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2010年2月 6日 (土)

LCメータキットを作る(理論編(1))

 先日発注したLCメータキットが届きました。
 取説も付属していますが、何故かキットなのに回路図が非公開という
変わったものでした。理由は良くわかりませんが、使用している回路を基板
で追うと、海外のメーカが公開している世界中の定番の回路のようでして、
版権的に出しづらいのかもしれません。マイコンやコントローラまわりは独自
設計ですが。測定回路は殆ど同じです。まあそれだけ大本の回路が代替が
無いほどよく出来ているのでしょう。
 原理をみましたが、この方法考えた人、かなり頭の柔らかい人なんでしょう
ね。よく思いついたものです。(アマチュア的には知られた方法なのかな???)
既知のキャパシタ1つあれば、LC発振回路と周波数カウンタでほぼ既知のキャ
パシタ精度のLCメータが出来てしまうのですから。周波数カウンタは今はマイ
コンで簡単に実現できます。
 まあ測定周波数が可変で選べない欠点はありますが、全く無調整でかなり
の高精度が得られるのは特筆すべきものです。アマチュアレベルでは十分で
しょう。
 安定動作にはかなり広範な周波数範囲で動作するLC発振回路が必要です
が、LM311という安価なコンパレータ1つで実現しているのも素晴らしいと感じ
ました。いろんなところで解説されていますが、以下測定原理です。

 まず下記3つのLC素子を用意して、C一つは既知の値もの、ほかは未知の
値のもので、並列共振回路を組みます。そしてこの共振回路は、LC発振回路
に接続して共振周波数を発振周波数として、計測します。
Ref
ここで、標準キャパシタ以外の値は未知です。
まず、キャリリブレーションとして、基準用の素子だけで共振周波数を求めます。
F1
 次いで、基準キャパシタと並列に既知の標準キャパシタを繋いで、共振周波数
を求めます。
F2

 これだけで、上記を連立方程式として、未知の基準キャパシタと基準インダク
タの値が求まってしまいます。実際はF1とF2を周波数カウンタで計測します。
以後この値をメモリに保存して、今度はこの値を基に測定を行います。

Std

測定物を"DUT"とします。標準キャパシタを切り離し、次いでDUTを
接続したときの周波数を計測するとそこからDUTの値が下式で計算
できます。つまり、大本の標準キャパシタの精度次第で、かなり正確
なDUTの値が求まることになります。
(Lを測定するときはDUTはLrefと直列にいれます。)

Dut 

 結構「目から鱗」な測定方法です。

 基準LとCは以上の理由で値自体は正確でなくてもいいのですが、キ
ャリブレーション頻度を少なくするには、環境変化に対して安定した特
性のものが良いと思います。

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