Запис невеликої ємності

The standard way to measure a resistance with an Arduino is to build a voltage divider by putting it in series with a known resistance. I have tried the same approach for measuring capacitances, and it turns out it works well in the 100 pF range! The circuit is like this:

  ┌───────────── Arduino digital output
  │
──┴── known
──┬── cap
  │
  ├───────────── Arduino analog input
  │
──┴── unknown
──┬── cap
  │
 GND

Єдиним висновком є ​​те, що ви повинні робити вимірювання відносно швидко, в іншому випадку слід вимірювати співвідношення опорів витоку. Ось протокол вимірювання:

1. Set both pins to OUPUT LOW in order to discharge both capacitors.
2. Delay for one or two CPU cycles to make sure they are fully discharged.
3. Set the analog input pin to INPUT mode: this will make it high impedance and isolate the node connected to it.
4. Set the digital output to HIGH: this will charge the two capacitors in series to 5 V.
5. Delay for one or two CPU cycles for the voltage to stabilize.
6. Take an analog reading.

Тепер ви можете отримати ємність від читання, використовуючи те ж саме Формула, яку ви використовуєте з резисторами, тільки з імпедансами (або просто 1/C) замість опорів:

C_unknown = C_ref × (1024 − reading) ÷ reading;

Таку ж формулу можна отримати, вважаючи, що вузол з'єднаний до аналогового входу, що включає в себе одну пластину кожного конденсатора, має нульовий чистий заряд.

Декілька речей, які варто відзначити:

• You will get the best resolution by choosing the reference capacitance close to the one you want to measure.
• The delays are not actually needed: as the capacitors charge and discharge very fast, a single CPU cycle is about 24 time constants.
• If you were to measure large capacitances (several nanofarads) with this setup, you would want protective resistors in series with the Arduino pins, but then the delays become mandatory. In the 100 pF range I would not worry about the in-rush currents.
• If the delay in step 5 is too long, your measurement will be affected by the leakage of the caps and the analog input pin.
• You need not worry about the 14 pF cap on the sample and hold circuit: it will slightly affect the very first measurement but, once that cap is charged, subsequent measurement will not be affected as long as the unknown cap does not change to much between consecutive measurements. You do need to calibrate out the stray capacitance of the pin and probes.

Вимірювання величини малої ємності за допомогою постійної оцінки RC по суті вимагає точного вимірювання часу. Чіпи ATmega мають таймер TCNT1 , який можна запрограмувати для збільшення кожного тактового циклу, і може бути зупинено компаратором, використовуючи біт ACIC у реєстрі ACSR . Запуск лічильника на частоті 16 МГц дасть вам роздільну здатність 62,5 нс, що достатньо для вимірювання потужності в діапазоні пікофарад. Тут приклад коду, який використовує це техніка вимірювання.

AnalogRead is about 1000 times slower, so you'll be limited to nF range if you use it.

Зверніть увагу, що ви повинні калібрувати вашу систему при вимірюванні такої малої ємності. Це робиться за допомогою вимірювання з підключеними зондами , але без цільової системи. Ви будете потім відняти це значення ємності (зазвичай 20-50 пФ, залежно від зондів, які ви використовуєте) від ваших сировинних вимірювань, щоб отримати ємність вашої системи поодинці.

Для ємності, як мало, як pF, метод постійного часу RC дає брудні результати на платі Arduino.

Ви можете використовувати Arduino штифти побудовані в невеликій ємності (яка знаходиться в Pf себе), щоб створити "ємність дільник" ланцюга і розрахувати так само, як ви б опір від дільника напруги ланцюга.

See this excellent post by Nethercott for reference Arduino capacitance meter

(коливається від 50 до 100 пФ).

a few ways for such small values -> assuming you can really read it like a capacitor.

1) form a lc tank and measure its frequency -> most effective in measuring small value capacitance. but needs precision inductor/calibration, and is subject to parasitics.

2) заряджати/розряджати його через CCS: і вимірювати час. Найпростіший, як ccs може бути сформований через великий резистор. не ефективний при дійсно малій ємності;

3) charge transfer: using the capacitance of the adc. very effective against small capacitance: < 10x of adc capacitance. needs calibration.

у кожного є свої проблеми.

Кожен вимірювач ємності Arduino спирається на властивість конденсаторних контурів резистора (RC) - постійна часу. Постійна часу схеми RC визначається як час, необхідний для того, щоб напруга на конденсаторі досягала 63,2% від її напруги при повному заряді. Більш великі конденсатори заряджаються більше часу, а тому створюватимуть більші константи часу. Ємність в RC-ланцюзі пов'язана з постійною часу за рівнянням:

TC = R x C

where TC = time constant in seconds R = resistance in ohms C = capacitance in farads

Перестановка рівняння для вирішення для ємності дає:

C = TC/R

^{simulate this circuit – Schematic created using CircuitLab}

Example: 1 megohm * 1 microfarad = 1 second

Кожен вимірювач ємності має RC схему з відомими значеннями резисторів і невідомим значенням конденсатора. Arduino буде вимірювати напругу на конденсаторі і реєструвати час, необхідний для досягнення 63,2% його напруги, коли вона повністю заряджена (постійна часу). Оскільки значення опору вже відомо, ми можемо використовувати формулу вище в програмі, яка буде обчислювати невідомі ємності.

Оскільки ваш ємність занадто малий в діапазоні Піко Фарад, так що ви можете безпосередньо виміряти ємність через аналоговий PIN-код, як цей спосіб ... Ви сказали, що ваш конденсатор динамічний в природі, тому вам доведеться приймати принаймні 10 значень і середню, щоб отримати точне значення.

Код для вимірювання Низька ємність в діапазоні pF

const int OUT_PIN = A5;
const int IN_PIN = A0;
const float IN_STRAY_CAP_TO_GND = 24.48;
const float IN_CAP_TO_GND  = IN_STRAY_CAP_TO_GND;
const float R_PULLUP = 34.8;  
const int MAX_ADC_VALUE = 1023;

void setup()
{
  pinMode(OUT_PIN, OUTPUT);
  pinMode(IN_PIN, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
    pinMode(IN_PIN, INPUT);
    digitalWrite(OUT_PIN, HIGH);
    int val = analogRead(IN_PIN);
    digitalWrite(OUT_PIN, LOW);

    if (val < 1000)
    {
      pinMode(IN_PIN, OUTPUT);

      float capacitance = (float)val * IN_CAP_TO_GND/(float)(MAX_ADC_VALUE - val);

      Serial.print(F("Capacitance Value = "));
      Serial.print(capacitance, 3);
      Serial.print(F(" pF ("));
      Serial.print(val);
      Serial.println(F(") "));
    }
    else
    {
      pinMode(IN_PIN, OUTPUT);
      delay(1);
      pinMode(OUT_PIN, INPUT_PULLUP);
      unsigned long u1 = micros();
      unsigned long t;
      int digVal;

      do
      {
        digVal = digitalRead(OUT_PIN);
        unsigned long u2 = micros();
        t = u2 > u1 ? u2 - u1 : u1 - u2;
      } while ((digVal < 1) && (t < 400000L));

      pinMode(OUT_PIN, INPUT);  
      val = analogRead(OUT_PIN);
      digitalWrite(IN_PIN, HIGH);
      int dischargeTime = (int)(t/1000L) * 5;
      delay(dischargeTime);   
      pinMode(OUT_PIN, OUTPUT);  
      digitalWrite(OUT_PIN, LOW);
      digitalWrite(IN_PIN, LOW);

      float capacitance = -(float)t/R_PULLUP
                             /log(1.0 - (float)val/(float)MAX_ADC_VALUE);

      Serial.print(F("Capacitance Value = "));
      if (capacitance > 1000.0)
      {
        Serial.print(capacitance/1000.0, 2);
        Serial.print(F(" uF"));
      }
      else
      {
        Serial.print(capacitance, 2);
        Serial.print(F(" nF"));
      }

      Serial.print(F(" ("));
      Serial.print(digVal == 1 ? F("Normal") : F("HighVal"));
      Serial.print(F(", t= "));
      Serial.print(t);
      Serial.print(F(" us, ADC= "));
      Serial.print(val);
      Serial.println(F(")"));
    }
    while (millis() % 1000 != 0)
      ;    
}