Voici la description d'un capacimètre, inductancemètre simple à réaliser à base d'un microcontrôleur PIC. La simplicité ne sacrifie pas à la précision qui est plus que suffisante pour des besoins amateurs et supérieure à bon nombre d'appareils du commerce nettement plus onéreux.
Ce montage a les caractéristiques suivantes:
- gamme de mesure de 0 à 838 nF et 0 à 83.88mH.
- précision +/- 1%
- circuit imprimé ne nécessitant pas de fils de raccordement.
- utilisation d'un boîtier facilement trouvable.
- utilisation de composants classiques.
La réalisation s'est appuyée sur une description faite par Phil Rice VK3BHR sur son site. Je n'ai fait qu'adapter le montage à mes besoins et mes critères.
Principe de fonctionnement :
Un oscillateur libre, utilisant une self de 82uH et une capacité de 1000pF oscille à une fréquence (F1) proche de 550 KHz qui est mesuré par un microcontrôleur. Durant la phase de calibration, une capacité de précision de 1000pF est rajoutée en parallèle sur le circuit oscillant et le microcontrôleur mesure la nouvelle fréquence (F2).
En mode mesure le composant de valeur inconnue est connecté aux bornes de mesure. En mode capacimètre la capacité est connectée en parallèle sur le circuit oscillant et en mode inductancemètre la self est connectée en série avec la self interne. La nouvelle fréquence (F3) est alors mesurée.
Un peu de mathématiques basées sur la formule de Thomson calculées par le microcontrôleur et le tour est joué ! Il ne reste plus qu'à afficher la valeur calculée dans la bonne unité.
Schéma électrique : (cliquez pour agrandir)
Le montage est articulé autour d'un microcontrôleur PIC 16F84A, ou son remplacant 16F628A. L'oscillateur utilise un ampli opérationnel LM311 monté en oscillateur avec contre-réaction positive et sortie digitale.
L'afficheur est un LCD 1 ligne de 16 caractères LM020L que j'avais dans mes fonds de tiroirs. Mais le logiciel est prévu pour gérer des afficheurs 2 lignes.
La commutation de la capacité de calibration est assurée par un petit relais Reed.
Le montage est alimenté soit par une pile de 9V en autonome ou par une alimentation externe et la tension est régulée à 5V par un petit régulateur LM78L05. J'ai utilisé un connecteur d'alimentation de récupération qui commute le contact extérieur de la fiche, sur lequel j'ai raccordé la ligne (-) de l'alimentation. Le + étant le contact central.
Le bouton poussoir SW3 noté "Calibration" n'est pas nécessaire. Il effectue une RAZ du PIC qui peut être faite en coupant et rallumant l'alimentation, c'est la solution que j'ai retenue.
JP1 "Display" permet de corriger certains problèmes sur des afficheurs LCD.
JP2 "Test Cal." permet de forcer la commutation de la capacité de calibrage pendant la phase de dépannage.
JP3 "Test" force le passage en mode test, utile pour la mise en route et le dépannage.
Le schéma et le circuit imprimé ont été saisis à l'aide du logiciel gratuit ExpressPCB qui permet aussi de réaliser des circuits imprimés :
Téléchargez le schéma lcmeter.sch au format ExpressPCB.
Téléchargez l'implantation lcmeter.pcb au format ExpressPCB.
Téléchargez le schéma au format Proteus (créé par F1BHY)
Téléchargez l'implantation au format Proteus (créé par F1BHY)
Implantation des composants
Logiciel :
Le logiciel est écrit en assembleur afin de tenir dans la capacité mémoire réduite du PIC. Pendant la calibration qui a lieu pendant la phase juste après l'allumage du montage ou après une RAZ, le logiciel mesure la fréquence d'oscillation F1 avec la capacité et la self internes, puis il rajoute une capacité de 1000pF de précision et remesure la nouvelle fréquence F2.
Une fois calibré, le programme mesure la fréquence de l'oscillateur (F3) avec ses éléments inconnus connectés aux bornes de mesure.
Les formules (4) et (8) sont calculées à chaque cycle pour calculer la valeur du composant rajouté. Cette valeur est ensuite mise en forme et affichée dans la bonne unité.
Il existe différentes versions de logiciels depuis celle d'origine qui a été sans cesse améliorée, elles sont toutes disponibles sur le site de l'auteur. J'ai personnellement utilisée celle modifiée par Andréas Winter qui apporte quelques améliorations intéressantes. Le logiciel a été programmé dans un PIC 16F84A.
Le logiciel utilisé est disponible sur ma page et permet d'utiliser différents types d'afficheur, un cavalier JP1 permet de corriger certaines anomalies d'affichage.
D'autres versions de logiciels sont disponibles sur cette page, j'ai utilisé la version contenu dans l'archive "lcmeter.zip".
Formules de calcul utilisées par le PIC
Construction :
Le circuit imprimé a été conçu de manière à tenir dans un boîtier RETEX MINIBOX RM.04 de dimension 105x35x55 et disponible chez de nombreux revendeurs. Il ne nécessite aucun fil de connexion mis à part celui de la pile de 9V. Il y a un strapp au niveau de l'alimentation +5V.
Pour obtenir une bonne précision, utilisez une capacité de bonne qualité pour C6. Une capacité céramique est à éviter, une capacité Styroflex est indiquée. La capacité Ccal de 1000pF doit avoir la meilleure précision possible, 1% est un minimum si vous voulez obtenir une bonne précision de votre montage.
L'afficheur LCD qui est un modèle LM020L, est monté côté cuivre afin qu'il soit en contact avec la face avant.
Les trous de fixations et le connecteur sont prévus pour cet afficheur. Si vous utilisez un autre type d'afficheur, il vous faudra certainement le relier au circuit imprimé par des fils et revoir la fixation mécanique.
S'il est doté d'un rétro-éclairage, les 4 strapps à souder vous permettront de réaliser la bonne connexion suivant la polarité de la diode de rétro-éclairage. La valeur de la résistance R10 est à ajuster en fonction de la valeur d'intensité conseillée qui doit circuler dans la LED. Pour ces derniers renseignements, consulter la notice de votre afficheur.
Les inverseurs Marche/Arrêt et mesure sont soudés côté cuivre et sont directement fixés au couvercle du boîtier et assurent la fixation du circuit.
La pile de 9V se trouve entre le circuit imprimé et le fond du boîtier.
En fonction des dimensions de vos interrupteur et inverseur, il vous faudra peut-être couper un peu leurs pattes de connexion avant soudure sur le circuit imprimé afin que le circuit imprimé soit à la bonne hauteur et permette à la pile d'être insérée entre le circuit imprimé et le fond du boîtier sur la partie gauche du circuit imprimé.
Les bornes de mesure sont, en fonction de leur longueur, soit soudées directement sur le circuit ou reliées à l'aide de cosses ou fils.
Pour des raisons de commodité de mise au point, je vous conseille de monter des supports de circuits intégrés pour U1 et U2.
Mise en service et utilisation :
Une fois tout câblé et vérifié, ne pas installer les 2 circuits intégrés et mettre le montage sous tension. Vérifiez la présence de +5V sur les pins 8 de U1 et 14 de U2. Si tel n'était pas le cas, contrôlez votre montage et cherchez la source du problème.
Insérez ou soudez U1 et U2, ainsi que le cavalier JP2 "Test" qui permet de commuter le montage en fréquencemètre et positionnez le l'inverseur SW2 en position capacimètre. Mettez votre montage sous tension.
Si vous n'avez pas fait d'erreurs, le montage devrait afficher quelque chose d'approchant comme 0005500 soit 550 KHz.
Si rien ne s'affiche ou si l'afficheur affiche des rectangles noirs, réglez RV1 pour ajuster le bon contraste de votre afficheur.
Si l'afficheur n'indique que la moitié du texte, insérez ou retirez le cavalier JP3 et rallumez le montage.
Mettez ensuite un cavalier sur JP2 "Test cal." ce qui a pour effet de rajouter la capacité de calibration de 1000pF et faire descendre la fréquence aux alentours de 0039400 soit 394 KHz.
Si vous en êtes là, vous avez gagné !! Retirez alors JP1 et JP2 et rallumez.
L'utilisation de votre nouvelle réalisation est des plus simples :
En mode capacimètre, il n'y a rien à faire pendant la phase de calibration. L'afficheur doit afficher C:calibrating en clignotant pendant quelques secondes puis C = 0.0 pF.
En mode inductancemètre, L:Calibrating clignote tant que vous n'aurez pas court-circuité les bornes de mesure pour la calibration. Puis le montage doit afficher 0.0 uH tant que vous laisserez le court-circuit et L = *???* si rien n'est connecté aux bornes.
Une fois le montage calibré, il suffit de connecter votre composant de valeur inconnue aux bornes du montage et le tour est joué !
Notez que la calibration peut se faire avec un composant connecté (capacité ou inductance), le montage se calibrera alors avec cette valeur comme référence ce qui est très intéressant pour comparer des composants, la valeur affichée sera la valeur relative à celle initialement connectée !!
Pour information, mon montage ne consomme que 15 mA en fonctionnement normal.
Précision :
La précision de l'ensemble dépend essentiellement de la précision de la capacité de calibration. Le minimum de tolérance pour cette capacité est 1% si vous voulez une précision correcte. Plus elle sera précise, plus votre montage sera précis.
La nature de la self L1 de 82uH influe aussi sur la précision. Une self moulée donne cependant une précision de 1%. Certaines selfs bobinées sur des ferrites donnent des résultats variables suivant la valeur du composant à mesurer.
Il n'y a pas de problème de linéarité, la précision est équivalente sur toute la gamme de mesure.
Conclusion :
Vous voilà à peu de frais, possesseur d'un appareil très utile et qui vous évitera bien des déboires dans vos réalisations. Il vous permettra d'utliser des composants dont vous ignoriez ou n'arriviez pas à déchiffrer la valeur. La réalisation de montage HF avec des selfs ne vous posera plus de problèmes, vous serez sûr des valeurs.
En cas de problème, je me tiens à votre disposition.
Mes remerciements vont à Phil VK3BHR pour sa description et la diffusion à tire gratuit de son logiciel.
Le schéma et le circuit imprimé ont été réalisés à l'aide du logiciel ExpresPCB qui est gratuit et téléchargeable sur ce site.