LCメータの安定度向上

2012-03-25      
 結局懲りずにいじり倒していますが、まぁ自分が作ったガラクタ・・・誰の迷惑にもならないでしょ ・・・というわけで、LCメータの精度向上を考えながら、あれこれいじってみました。



  回路は、最終的にネットでよく見かけるものに落ち着きました。これでひとまずケースに入れた状態で、何とか容量測定には使える程度になったのですが、やはり測定の度に若干結果がぶれるため、図中の2カ所の対策で安定度向上を図りました。

 ①の対策・・・この回路自体がPIC16F648Aのコンパレータ頼みであることと、RA4が周波数カウンタ入力であることから、プルアップ(4.7KΩ)の電源側にパスコン(0.1μF)を入れたら、L測定の安定度が改善。そこで、思い切って4.7μFのタンタルに入れ替えて様子を見ることにしました。発振し難かったLow-QであろうRFCなどでも、それなりに発振する(測定できる)ようになりました。

 そして②の対策・・・これは、この記事にも書いたように「良い頃合いの小容量コンデンサで高域の帰還量を減らす」という工夫な訳ですが、ケースに入れたため少しは安定しただろうと踏んで、このコンデンサを取っ払ってみたところ、やはりむちゃくちゃな値になってしまいました しかし、このコンデンサの容量が測定誤差に直結する(安定度向上を狙う余り、不必要に大きな容量のコンデンサを付けると、見かけの発振周波数が低くなってしまう)ため、ギリギリの最適値探し。結局、3pF程度から効果が現れ始めることが判り、最終的に5pFのセラコンで決着。

 上記の結果、容量測定はそれなりに落ち着いてきて、5分程度のエージング(っていうか電源付けっぱなし状態)で、ほぼ安定に測定できるようになったものの、インダクタンスについては二割ほど小さな値を表示するという現象を引きずったままです

 L測定については、ソフトサイドで補正処理を入れるというオチになりそうですが、ひとまず遠隔君作成準備の山である「コンデンサ容量をできるだけ正しく知りたい」という部分はクリアでしょう。来週末は、漸く遠隔君心臓部の組み立てでしょうかねぇ・・・

ケースイン!

2012-03-18      
 作りっぱなしで放っておいたLCメータ・・・そろそろきちんと使えるように、ケースに収納しました。



 Takachiのちょっと派手なケースですが、なかなかインパクトがあります。落っことしても大丈夫・・・ってこともないのでしょうが、黄色い部分がゴム製で、他のものを傷つけないという点では良い感じ



 中の様子です。基板の上下に、お得意の銅箔シールを貼って簡易シールドとし、発振用のコイルとコンデンサをエポキシで固めました。が、初期変動は相変わらずかなりあります 15分ぐらいすると落ち着いてきますので、暫くはこれでいこうと思っています。

 Lメータとして、手もちのマイクロインダクタで試したのですが、発振が安定せず 来週は外出予定があるんで、値がある程度分かった安っちいコイルを幾つか、秋葉で買ってこようと思います。

やり尽くした感・・・2つのLCメータ

2012-01-29      
 こればかりやっていても仕方がないのですが、残るはセパレート・・・コンパレータ外出しでどうなるかという部分をどーしても知りたくて、マルツさんでLM311を見つけたので、もう1台作っちゃいました。



 右側が新作です。LCDは着脱できるようにコネクタでくっつけてあります

 さて、結果です。

 新作のセパレート形はパターンもそれなりに考えて作り、PIC16F1823を頭脳部分として使いました。流石に安定度は抜群・・・なんですが、結局1000pF±1%のコンデンサ測定で「1050pF程度」というオチ・・・ これなら、左側の方がまだマシですね(同じ測定で1018pFくらいです)。がっかりな反面、まぁこの程度の再現性だろうと妙に納得しました。

 大体見えてきたんですが、要は1000pFのキャリブレ用コンデンサは、素直に「リレー」でグランドに落とした方が楽なこと、逆に、校正用のコンデンサがあれば、キャリブレ時の周波数から回路として出来上がっている状態でキャリブレ用コンデンサ容量を逆算し、それをプログラム上の「係数」にしてしまえば、かなり再現性が上がります。右側の「1050pF表示」も、キャリブレ用コンデンサを「990pF」(-1%)として計算し直すと良い値になります。
 ノイズ系の話は、やはり「余裕のあるレイアウト」や「セパレート形」(フランクリン発振外出し)が解決の王道なのと、帰還用の抵抗に小容量のコンデンサ(5pF~10pF程度)を抱かせるのも効果が大きく、始めから入れておく手もありそうです。

 それから、このLCメータは流石にカバレッジを万全にするのは難しく、小容量帯の精度に照準を定めると、大きな容量では誤差が大きくなります(1000pF近辺で1%以下→0.1μF付近で3%くらい)。この辺り、用途に応じて主に「L」の大きさを工夫した方がよいようです。

 さぁ、この辺でLCメータはケースに入れてひとまず終わりにしたいと思います。

ほぼ完成かな!?

2012-01-22      
 今週末は比較的時間が取れ、プログラム作成&デバッグという感じで過ごし、漸く「測定器っぽい感じ」になりました。



 まだ微調整は残っていますが、ひとまず容量の測定はできるようになりました。±1%のポリプロ・・・写真にもあるように、本体に使っている1000pFのコンデンサ(同時購入)を測定していますが、若干誤差がありますね。その他、0.01μF、0.1μFの基準コンデンサ・・・これは、このキットを組み立てたときに手に入れたものですが、これらも若干「多め」の表示になりますから、やはりキャリブレ時の容量不足(多分3pF程度)の影響もあるかも知れません。

 ただ、まぁ細かい値のコンデンサも測定できていますので、あとはクロック発振の微調整やら、ケースに入れることによるストレー容量の減少に少し期待しつつ、とりあえずの形にはなりそうです。

 Lの方の測定についてはまだデバッグ中で、MPLAB IDE上は正しく動いている風なんですが、まだ「」なところがあります。まぁ、これも少し落ち着いて考えれば、解決に持って行けると思います。

 詳細まとめは、落ち着いてからにしようと思います。

LCメータの測定レンジ

2012-01-16      
 久しぶりの「宿題」を終えて、LCメータの課題等々に夕飯後から着手しました。

 まず、PICクロックの中速化(_HS_OSC→_XT_OSC)ですが、これは0.3~0.4mA程度の節電にしかならず、ひとまず安定に動いている「_HS_OSC」で行くことにしました。
 さらに、キャリブレ用のコンデンサをスイッチングするダイオードへの電流をケチり過ぎ、接地容量が大きくなっていたことに気づき、直列に入れてある電流決定用の抵抗を3.3KΩ→330Ωに変更(都合、11mA程度流れます)、これで容量偏差が数pF以内となりました。また、この修正のおかげで、キャリブレ時の発振周波数がかなり下がり、458~459KHz台に。この結果でインダクタンスを逆算すると、約60μHとなりました。まぁ、こんなもんでしょう・・・。

 さて、計算ロジックを考えるに当たって、結局優秀なMicrochip社のライブラリ(ANxxx)を使うことに落ち着きましたが、AN575と睨めっこしていると、どの程度の測定レンジが必要なのかで準備する(使う)関数も違ってくることから、大凡どの程度の範囲だろう・・・という目星を付けたくなり、本当は寝るべきなのですがこれを書いている次第

 ちょっと試しに、今横でずっと動かしているLCメータに、ひとまず「手」で0.1μFのセラコンをつないでみたところ、72KHz付近でまずまず安定に発振していました(キャリブレ用コンデンサも接続されていた)。コンデンサの容量計としては、どちらかというと「微小容量」を測定したいのですが、仮に0.1μFを測定上限とすると凡そ10倍の周波数差。二乗計算がありますが、それでもそんなに大きな値にはならないでしょう。一方、インダクタンス計として考えると、上記の発振周波数を下限とした場合、大凡4mHまでが測定範囲となります。これも、この辺の値より「数μH~100μH」が測定の中心になるでしょうから、こちらもまぁまぁ落ち着くでしょう。

 逆に小さめの値の測定がメインということは、浮動小数にする際などに下位の桁数をあまり端折ると具合が悪そうですね。

やっと土俵に乗れた!けど、反省点と課題も・・・

2012-01-15      
 いやぁ、本当に手間がかかりましたが、漸くまともに動き始めました。



 周波数カウンタ部分のソフトを搭載して、とりあえず発振周波数を読んでいます(PIC16F648AのRA4)。安定度もまずまず。ゲートタイムを500msにして、その結果を2倍表示しています。キャリブレ用のコンデンサも動いているため507KHz後半付近を発振していますが、またしてもインダクタンスが少なく試算されます。

 コア巻数からの計算:75.2μH
 上記結果からの逆算:49.1μH

 そもそも、ここ一連の実験中に目にした結果でも、計算値より高い周波数で発振していることは明白で、まぁ「そういうもんか・・・」と納得してしまうしかないのですが、PICのカウンタポート(RA4)や周辺回路部分をフランクリン発振部分の「負荷」として見立てた場合・・・例えばRA4に周波数カウンタをパラに接続するとまた少し違った周波数で発振するなど、案外クリティカルではあります。

 結局この測定器の良さは「出たとこ勝負」・・・つまり、測定値の信頼性はキャリブレ用のコンデンサと周波数カウンタの精度にしか依存せず、計測値はあくまで「その時点の実測値」を元に計算要素(インダクタと常時接続のコンデンサ)の値を求めるところがミソな訳ですね。

 ところで、昨日の作業では勘違いでお釈迦・・・三端子レギュレータのピン配の誤った思いこみから、長時間PICを「9V」で動かしていたことに気づかず、ついに1つ壊してしまいました 実は、この実験の時点で既にこの思い込みが始まっており、実際の消費電流はLCD表示込みで4mA と、ここは助かった感じですが、PICを壊したのはちょっとショック・・・。予備を買っておいて助かりました。

 さて、今後の課題をまとめておきます。またも備忘録・・・blogの本領ですね。

 ◆ 必要な計算ロジックの準備(24ビットの除算など)とプログラムの完成
 ◆ XTAL発振を中速設定にする試み(これでさらなる省エネ
 ◆ カウンタゲートの精度についての再考(結構行けてるはずだが・・・)
 ◆ 周波数安定度の向上(LCをポッティングする

 今日は久々に持ち帰り仕事があったりするんで、続きはウィークデーに追々やろうかと。まずはプログラムを完成させねば

コンパレータ発振せり!

2012-01-14      
 先週末は、空き時間に74HCU04を用いたLCメータを組み立て、ひとまず少しまともに動くところまで持っていったのですが、カウンタ入力が大きすぎること(これは、ある程度抵抗挿入で逃げられるのですが・・・)に加えて高調波成分やらノイズやらを拾ってしまい、やはり安定しませんでした。発振部分のみで40mAも食らう元気なインバータは、暫くするとホンノリ暖かくなる始末。10cmほど離れて置いた周波数カウンタの先っちょが「電波」として発信信号を拾うという正に「送信機」のような有様で、どうしても完成まで持って行くのに抵抗感がありました。

 木曜日の帰宅途中にもう一台分の不足部品(水晶とトロイダルコア)を買ってきました。上記のインバータ式をひとまず置いて、どうしても納得がいかない「コンパレータ発振不発」を払拭し、何とか消費電流も電池で動く程度に納めたい・・・この諦めの悪いところが、工作好きには必要なのかも知れませんが、それはともかく、昨晩夜更かしをして「コンパレータ式の再作」にチャレンジしました。PICは、素性がある程度解っているPIC16F648Aに戻しました。



 右側が上記の大食らい君、左側が「コンパレータ式」の作りかけです。主要部品を取り付けて、この状態で実験してみました。コアは、FT23-43に変更してできるだけ部品取り付け面積を稼ぎました。

 当初は、やはり以前と同じように全く発振周波数がデタラメでした・・・が、ネット記事で見つけた「帰還補償用に5pF程度のコンデンサを付けるよろし」の言葉通りに裏面にちっこい5pFのセラコンを付けたらかなり安定して発振するようになりました。NFBの要領で、高い周波数のゲインを落としてしまおうという魂胆ですね。
 このコンデンサの付加も諸刃の剣でした。ちょっと遊びで実験してみましたが、あまり容量の大きなもの(68pF~300pF)をつなぐと発振周波数が下がってしまうこと、さらに容量を大きくしていく(1000pF以上)と効き目が無くなることなど、高周波的要素バリバリです。

 そして、結果はひょんなことから導き出されました。

 若干安定してきたものの、このコンデンサ付加のみでは完全とまではいかなかったため、あれこれ当たっていくうちにふとMCLR(RA5)に触れると、つないでいた周波数カウンタが暫く妥当な周波数を表示し、10秒くらいでまた怪しくなるという挙動に気づきました。RA5は入力ポートとして使いたいため、確か内部プルアップにした筈なのにリセットがかかる
 この時、RA5にはまだ何もつないでいなかったため、ゆくゆく入力ポートとするためのプルアップ抵抗をつなぎつつプログラムを見直すと、入れたつもりのコンフィグビット指定「_MCLRE_OFF」がなんと抜けていました・・・。つまり、PIC自体が不安定に動いていたというオチ
 PICの挙動不審は、大概においてポートの終端処理(プルアップ/ダウン)であることは、既にPICをいじり始めた頃の「神のお告げ」で知っていたはずなのに・・・。そして、PICコンパレータ発振の実験の際は、実験基板上しっかりとMCLRがプルアップされていたため超空中配線でも何とか発振していたこと・・・などなど、合点のいくことが沢山出てきました。直前の記事の失敗も、どうやらここに原因があった・・・とすると、1回分余計な作業をしたわけです

 多分、完成してしまえば同じものは作らないと思いますが、備忘録として以下をまとめておきます。

 ◆ コンパレータ式のフランクリン発振が不安定な場合、帰還抵抗にパラで数pFのセラコンを入れると落ち着く
 ◆ MCLRを含めたポート終端は確実にすること

 結局、随分と遠回りをしたLCメータの製作も、コンパレータ式で落ち着く方向になりました。発振用の常時接続される1000pFコンデンサ(キャリブレ用の高精度ポリプロでない)をセラミックからフィルムに変更したら、初期変動が落ち着けば(上記の通りむき出しの状態で)数Hz単位で動く程度になりました。この辺りは、ケーシング等で解決できれば良し

 ちなみに、発振時の消費電流は11mA弱、LCDをつないでも20mA程度には収まりそうです

コンパレータ発振せず・・・

2012-01-08      
 新調のPIC16F1827まで繰り出して再作した内蔵コンパレータ使用のLCメータ・・・やはり、上手く行きません ちょっと萎えてきました。

 回路は難しくないことから、初期設定部分を慎重に当たったのですが、それらしいバグも見つからず。ただ、これまでのPICとはバンク指定の仕方が違うことや、コンパレータ自体も随分様子が違うため、この辺りのどこかのトリックに引っかかっているのでしょうが、ひとまずこれはこれで取っておいて、インバータを使ったフランクリン発振のタイプに変更して作り直したいと思います。消費電流はちょっと犠牲になりますが・・・やれやれ、出口が見えん

 一方で、今回万一の失敗に備えて、PIC16F1823・・・14ピンのPICも併せて購入してきました。これが90円也。気合いを入れ直して、回路設計&基板配置からですね。この連休に終わればいいのですが・・・。

LCメータのポートアサインの再修正!?

2012-01-07      
 なんか、本当に同じようなことばかりやっている気がしますが、blogのおかげで設計作業は明らかに楽になっています。

PINI/OAssignPINI/OAssign
1RA2C12IN2-18RA1FCCK
2RA3C1IN+17RA0FSW
3RA4C2OUT16RA7OSC1
4RA5MCLR15RA6OSC2
5VSS14VDD
6RB0LCD413RB7LCDRS
7RB1LCD512RB6CNTI
8RB2LCD611RB5LCDE
9RB3LCD710RB4DISW

 どうせ再作ですから、PICの選定についてもちょいと欲が出て「PIC16F1827」を買ってきてしまいました。かなり高機能なこのPIC、秋月で110円 百番台以下のPIC16Fは、姿を消すのでしょうか・・・。

 フランクリン発振は、初心に返ってコンパレータを使うことにしました。わざわざインバータもどきを置かなくても良いように・・・というより、消費電流への配慮です。さらに、周波数カウンタはちょっと捻ってタイマ#1(RB6:T1CKI)を使うことに・・・この辺りは、別途まとめたいと思います。

最後の難関、共振周波数の変位が変・・・

2012-01-06      
 これは、ここ一連の実験中にずっと「謎」のまま放っておいた件です。

 そもそも、LCメータの発振部分にフランクリン発振が選ばれているのは、他の要素に比較的邪魔されずに例の共振周波数の式・・・「f=1/2π√LC」とよくマッチするためです。ところが、実験当初から何となく「おかしいなぁ・・・」と思っていたのが、発振周波数自体がちょっと腑に落ちないんです・・・。

 まず、LCメータの動作におけるCcalありとCcalなしの発振周波数実測値です。

 Ccalあり : 448.20KHz
 Ccalなし : 599.50KHz

 一方、LはFT37-43×13Tということで、計算値は70.98μH。またCはセラミックコンデンサですが、これをこの容量計で測ると凡そ1240pFです。Ccalは一応1000pFとすると、Ccalあり/なしの場合の発振周波数は、それぞれ以下のように計算できます。

 f=1/2π√70.98μH×2240pF → 399.10KHz
 f=1/2π√70.98μH×1240pF → 530.10KHz

 全然違いますね そこで、CとCcalは、容量計及び精度「F」(±1%)を信じて「まぁ合っている」と仮定すると、どうもLの値が怪しい・・・ということで、これを発振周波数実測値から逆算すると、以下のようになります。

 Ccalあり : 56.29μH
 Ccalなし : 55.50μH

 トロイダルコアの巻き数に関するバラツキについては、例のバイブルから「±数%程度」とされており、今回の巻き方で特異な部分は、基板への取り付けを配慮して巻き始めと巻き終わりが対称でないため、多分少しだけインダクタンスが減る方向に動いたのではないか・・・と思われるのですが、果たしてこれだけのことで約71μH→55~56μHまで落っこちるのでしょうか(μsが高いと、巻き数に対するバラツキは減る方向のはずなんですが・・・)。あるいは、13回ギリギリ巻ける太い線を使ったことで巻き始めと巻き終わりが密着しているため、この辺りが悪さをしているのか・・・解決要素が見つからないんで、ブッチギろうとは思っているのですが、どうも気持ちが悪いです
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アパマンというハンデにさらにQRPまで課し、失敗連続のヘッポコリグや周辺機器の製作・・・趣味というより「荒行」か!?

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