Измерение электрического сопротивления, емкости, индуктивности с помощью обычного ПK
01.11.2002
Игорь Зубаль, info@ferra.ru
Версия для печатиВерсия для печати
Оригинальная идея программиста, нестандартный подход к стандартному оборудованию ПК и совсем незначительные ухищрения с аппаратной частью позволяют превратить обычный компьютер в цифровой мультиметр.
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 = 1/2pfC2
где 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°.
Для измерения реактивного сопротивления емкости и индуктивности потребуется, прежде всего, переменный ток синусоидальной формы. С задачей программного генератора с легкостью может справиться звуковая плата компьютера. Другая проблема – определение величины электрического сопротивления измеряемого элемента. Но оказывается и эту задачу можно решить программным путем, с помощью той же звуковой платы, не прибегая к специальным аналого-цифровым преобразователям.
Все это делает программа Multi Meter, используя весьма оригинальный способ для измерения электрического сопротивления, емкости и индуктивности. Работает под управлением Windows9X в минимальной конфигурации CPU 486DX4, 16M RAM. Программа бесплатна и найти ее и описание к ней можно по адресу www.i-adrian.home.ro.
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).
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).
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.
Рис. 3.
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.)
1. Имеется ввиду синусоидальный (гармонический) сигнал переменного тока. [вернуться]
2. p - число «пи»=3,1415926. [вернуться]
All resistances are in ohms
=1/2Pi SQRT(L.10^-15)
