Misurare L&C con Precisione

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Di Giovanni Carrera

In questo articolo si descrive uno strumento digitale, basato su un PIC, in grado di fare accurate misure di capacità e induttanza. Lo strumento proposto ha una elevata sensibilità che lo rende particolarmente idoneo per misurare bassi valori

Molti multimetri digitali hanno anche alcune portate per misurare la capacità ma difficilmente misurano anche le induttanze e sono poco accurati e sensibili. Gli strumenti più precisi per effettuare queste misure sono i ponti LCR, ma sono strumenti professionali e poco accessibili all’hobbista.
La parte hardware dell’oscillatore dello strumento proposto non è nuova ed è basata soprattutto sull’ingegnosa tecnica di misurazione sviluppata diversi anni fa dall’americano Neil Hecht. Essa utilizza un oscillatore di prova a larga banda la cui frequenza varia a seconda del collegamento dell’induttore o del condensatore di cui si vuole misurare il valore. Le elevate prestazioni del misuratore dipendono dal sistema di auto-calibrazione di tale circuito.
Sono state messe a punto varie versioni, quasi tutte basate sui PIC16F84 o 16F628 della Microchip con programmi scritti in assembler e con funzioni di calcolo semplificate per poter occupare l’esigua memoria flash di questi chip. Esistono anche vari kit di montaggio, ma è difficile trovare il firmware (file hex) e ancora di più i programmi sorgenti. Molti articoli contengono anche inesattezze e curano più la parte costruttiva che quella sul principio di funzionamento. Ne avevo costruito uno, ho verificato che funzionava male e mi sono messo a studiare il circuito dopo aver effettuato una ricerca bibliografica sugli articoli originali. Alla fine di questo studio ho sviluppato gli algoritmi e ho scritto il programma in mikroPascal PRO, linguaggio più evoluto dell’assembler, munito di matematica floating point a 32 bit. Poiché la lunghezza del codice era superiore ai 2k del PIC16F628 originale, l’ho sostituito con un PIC16F648 che ha la stessa piedinatura ma è dotato di più memoria.
Successivamente ho anche scritto una versione per Arduino che sarà pubblicata nel prossimo numero.

Caratteristiche principali

Nonostante la sua relativa semplicità, il dispositivo offre una misurazione digitale diretta automatica. Nel mio programma, in mancanza di una formattazione vera e propria, ho convertito in stringa di 9 caratteri le variabili floating di C o L espresse, rispettivamente, in nF o in mH. Questo significa che per bassi valori si hanno tante cifre che non vanno prese tutte in considerazione, ma questo non crea problemi. Anche l’accuratezza della misurazione è sorprendentemente buona, con circa ± 1% della lettura sui valori bassi. L’errore assoluto dipende essenzialmente dalla tolleranza del condensatore di calibrazione C2. La precisione e la sensibilità di questo strumento non sono costanti nel campo di misura ma decrescono con l’aumentare della capacità o dell’induttanza e difficilmente si arriva a misurare capacità maggiori di circa 600-800 nF con buona accuratezza. Questo perché un oscillatore RLC, mantenendo fisso il valore di L o C, non riesce a coprire un vasto intervallo di frequenze con basse perdite. Inoltre la frequenza di oscillazione di un circuito LC si riduce con l’aumentare della capacità o dell’induttanza e diminuiscono sensibilmente le cifre significative e, quindi, la precisione.
Come alimentatore ho usato un normale LM78L05, che richiede una tensione d’ingresso di 7-12 V, assorbendo una corrente media inferiore a 20 mA. Con un regolatore LDO (low dropout) si può usare una tensione anche di 6V. Sconsiglio di usare alimentatori switching che sono molto rumorosi.

Come funziona

Il circuito dell’oscillatore è mostrato in Figura 1, esso utilizza un circuito LC in grado di oscillare in un ampio spettro di frequenze. La frequenza di oscillazione dipende da L e C in base alla nota formula:
F=1/(2π√LC)

Figura 1 – Schema dell’oscillatore e calibratore.

 

Inserendo una capacità Cx in parallelo a C oppure

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Informazioni sull'autore

Sono nato a Genova nel 1947, ingegnere elettronico e professore universitario. Appassionato di elettronica sin da ragazzo. Ho praticamente assistito all’evoluzione dei computer a iniziare da quelli con memoria a nuclei magnetici da 32kB e con i disk pack da 80MB fino ai moderni PC con SSD. Dalla fine degli anni ’70 ho progettato moltissimi sistemi basati su cpu 6502, 8085, e infine sui PIC e Arduino. Nei primi tempi ho progettato e anche auto-costruito molti sistemi di sviluppo e di programmazione dei microcontrollori. Ho iniziato a sviluppare il firmware sui 6502 con compilatori Assembler, Forth e Basic per poi passare al Pascal per i PIC e al C con Arduino e derivati. Su PC utilizzo prevalentemente i linguaggi Matlab/ Octave (per elaborazione e analisi dati), Simulink (per la simulazione), ed Excel. Uso il CAD per la simulazione dei circuiti e per la realizzazione degli schemi. I prototipi li realizzo su schede millefori con sottili fili di connessione con isolamento resistente al calore come il Kynar o il PTFE. Negli anni mi sono fatto un laboratorio elettronico molto ben attrezzato che mi permette di eseguire misure accurate sui miei prototipi. Per la ricerca universitaria e per i corsi che tenevo, ho acquisito notevoli conoscenze su strumentazione di bordo e di laboratorio, sensori e attuatori, sistemi di acquisizione e automazione, analisi dati, simulazione di impianti, radiotecnica e GPS. Ho anche progettato moltissime apparecchiature analogiche e digitali per specifici impieghi nel campo della ricerca, come sistemi di monitoraggio strutturale e controllo di servo-attuatori idraulici. Ho anche messo a punto, a partire dal 2002, alcuni sistemi per rilevare i moti nave mediante una rete di ricevitori GPS carrier phase tracking, con accuratezza centimetrica. Dal 2015, ho incominciato a pubblicare, in lingua inglese per avere maggiore diffusione, sul mio blog “ArduPicLab” molte idee e progetti originali, in parte pubblicati anche sui siti americani Hackster.io e Hackaday.io. Da quell’anno ho pubblicato anche nove progetti su riviste italiane, sei su “Fare Elettronica” e tre su “Elettronica Open Source”.

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