LC-Meter nach VK3BHR mit PIC 16F84

Geschrieben von: Volker Lange-JansonMittwoch, den 08. Juli 2009 um 09:56 Uhr - Aktualisiert Mittwoch, den 01. April 2015 um 19:55 Uhr

// // LC-Meter nach VK3BHR mit dem PIC 16F84 und einemEagle-Leiterplattenentwurf

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

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Nachfolgend möchte ich hier meine Erfahrungen mitteilen und die Dokumentation diesesProjekts auch anderen zur Verfügung stellen. Außerdem stelle ich hier meinen mit Eagleerstellten Leiterplattenentwurf zur Verfügung.

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LC-Meter nach VK3BHR mit PIC 16F84

Geschrieben von: Volker Lange-JansonMittwoch, den 08. Juli 2009 um 09:56 Uhr - Aktualisiert Mittwoch, den 01. April 2015 um 19:55 Uhr

Der Ursprung und etwas Entwicklungsgeschichte des LC-Meter: Der Urvater dieses LC-Meters stammt wohl von AADE und ist nach wie vor als Bausatzerhältlich. Dort kann man auch das Messprinzip nachlesen. Ganz zu Anfang war diePIC-Software von AADE kostenlos im Inernet erhältlich. Doch dann gab es die Software nurnoch als programierten PIC in Verbindung mit einem Bausatz. Der Bausatz desAADE-LC-Meters ist über die Zeitschrift FUNKAMATEURerhältlich. Nach einem ähnlichen Prinzip ist der hier vorgestellte LC-Meter von VK3BHR aufgebaut. Aufseiner Seite ist nicht nur dieBauanleitung nebst Schaltbild zu finden, sondern es sind auch verschiedene Programm-Codesfür den PIC für dieses Projekt zum Download bereitgestellt, die immer wieder verbessertwerden. Außerdem kann man dort das Funktionsprinzip und den verwendeten Formelsatz fürdas Messprinzip in Erfahrung bringen. Nach der dort beschriebenen Bauanleitung habe ich dashier vorgestellte LC-Meter nachgebaut. Übrigens hat sich bei mir dieses Nachbauprojekt überein Jahr hingestreckt. Wie mir Phil Rice, VK3BHR, aus Australien schrieb, wurde diesesLC-Messgerät weltweit schon sehr oft nachgebaut. Besten Dank an VK3BHR für dieBereitstellung 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 Abwandlungeinschließlich eines Eagle-Layouts. Diese Variante kann größere Kapazitäten messen. Außerdem befindet sich auf diesemInternetauftritt eine Bauanleitung für einen Kapazitätsmesser, der Elkos messen kann. Eine Bauanleitung eines LC-Meter mit dem AT89C2051soll die Messung von Induktivitäten bis 160 H und Kapazitäten bis 1600 uF ermöglichen.Selbstverständlich ist das Programm für den AT89C2051 ebenfalls zum Herunterladen freiverfügbar. DD0SB bietet zuweilen auf Amateurfunkflohmärkten einen auf einem Atmelbasierenden LC-Meter an (siehe Bild). Es funktioniert meiner

Erfahrung nach ausgezeichnet und die fertig bestückte Leiterplatte ist solide aufgebaut. Ichhabe dieses LC-Meter im Sommer 2004 erworben. Es kann ebenfalls sehr kleine Induktiviätenund Kapazitäten messen. Beim Einschalten kalibriert es sich selbst. Sein Kapazitätsbereichreicht 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 entwarfich mit dem Leiterplattenprogramm Eagle von CadSoft im Schnellverfahren und mit Hilfe desAutorouters eine großzügig bemessene Leiterplatte mit den Abmessungen einer halbenEuropakarte. Sicher keine ausgefeilte Glanzleistung, aber sie erfüllt einwandfrei ihren Zweck.Lieber einen funktionsfähiges Selbstbauprojekt als überhaupt keines. Das Projekt ließ sich nochmit der kostenlosen Lite-Version bewerkstelligen, welche man sich ebenfalls bei CadSoftherunterladen kann. Wegen den Abmessungen von einer halben Europakarte spart man sichauch das Zurechtsägen. Die Befürchtung, dass sich das Drahtgewirr und damit insbesonderedie langen Zuleitungen zu dem L/C-Umschalter nachteilig auswirken würden, bewahrheitetesich zum Glück nicht. Der Lohn der Verdrahtungsarbeit ist, dass man die Frontplatte flexibelgestalten kann. Bei der Frontplattengestaltung ist es wichtig, dass der C/L-Schalter und derZero-Taster bequem zu erreichen sind.

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Geschrieben von: Volker Lange-JansonMittwoch, den 08. Juli 2009 um 09:56 Uhr - Aktualisiert Mittwoch, den 01. April 2015 um 19:55 Uhr

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

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Geschrieben von: Volker Lange-JansonMittwoch, den 08. Juli 2009 um 09:56 Uhr - Aktualisiert Mittwoch, den 01. April 2015 um 19:55 Uhr

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

Das Layout in Eagle mit sichtbaren Masseflächen. Damit eine Massefläche entsteht, muss vorin 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 eindirekter Ausdruck aus Eagle. Bei diesem Notbehelf ist durch einen Probeausdruck die richtigeGröße und das richtige Seitenverhältnis zu kontrollieren. Für den Audruck und das Anpassender Größe kann kann sehr gut das kostenlose Programm IrfanViewzum Einsatz kommen.   Der Verdrahtungsplan des LC-Meter:

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Geschrieben von: Volker Lange-JansonMittwoch, den 08. Juli 2009 um 09:56 Uhr - Aktualisiert Mittwoch, den 01. April 2015 um 19:55 Uhr

  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 manbesser, wenn man es mit dem Schaltbild von VK3BHR vergleicht. Im Betrieb sind alle Jumperoffen. Allerdings musste ich JP 15 kurzschließen, damit eine vollständige Anzeige auf derPunktmatrixanzeige erschien. Dieser Jumper verbindet Pin 10 des PIC mit der Masse.

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Geschrieben von: Volker Lange-JansonMittwoch, den 08. Juli 2009 um 09:56 Uhr - Aktualisiert Mittwoch, den 01. April 2015 um 19:55 Uhr     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 sichsomit die Zeichenarbeit und Bauteilesuche gespart. Stückliste hier. Die 5-mm-Leuchtdiode und ihr1-kOhm-Vorwiderstand für die Anzeige der externenBetriebsspannung 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 derBastelkiste. Ich habe ganz gewöhnliche Kohleschichtwiderstände 1/4 Watt mit 10% Toleranzverwendet, da nur der Styroflexkondensator CCAL für die Messgenauigkeit verantwortlich sind. Das Relais für meine Leiterplatte ist ein Reedrelais von Meder mit derReichelt-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 großeKapazitäten von 100 nF oder größer gemessen werden können. Da ich nicht denvorgeschlagenen Wert von 82 uH erhielt, verwendete ich mit gutem Ergebnis eine100-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 mitPunktmatrixanzeigen ist, findet auf der "Sprut-Seite"eine ausführliche Erklärung. Der PIC (PIC 16F84A-04P) muss programmiert werden. Man muss also den Hex-Code vonder Festplatte in den PIC kopieren. Auf der besagten "Sprut-Seite" findet man dazuwertvolle Hinweise und die Bauanleitung eines PIC-Brenners. Den PIC sollte man nicht einlötensondern in eine 18-polige Fassung setzen, damit man ihn eventuell mit einer verbessertenProgramm-Version nachträglich überbrennen kann. Ich habe meinen PIC mit einemmodifizierten JDM-Programmer gebrannt. Meine Bauanleitung des PIC-Brenners istim Internet zu finden und enthältauch ein Leiteplattenentwurf mit Eagle. Die Schaltung ist nicht besonders aufwändig. Auf dieserSeite findet man auch einen Link zu einer kostenlosen Brennersoftware. Die Kondensatoren CMESS und CCAL müssen Styroflex-Typen sein. Der Wert von CCAList entscheidend für die Messgenauigkeit. Leider konnte ich keine 0,5%-Toleranz-Typenbeschaffen und erzielte in der Not den genauen Wert von 1000 pF durch Zusammenschaltenverschiedener Styroflex-Kondensatoren. Dafür ist auf der Kupferseite der Leiterplatte nochPlatz. Der 10-kOhm-Trimmer dient zum Einstellen des Kontrasts. Das Trimmpoti mit derReichelt-Bestellnummer RT 10-L 10K passt auf meine Leiterplatte. Je mehr man den Schleifernach links dreht, desto höher der Kontrast. Also nicht gleich erschrecken, wenn man nach demersten 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 altes12-Volt-Gleichspannungs-Steckernetzteil verwendet. Der Stromverbrauch der Schaltung istgering und liegt bei etwa10 mA. Über Nacht wäre allerdings eine 9 Volt Blockbatterie mitSicherheit entladen. Bei eingebauter Batterie sollte die externe Spannungsversorgungmindestens 10 V betragen, damit die vor der Batterie angeordnete Diode sicher sperrt. Die Buchsen für das Messobjekt sind Bananenbuchsen mit Schraubklemmvorrichtung. DieBauteile schließe ich mit Hilfe kleiner Krokodilklemmen an. Dazu habe ich eine kurzesKrokodilklemmenprüfkabel in der Mitte zerschnitten.  

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

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Geschrieben von: Volker Lange-JansonMittwoch, den 08. Juli 2009 um 09:56 Uhr - Aktualisiert Mittwoch, den 01. April 2015 um 19:55 Uhr

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

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Geschrieben von: Volker Lange-JansonMittwoch, den 08. Juli 2009 um 09:56 Uhr - Aktualisiert Mittwoch, den 01. April 2015 um 19:55 Uhr

Sämtliche Bauteile wurden auf der Frontplatte befestigt. Für die Befestigung der LCD-Anzeigewurden 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 demselbenVerfahren sind im Induktivitätsmessbetrieb die Messbuchsen mit einem kurzen Drahtbügelkurzzuschließen, um mit "Zero" einen Abgleich vorzunehmen. Man kann auch mitangeschlossenem 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 kannKapazitäten von wenigen pF bis fast 100 nF messen. Induktivitäten lassen sich von wenigen 10nH (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 zwischen1 und 3%. Das ist für Amateurzwecke mehr als ausreichend. Bei einem Stabilitätstest wandertedie 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, kannhier die lcmeter-pspice.zip heruntergeladen werden. Diese Datei enhält alle notwendigenDateien, um ab der Lite-Version 9.0 Capture/PSpice (Student-Version) die Simulation zumLaufen zu bringen. Vorbereitet wurde eine Transientenanalyse einschließlich einerMonte-Carlo-Analyse. Die Simualtionsnetzliste ist ebenfalls beigefügt. Erstellt wurde dieSimulation mit Capture/PSpice Lite Version 9.2.. Simuliert wurde nur der Oszillator mit demLM311. In der Simulation kann man zeigen, dass bedingt durch die Spulengüte der Oszillatorbei größeren Kapazitäten nicht mehr anschwingt.

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Geschrieben von: Volker Lange-JansonMittwoch, den 08. Juli 2009 um 09:56 Uhr - Aktualisiert Mittwoch, den 01. April 2015 um 19:55 Uhr

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

  Anschwingverhalten des Oszillators. Die Rechteckkurve stammt vom Ausgang, dieSinuschwingung wurde an der Spule abgegriffen. Die Toleranzanalyse zeigt, dass dieWiderstände und Elkos der Schaltung keinen Einfluss auf die Frequenz haben. Außerdemhaben Schwankungen der Speisespannungen keinen Einfluss auf die Frequenz und damit aufdas Messergebnis.   Fazit: Jedenfalls kann ich mir nicht mehr vorstellen, wie man als bastelnder Funkamateur ohne einsolches LC-Messgerät ausgekommen ist.   // //

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