Mini-réactancemètre

[Tropique]

Bonjour,

Les fêtes de Pâques approchent, à cette occasion j'ai décidé de vous offrir ce petit inductancemètre/capacimètre.

Présentation:
Il s'agit d'un petit instrument, portable mais complet, qui doit couvrir 99% des besoins des amateurs d'électronique. Les gammes couvertes (fond d'échelle) vont de 20µH à 200H en inductance et de 20pF à 200µF en capacimètre. Pour en étendre l'utilité, un certain nombre d'options sont incluses: possibilité de mesure 4 fils en inductancemètre, présence d'une connection de garde en capacimètre, sortie normalisée à 2V fsd pour interfaçage externe, compensation des cordons de mesure permettant un zéro stable sur toutes les gammes.
Si les prescriptions de réalisation sont respectées, cet appareil permet de faire des mesures à 1% de précision ou mieux dans toute son étendue optimale de mesure, càd de 2µH à 200H et de 2pF à 200µF. Il est aussi possible d'estimer la valeur d'inductances de quelques dizaines de nH voire même de quelques nH en exploitant la sortie externe.

Choix de conception:
Initialement, j'ai souhaité me doter d'un appareil simple et polyvalent, bien que je dispose déjà de moyens plus précis, mais plus lourds, de mesure des composants. Bien qu'il existe quelques appareils du commerce portables ayant une fonction inductancemètre, celle-ci est inutilisable pour les faibles valeurs, et assez imprécise d'une manière générale. J'ai donc étudié un instrument répondant à ces besoins, et en cours de d'étude, j'ai décidé de rendre ce design accessible à des amateurs peu équipés et peu fortunés en adoptant une certaine philosophie.
Dans le choix des composants, cela se traduit par l'utilisation exclusive de composants archi-courants et bon marché; il n'y a pas non plus de composant programmable, ni d'élément mécanique genre sélecteur difficile à se procurer.
Au niveau de la mise au point, il n'est pas nécéssaire de disposer d'appareils de mesure sophistiqués: un multimètre est suffisant.
Mais c'est au niveau de l'étalonnage, ou plutot de son absence, que se situe la plus grande originalité: cet appareil est étalonné par construction, et atteint ses spécifications sans nécéssiter de réglage supplémentaire. Ce qui est un gros atout du point de vue de l'amateur qui doit déjà galérer pour se procurer un misérable condo à 1%... sans parler des selfs.

Description sommaire du fonctionnement:
Le principe de mesure retenu est assez inhabituel: il est basé sur un différentiateur passif, dont l'élément inconnu fait partie. En général, les appareils utilisent plutot une forme de différentiateur actif ou une configuration en pont; ce sont en effet des méthodes qui donnent un résultat théorique exact, alors que le différentiateur passif est intrinsèquement entaché d'une erreur.
Alors pourquoi ce choix? L'erreur, bien qu'impossible à éliminer, peut être gardée dans des limites arbitrairement définies par le choix judicieux des paramètres de fonctionnement, et le circuit passif a par ailleurs un nombre d'avantage: la simplicité, la stabilité, l'absence de bruit propre et une linéarité quasi infinie. Ce dernier point est particulièrement important pour faire des mesures de qualité sur de très faibles valeurs.
Un signal carré d'une fréquence variant selon la gamme est appliquée au différentiateur de mesure; la tension de sortie est redressée et moyennée par un échantillonneur synchrone du signal d'entrée, et immédiatement rééchantillonnée à fréquence fixe, avant d'étre amplifiée d'un facteur dépendant de la gamme, puis détectée et moyennée par un dernier échantilloneur synchrone, dont la sortie est affichée par un module millivoltmètre LCD.
Tout cela peut sembler inutilement compliqué, mais est en fait rendu nécéssaire par le désir de simplification maximale du circuit: la structure des gammes est identique en capacimètre et en inductancemètre, et les commutations de gamme sont faites via la fréquence et le gain exclusivement, et pour garder une linéarité correcte dans les fortes valeurs, il est nécéssaire d'employer des valeurs de résistance très défavorables dans le différentiateur. Cela signifie que dans les premières gammes, la tension récupérée est minuscule: 500µV fond d'échelle dans la 1ère gamme. C'est 10X la tension d'offset du LM324 utilisé, il faut donc employer des méthodes astucieuses pour arriver à traiter ce signal correctement, d'où la nécéssité du double échantillonnage synchrone (qui ne se traduit pas par une complexité correspondante au niveau du hardware).

A suivre....
-----

[invite5637435c]

Salut,

un beau travail que tu nous offre là.

En plus plein d'idées intéressantes.
As-tu un routage en préparation?
Merci encore pour cette contribution et à bientôt.

@+

[Tropique]

As-tu un routage en préparation?
+

Non, désolé, j'ai réalisé mon proto sur une plaque d'essais, et je compte en rester là, je ne fais plus de chimie.
J'ai le fichier au format Kicad, pour ceux que ça intéresse, c'est dèjà un point de départ vers un circuit imprimé (mais attention, j'ai utilisé Kicad comme simple éditeur graphique, je ne sais pas si le netlist sera 100% correct).
Dans les prochains jours j'inclurai aussi des photos de mon proto.

Maintenant, la suite:


Variantes possibles:
Le schéma est une sorte de "version maximale", qui fonctionne très bien, mais dont tout le monde n'a pas nécéssairement l'usage: certains ont peut-être déjà un capacimètre et souhaitent juste s'équiper d'un inductancemètre, d'autres voudront piloter le système par un µcontroleur, etc.
Tel qu'il est, le circuit offre un maximum de flexibilité à ceux qui souhaitent le simplifier ou l'équiper d' un µcontroleur.
Quelques exemples:
-En version "radioamateur" ultra-simplifiée, on peut se contenter des trois premières gammes d'inductancemètre, sans voltmètre interne, juste comme adaptateur à brancher sur un multimètre. Dans ce cas, U4 et U9 sont remplacés par des sections d'un sélecteur mécanique à 3 positions, U7, 8 et 10 disparaissent ainsi que l'alimentation du module voltmètre et tous les composants satellites.
-En version "microcontroleur", on peut aller du plus simple (gérer les commandes et piloter les trois fils du bus de commande de gamme), au plus compliqué: gérer commandes, conversion A/D, affichage, génération des fréquences de mesure et possibilité de choisir la fréquence de mesure pour n'importe quelle gamme.
-Pour ceux qui au contraire préfèrent une version non électronique, il est possible soit de remplacer U7 et U8 par une petite roue codeuse et un interrupteur on/off traditionnel, soit de remplacer aussi les multiplexeurs par un commutateur 8 positions / 3 circuits.
Ce ne sont bien sûr que quelques pistes, les variantes possibles sont infinies.

Choix des composants
Comme mentionné plus haut, les composants sont courants et bon marché; quelques précisions sont cependant utiles: les tolérances indiquées suivent les normes habituelles: j: 5%, f: 1%, b: 0.1%. Quelle est la signification pratique de ces tolérances dans le contexte de cet appareil? J s'applique aux résistances n'ayant aucun impact sur la précision; f signifie que la résistance à une certaine influence sur la précision ou que sa stabilité est importante (metal-film).
B est reservé aux résistances qui permettent en fait l'étalonnage virtuel de l'appareil; comme il n'est vraisemblablement pas question de les trouver telles quelles dans le commerce, il faut les sélectionner soi-même, avec le plus de précision possible; idéalement 0.1% pour être sûr d'arriver à mieux que 1% de précision sur toute l'étendue de mesure. Cela nécéssiterait de disposer d'un appareil d'au moins 10000 ou 20000 points; en pratique, je rassure ceux qui ne disposent que d'un humble 2000 points: même ainsi, la précision de leur appareil a de bonnes chances d'être de l'ordre du 1%, et cela pour diverses raisons: Murphy a souvent des moments d'inattention, et il faudrait vraiment beaucoup de malchance pour que toutes les tolérances s'accumulent dans le sens défavorable; d'autre part si la sélection de toutes les résistances est faite au moyen du même appareil (ce qui parait logique), les erreurs systématiques de dérive du convertisseur, de la référence etc, seront éliminées car ce qui compte est le rapport de ces résistances, et si elles varient toutes dans le même sens, cela reste sans effet sur le résultat final à l'exception de R3 et R4: ce sont les résistances des différentiateurs de mesure, en L et C respectivement, et leur valeur absolue a un impact direct sur la précision. A noter que la plupart des valeurs en "b" sont des valeurs normalisées ou très proches, donc il suffit de tester des résistances à 1% jusqu'au moment où on tombe sur la bonne valeur; en cas de malchance, ou pour les valeurs "farfelues", il suffit de prendre une valeur légèrement inférieure et d'ajouter en série une résistance d'appoint.
Pour les condensateurs non-chimiques, les faibles valeurs sont des céramiques, les autres à film plastique, tolérance de 10% dans les deux cas.
Les chimiques sont de préférence des tantales, en tous cas au moins C7, C10, C11 et C15.
Le quartz de 100KHz risque de causer des soucis à certains: pour cette fréquence, il y a en gros deux types de technologies possibles: la "classique" qui travaille en compression et qui donne des quartz assez volumineux, comme ceux des équipements de mesure ou de télécom des années '60 - '70, et la miniature, utilisée actuellement et qui est basée sur la flexion. Le problème est que les paramètres diffèrent fortement d'un type à l'autre: en flexion, la résistance série (et tous les paramètres motionnels) est 10 à 100X plus élevée qu'en compression; un oscillateur optimisé pour l'un risque de ne pas fonctionner pour l'autre. Avec les valeurs indiquées, le circuit oscillera avec l'un et l'autre type, à la condition qu'ils n'aient pas des paramètres extrêmes. S'il n'oscille pas, il faut mieux adapter les valeurs au type utilisé: diminuer R2 et augmenter C1/C2 pour un modèle traditionnel, le contraire pour un quartz miniature. Même ainsi, il se peut que des quartz miniatures refusent d'osciller; dans ce cas, une possibilité est de substituer un 74HC04 au lieu du HCU: le supplément de gain a de bonnes chances de la faire démarrer, mais il faudra aussi mettre un condensateur de qques nF céramique entre la sortie 2 et la masse pour éliminer les oscillations VHF parasites inévitables.
Une autre possibilité, notamment si l'on a du mal à se procurer cette fréquence, est de choisir une fréquence plus élevée: exemple, 6.4MHz suivi d'un 4040 divisant par 64.
J'ai choisi 100Khz parce que c'est la fréquence nécéssitant le moins de diviseurs (et parce que j'ai un stock d'oscillateurs 100KHz), mais les autres options restent ouvertes.

A suivre....

[invite5637435c]

Si tu as fais une nomenclature de tout ça, je veux bien te faire un routage, je pense que ça le mérite bien.
@+

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitee86643f9]

Merci, Tropique et HULK28..

[Tropique]

Si tu as fais une nomenclature de tout ça, je veux bien te faire un routage, je pense que ça le mérite bien.
@+

J'ai attaché le fichier BOM généré par Kicad; comme prévu, c'est quelque peu anarchique, Kicad n'est pas très "user-friendly" avec les débutants dans mon genre.
Tant que j'y suis, j'ai aussi mis le fichier source en le déguisant en txt; pour l'utiliser dans Kicad il faut lui remettre son extension .sch.
Bon, là-dessus on poursuit:

Fonctionnement détaillé:
L'oscillateur de référence (U1A) pilote une cascade de diviseurs U2-U3 dont une des sorties est sélectionnée par le multiplexeur U4 en fonction de la gamme choisie. Les fréquences de 10KHz et 100Hz sont également cablées en permanence, l'une sert au générateur de tension négative construit autour de U1B-E, l'autre au rééchantilloneur précédent l'amplificateur, dont il sera question plus loin.
La fréquence sélectionnée par U4 est appliquée à U5, configuré en compteur synchrone 2 bits; la deuxième bascule du compteur est composée des sept bascules restantes du boitier, mises en // afin de minimiser l'impédance de sortie. Ce compteur sert à générer les signaux I et Q, de mesure et d'échantillonage; ce processus est illustré sur l'image attachée:
le signal différentié par le composant à mesurer est échantillonné pendant des périodes en quadrature avec le signal; cet échantillonage en quadrature permet d'éliminer de la mesure les pertes résistives dont le composant est affecté: avec un échantillonage en phase, on récupèrerait non seulement l'exponentielle descendante (signal utile), mais aussi un décalage présent sur toute la durée du créneau (pertes résistive, p.ex. résistance série d'une self).
Avec l'échantillonage en quadrature, la première moitié de la période moyenne uniquement la tension de pertes du cycle opposé, puis le signal mesurer qui comprend pertes plus le signal utile; les pertes étant de signe opposé, il ne reste que la tension utile après moyennage.
Ce raisonnement est valable pour les pertes série dans le cas d'une self et pour les pertes // dans le cas d'un condensateur. Dans le cas de pertes opposées, un autre mécanisme de réjection est utilisé: si on ajoute par exemple une résistance parasite en // sur la self à mesurer, elle va former un diviseur de tension avec la résistance de référence du différentiateur; la tension apparente qui lui est appliquée va donc être réduite d'autant, mais un mécanisme va venir compenser cet effet: simultanément, la constante de temps du circuit L/C va augmenter exactement dans les mêmes proportions, et donc le moyennage permettra à nouveau de retrouver la valeur réprésentative de l'inductance pure. Seuls des effets de second ordre combinant les deux effets sont susceptibles d'affecter la mesure.
La première section de U6 réalise l'échantillonage via R5; le moyennage est fait par C10 et C11. Le point froid de ces condensateur ne va pas directement à la masse, mais est utilisé dans la connection 4 fils et est connecté à la masse au niveau du comosant même; les composants R7 à 10 et C12, 13 permettent au multiplexeur de supporter les perturbations de mode commun causées par ce type de configuration. R6 permet d'ajouter une petite tension en anti-phase réglable de manière à décaler le zéro d'une façon cohérente avec la gamme de mesure.
A noter que cette partie est la plus sensible de tout le circuit: la résistance d'échantillonage R5 fait 22K, donc 220X la résistance de référence en capacimètre; autrement dit, en gamme 20pF, il suffirait de moins de 0.1pF de couplage entre le signal de référence et l'entrée du multiplexeur pour obtenir la tension fond d'échelle. Cette tension, sur C10 et 11, vaut 500µV; cela met le point de mesure à 250nV. Ca a l'air un peu effrayant, mais en fait cela fonctionne très bien, il suffit de prendre quelques précautions élémentaires dès le départ.

A suivre.....

[Tropique]

La suite...

Encore quelques mots sur le principe de mesure: sur le chronogramme du message précédent, on peut voir que l'exponentielle n'est pas complètement retombée à zéro lorsqu'une période d'échantillonage se termine (logique, il faudrait attendre un temps infini), ce qui cause une erreur résiduelle: toute la partie de l'exponentielle qui est après cet instant est perdue, et il y a donc une erreur d'évaluation sur la valeur d'autant plus grande que la constante de temps du différentiateur se rapproche de la période de mesure. En pratique, cela se traduit par des non-linéarités pour les fortes valeurs. Pour maintenir ces non-linéarités dans des limites compatibles avec le cahier des charges, les résistances doivent permettre des constantes de temps suffisament faibles, même aux valeurs maximales; comme ces résistances n'ont pas été rendues commutables, pour limiter les complications, il faut des valeurs compatibles avec la gamme maximale.
D'autre part, comme la structure des gammes est identique en L et en C, cela impose que la moyenne géométrique des deux résistances vaille 1K. Ces exigences, plus celle d'une fréquence de travail minimale de 2.5Hz imposent des valeurs très défavorables: 100ohm et 10K. D'où la nécéssité d'accomplir des prouesses pour récupérer le signal dans les basses gammes.
Cela explique aussi qu'il serait difficile d'étendre les gammes à des valeurs plus élevées: il aurait été désirable d'atteindre 2000µF, voire plus, mais ce n'est pas réaliste avec les résistances, et ce ne l'est pas non plus avec la fréquence: déjà à 2.5Hz la constante de temps nécéssaire pour les filtres est limite, à 0.25Hz elle deviendrait insupportable.
Reprenons le cheminement du signal.
Après C12, C13, le signal différentiel est rééchantillonné à 100Hz par Y, et transformé en un carré à cette fréquence; ce signal alternatif est préamplifié 4X par U11B, puis amplifié de 1, 10, 100 ou 1000X par U11C dont U9 commute le gain selon la gamme.
L'avantage de l'amplification à 100Hz par rapport à l'amplification directe est l'élimination des tensions de dérive dues aux offset et potentiels thermoélectriques, ce qui permet l'utilisation d'un LM324, courant et bon marché, et permet un layout sans soucis.
A noter que toutes les fréquences ont été choisies dans un but précis: les valeurs élevés sont multiples de 50Hz, de même que le 100Hz, et la fréquence de 2.5Hz, en plus d'être un sous multiple de 50Hz est égale à la fréquence de rafraichissement du module voltmètre; tout cela permet un affichage stable, sans digit qui hésite.
Le signal à 100Hz est ensuite retransformé en DC par Z, synchrone de Y, et U11A. A ce stade, un zéro d'affichage est également ajouté. La tension fond d'échelle à ce point est de 2V, elle est divisée par 10 avant d'être appliquée au module voltmètre.
Celui-ci est un modèle 2000pts courant à quelques euros, utilisé de manière assez particulière: il n'est normalement pas possible de relier la masse de mesure de ces modules à autre chose sans avoir une alimentation complètement flottante. Ici, pour éviter de devoir mettre une deuxième pile, les particularités de la structure interne du convertisseur A/D ont été mises à profit: la quasi-totalité de ces modules est basée sur des clones de l'ICL7106 et l'alimentation par Q2/D20/R49 permet de relier les masses en autorisant V+ à flotter, et de récupérer la tension de référence interne de 2.8V entre masse et V+. Cette méthode a encore d'autres avantages: elle évite l'utilisation d'un circuit de référence de tension supplémentaire pour les circuits du réactancemètre, et elle permet de vraies mesures ratiométriques, puisque les deux ont maintenant la même référence. La référence de 2.8V est portée à 5V par U11D et Q4 et permet d'alimenter tous les circuits internes.
Q5 conduit quand la tension de la pile se rapproche trop de 5V et allume la LED "LoBatt"; la LED commence à s'illuminer vers 6V, et la précision des mesures commence à se dégrader à 5.7V.
U10 active le point décimal adéquat en fonction de la gamme choisie.
Les poussoirs SW1 et SW2 permettent d'incrémenter ou de décrémenter les gammes en appliquant des impulsions au compteur U8; si une des touches est gardée enfoncée plus d'une seconde, U7A se transforme en oscillateur grâce à C17/R17 et active la fonction "d'auto-repeat".
En plus, l'action sur un des poussoirs active deux temporisateurs en cascade: le premier de 10s autour de U7C commande les LEDs d'unités via Q3, le deuxième de 5min. autour de U7D commande l'alimentation générale de l'appareil via Q7. Donc pour allumer l'appareil, il suffit de manoeuvrer un des poussoirs de changement de gamme; à ce moment il se met en service et allume la LED d'unité correspondante; à ce stade, il n'y a pas encore eu de changement de gamme: le compteur est inhibé via son Cin, de façon à s'allumer dans le même état que dans la dernière utilisation. Aprés 10s, la LED s'éteint, puisqu'en principe on sait dans quelle gamme on se trouve; tant que l'appareil est allumé, les commandes de changement de gamme ont un effet immédiat; à chaque commande, les LEDs se rallument aussi pour 10s. Après 5min. d'inactivité, l'appareil s'éteint automatiquement.
Cette circuiterie n'est pas indispensable, mais elle permet d'économiser la batterie sans pénaliser l'agrément d'utilisation: le circuit de mesure proprement dit consomme environ 8mA plus un petit supplément qui dépend de la gamme et du composant mesuré; lorsqu'une LED est allumée, elle triple environ, d'où l'intérêt du circuit.
Les diodes D11 à 13 ainsi que R37 à 39 permettent de séparer les circuits alimentés en permanence (U7, U8) de ceux qui sont commutés. Au repos, la consommation des circuits en veille se résume aux courants de fuite des divers composants, càd beaucoup moins que l'usure naturelle de la batterie.

A suivre...

[Tropique]

Suite....

Notes de construction, réglage et mise au point:

Comme déjà signalé, le point le plus critique de la construction se situe au niveau de U6; il faut donc le mettre dans un coin "calme", loin des diviseurs, horloge, etc. L'endroit le plus sensible est la broche 14 (c'est d'ailleurs à la réflection un mauvais choix, il vaudrait mieux attribuer cette fonction à l'opérateur Y, mais j'ai dessiné sur le symbole tel qu'il se présentait, pour le plus de clarté possible).
Idéalement, R5 et R6 doivent y être branchées directement, sans piste (ou fil) de quelque longueur que ce soit. Si on a la possibilité de mettre un plan de masse sous et autour de U6, c'est bien, mais il faut ménager une petite ouverture autour de la pin 14, car les capas parasites aussi doivent être minimisées en ce point; pour les mêmes raisons, il est souhaitable d'utiliser des modèles 1/16ème de W pour R5 et R6 (ou réaliser le circuit en SMD); R7 et R8 aussi sont de préférence miniatures. C27 doit être monté au plus proche de U6.
Il est préférable de ne pas utiliser de support pour U6; pour mon proto, j'ai utilisé une solution intermédiaire: j'ai inséré de force des tulipes d'un support dans ma plaque d'essai; j'ai l'équivalent d'un support sans les capas parasites.
Rôle du fil de compensation:
Il y a sur le schéma un fil marqué "compensation wire". Quelle est son utilité? Même en respectant les précautions décrites plus haut, il y aura toujours une capa parasite de qques fF entre le signal à différentier et la pin 14: le signal est présent sur une bonne partie de U5, sur la piste de sortie, etc, il y aura donc inévitablement un peu de feedthrough qui va se traduire par un décalage positif important de l'affichage; il serait en principe possible d'augmenter la valeur de C9 pour que le réglage de zéro arrive à rattraper cet écart, mais ça donnerait une amplitude de réglage inutilement élevée et inconfortable au zéro phys. Il est préférable de contrebalancer l'effet de O1 à O7 en faisant se "balader" un signal opposé autour de R5/R6/U6; en pratique, il s'agira d'une piste ou d'un fil initialement beaucoup trop long, qui va donner un décalage négatif à l'affichage et que l'on raccourcira par essais successifs de façon à lire à peu près zéro avec les réglages centrés. Une fois que la bonne longueur est trouvée, on peut la répercuter éventuellement sur le typon si d'autres exemplaires sont prévus.
Les signaux de commande A, B, C de U6 doivent être routés bien à l'écart des signaux.
U5 doit également être soigné, pour offrir une impédance sortie minimale et pour ne pas rayonner vers U6; mettre donc C28 et son 100n céramique au plus près; éventuellement mettre une perle de ferrite vers l'âme du mini-coax qui va vers la face avant, et une ou deux ferrites de mode commun autour de tout ce coax.
Ce qui est autour de U11C et de U9 réalise de l'amplification de bas niveau et précise, donc soigner les masses et le 2.5V sur C23.
Au niveau du panneau avant, le switch doit être au plus près des bornes d'entrée et le cablage doit être soigné.
Un petit mot sur le 4 fils: ne réalisez cette option que si vous en avez un besoin direct: elle est nettement plus délicate à réaliser que le 2 fils, et même parfaitement implémentée elle dégrade légèrement les performances et la stabilité, donc ne pas la faire, "au cas où, ça peut toujours servir", mais seulement si vous avez des besoins spécifiques comme des mesures d'inductance mutuelle p.ex. En version deux fils, un inverseur L/C à deux sections est suffisant, voire même une si on met trois bornes d'entrée.
Les circuits 74HC peuvent être remplacés par des 74HCT à l'exception de U1 et U5.
C10 et C11 sont des tantale pour des raisons de taille; idéalement, il faudrait des film plastique: après une surcharge, l'absorption diéléctrique ralentit fortement la stabilisation finale de l'affichage; cela n'affecte pas la précision mais c'est énervant. Pour la même raison, ce serait bien de les apparier, de même que C16 et 14.
Je sais qu'il existe des condos miniature de 40V jusqu'à 10µ, donc avec deux en // ça irait, mais je n'ai pas pu m'en procurer.
Pour éviter la surcharge, j'ai fabriqué un petit switch "plug-in", qui permet de court-circuiter les bornes avant d'enlever une self pour en brancher une autre; c'est un pis-aller, mais c'est efficace. En mode capa, le problème ne se pose pas, sauf si on touche malencontreusement les bornes.

Réglages, mise au point:
Si les composants ont été sélectionnés correctement, il n'y aura pas grand chose à faire: régler le 5V à 5.000V, s'assurer que le module voltmètre est bien précalibré à 200mV, régler le 0 d'affichage sur la gamme 2µF, mettre le 0 phys à mi-course et ajuster le fil de compensation, d'abord sur la gamme 200pF et finalement sur 20pF.
C'est tout.
Voici quelques photos de mon proto:

A suivre.....

[Tropique]

Suite:

Utilisation, applications, réflexions diverses:

Il peut sembler inutile de décrire l'utilisation: quoi de plus simple que de brancher un composant pour le mesurer?
Voici cependant quelques infos utiles:
En capacimètre:
Les points de mesure ont une polarité: pour les condos céramique et plastique c'est sans importance, mais pour les chimiques et les jonctions de semiconducteurs, il est important de respecter cette polarité. Sur le schéma, le (+) est sur les terminaux de droite. La tension moyenne appliquée est de 2.5V, la tension de crête, 5V; il ne faudrait en principe pas tester de condo dont la tension de service est inférieure à cette valeur, mais je crois que jusqu'à 4V il n'y a pas de problème: la mesure ne dure pas longtemps, et le 5V n'est présent que de manière transitoire.
Pour les diodes et autres semiconducteurs, la cathode doit être branchée aux terminaux de droite; la tension moyenne appliquée de 2.5V est réaliste et représentative de ce que le composant présentera lorsqu'il est polarisé dans un circuit réel.
Si on mesure une varicap, on n'obtiendra pas exactement la valeur prévue pour 2.5V: la caractéristique capacité/tension n'est pas linéaire, et la tension appliquée varie entre 0 et 5V.
Lorsqu'on mesure un condo de faible valeur, il faut pour faire le zéro, mettre les points de mesure dans la position exacte qu'ils auront avec le composant branché, et connecter ce composant sur un des points, de manière à éliminer la capacité de dispersion de la mesure.
Contrairement à la plupart des autres types de capacimètre, celui-ci élimine dans une large mesure les paramètres parasites du résultat; il est donc possible d'obtenir une valeur correcte même en présence de résistances // ou série non négligeables: par exemple, on peut mettre une résistance de 47K en // avec un condensateur de 10pF et n'obtenir qu'une variation négligeable du résultat; cela permet entre autres de mesurer la capacité d'entrée d'un oscilloscope ou d'un amplificateur. On peut aussi mesurer la capacité parasites de résistances de forte valeur.
Utilisation de la garde:
Le terminal de garde n'est pas explicitement dessiné sur le schéma, c'est simplement la masse générale du circuit. Ce terminal permet d'exclure de la mesure toute capa qui y est connectée; voici un exemple:
Si l'on souhaite mesurer la capacité parasite présente entre les deux voies audio d'un connecteur, DIN p.ex., pour estimer la diaphonie qui va en résulter, on ne peut pas simplement mesurer la capacité entre les pins droite et gauche: il y aura non seulement la capacité directe entre ces deux pins, mais aussi la mise en série de la capacité de chacune des pins vers la pin de masse et le capot métallique; ces capacités sont bien plus importantes que la capacité que l'on souhaite mesurer, et vont venir perturber le résultat. Il faut donc réunir à l'entrée de garde tout ce qui doit normalement aller à la masse, et l'on ne mesurera que la capacité directe entre ces deux broches.
Protection des entrées:
mettre les entrées en court-circuit est parfaitement autorisé: la résistance série de 100ohm va limiter le courant; simplement, les circuits de mesure et échantillonneurs vont acquérir des tensions indéterminées, et après que le CC soit enlevé, il faudra un certain temps avant que l'afficheur se stabilise à nouveau; mettre l'entrée "drive" directement à la garde est déconseillé: cela court-circuite les sorties du HC374; il survivra, mais il faut essayer d'éviter cette situation, ne serait ce que pour sauvegarder la pile. Si on risque de se retrouver fréquemment dans le cas, on peut installer sur le terminal de garde un condensateur ou une résistance, d'une valeur qui permet de limiter le courant sans trop nuire à l'efficacité; la valeur va dépendre des valeurs que l'on envisage de mesurer et de compenser, mais à priori, je commencerais par 0.1µF et 47ohm.
Les entrées peuvent supporter un certain niveau de surtension: la résistance va limiter le courant, et les diodes de substrat des 7 sorties de 374 vont dériver ce courant à la masse; si on oublie de décharger un condensateur avant de le mesurer, ce sera donc sans conséquence, du moins jusqu'à quelques dizaines de V: pas question d'essayer avec un condo de filtrage d'alim à découpage chargé à 350V...
Même dans ce cas, il est probable que la seule fatalité soit la résistance de 100ohm qui aura fait fusible.
Attention, comme elle détermine la précision de l'appareil, il ne faut pas trop la malmener!
Inductancemètre:
Encore une fois, pour les faibles valeurs, il faut mettre les points de mesure dans la position exacte qu'ils auront avec la self branchée; il y a deux optiques: soit on remplace la self par un fil ayant la même longueur que l'écartement des sorties de la self (on mesure le supplément apporté par la self), soit on réunit directement les points de mesure (valeur absolue totale).
La deuxième valeur peut sembler plus intéréssante, mais elle est plus "floue" et moins reproductible que la 1ère.
C'est presque toujours la 1ère qui est indiquée sur les composants marqués.
Attention, avec les selfs ayant un circuit magnétique ouvert (self à air, self sur un cylindre de ferrite...), le fait d'utiliser des pinces croco en acier près du corps de la self peut en augmenter substantiellement la valeur.
Des pinces en cuivre ou en laiton vont diminuer la valeur, mais dans des proportions bien moindre.
De même, tout objet magnétique ou conducteur placé à proximité va fausser la lecture.
Ici aussi, l'excellente réjection des paramètres secondaires permet de faire des mesures en présence d'une résistance série élevée: il sera par exemple possible de mesurer l'inductance parasite de résistances bobinées de faible valeur. Cela permet aussi de mesurer précisément des selfs normalement destinées à travailler en HF ou VHF: contrairement à une idée répandue, la valeur change très peu avec la fréquence; mais les méthodes de mesure habituelles donnent l'impression du contraire.
Mode 4 fils:
Les 4 fils permettent soit des mesures de type Kelvin, soit des mesures de paramètres particuliers comme l'inductance mutuelle ou de façon plus générale, la partie complexe de la transmittance, quelque soit son signe.
Pour l'exploitation en Kelvin, il faut en principe disposer de pinces ayant des machoires isolées l'une de l'autre. En pratique, j'ai découvert que des crocos classiques avec les fils soudés au fond de chaque mâchoire constituent un substitut très décent.
Pour mesurer le coéfficient de couplage, on doit d'abord mesurer chaque self de façon normale; ensuite, il faut 4 fils séparés: on applique le "drive" à un des enroulements et le "sense" à l'autre. En principe, on peut choisir l'un ou l'autre pour le drive, on doit obtenir le même résultat (théorème de réciprocité); pour des valeurs extrêmes, il se peut que la dynamique soit excédée, et dans ce cas les valeurs vont différer; il faut utiliser la plus grande des deux dans la formule: k= L²/L1*L2. Il est possible de déduire ce coéfficient sans mesure 4 fils, de manière classique, avec flux concordants et discordants, mais la mesure 4 fils est plus précise, surtout pour de faibles valeurs de k, et comme la mesure est flottante, elle permet de faire la mesure même quand les deux bobinages ont dèjà une connection électrique (prise intermédiaire d'une self, p.ex.). Si l'on obtient une valeur négative de Lc, cela signifie que la phase des enroulements est opposée; cela permet de trouver la phase des enroulements de transfos d'impulsion ou HF (et BF aussi d'ailleurs). Mais si on s'intéresse à la valeur de Lc, il est indispensable d'inverser une des paires: la sortie n'est pas prévue pour afficher des valeurs négatives, car l'AOP a son V- au 0V, plus une petite polarisation en sortie qui permet de descendre à 0V. Au delà de quelques dizaines de points d'affichage, la valeur n'est plus fiable.
Pour des valeurs de k très proche de 1, il est préférable de déduire la valeur via l'inductance de fuite.
En inductancemètre, les entrées ont des valeurs de résistances de référence et d'échantillonnage qui les rendent très robustes: il faudrait appliquer des tensions vraiment élevées pendant longtemps avant d'arriver à faire du dégât, ce ne devrait donc pas être un souci.
Quelques réflexions additionelles:
Dans l'ensemble, cet appareil est très satisfaisant surtout du point de vue rapport performances/prix de revient; quelques petits regrets cependant: n'avoir pas pu aller au-delà de 200µF (200H par contre est plus que suffisant), mais il faut se dire que pour ce type de valeur, la résistance série a plus d'importance que la valeur en elle même; il vaut donc mieux, pour faire des mesures sérieuses, disposer d'un instrument spécifique.
Un autre regret concerne la lenteur (relative) de l'appareil: lors de la mise sous tension, il faut dix bonnes secondes avant de commencer à avoir des mesures exploitables, et il faut trois ou quatre secondes pour stabiliser l'affichage quand on met un nouveau composant; c'est encore acceptable, mais c'est limite.
Mais avec une fréquence de mesure descendant à 2.5Hz, il serait difficile de faire mieux sans des commutations supplémentaires. Ceux qui veulent se limiter à 20µF peuvent laisser tomber la dernière gamme et diviser par 5 à 10 les valeurs de capa des filtres, et échantillonneur, cela devrait fortement accélérer les choses. L'utilisation de condos à faible absorption diéléctrique aiderait aussi.

Voilà, c'est tout pour l'instant, place aux questions-réponses, s'il y en a.

[Tropique]

Petites mises à jour:

Pour faciliter l'insertion rapide de composants à tester, j'ai réalisé des terminaux à pinces universels, permettant de mettre pratiquement n'importe quel type de composants, depuis des SMD jusqu'à des gros composants traditionnels à fils; les quelques photos montrent comment c'est réalisé.

Ce sont des morceaux de circuit imprimé plaqués or, fixés à des pinces croco. Ces crocos ne sont pas des modèles originalement destinés à l'électronique, elles servent en fait à accrocher des tentures ou des voilages à leur rail, sans faire de coutures. J'ai choisi plutot ce type car elles sont courtes et plates, et ont une bonne force de rappel; il serait aussi possible d'utiliser des pinces classiques pour électronique.
Une des plaques est séparée en deux, ce qui donne assez d'indépendence et de souplesse aux deux pinces pour accepter des terminaux asymétriques, ce qui peut être le cas lorsqu'il y a de la soudure ou un pliage. Avec la dorure, cela permet d'avoir toujours un contact excellent.
J'ai fait le système en 4 fils, mais c'est un luxe plutot superflu: les connections sont courtes, stables et reproductibles. D'autre part, avec le 4 fils, quand on ouvre les pinces, on déconnecte l'entrée "sense" du "drive", ce qui applique des tensions indéterminées aux échantillonneurs, filtres, etc, il faut donc attendre plus longtemps que l'affichage se stabilise, raison pour laquelle j'ai mis un petit switch entre masse et sense que je ferme avant de changer le composant; cela permet d'éliminer le supplément de temps de stabilisation, mais je crois que je vais revenir simplement au deux fils, ce sera amplement suffisant.

Parmi les autres évolutions mineures, j'ai ajouté un réseau R-C série de 10M + 68nF en // avec la résistance de 900K qui attaque l'afficheur; cela fait une compensation opposée à l'absorption diéléctrique des condos tantale, et permet une stabilisation finale plus rapide: la constante de temps principale n'est pas modifiée, mais l'effet de traînage final qui produit un "goutte à goutte" assez exaspérant est en grande partie éliminé.
J'ai aussi ajouté un filtre à la sortie 2V pour isoler le LM324 des perturbations éventuelles émises par le système auquel il est branché: c'est p.ex. le cas des appareils ayant une alim à découpage. Le filtre est composé d'une résistance de 330ohm et d'un condensateur de 100nF céramique; il y a en plus une ferrite de mode commun sur les fils pour compléter l'action. La résistance évite aussi les court-circuits accidentels de la sortie.
A+

[Antoane]

Bonsoir,
J'ai pas saisi le principe de mesure de l'inductance mutuelle : tu commences par mesurer chaque enroulement, indépendamment, puis tu mesures k .
Comment fonctionne l'appareil dans cette configuration ? Le simple fait d'analyser le signal dérivé suffit ? (d'ailleurs, quelle différence entre différencier et dériver ?)
Merci d'avance.

[Tropique]

Dans une self-inductance, on applique un stimulus (variation de courant), qui génère une variation de flux
, qui induit une tension dans cette même inductance.
Pour l'inductance mutuelle, stimulus et mesure sont dissociés: on applique le courant à une bobine, et on mesure la tension induite sur l'autre.
L'inductance mutuelle a la même dimension que la self inductance.
Pour retrouver k, il faut faire quelques opérations algébriques faisant intervenir les valeurs de self inductance également.

[Antoane]

Merci, je vais méditer là-dessus.

[invitebdaad8c8]

bonjour,
désolé de remonter ce post, mais je suis intéressé par cette réalisation et j'aurais voulu savoir si quelqu'un l'aurait déjà réalisée et aurait fait un typon. je crains de le faire mois même et d'y inclure des erreurs de routages.
merci d'avance

[Tropique]

bonjour,
désolé de remonter ce post, mais je suis intéressé par cette réalisation et j'aurais voulu savoir si quelqu'un l'aurait déjà réalisée et aurait fait un typon.

Il semble que non (en tous cas, personne ne s'est manifesté), et c'est un peu dommage, parce que c'est un excellent petit appareil, performant et agréable à utiliser.
C'est d'ailleurs ce que j'utilise préférentiellement, bien que j'aie de la "grosse artillerie" à disposition.

Le schéma est assez rébarbatif, parce que tout est sur un seul folio, mais si tu regardes les photos de la réalisation physique, tu verras que ce n'est pas bien méchant.
Il faut que quelqu'un se jette à l'eau et s'y mette, pourquoi pas toi?

Si tu fais ça sur Eagle ou autre, tu partiras d'un schéma électrique, et je pourrai vérifier qu'il n'y a pas d'erreur. Si c'est bon, le cuivre suivra automatiquement (à condition que le layout ne soit pas fait en dépit du bon sens, mais ça aussi je pourrai contrôler).

[invitebdaad8c8]

bonjour,

jusque la je ne fesait que de petits circuits sans schémas ou juste sur papier et par tâtonnement, et mon oscilloscope ma lâché. j'aurais besoin de me ré-équiper en matériel. ce petit inductance-mètre me parait bien pour mon utilisation. A la vue du schéma que tu as fourni, je me suis senti dans l'obligation d'évoluer, et de passer a l'informatique, j'ai donc choisi ltspice pour les simulation et designspark pour les schémas et le routage. Maintenant il va falloir que je me familiarise avec ces logiciels.donc je vais m'y coller, ca va peut-être pas ce faire en 2 jours mais bon, avec ton aide je devrais pouvoir éclaircir certaines difficultés de compréhension de ma part.

par contre comme tu le disait dans le post 3 on peut simplifier un peut. j'aimerais monter un commutateur rotatif 3 voies 4 positions pour les changements de calibres tout en gardant l'afficheur (3voie 4 positions parce que facilement trouvable) par contre je ne sait pas quel calibres conserver pour pouvoir faire les liaisons sur le commutateur, a la place des 3 multiplexeurs 74hc4051. pourrait tu me conseiller pour choisir quelque chose de pertinent a l'usage pour la majorité des utilisateur potentiel.

[Tropique]

4 positions, il va falloir faire des choix douloureux....
Il faut voir si tu travailles plutot la HF, ou l'audio, ou rien de particulier.
Pour la HF, ce sont surtout les 4 premières gammes qui seraient utiles, pour la BF les 4 dernières, et si tu as le Q entre deux chaises, 2mH à 2H fond d'échelle.
Tu auras quand même une résolution de 1µH, comme sur les LCR-mètres low-cost.
Mais s'il ne te faut que la mesure d'inductances et que tu n'es pas trop exigeant, tu peux faire l'inductancemètre "light", qui donne des résultats correct pour un investissement en temps et en matériel minime.

[invitebdaad8c8]

mes mesure sont plus-tôt du genre inductance moteur, transformateur alim a découpages et self de stockage pour alimentations. donc pas besoin d'une précision extraordinaire je suppose.

[Tropique]

Tu peux en tous cas te "faire la main" dessus, tu n'auras rien perdu, et si tu veux un "upgrade" par la suite, tu peux toujours faire le grand frère.
http://forums.futura-sciences.com/pr...ml#post1035173
En principe, avec tes besoins, tu n'aurais besoin que d'implémenter la gamme "mH", mais pour un switch et un condo, ce serait vraiment idiot de se priver des µH, tu auras certainement l'occasion de t'en servir.

[invitebdaad8c8]

je l'avais pas vu celui la, il est mimi. Je vais commencer par celui ci pour me faire la main.