Software und Bedienung
Kein Leben ohne Seele – Die Software
Nach theoretischem Hintergrund und Umsetzung in der Hardware ist nun die Software des Mikrokontrollers an der Reihe. Dieses Thema stellt wirklich einen komplett eigenen Bereich da. Es kann schnell kompliziert werden, da wesentliche Funktionen des LCQ-Meters wie Gütemessung sehr zeitkritisch sind. Am Ende ist es jedoch die Software die alle Funktionen des LCQ-Meters ermöglicht. Daher ist es wichtig diese zumindest in Grundzügen zu verstehen.
Der folgende Abschnitt zeigt die Software lediglich in Form von Funktionsblöcken auf. Im Detail ist der Mikrokontroller in der Sprache C, gemischt mit Assembler für zeitkritische Routinen, programmiert. Das aktuelle Programm füllt 99,9 % des relativ großen Flashspeichers des 16F1788 und macht intensiv Gebrauch von Interrupt-Prozessen.
Bild 18: Software Routinen
Das Hauptprogramm nach Bild 18 läuft in einer endlosen Schleife. In dieser Schleife finden abhängig vom jeweiligen Betriebsmodus die Berechnung von C, L, Q etc. sowie die Anzeige auf dem Display statt. Sobald Bitschalter (Flags) in der Interrupt-Routine gesetzt werden, werden zusätzliche Arbeiten durchgeführt.
Wenn beispielsweise der Anwender den Kalibrierungsknopf drückt, wird in der Interrupt-Routine (ISR) ein entsprechendes Flag gesetzt. Im Hauptprogramm wird sodann die Abarbeitung der Kalibrierung gestartet und im Anschluß wird das Flag gelöscht. Die gesamte Steuerung der Betriebsmodi, die Auswahl von Buchstaben und Zahlen, aber auch interne Zeitgeber werden per Flags gesteuert.
Dadurch ist die Interrupt-Routine sehr schlank. Es werden lediglich Flags gesetzt und Zähler für Zeitsteuerungen erhöht. Damit werden viele Probleme in Hinblick auf Sicherung von Betriebszuständen und daraus folgenden Leistungseinbussen umgangen.
Es existiert einen Vielzahl von Routinen zur Abarbeitung von allen möglichen Aufgaben. Dies fängt an bei der Initialisierung von Eingangsschnittstellen, von Zeitgebern, dem Analog-Digital-Wandler und endet in bestimmten Routinen zur Frequenz- und Gütemessung.
Die Frequenzmessung wird stets mit best möglicher Genauigkeit durchgeführt. Der Vorteiler des Mikrokontrollers wird dazu dynamisch re-konfiguriert, sowohl bei interner als auch externer Frequenzmessung.
Der komplizierte Zeitablauf der Hüllkurvenmessung ist in Assembler programmiert, da eine kompilierte Hochsprache wie C in ihrem Ablauf im Mikrosekundenbereich nicht vorhersehbar ist.
Der Zyklus der Gütemessung dürfte der interessanteste Teil der Umsetzung sein. Ohne sich im Detail zu verlieren funktioniert er wie folgt:
Da die Frequenz der Schwingung bereits vorher gemessen wird, kann sich die Gütemessung dynamisch dem Schwingungssignal anpassen.
Nehmen wir ein relativ langsames Signal mit einer Frequenz von 100 KHz an. Falls die Hüllkurve einfach nur ein paar Mikrosekunden nach Ausschalten des Oszillators gemessen werden würde, führte dies zu falschen Ergebnissen. Es kann nämlich vorkommen, dass gerade eine abfallende Flanke des Sinussignals gemessen wird. Daher muß die Messung bei Signalen mit niedriger Frequenz entsprechend länger sein. Genau das Gegenteil ist bei Signalen mit hoher Frequenz zu berücksichtigen.
Der Meßzyklus startet mit der Messung der Nullspannung (Arbeitspunkt). Sodann wird die maximale Amplitude des Signals gemessen (U(0)). Es folgt eine Schleife in der der Oszillator abgeschaltet wird, um einen Abfall der Hüllkurve einzuleiten. Für verschiedene Zeiten U(t) wird die Hüllkurvenspannung nun so oft bestimmt, bis diese unter einem definierten Wert der maximalen Amplitude abgefallen ist (z.B. 50 %). Diese Zeit t wird nun als Meßzeit definiert. Somit wird die Zeitdifferenz der Messung von U(0) und U(t) dynamisch durch das Signal selbst bestimmt. Mit dieser optimalen Zeit t wird nun mehrmals die Hüllkurvenspannung zum Zeitpunkt t gemessen, um Effekte durch Rauschen etc. zu verringern.
Um dies ein wenig besser zu veranschaulichen zeigt Bild 19 den Zyklus der Gütemessung am aktuellen LCQ-Meter. Die blauen ‚Boxen‘ sind die Oszillatorschwingungen, die rote Kurve die durch den Spitzenwertdetektor gemessene Spannung. Aufgrund des Zeitmaßstabs ist die abfallende Flanke einer Hüllkurve kaum zu erkennen. Im Gegensatz zu Bild 8 geht es hier um den Gesamtzyklus.
Bild 19: Güte-Meßzyklus des LCQ-Meters
Jedesmal wenn der Oszillator eingeschaltet wird dauert es ein paar Millisekunden bis die Amplitudenregelung greift. Danach bleibt die Amplitude konstant, bis der Oszillator abgeschaltet wird.
Kurz vor der ersten vertikalen Linie wird die Frequenz gemessen. Dies ist anhand des Rauschens auf der roten Linie ersichtlich (demnach gibt es ein leichtes Übersprechen, trotz Entkoppelung). Die erste rote Spitze ist die Messung der Nullinie (Arbeitspunkt). Dann folgen 10 schmale Pakete was der Bestimmung der optimalen Meßzeit U(t) entspricht. Nachdem diese Zeit t bestimmt wurde, sind 5 weitere, längere Pakete sichtbar. Diese stellen die Messung von U(t) mit höherer Genauigkeit und Durchschnittsbildung dar. Der nächste Zyklus startet nach der zweiten vertikalen Linie.
Funktionen und Bedienung des LCQ-Meters
Bild 20 zeigt den Bestückungsplan und die Bedien- und Anschlußelemente des LCQ-Meters Version 2.3.
Bild 20: LCQ-Meter Bestückung, Bedienung und Anschlüsse
Die meisten Bedienungselemente und Anschlüsse sind selbsterklärend. Die Beschreibung der verschiedenen Funktionen soll anhand der unteren 3 Taster geschehen.
Mit dem linken Taster wird einer von vier Betriebsmodi, oder aber das Einstellungsmenü ausgewählt:
1. C-Modus: Messung der Kapazität angeschlossener Kondensatoren. Anzeige von Kapazität und Meßfrequenz.
2. L-Modus: Messung der Induktivität von Spulen. Anzeige von Induktivität und Meßfrequenz.
3. L||C-Modus: Messung von Parallelschwingkreisen. Anzeige von Kapazität, Induktivität, Meßfrequenz und Güte, sofern die Gütemessung durch den Taster rechts freigeschaltet ist.
4. F-Modus: Messung und Anzeige der Frequenz eines Signals am externen Anschluß.
Im Einstellungsmenü ist es möglich eine bis zu 16-stellige Willkommensnachricht, z.B. ein Amateurfunkrufzeichen des Eigners, einzugeben. Diese wird nach dem Einschalten auf dem LCD-Display angezeigt. Der Auswahl-Taster erlaubt dabei von Stelle zu Stelle zu springen, während aus einer Liste von Buchstaben und Zahlen mittels der Taster links und rechts ein Zeichen selektiert wird.
Im Einstellungsmenü können ebenso die verwendeten Werte der Referenzkondensatoren, die Konstanten für die Berechnung der parasitären Kapazität sowie die Torzeit für die Frequenzmessung angepaßt werden. Wiederum kann mit den äußeren Tastern ein Wert erhöht oder verringert werden, um dann mittels des Auswahl-Tasters übernommen zu werden. Bei der Einstellung der Torzeit wird zusätzlich, zwecks leichterer Kalibrierung, die aktuelle gemessene Frequenz angezeigt. Dies erfordert allerdings für die letzte Bestätigung ein längeres Halten des Auswahl-Tasters.
Falls das verwendete LCD-Display auch ohne Beleuchtung gut ablesbar ist, so kann im Einstellungsmenü die LCD-Hintergrundbeleuchtung ein- und ausgeschaltet werden. Dies spart zum Teil erheblich Strom.
Die letzte Option im Einstellungsmenü ist ein Zurücksetzen auf die Werkseinstellungen.
Generell werden alle Einstellungen im EEPROM gespeichert und bleiben damit auch nach einem Abschalten des Gerätes erhalten. Dies schließt den selektierten Betriebsmodus ein, aber nicht die Bestätigung zur Gütemessung. Diese wird jedesmal absichtlich auf Aus geschaltet. Die beste Vorgehensweise bei der Gütemessung ist zunächst ein Testobjekt anzuschließen und erst dann die Gütemessung einzuschalten. Ansonsten testet die Software auf ein nicht vorhandenes Testobjekt und es kommt zu zeitlichen Verzögerungen.
Der mittlere Taster dient wie gesagt zur Auswahl verschiedenster Dinge. In einem bestehenden Betriebsmodus (C-Modus und L-Modus) dient dieser Taster ebenfalls zur Einleitung einer Kalibrierung. Dieses erlaubt die Berücksichtigung von durch Meßleitungen eingebrachten parasitären Kapazitäten und Induktivitäten. Im C-Modus werden die angeschlossenen Meßleitungen offen gelassen, eine Kalibrierung wird durchgeführt und dann wird das Testobjekt Kondensator angeschlossen. Im L-Modus werden die Meßleitungen am Ende kurzgeschlossen, einen Kalibrierung wird durchgeführt und dann wird das Testobjekt Spule angeschlossen. Im L||C-Modus ist, wie im theoretischen Teil beschrieben, eine Kalibrierung nicht möglich.
Nach jeder Kalibrierung, als auch nach dem Einschalten, wird zusätzlich die Höhe der Spannung vor dem MCP1640 Spannungs-Konverter angezeigt. Bei Batteriebetrieb entspricht dies der Batteriespannung. Bei weniger als 2 Volt wird eine Warnung über niedrige Batteriespannung angezeigt.
Der Taster rechts dient zur Ein- und Ausschaltung der Gütemessung im L||C-Modus.