С помощью данного измерителя ёмкости можно легко измерить любую ёмкость от единиц пФ до сотен мкФ. Существует несколько методов измерения емкости. В данном проекте используется интеграционный метод. Главное преимущество использования этого метода в том, что измерение основано на измерении времени, что может быть выполнено на МК довольно точно. Этот метод очень подходит для самодельного измерителя ёмкости, к тому же он легко реализуем на микроконтроллере.

 

 

Цифровой измеритель ёмкости на микроконтроллере

Явления, происходящие при изменении состояния схемы называются переходными процессами. Это одно из фундаментальных понятий цифровых схем. Когда ключ на рисунке 1 разомкнут, конденсатор заряжается через резистор R, и напряжение на нём изменятся как показано на рисунке 1b. Соотношение определяющее напряжение на конденсаторе имеет вид:



Величины выражены в СИ единицах, t секунды, R омы, C фарады. Время за которое напряжение на конденсаторе достигнет значения V_C1 , приближенно выражается следующей формулой:



Из этой формулы следует, что время t1 пропорционально емкости конденсатора. Следовательно, ёмкость может быть вычислена из времени зарядки конденсатора.
 

Схема

Для измерения времени зарядки, достаточно компаратора и таймера микроконтроллера, и микросхемы цифровой логики. Вполне разумно использовать микроконтроллер AT90S2313 (современный аналог - ATtiny2313). Выход компаратора используется как триггер T_C1. Пороговое напряжение устанавливается резисторным делителем.  Время зарядки не зависит от напряжения питания. Время зарядки определяется формулой 2, следовательно оно не зависит от напряжения питания т.к. соотношение в формуле VC1/E определяется только коэффициентом делителя. Конечно, во время измерения напряжениепитания должно быть постоянно.

Формула 2 выражает время зарядки конденсатора от 0 вольт. Однако с  напряжением близким к нулюсложно работать из-за следующих причин:
 

• Напряжение не падает до 0 Вольт. Для полной разрядки конденсатора необходимо время. Этоприведет к увеличению времени измерения.
•  
• Необходимо время между стартом зарядки и запуском таймера. Это вызовет погрешность измерения. Для AVR это не критично т.к. на это необходим всего один такт.
•  
• Утечка тока на аналоговом входе. Согласно даташиту AVR, утечка тока возрастает при напряжении на входе близком к нулю вольт.

Для предотвращения данных сложностей использовано два пороговых напряжения VC1(0.17 Vcc) и VC2(0.5Vcc). Поверхность печатной платы должна быть чистой для минимизации токов утечки. Необходимое напряжение питания микроконтроллера обеспечивается DC-DC преобразователем,  работающего от 1.5VAA батарейки. Вместо DC-DC преобразователя, желательно использовать 9V батарейку и преобразователь 78L05, желательно также не выключать BOD, иначе могут возникнуть проблемы с EEPROM.

При первом включении устройства, на семисегментных индикаторах загорится значение ёмкости в несколько пФ (паразитная ёмкость). Необходимо провести калибровку устройства. Для этого необходимо два конденсатора 1nF и 100nF с допуском ±1%.

Зарядка начинается через резистор 3.3М. Если напряжение на конденсаторе не достигнет 0.5 Vcc менее чем за 130 mS (>57nF), происходит разрядка конденсатора и новая зарядка, но уже через резистор 3.3кОм. Если напряжение на конденсаторе не достигает 0.5 Vcc за 1 секунду (>440µF),  надпись "E2". Когда время замерено, происходит вычисление и отображение ёмкости. Последний сегмент отображает диапазон измерения (pF, nF, µF).

В качестве зажима можно использовать часть какого-нибудь сокета. При измерении малых ёмкостей (единицы пикофарад) использование длинных проводов нежелательно.

 

Схема Elm-Chan`а, http://elm-chan.org/works/cmc/report.html - описание на английском.
Спасибо, htscooter! Он прислал печатную плату в SprintLayout 5.0 и фотки.
Спасибо, maxim, за прошивку для ATtiny2313.