<PIC16F648A LC-METER BY INTERNAL COMPALATOR OSCILATOR>

nobchaの電子回路日記ブログ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2016.04.29

PIC16F1827でＬＣメータ試作(内蔵コンパレータ）＠2016,2012

1.　はじめに　

　このＬＣメータはフランクリン型発振回路でＬＣ発振させ、その周波数をカウンタで計り、参照用コンデンサ（精度が良いものを使う）値を元に計算し、測定ＬあるいはＣの値を算出するという方式です。今までＣＱ誌に発表されたり、PIC以外のマイコンでもたくさんの方が移植、追試されています。またキットでも売られています。(後閑本”ＰＩＣ16Ｆ1ファミリ活用ハンドブック”でもＰＩＣ16Ｆ1936を使って試作されました）

　このLCメータはnobchaの電子回路生活で手始め試作課題として取り組みました。まずはPIC16F88を使用し、フランクリン型発振回路には74ＨＣＵ04Ａを用いました。その次にＰＩＣ16Ｆ88内蔵コンパレータでフランクリン発振を組み合わせました。カウンタはＴＭＲ0とＴＭＲ1を使います。

　その次の試作では基板を作成し、PIC16F648AでLCDも４ビットインターフェイスでつなぎました。更に基板そのままで新しいCPUに載せ替えようとPIC16F1827で試作しました。このPIC16F1827はその前に使用したPIC16F648Aとはピンコンパチブルと思って使い始めたのですが、コンパレータの仕様が微妙に違っていました。コンパレータの設定が648Aとは違っているので、ソース記述に違いがあります。

　このLCメータの特徴はと言うとマイコン得意のカウンタ機能、PICの内蔵コンパレータを利用すると言うことでしょうか。まずはPICが得意とするカウンタ機能を用い計測データとして周波数を取得します。更にPIC内蔵コンパレータでフランクリン発振回路を構成します。測定には基本ＬＣ回路での発振周波数、参照用コンデンサ並列による発振周波数と、被測定L直列あるいはC並列による測定発振周波数を順次切り替え取得します。得られた3つの周波数を元に方程式解くと値が計算できるというPIC向きな自作測定器の構成です。参照用コンデンサを並列にして発振させ比較するため、回路のストレー容量などの浮遊インダクタンス誤差分が計算時に打ち消されるような仕組みです。測定誤差は主に参照用コンデンサの誤差だけという原理も結構良い測定精度結果を得ることができる要因です。（厳密に言うとそれ以外のいくつかの誤差要因は残されていますが・・）　詳しくは６．計算法で説明します。

2.　試作機の仕様は　

　ＬＣメータ仕様は次の通りです。

項番	項目	詳細説明
1	フランクリン型発振回路をＰＩＣ16Ｆ1827内蔵のコンパレータを用い構成します。参照用Ｃ切り替えはＴＱ2リレーを使います。スイッチで、ＬＣの接続を変え周波数を計ります	フランクリン型発振回路を用いてＬＣ回路で基本発振します。ここで、注意事項はPIC18F648Aのときとコンパレータの仕様がわずかに変わっており、コンパレータ設定が変わります。次に参照用Ｃをリレーで並列接続し発振させ、周波数測定します。その2つの測定値を元に被試験ＬあるいはＣを回路に追加して得られる３番目の周波数値から方程式を解いて算出します。算出計算式や使い方は後で詳しく説明します。
2	Ｌは1μＨから2ｍＨ，Ｃは10ｐＦから0.01μＦ（基本のＬは100μＨ、Ｃは1000ｐＦ、参照用のＣは1000ｐＦとします）	PIC内蔵コンパレータ発振回路の安定度、カウンタの測定限度などからこの程度です。カウンタの周波数もついでにＬＣＤへ表示します。
3	１６ビットカウンタからなるタイマー1（TMR1）を使用してゲートタイムを作る	LCメータでは大体10ｋHzから3MHｚぐらい計れれば良いので１０m秒をゲート時間にします。（1μS＊10000カウント）
4	８ビットカウンタのタイマー0で入力周波数をカウントして２５６カウントでオーバーフローしたら変数をソフトで加算していく	TMR0の入力の周波数応答の関係でTMR0のプリスケーラを1：2に設定して使います。早い周波数だと割込み処理時間が次のカウントアップに影響を与えるのでオーバーフロー監視する
5	カウンタの処理は割り込みで行います	TMR0,TMR1の割り込みを監視してTMR0のときは変数のカウントアップ、TMR1の時はゲート時間終了でカウント値計算表示を行う
6	MAPLAB＋PICKIT2＋HiTEC　C	開発環境はＭＰＬＡＢ　Ｘ　ｖ2.26＋ＸＣ　ｖ1.33
7	表示は1602コンパチＬＣＤ（16文字2行）	ＳＬ1602ＢＳＬ8などを使います
8	ＬＣＤインタフェイスは4ビットインターフェイス	PB4～７をデータ用、RB0,1はEN, RS信号接続に使用します　WEは常にW側にします

3. 回路図　

１. 　コンパレータ1をフランクリン型発振回路に使用します。回路構成とパラメータは各種ブログを参考にしました。コンパレータ2の出力はオープンドレインなので、プルアップ。Ｃ2outのモードをTRISAレジスタ出力/入力設定へと切り替えることでカウンタＴＭＲ0への入力がＯＮ／ＯＦＦ制御されます。

2.　RB4-7をLCD４ビットデータに、RB0,1をEN、RS信号に割り当てます。ＲA7はＣ／ＣＡＬモード切替スイッチ入力、ＲＢ3は参照用Ｃ接続用リレー駆動です。ＲA6は動作表示用のＬＥＤへ接続されます。

3.　電源は１２Vアダプタからの給電とし、５Vの3端子レギュレータで受けます。

4.　クロックは内部８MHｚとします。

全体回路図を次に示します。

　

　回路図ではL1が22μHとなっておりますが、実際は100μHを採用しております。

なお、コンパレータ部分の接続は次のようになります。

回路図は水魚堂さんのBSchを使いました。また関連記号類も利用させていただきます。公開された作者さん達のご努力に感謝いたします。 http://www.suigyodo.com/online/schsoft.htm

４．　回路実装・基板

　基板はPIC16F648A用に作成した基板を流用しました。

ケース正面　

５.部品

　大体がアキバやポンバシ、あるいはパーツ通販で購入できます。手持ち部品の関係で使用したDIP型リレーは以前秋月で買ったものですが、今は在庫ありません。イーエレさんに在庫があります。

　精密１０００ｐFコンデンサはラジオデパート瀬田無線で±１％を買い求めました。１０００ｐF±５％品でも使えます。秋月電子のフィルムコン1000ｐＦ5％などで良いかと思います。

　自己補正方式でプログラムを組んでいますので、インダクタの値は100μHでなくても動作します。基準用コンデンサC6は１０００ｐFとして、プログラムを組んでいるので、変更する際にはプログラムの変更必要です。

　ケースとか、切替の2回路2接点スイッチは一ひねり考えてご用意ください。

６.　計算法　

　　このＬＣメーターではまずはキャリブレーションモードとして基本部分のＬ＋Ｃによるフランクリン型発振回路で発振させ周波数F1を得ます。続いて値が正確な参照用コンデンサをリレーで並列に追加して発振させ周波数F2を得ます。最後に被測定Ｃを並列に入れるか、被測定Ｌを直列に入れて周波数F3を計ります。以上の3段階動作で得た周波数と参照用Ｃの値から被測定のＣあるいはＬを算出することができます。

　どのような原理でそんなことができるのか。次に説明します。

７．　プログラム

　プログラムはMAIN部とLCD表示部に分けて書いております。_ｌｃｄ_.hの引きこみ必要です。当初はＭＰＬＡＢ　ＩＤＥでＨＩＴＥＣ　Ｃコンパイラを使用しておりました。今回、ＭＰＬＡＢ　Ｘ　ｖ２．２６　ＸＣ　ｖ1.33でコンパイルしました。

８．　測定手順（この手順はPIC16F88使用LCMの画面を流用しております。PIC16F1827では１００μH＋１０００ｐFなので、発振周波数が約半分の５３０ｋHzぐらいになります。）

番号	処理ステップ	内容	画面表示例
1	キャリブレーション	電源ONかリセット時にキャリブレーションモードになり、その旨表示。スイッチがCAL側になるのを待つ
2		基本回路の22μHと1000ｐFで発振周波数を取得する。これをF1として記憶する	F1が1064.ｋHz,F2が765.6ｋHzで計算結果がCは1073ｐF（表記は1000ｐFのF級）,Lは20.8μH（表記は赤々黒）という値です。
3		リレーをONして参照コンデンサCref1000ｐFを並列に付加する。そして周波数をはかり、F2として記憶する
3		Ｃrefを基準にしてＦ1，Ｆ2からＣ，Ｌを導出する
4	測定	キャリブレーションが終わるとスイッチの状態が一旦Ｌ測定になるのを見極め、その後L測定かC測定かのスイッチ状態により計算処理（ＬかＣか）を選択する	縦型で100と書かれたインダクタ（10μH）が9.1μHとでました。
5		周波数を測定しF3とし、Ｆ1,Ｆ3，Ｃ，Ｌの値から、スイッチ設定に応じＬtestあるいはCtestかを計算し、Ｌtest値あるいはＣtest値として表示する	縦型で100と書かれたインダクタ（10μH）が9.1μHとでました。
6		周波数が低いとき（2ｋＨｚ以下）はエラーにする。またＬ測定時周波数が低いとｍＨ単位に切り替える。

９．　完成品と実験　

　電源入れたときの画面が左側、ここでスイッチをCAL側に倒して、CAL後画面が右です。この画面の表示数字の意味ですが、次のようになっています。F1:１００ｐFと１００μHの基本回路で５３０ｋHzです。下段の３７０はF2であり、基準用コンデンサ１０００ｐF±５％を並列に入れたら、３７０ｋｚになりました。そして、ストレーC,Lも加味した基本回路の１０００ｐｆは９５０ｐ、１００μHは９４．９μHと計算され、今後のF3演算時の基準になります。