LC-Meter nach VK3BHR mit PIC 16F84 Drucken E-Mail
Mittwoch, den 08. Juli 2009 um 09:56 Uhr

LC-Meter nach VK3BHR mit dem PIC 16F84 und einem Eagle-Leiterplattenentwurf

Der hier vorgestellte Nachbau des LC-Meter von VK3BHR, Phil Rice, verwendet einen PIC 16F84 und eine Punktmatrixanzeige. Der Messbereich geht in etwa von 0 bis 10 mH für Induktivitäten und von etwa 0 bis 100 nF für Kapazitäten. Da dieses LC-Messgerät (Induktivitätsmessgerät und Kapazitätsmessgerät) auch sehr kleine Kapazitäten und Induktivitäten von wenigen pF bzw. nH messen kann, eignet sich diese Bauanleitung z.B. hervorragend für Anwendungen im Amateurfunk.

Nachfolgend möchte ich hier meine Erfahrungen mitteilen und die Dokumentation dieses Projekts auch anderen zur Verfügung stellen. Außerdem stelle ich hier meinen mit Eagle erstellten Leiterplattenentwurf zur Verfügung.Fertiges Gerät im GehäuseDer Ursprung und etwas Entwicklungsgeschichte des LC-Meter:

Der Urvater dieses LC-Meters stammt wohl von AADE und ist nach wie vor als Bausatz erhältlich. Dort kann man auch das Messprinzip nachlesen. Ganz zu Anfang war die PIC-Software von AADE kostenlos im Inernet erhältlich. Doch dann gab es die Software nur noch als programierten PIC in Verbindung mit einem Bausatz. Der Bausatz des AADE-LC-Meters ist über die Zeitschrift FUNKAMATEUR erhältlich.

Nach einem ähnlichen Prinzip ist der hier vorgestellte LC-Meter von VK3BHR aufgebaut. Auf seiner Seite ist nicht nur die Bauanleitung nebst Schaltbild zu finden, sondern es sind auch verschiedene Programm-Codes für den PIC für dieses Projekt zum Download bereitgestellt, die immer wieder verbessert werden. Außerdem kann man dort das Funktionsprinzip und den verwendeten Formelsatz für das Messprinzip in Erfahrung bringen. Nach der dort beschriebenen Bauanleitung habe ich das hier vorgestellte LC-Meter nachgebaut. Übrigens hat sich bei mir dieses Nachbauprojekt über ein Jahr hingestreckt. Wie mir Phil Rice, VK3BHR, aus Australien schrieb, wurde dieses LC-Messgerät weltweit schon sehr oft nachgebaut. Besten Dank an VK3BHR für die Bereitstellung seiner PIC-Software!

So hat z.B. PI4ZLB einen sehr schönen Leiterplattenenwurf zur Verfügung gestellt, der sehr kompakt gehalten ist. Ebenfalls kompakt aufgebaut ist die Version von SP7DQR, welcher ein Eagle-Layout zur Verfügung stellt.

Auf der der sehr beliebten "Sprut-Seite" findet sich ebenfalls eine Abwandlung einschließlich eines Eagle-Layouts. Diese Variante kann größere Kapazitäten messen. Außerdem befindet sich auf diesem Internetauftritt eine Bauanleitung für einen Kapazitätsmesser, der Elkos messen kann. Eine Bauanleitung eines LC-Meter mit dem AT89C2051 soll die Messung von Induktivitäten bis 160 H und Kapazitäten bis 1600 uF ermöglichen. Selbstverständlich ist das Programm für den AT89C2051 ebenfalls zum Herunterladen frei verfügbar. DD0SB bietet zuweilen auf Amateurfunkflohmärkten einen auf einem Atmel basierenden LC-Meter an (siehe Bild). Es funktioniert meinerLC-Meter-Nachbau von DK2ZL Erfahrung nach ausgezeichnet und die fertig bestückte Leiterplatte ist solide aufgebaut. Ich habe dieses LC-Meter im Sommer 2004 erworben. Es kann ebenfalls sehr kleine Induktiviäten und Kapazitäten messen. Beim Einschalten kalibriert es sich selbst. Sein Kapazitätsbereich reicht mindestens bis 500 nF. Eine gute Alternative für jene, die keine Lust zum Löten, Bohren, Ätzen und Sägen haben.


Der Nachbau des LC-Meter von VK3BHR: Für den Nachbau des VK3BHR-LC-Meter entwarf ich mit dem Leiterplattenprogramm Eagle von CadSoft im Schnellverfahren und mit Hilfe des Autorouters eine großzügig bemessene Leiterplatte mit den Abmessungen einer halben Europakarte. Sicher keine ausgefeilte Glanzleistung, aber sie erfüllt einwandfrei ihren Zweck. Lieber einen funktionsfähiges Selbstbauprojekt als überhaupt keines. Das Projekt ließ sich noch mit der kostenlosen Lite-Version bewerkstelligen, welche man sich ebenfalls bei CadSoft herunterladen kann. Wegen den Abmessungen von einer halben Europakarte spart man sich auch das Zurechtsägen. Die Befürchtung, dass sich das Drahtgewirr und damit insbesondere die langen Zuleitungen zu dem L/C-Umschalter nachteilig auswirken würden, bewahrheitete sich zum Glück nicht. Der Lohn der Verdrahtungsarbeit ist, dass man die Frontplatte flexibel gestalten kann. Bei der Frontplattengestaltung ist es wichtig, dass der C/L-Schalter und der Zero-Taster bequem zu erreichen sind.

Bestückte Leiterplatten des LC-Meter

 

 

Die Aufkleber für die Gehäusebeschriftung liegen hier als RTF-Datei (beschriftung.rtf) bereit und lassen sich mit mit fast allen Textverarbeitungsprogrammen selbst abändern. Wer will, kann anstatt auf Papier auf Klarsichtfolie ausdrucken. Es gibt Klarsichtfolie sowohl für Tintenstrahldrucker als auch für Laserdrucker. Für die Befestigung verwendete ich breites, farbloses Paketklebeband.Als Gehäuse diente übrigens eine ausgediente Hülle einer U-Matic-Video-Kassette (wurde in den 80er Jahren im TV-Bereich verwendet, 3/4-Zoll breites Magnet-Band). Die Aussparung für die Punktmatrixanzeige erzeugte ich mt einem Teppichbodenmesser. Die Anzeige wurde mit Teppichklebeband fixiert. Anschließend diente Heißkleber für die endgültige Befestigung der Anzeige. Durch die Bohrungen der Punktmatrixanzeige passen nämlich keine M3-Schrauben. Der Bestückungsplan, der Verdrahtungsplan und das Print-Layout des LC-Meter in Eagle: Als Basismaterial verwendete ich einseitig kupferkaschiertes Pertinax (Hartpapier) von der Größe einer halben Europakarte. Fast alle Bohrungen haben einen Durchmesser von 0,8 mm.

Neues Layout

Layout von der Bestückseite, erstellt mit Eagle. Großansicht hier. Download der BRD-Datei zum Ausdrucken hier. Anleitung zum Ausdrucken und zur Klarsichtfolienerstellung hier.

Erzeugen der Massefläche in Eagle

Das Layout in Eagle mit sichtbaren Masseflächen. Damit eine Massefläche entsteht, muss vor in der Menüleiste dem Ausdruck "Tools - Ratsnest" ausgeführt werden.

 

Wer nicht direkt aus Eagle ausdrucken will oder kann, erhält hier in Form der printlayout.tif eine Printvorlage als TIF-Bild, die allerdings ein nicht so sauberes Ergebnis liefern kann wie ein direkter Ausdruck aus Eagle. Bei diesem Notbehelf ist durch einen Probeausdruck die richtige Größe und das richtige Seitenverhältnis zu kontrollieren. Für den Audruck und das Anpassen der Größe kann kann sehr gut das kostenlose Programm IrfanView zum Einsatz kommen.

 

Der Verdrahtungsplan des LC-Meter:

Verdrahtungsplan klein


 

Der Verdrahtungsgsplan als Handzeichnung: Klicken auf das Bild zeigt die Großdarstellung.

 

 

Der Stromlaufplan des LC-Meter für Eagle:
Das nachfolgende Schaltbild des LC-Meter und die Anschlüsse der Schalter versteht man besser, wenn man es mit dem Schaltbild von VK3BHR vergleicht. Im Betrieb sind alle Jumper offen. Allerdings musste ich JP 15 kurzschließen, damit eine vollständige Anzeige auf der Punktmatrixanzeige erschien. Dieser Jumper verbindet Pin 10 des PIC mit der Masse.

Schaltbild

 

 

Der Stromlaufplan des LC-Meter in für die Leiterplattenentwicklung mit Eagle (Großdarstellung des Bildes hier). Ausdruck der Eagle-SCH-Datei hier. Wer will, kann diese SCH-Datei als Grundlage für eigene Layouts heranziehen und hat sich somit die Zeichenarbeit und Bauteilesuche gespart. Stückliste hier. Die 5-mm-Leuchtdiode und ihr1-kOhm-Vorwiderstand für die Anzeige der externen Betriebsspannung sind nicht im Schaltbild enthalten.

Einige Tipps zu den Bauteilen und deren Beschaffung:
Alle Bauteile sind problemlos bei Elektronik-Versendern zu erhalten. Einige stammen aus der Bastelkiste. Ich habe ganz gewöhnliche Kohleschichtwiderstände 1/4 Watt mit 10% Toleranz verwendet, da nur der Styroflexkondensator CCAL für die Messgenauigkeit verantwortlich sind.

Das Relais für meine Leiterplatte ist ein Reedrelais von Meder mit der Reichelt-Bestellnummer DIP 7212-L 5V und befindet sich in einem DIL-Gehäuse.

Die Spule L1 ist etwas kritisch und sollte eine hohe Güte haben, damit auch noch große Kapazitäten von 100 nF oder größer gemessen werden können. Da ich nicht den vorgeschlagenen Wert von 82 uH erhielt, verwendete ich mit gutem Ergebnis eine 100-uH-Festinduktivität von Fastron mit der Reichelt-Bestellnummer SMCC 100µ. Kreuzwickelspulen aus alten Radios erwiesen sich gegen meiner Erwartung als schlechter. Experimente mit Eisenpulver-Ringkernen würden sich wahrscheinlich lohnen.

Die Punkmatrixanzeige hat 1 x 16 Zeichen.  Wer sich unsicher im Umgang mit Punktmatrixanzeigen ist, findet auf der "Sprut-Seite" eine ausführliche Erklärung.

Der PIC (PIC 16F84A-04P) muss programmiert werden. Man muss also den Hex-Code von der Festplatte in den PIC kopieren. Auf der besagten "Sprut-Seite" findet man dazu wertvolle Hinweise und die Bauanleitung eines PIC-Brenners. Den PIC sollte man nicht einlöten sondern in eine 18-polige Fassung setzen, damit man ihn eventuell mit einer verbesserten Programm-Version nachträglich überbrennen kann. Ich habe meinen PIC mit einem modifizierten JDM-Programmer gebrannt. Meine Bauanleitung des PIC-Brenners ist im Internet zu finden und enthält auch ein Leiteplattenentwurf mit Eagle. Die Schaltung ist nicht besonders aufwändig. Auf dieser Seite findet man auch einen Link zu einer kostenlosen Brennersoftware.

Die Kondensatoren CMESS und CCAL müssen Styroflex-Typen sein. Der Wert von CCAL ist entscheidend für die Messgenauigkeit. Leider konnte ich keine 0,5%-Toleranz-Typen beschaffen und erzielte in der Not den genauen Wert von 1000 pF durch Zusammenschalten verschiedener Styroflex-Kondensatoren. Dafür ist auf der Kupferseite der Leiterplatte noch Platz.

Der 10-kOhm-Trimmer dient zum Einstellen des Kontrasts. Das Trimmpoti mit der Reichelt-Bestellnummer RT 10-L 10K passt auf meine Leiterplatte. Je mehr man den Schleifer nach links dreht, desto höher der Kontrast. Also nicht gleich erschrecken, wenn man nach dem ersten Einschalten absolut nichts auf dem Display sieht.

Als 5-Volt-Festspannungsregler reicht ein 100-mA-Typ (Reichelt-Bestellnr. µA 78L05) aus.

Für die externe Spannungsversorgung habe ich ein altes 12-Volt-Gleichspannungs-Steckernetzteil verwendet. Der Stromverbrauch der Schaltung ist gering und liegt bei etwa10 mA. Über Nacht wäre allerdings eine 9 Volt Blockbatterie mit Sicherheit entladen. Bei eingebauter Batterie sollte die externe Spannungsversorgung mindestens 10 V betragen, damit die vor der Batterie angeordnete Diode sicher sperrt.

Die Buchsen für das Messobjekt sind Bananenbuchsen mit Schraubklemmvorrichtung. Die Bauteile schließe ich mit Hilfe kleiner Krokodilklemmen an. Dazu habe ich eine kurzes Krokodilklemmenprüfkabel in der Mitte zerschnitten.

 

Innenansicht des LC-Meter

 

 

Die Innenansicht des LC-Meter. Die 9Volt-Blockbatterie wurde mit Teppichklebeband fixiert. Die schwarzen Flecken bestehen aus Acryllack, der als Schraubensicherung dient. Außerdem sieht man, wie die Punktmatrixanzeige an den Rändern mit Heißkleber befestigt wurde.

 

 

LC mit Frontplatte aus Aluminium

Ein weiteres Exemplar: Gehäuse aus Holz, Front aus Aluminiumblech.

 

Rückseite der Aluminiumfrontseite

Sämtliche Bauteile wurden auf der Frontplatte befestigt. Für die Befestigung der LCD-Anzeige wurden M3-Schrauben verwendet, die erst nach Aufbohren der Befestiungslöcher passten.

Praktischer Betrieb:
Im Kapazitätsmessbetrieb sind die Messbuchsen offen zu lassen und der Taster "Zero" ist kurz zu betätigen. Dann erscheint "0 pF". Nach demselben Verfahren sind im Induktivitätsmessbetrieb die Messbuchsen mit einem kurzen Drahtbügel kurzzuschließen, um mit "Zero" einen Abgleich vorzunehmen. Man kann auch mit angeschlossenem Messobjekt die Zero-Taste betätigen, um die Anzeige auf Null zu setzen. Dadurch hat man eine praktische Möglichkeit Wertabweichungen der Bauteile festzustellen. Ansonsten ist der Umgang mit einem Digitalmulitmeter vergleichbar. Mein Exemplar kann Kapazitäten von wenigen pF bis fast 100 nF messen. Induktivitäten lassen sich von wenigen 10 nH (das sind Luftspulen von 7 mm Durchmessern und ein paar Windungen) bis etwa 17 mH (eine größere hatte ich nicht mehr) messen. Die Messgenauigkeit liegt je nach Aufbau zwischen 1 und 3%. Das ist für Amateurzwecke mehr als ausreichend. Bei einem Stabilitätstest wanderte die Anzeige innerhalb von 2 Stunden nach dem Einschalten von 0 pF auf 0,2 pF.

Simulation mit PSpice:
Um das Anschwingverhalten des Oszillators in dieser Schaltung simulieren zu können, kann hier die lcmeter-pspice.zip heruntergeladen werden. Diese Datei enhält alle notwendigen Dateien, um ab der Lite-Version 9.0 Capture/PSpice (Student-Version) die Simulation zum Laufen zu bringen. Vorbereitet wurde eine Transientenanalyse einschließlich einer Monte-Carlo-Analyse. Die Simualtionsnetzliste ist ebenfalls beigefügt. Erstellt wurde die Simulation mit Capture/PSpice Lite Version 9.2.. Simuliert wurde nur der Oszillator mit dem LM311. In der Simulation kann man zeigen, dass bedingt durch die Spulengüte der Oszillator bei größeren Kapazitäten nicht mehr anschwingt.

Simulation mit PSpice

 

 

Der mit PSpice simulierte Schaltungsteil des LC-Meter zur Untersuchung des Schwingverhaltens. Blau unterlegt der frequenzbestimmende Schwingkreis, gelb unterlegt die Nachbildung einer toleranzbehafteten Spannungsquelle.

 

Simulationsergebnis


 

Anschwingverhalten des Oszillators. Die Rechteckkurve stammt vom Ausgang, die Sinuschwingung wurde an der Spule abgegriffen. Die Toleranzanalyse zeigt, dass die Widerstände und Elkos der Schaltung keinen Einfluss auf die Frequenz haben. Außerdem haben Schwankungen der Speisespannungen keinen Einfluss auf die Frequenz und damit auf das Messergebnis.

 

Fazit:
Jedenfalls kann ich mir nicht mehr vorstellen, wie man als bastelnder Funkamateur ohne ein solches LC-Messgerät ausgekommen ist.

 

Zuletzt aktualisiert am Mittwoch, den 01. April 2015 um 19:55 Uhr
 
18. September 2015

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