率測試端子短路讓 LCD 螢幕來顯示現在的振盪頻率，應約略顯示為 00055*** 的數字，可以穩定的小變動數值，不能讓所有的位數都亂跳。顯示全部為 0 或亂跳都要仔細檢查振盪線路。可以用電錶來量直流工作點，8 腳為 5V 第 2/3/7 腳為 2.5V。第 5/6 腳有無短路連接？零件的擺放位置與跑線也會影響振盪的穩定，請儘量縮短其間的距離。


校正：
因為整台 LC Meter 的精確度完全是依靠 Ccal 電容，這是可以依靠上面的公式來驗證。
能買到誤差 1％以下的 1nF 塑料電容裝上去就好，這是最省事的，這樣就是校正完畢了。
但是我沒出去找，我是在舊零件櫃裡找到一顆現成的 2200pF 1％ 的雲母電容，這次就用她來校正了。
經過幾次測試終於在 Ccal 的 1nF J (5%) MKT 上並連上一顆 8pF 的陶瓷電容而完成，補償校正後的讀數如下圖。
http://farm4.static.flickr.com/3476/3389671380_9ececab6ea_o.jpg


使用：
使用方面我就不補圖了，反正在量測範圍內的零件都能量，這就讓大家自己去玩好發現新大陸。
我是有一台 FLUKE 115 的三用電表是可以測量電容器，但是只能量 1nF 以上的，電感也完全不能量。
這幾天作了這台剛好補足 FLUKE 115 的不足處，而這台 LC Meter 對較大容量的電解電容沒法度這剛好可以又交給 FLUKE 115 來量。
不過這些電解電容有什麼好量的，其標準公差就是 20 ％，量過後也不會變得比較好，反正這些電解電容器時間到了就得換新，有沒有電容表根本沒差。


射頻輻射：
本機振盪核心的震盪頻率會從約 600Khz 低到 17Khz 與一般傳統用 1KHz 的頻率來測試是有一些差別，非常適合測量高頻線路中的 L C 元件。
因為是高頻振盪器所以很有可能會有射頻干擾的情事發生，所以應該要用鐵殼或馬口鐵來將電路包住。


後言：
就在打這篇拙作時剛好想到為何不利用 PIC 控制繼電器的那隻腳，多加顆電晶體與 R C 零件來做自動背光控制，在按下歸零鍵時 LCD 背光馬上點亮，5 秒鐘後便自動熄滅，這樣就可以改用電池供電了。
過幾天再來裝，這就是 DIY 的樂趣所在。


增訂：
我會在這裡不定期的增加或修改一些內容，例如線路的解說與大家製作上遭遇到的問題，大家要多來看看。

shaoyexin

真利害..不過~這真的是DIY的樂趣所在..感謝K大分享製作過程...

小龐

K大您太厲害了  而且佈的線真漂亮
我自己試做3種版本 結果都是沒有成功  僅出現範圍超出的字眼而已 :sam39  
所以..沒能回應您的建言:sam21
女友一直在跟我說.."事情是沒有憨人想的那麼簡單的" :sam34
而且不懂電路的我只會照著線路圖拉線 把線拉的跟麵糊一樣:sam20
第1次時用杜邦線拉到後來太難拉了 所以第2次就買了鍍銀線
本來不會用  想說這麼細是要怎麼扒皮 回家試看看直接插到銲錫裡 原來用烙鐵加熱時外皮就會溶化了 ^^

看到您的實作真是佩服   有正反面的實作佈線範本後 會讓想做的人更方便了:sam60

kenneth

我用超過測量範圍的零件時也會顯示範圍超出的字眼出來。

請問您用頻率測試模式時會顯示什麼數字來，或許可以幫您查出問題來。
我猜您的振盪器根本就沒振盪！

playx

真是高手，換成是我若能看懂電路就很偷笑，別說要改線路，只是這種功力該如何養成呢?

一般我修東西，只能沿著線路，一一檢測零件是否損壞，並不懂電路原理...

看了k大的實作後，感覺自己越來越渺小，有如汪洋中的吻仔魚，也不知該從何學起?

謝謝k大無私分享...:sam42

小龐

回K大 其實我的是一開機就會出現範圍超出了
頻率測試模式時會跳1萬多有時會跳3萬多
其實連電路板都有怪怪的  像是我有做電源開關的按鈕 他相鄰的針角竟然會有電壓偷跑
就算用酒精或丙硐擦也只能頂一下子 可以有不導通 但是過電後不久在切成關時又會偷跑電壓
我在把間格換成間格成3格 中間一格不要用 用吸錫線清空在用酒精洗 結果中間那點還是會有偷跑電壓的情況
只有剛清洗好時不會偷跑 等到接通電後在關電 就會出現電壓偷跑了
後來我量4M震盪器那裡也出現這樣的情況 不加晶片時也有從PIC第14腳的線路偷跑電壓
雖然用二極體檔都不導通>< 也是清洗過後會好一下 但是開關切成開 過電後在切成關就都會出現偷跑個1V到2V
我開關是做成模組式 使用用杜邦端子 需要時在接上去的 所以也不是開關不良 會偷跑電時把開關拔掉也一樣  (我用9v的電池供電進來後正極接--切換開關---在開關後面後是接一個2極體之後再到78L05穩壓)
現在是先擺著了  下次做時應該會換玻璃板試試 K大的佈線方式 :sam60

其實第一次做時電阻都用精密的   而且那個精密可變電阻還有些貴
我後來看過其他的版本也是跟大大說的一樣 電阻不需要精密 電容也只有Ccal 需要精密就好
其他地方的電容說需要注意溫度影響 所以也推薦像您用鉭電容與陶瓷電容這樣最好
後來覺得調明亮度的可變電阻可以用普通可調電阻就好了 雖然一樣一包價格差不多但是比較多顆

wish

現在才發現有這一篇，謝謝你分享一篇好文。

a547638520

K大謝謝你，想必這是個精挑的好電路。
我打算製作一個起來用。
非常感謝你。

a471

恭喜恭喜~~實作成功.........~hm250~ ~hm250~ ~hm250~

kenneth

本來是要等您做好後在原帖補充一些關念與經驗，但過了好幾天都沒動靜，想到可能製作上有遭遇問題，所以我就乾脆寫一篇較完整的，看會不會多騙幾個人也跳下來 DIY。

您的情況聽起來是振盪不穩定，不穩定跟零件選用與零件擺放位置較有關係，電路板材質與焊接較無關。
我用的萬孔板是玻璃纖維板，都是買一大塊要用多少切多少這樣會比較經濟，而且比電木板的耐焊許多。

要不要也把您的圖片也放上來，或許可以看出一些端倪來。
也可以讓大家有學習的案例，不管是好還是壞。

偷跑電的事我有點搞不懂，你是說用數位電錶量一些測試點，原來是應該沒有電壓的卻有量到電壓是嗎？

kenneth

花了一些時間整理打了這帖是基於奇文共享與好電路共用的觀念，一方面也是留作自己實驗記錄用才不會日子一久都忘光光了，況且這玩意還蠻實用的。

我盡量用最淺顯的說法來說她，是希望連門外漢都能看懂一些，如有說明不清的地方還請大家多多發問，要學一定要問。

小龐

有了k大的成功實做 相信很多人會被騙來實行的....喔 不是...是有興趣才是:sam60
-------------
後來628A的版本重買IC後在做後可以用了..
然後又重排一次84A  現在是頻率跳的嚴重...開久了還會慢慢增加><

kenneth

看到圖了，的確有許多要改進的地方，最主要的還是線路凌亂，我暫時還看不出有沒有接錯的地方。

首先要先拿掉或縮短振盪部分的跳線，請想一想如果將某個零件擺放位置改變一下是否可以縮短跑線與重疊跳線的地方。
一定有許多擺放的組合可以達到減少雜散因素的目的，這點對類比線路是非常重要的，而數位線路就比較沒關係了。
看起來您的零件擺設是依據這張圖來做這是沒什麼不好的地方。
http://www.pi4zlb.nl/Zelfbouw/LC-Compo44.GIF

先將 LM311 附近線路的 OK 線拿掉，改用我的方式，以單心線或電阻腳在萬孔板焊點上搭橋連接。
一直弄到 PIC 單晶片以頻率測試模式可以讀到穩定的 5 百多 KHz 的頻率為止。

這裡有參考的直流準位點，可以用電錶來檢驗一下。
Pin 1:  0.00  (ground)
Pin 2:  2.46 +/- 0.5 volt
Pin 3:  2.46 +/- 0.5 volt
Pin 4:  0.00  (ground)
Pin 5:  ????  (don't care)
Pin 6:  ????  (don't care)
Pin 7:  2.43 +/- 0.5 volt
Pin 8:  5.00  (power)

偷跑電的事先不用去管他，因為用數位三用表去量很可能會因為其輸入阻抗太高（10M）而量到雜訊，辦法有二：
一是改用指針式三用表，二是將數位表輸入側並連上一個 100K 歐姆的電阻降低輸入阻抗。

小龐

就如K大說的 我也覺得我真的是讓腦袋清醒些 仔細看電路在重新思考佈線才是><  
拉成這樣真是連除錯找問題都是麻煩事:sam22

kenneth

零件的擺放與跑線的考慮首要能懂電路的原理與要訣，不能隨性亂拉線否則會產生許多怪問題。

多年前在學校初學電子想做一個線路時，都是在上無聊課時拿出英吋方格紙與鉛筆在上面塗塗改改畫 Layout 圖，常常一個小電路都要花好幾天才會滿意，這種學習是沒有捷徑必須花時間與精神來累積經驗。
找舊電路板來看學習著將電路圖畫出來也是一種學習方式，再練習將上頭的零件拆下來也是練技術，而且花不到一毛錢還能賺到一些特殊零件。

有時作電路板就像在創作藝術品一樣，作的漂亮與滿意都會拿來欣賞自爽老半天！

twm

非常實用的電路
版大DIY功力 卻實不同凡響
學習了

a547638520

請問reed relay 的腳位，不曾用過這個東西，請教各位先進了。

kenneth

我也不記得這種 Realy 的接腳，電子零件太多根本記不完，網路查是個辦法，但還是得自己量過後才能確認，要減少失敗率每個零件都先親手量過是個好辦法。
有些比較沒有良心的店家會低價掃入別人工廠不要的廢料，分類包裝後就能零賣了。這些廢料很可能是入庫檢驗不合被踢退，供應商也不拿回就直接丟到廢料區，每隔一段時間就會有商人去撿有時還要付錢給這些人，然後就很可能出現在零售市場了。
我以前做過幾次小量生產買過這種貨，深受其害，所以 IQC 也是重要的一環，說到不對題去了！

先用電錶找出線圈是那兩隻腳，阻抗約幾百歐姆。
再加上額定電壓，不確定電壓規格時可以先用 5V 試。
這樣就可以再用電錶找出哪隻是共用點、NO 與 NC 接點出來了。

hope

TO 小龐大 :
我建議你將你將跳線用稍為粗一點,然後多線共點的方式連接,一定要根據電流的走向去布線 !!

to a547638520 大:
http://www.cpu.com.tw/kh/ry/ry-d/ry-d.html
有相關資料, 可以參考參考...形體依樣, 但是接點略有不同 !!

a547638520

我又去換了一個跟大大一樣的relay
請教大大relay接到pnp的部份，各位都怎麼接?
謝謝
目前已完成一半

kenneth

這個 LC meter 的線路圖有許多版本，這個版本的差異還有繼電器的接法我先前忘了說。

這個版本最大的差別是繼電器有用電晶體來推動，有些繼電器的激磁電流需求是比較大，光靠 PIC 本身的電流規格是不夠所以必須靠外接電晶體來放大激磁電流，所以您用的繼電器激磁電流在 10mA 以下繼電器當然就能直接接 PIC 了。

不用電晶體的接法是繼電器的線圈一端接 ＋5V 一端接 PIC，要用電晶體放大電流就必須使用 PNP 晶體另一端則要接地，這樣 PIC 控制腳的輸出極性才會正確。

我用的這種繼電器我也沒特別注意其激磁電流是多少，反正是多串了一棵 100 歐姆的限流電阻後 PIC 還能推動，基本上我是用線路一。
晚一點我再把我修改過後的線路圖補上來。

a547638520

已經完工了
測出來會一直跳呀跳的
不知道問題出在哪?

kenneth

是怎樣亂跳阿？數值亂跳還是螢幕的字都整個亂跳？

如果是數值亂跳的話就是振盪不穩定，請用頻率顯示模式來看，看後面有幾位數會一直變化亂跳，數字要越穩定越好。

a547638520

頻率顯示模式顯示58671~58672來回跳變

555793Hz 會顯示成 00055579  與此有差距怎麼辦?

小龐

>< 剛剛用628A的版本在玩時
才發現 ......
我買來要給84A用的電感82uH 其實是0.82uH:sam22
本以為是做的不好只測出0.72uH...
在看一下包裝袋...標籤還真的寫0.82uH
索性找出100uH最小的一根--85uH替換上去
OH YA 終於好了
天呀 .... 拆裝了3次  最後才靠另一台發現是東西買錯了@@

另外就是覺得顯示的頻率多少好像不是很重要 好像在5千-6千的範圍內盡量不會跳動就可以了
我628A的頻率在5千3左右(尾數+-1跳動) 84A的在5千5左右(尾數+-1~2跳動)
這2台量電容都還蠻準的(跟YF-150對照下1000pF的大改只有+-1~2pF的差距)

kenneth

這是正常的阿！最後一位數的數值會有小幅度的變動這樣子振盪是沒有問題的。

555793Hz 會顯示成 00055579 也是對的因為我上頭就有說這個頻率計數器是 0.1 秒取樣一次，所以解析度只能看到 10 Hz 那一位數。

快差不多了，繼續測下去吧！

kenneth

恭喜您的總算完成了！

對！頻率數值不重要，只要穩定不變動就可以了。

原來是電感拿錯了，這時候您就知道為什麼要有一台 LC Meter  的重要了。

jason-h

記得在電子材料行看到的電容表都上3000以上，可以花不到1000元製作，真的可以學到DIY還可以更認識一部。

a547638520

完成了LC Meter 製作，k大可不可以 下次來做 計頻器..如下
這樣就可以量晶振囉!!
http://www.piclist.com/techref/piclist/weedfreq.htm

a547638520

剛剛找到一個schematic
遭糕不是16f84a 而是atmel