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LC-Meter 2.0 - Hilfe zur Fehlersuche

Fehlermeldung

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Weitere Details und Hilfe zur Fehlersuche zum LC-Meter 2.0

Für den Fall, daß es doch mal Schwierigkeiten bei der Inbetriebnahme des LC-Meters geben sollte, habe ich mal eine Reihe von Oszillogrammen zusammengestellt. Unter der Voraussetzung daß ein Oszilloskop vorhanden ist, mögen die folgenden Diagramme helfen, festzustellen, wann die Abweichung auftritt, die zum Versagen des Meßgerätes führt. Das könnte Hinweise auf Probleme in der Firmware oder der Hardware liefern. Außerdem geben die Bilder verbunden mit den Beschreibungen einen weiteren Einblick in die Funktionsweise des LC-Meters.

Wenn nicht anders angegeben, dann sind die Meßeingänge offen. Das Meßgerät sollte sich nach rund zwei Sekunden in der Kapazitätsmessung befinden und es sollte einige 10 pF bis zu maximal rund 100 pF anzeigen - je nach Verkabelung. Einige Oszillogramme für die L-Messung finden sich in Abschnitt 5; dort liegt eine Induktivität von etwa 40 µH zur Messung an..

Generell ist natürlich auch zu prüfen, ob das selbe Oszillogramm auch an den jeweils mit dem Meßpunkt verbundenen anderen Komponenten anliegt. Beispielsweise muß das Signal OUT des LM311 (Pin 7) auch am Pin 2 und Pin 17 der CPU vorliegen. Der Schaltplan liefert die dafür notwendige Information. Die Aussage gilt natürlich auch für Gleichspannungswerte. Haben Meßpunkte, die gemäß Schaltplan eigentlich verbunden sein sollten, dennoch unterschiedliche Spannungen oder Signalverläufe, dann liegt offenkundig eine Unterbrechung vor.

Die Platinen wurden nach der Fertigung einem elektrischen Test unterzogen. Das Verfahren ist hier beschrieben. Man kann also zunächst einmal davon ausgehen, daß Kurzschlüsse und Unterbrechungen nicht vorliegen.

Natürlich kann ich nicht ausschließen, daß beim löten - vor allem beim aus- und wieder einlöten - etwas beschädigt worden ist. Auch wenn die Platine vielleicht anderweitig mechanisch bearbeitet worden ist (eigene Befestigungsbohrungen, vielleicht eine Kante abgesägt), könnte es zu Unterbrechungen einzelner Leiterbahnen kommen. Wurde die Platine in einen Schraubstock eingespannt? mit einer Schraubzwinge fixiert? Vielleicht sogar ohne die Oberfläche zu schützen? Hat sie sich bei der Bearbeitung bewegt?

1. Rund um das IC6, PCF8574P - Ansteuerung der Reed-Relais

Das folgende Diagramm zeigt die Pegelverläufe an den Ausgängen des IC6 unmittelbar nach einem Reset. Die blaue Kurve ist das Resetsignal wobei der Reset bei der ansteigenden Flanke ausgelöst wird (beim kleinen Fadenkreuz). Die violetten Kurven stehen jeweils für die auf der rechten Seite genannten Signale (REL_*). Ist die violette Linie dick, dann liegt H-Pegel (+5 V) an und das zugehörige Relais ist offen, inaktiv; ist sie dünn, dann liegt L-Pegel (0 V) an und das Relais ist geschlossen und damit aktiv. Das Zeitraster ist 200 ms pro Kästchen.

Pin Funktion Oszillogramm
4-7, 9-12 REL_* REL_LM311 - IO-Pins

Das System hat seinen Meßmodus ungefähr 1,6 Sekunden nach dem Reset gefunden. Das Relais für die C-Messung (REL_NE555) ist aktiv während das Relais für die L-Messung (REL_LM311) inaktiv ist. Das zu messende Objekt ist also mt dem NE555 verbunden. Die drei Relais die die verschiedenen Meßkonfigurationen für die L-Messung einstellen (REL_330P, REL_L3 und REL_LX) sind inaktiv, also offen. Von den drei Relais, die der Meßbereichsumschaltung der C-Messung dienen, ist das mit dem 1 MOhm-Widerstand aktiv und damit wurde der Meßbereich für kleinste Kapazitäten gewählt, was plausible ist, denn die Eingänge sind ja offen - ohne Meßobjekt.

Man sieht auch, daß die meiste Zeit der ersten 1,6 Sekunden damit zugebracht werden, eine L-Messugn durchzuführen (REL_LM311 ist geschlossen - L-Pegel und REL_NE555 ist offen - H-Pegel). Die drei Relais REL_330P, REL_L3 und REL_LX legen während dieser Zeit verschiedene Meßkonfigurationen an. Da der Eingang jedoch offen ist, schwingt der Oszillator nicht an und das System schließt daraus, daß gar keine Induktivität zur Messung angeschlossen ist. Daß der Oszillator nicht anschwingt, sieht man hier jedoch nicht. Die drei Relais zur Meßbereichsumschaltung der C-Messung sind inaktiv.

2. Rund um den LM311

Das folgende Oszillogramm zeigt einige charakteristische Spannungsverläufe an einigen Pins des LM311. Die Signale sind etwas angerauscht, was auf etwas zu lang geratenen, nicht geschirmten Meßleitungen (Krokokabel zwischen Tastkopf und Meßpunkt) zurückzuführen ist. Das gelbe Signal liegt an Pin 7 und steht für das Ausgangssignal des LM311. Es darf nur die Spannungen 0 V und 5 V annehmen. Das türkisfarbene Signal wurde vom nicht invertierenden Eingang abgenommen und das violette Signal vom invertierenden Eingang. Wenn keine zu messende Induktivität angeschlossen ist, dann oszilliert die Schaltung mit etwa 1 Hz. Die Rückkopplungen entstehen über R4 und R7 wobei die Zeitkonstante aus R7 und C10 die Frequenz bestimmt.

Pin Funktion Oszillogramm/Bemerkung
2,3,7 diverse LM311 - Übersicht
1 GND 0 V - Stromversorgung - negative Versorgungsspannung (hier identisch mit Masse)
4 Vee 0 V - Stromversorgung - negative Versorgungsspannung (hier identisch mit Masse)
5,6 diverse 4,8 V - BALANCE und BALANCE/STROBE
8 Vcc 5,0 V - Stromversorgung - positive Versorgungsspannung

3. Rund um den NE555

Die folgenden Oszillogramme zeigen die wichtigsten Spannungen bzw. Pegel an den Pins 4, 3, 2 und 6/7 des NE555 während der Kapazitätsmessung bei offenem Meßeingang. Das erste Bild stellt eine Übersicht dar, die von einem Reset-Impuls bis zum nächsten reicht (Periode ca. 0,4 s). Die anderen Kurven zeigen keine nennenswerten Details; die Kurve für TRIG zeigt nicht alle Impulse - daher das etwas 'ausgefranste' Aussehen.

Pin Funktion Oszillogramm/Bemerkung
4, 3, 2, 6/7 diverse NE555 Übersicht
1 GND 0 V - Stromversorgung - Masse
8 Vcc 5,0 V - Stromversorgung - positive Versorgungsspannung
5 CONT 3,33 V - 2/3 der positiven Versorgungsspannung, Gleichspannung

Das folgende Oszillogramm zeigt einen Ausschnitt aus dem oben nicht aufgelösten Bereich. Zur Erinnerung: Im Prinzip wird ein Kondensator, der sich zwischen den Pins 6/7 und Masse befindet zyklisch geladen und entladen. Der Zyklus fängt im entladenen Zustand an und wird durch den Übergang von H nach L am TRIG-Eingang gestartet. Dabei wechselt gleichzeitig der Ausgang von L auf H-Pegel und die Spannung über dem zu ladenden Kondensator steigt gemäß einem modifizierten Exponentialgesetzt an. Wenn während der Ladephase die Spannung an THRESH (Pin 6/7) zwei Drittel der Betriebsspannung erreicht, wechselt der Ausgang auf L-Pegel und der Kondensator, der sich zwischen 6/7 und Masse befindet, wird über den Entladetransistor im NE555 entladen. Nach einer Wartezeit von rund 40 µs beginnt der Ladezyklus erneut. Die Zeit während der der Ausgang H-Pegel führt ist ein Maß für die Kapazität des zu messenden Kondensators.

Pin Funktion Oszillogramm/Bemerkung
3, 2, 6/7 diverse NE555 Zoom

Das obige Oszillogramm zeigt beim gelben Signal noch eine kleine Besonderheit: So lange das Triggersignal anliegt, sinkt die THRESH-Spannung ein klein wenig unter 0 V ab. Im prinzip findet hier eine kapazitive Kopplung zwischen der Basis und dem Collector des Entlade-Transistors im NE555 statt. Experimente mit externen Transistoren erbrachten keine Vorteile - im Gegenteil - es wurde noch schlechter. Prinzipiell stellt diese Störung eine Fehlerquelle dar; sie wurde aber nicht weiter systematisch untersucht. Sie ist auch nur bei kleinsten Kapazitäten relevant. Außerdem verschwindet der störende Effekt, wenn die 'Zero'-Taste benutzt wird, um den Nullpunkt neu festzulegen.

4. Rund um den ATMEGA32

Einige Spannungen und Oszillogramme rund um den ATMEGA32.

4.1 Die I2C-Schnittstelle

Die folgenden Oszillogramme zeigen die Aktivität auf den beiden Leitungen SDA und SCL auf dem I2C-Bus. Wichtig: diese Signale müssen nicht nur am MEGA32 (Pins 23 und 22 respektive) sondern auch an den entsprechenden Pins der daran angeschlossenen ICs (also insbesondere IC6 und IC7) anliegen.

Das erste Bild zeigt zur Übersicht grob die Aktivität auf dem I2C-Bus nach einem Reset. Normalerweise ist Aktivität gleichzeitig sowohl auf der Daten- als auch auf der Taktleitung zu erwarten; allerdings gehen bei der gewählten Auflösung vor allem auf der Taktleitung gelegentlich die Signale verloren. Jeder der kleinen Hacker nach unten steht für einen kompletten Burst auf dem I2C-Bus.

Das zweite Bild zeigt einen beliebigen solchen Burst. Der Takt zeigt einen relativ gleichmäßigen Verlauf während die Daten ein charakteristisches, vom Dateninhalt abhängiges Muster aufweisen.

Das dritte Bild zeigt den Beginn eines beliebig herausgegriffenen Bursts. Auch hier ist der Takt gleichmäßig und die Daten weisen ein charakteristisches, vom Dateninhalt abhängiges Muster auf.

Bemerkung Oszillogramme
Überischt I2C - Übersicht
Burst I2C - ein kompletter Burst
Detail I2C - der Beginn eines Bursts

5. L-Messung

Wenn das LC-Meter in den Meßmodus für Induktivitäten gewechselt hat, dann erhält man für die Signale REL_LX, REL_330P und LM311_OUT folgende Oszillogramme, wenn eine zu messende Induktivität von etwa 40 µH angeschlossen ist.

Bemerkung Oszillogramme
Überischt L-Messung - Übersicht

Das Oszillogramm zeigt oben, allerdings durch Aliasing-Effekte etwas verfälscht, das Signal, das am Ausgang des LM311 beim durchschalten der vier Meßkonfigurationen - die Stellungen der Relais REL_LX und REL_C330 zeigen die unteren beiden Kurven an - anliegt. Jede Meßkonfiguration führt zu einer unterschiedlichen Frequenz. Die unterschiedlichen Frequenzen werden in diesem Bild zwar nicht aufgelöst, aber trotzdem erkennt man wenigstens drei Bereiche unterschiedlicher Dichte oder Helligkeit.

Ist LX auf High-Pegel, dann ist das Relais, das Lx kurzschließt, offen und sowohl Lx als auch L3 tragen zur Induktivität des Schwingkreises bei. Andernfalls ist Lx kurzgeschlossen und die Schwingkreisinduktivität besteht nur aus L3. Entsprechend gilt für das REL_330P, das im geschlossenen Zustand (Low-Pegel) den 330 pF Kondensator als Parallelkapazität dem Schwingkreis uschaltet, während es bei High-Pegel offen ist und der 330 pF Kondensator abgetrennt ist.

6. Bisherige Erfahrungen

6.1 Unsinnige oder instabile Meßwerte

Ein Symptom, das bisher nur bei einem Aufbau auf Lochrasterplatte aufgetreten ist. Bei einem späteren Aufbau auf der Platine trat dieses Problem nicht mehr auf. Es wurde daher nicht weiter untersucht.

6.2 Keine Anzeige auf dem OLED Display bei Erstinbetriebnahme

Wurde bisher nur einmal beobachtet und konnte durch betätigen des Resettasters ein für allemal behoben werden. Genaue Ursache ist mir aber nicht klar, denn auch der Reset aufgrund des Anlegens der Betriebsspannung hätte den selben Effekt haben müssen.

6.3 Copyright-Meldung erscheint, danach keine erkennbare Aktion mehr

Es hat sich herausgestellt, daß IC6 defekt war, während IC7 noch funtkioniert hat (beide PCF8574P). Der Defekt hat dafür gesorgt, daß auf der Leitung SDA kein Signal mehr vorhanden war. Das ließ sich leicht mit einem Oszilloskop feststellen. Wurden beide ICs entfernt so waren die Signale auf SDA und SCL wieder vorhanden. Wurde für IC6 der noch funktionierende PCF8574P (IC7) verwendet und IC7 leer gelassen (es war gerade kein weiterer PCF8574P vorhanden), so hat das LC-Meter wieder funktioniert. Der Zero-Taster und die Zero-LED waren dann natürlich nicht verfügbar, was aber zunächst nicht weiter gestört hat. Warum das IC6 defekt geworden ist und bei welcher Gelegenheit ist unklar.

6.4 Verfügbarkeit des PCF8574P

Es scheint sich anzudeuten, daß der PCF8574P immer schwerer zu beschaffen ist. Wenn die Lieferprobleme anhalten, dann kann auch der pinkompatible PCF8574AP verwendet werden. Dieser erfordert aber eine andere Firmware, weil er unter einer anderen Adresse auf dem I2C-Bus anzusprechen ist. Die Firmware für den PCF8574AP habe ich aber noch nicht erstellt.

7. Worauf ist noch zu achten?

  • Beim einschalten müssen (bei offenem Eingang) längs der ersten knapp zwei Sekunden einige Relais ganz leise klicken. Danach ist 'Ruhe'. Also beim einschalten mal das Ohr ganz dicht an die Platine halten. Das Geräusch ist leise (Reed-Relais). Man muß aufpassen, daß Geräusche beim hantieren die Geräusche vom Relais nicht übertönen!
  • Ist der Eingang kurzgeschlossen oder ist eine Induktivität angeschlossen, dann klicken die Relais andauernd nach einem rhythmischen Muster.
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