สร้างเครื่องวัด LC Meter สไตล์คลาสสิกด้วย Arduino: เปลี่ยนความต้านทานให้เป็นความถี่!

ถ้าคุณเป็นสายประดิษฐ์หรือนักวิทยุสมัครเล่น การวัดค่าขดลวด (Inductor - L) และตัวเก็บประจุ (Capacitor - C) ถือเป็นเรื่องที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ แต่แทนที่เราจะซื้อเครื่องวัดแพงๆ วันนี้เราจะมาสร้างเครื่อง LC Meter ด้วยตัวเอง โดยอิงจากวงจรสุดคลาสสิกตั้งแต่ยุค 1920s อย่าง "Franklin Oscillator" ครับ!

โปรเจกต์นี้ไม่ได้เน้นสร้างเครื่องที่แม่นยำระดับห้องแล็บ แต่เน้นความสนุกในการเรียนรู้ว่า "เราจะเปลี่ยนค่าความต้านทาน (Impedance) อนาล็อก ให้กลายเป็นความถี่ (Frequency) ที่ไมโครคอนโทรลเลอร์อย่าง Arduino สามารถอ่านและคำนวณได้อย่างไร" แค่เปลี่ยนมุมมอง ปัญหาก็ง่ายขึ้นเยอะ!

หลักการทำงาน (The Principle)

วงจร Franklin Oscillator ประกอบด้วยวงจรเรโซแนนซ์ LC ทำงานร่วมกับตัวขยายสัญญาณแบบกลับเฟส (ใช้ชิป 74HCU04) หลักการของมันฉลาดมากครับ:

• เราจะเอาอุปกรณ์ที่ต้องการวัด (DUT) ไปต่อเพิ่มในวงจร LC
• วงจรจะสร้างความถี่การสั่น (Oscillation frequency) ออกมา
• เมื่อนำความถี่นี้ไปเปรียบเทียบกับความถี่ดั้งเดิมของวงจร เราจะสามารถแก้สมการหาค่าของอุปกรณ์ตัวนั้นได้ทันที!

ความแม่นยำของระบบนี้แทบจะขึ้นอยู่กับสิ่งเดียวเลย คือ ตัวเก็บประจุอ้างอิง (Reference Capacitor) ที่เราเอามาใช้เป็นมาตรฐานในการคาลิเบรต (Calibration)

คลิกเพื่อดูรูปวงจรและสมการการทำงาน (View More)

จำลองการทำงานด้วย LTSpice

ก่อนจะต่อวงจรจริง ผู้เขียนได้จำลองการทำงานในโปรแกรม LTSpice เพื่อยืนยันว่าวงจร Franklin ทำงานได้จริงกับชิป 74HCU04 ใครอยากลองเล่นเอง ทำตามนี้ได้เลยครับ:

• ดาวน์โหลดและนำไฟล์ 74hcu04.asy ไปวางในโฟลเดอร์ sym ของ LTspice
• นำไฟล์ข้อมูล 74hc.lib ไปวางในไดเรกทอรีที่เกี่ยวข้อง และตั้งค่าคำสั่ง .lib 74hc.lib ใน SPICE Directive
• เพิ่มแหล่งจ่ายไฟ DC 5V ให้กับ Vcc
• ตั้งค่าเงื่อนไขเริ่มต้น (Initial condition) เป็น .ic V(n003) = 1V เพื่อกระตุ้นให้เกิดการสั่น (Oscillation)

กระบวนการทำงานของโค้ด (The Sketch Overview)

ระบบการนับความถี่จะแบ่งเป็น 2 ช่วง คือ ช่วงคาลิเบรต (Calibration flow) และ ช่วงวัดค่า (Measuring flow) ลองดู Flow การทำงานจำลองด้านล่างนี้ได้เลยครับ:

/* โครงสร้างการทำงาน (Pseudo-code) สำหรับวัดความถี่ LC Meter 
   ใช้ร่วมกับบอร์ด Arduino Nano / ATmega328P
*/

void startMeasurement() {
  // 1. รอให้ความถี่การสั่นคงที่
  waitForStableOscillation();
  
  // 2. นับจำนวนพัลส์ตามเวลา Gate time
  countPulses(); 
  
  // 3. หาค่าเฉลี่ย N ครั้ง จนกว่าความถี่ที่ติดกันจะต่างกันไม่เกิน 0.5%
  averageFrequencies();
}

void calibrationFlow() {
  // วัดความถี่ตั้งต้น (freq1)
  float freq1 = measureFreq();
  
  // ใส่ตัวเก็บประจุอ้างอิง (Cref) เข้าไปในวงจร
  insertCref(); 
  
  // วัดความถี่ครั้งที่ 2 (freq2)
  float freq2 = measureFreq();
  
  // คำนวณค่า L และ C ของวงจรตั้งต้น
  solveBaseTankParameters(freq1, freq2);
  storeParameters();
}

void measuringFlow() {
  // นำอุปกรณ์ที่ต้องการวัด (DUT) เข้าสู่วงจร
  insertDUT();
  
  // ทำการวัดและคำนวณค่า
  float finalValue = measureAndCalculate();
  printToScreen(finalValue);
}

อัปเดตล่าสุด: เทียบกับ NanoVNA และการปรับปรุงเวอร์ชันใหม่

ผู้สร้างได้นำ LC Meter DIY ตัวนี้ไปเทียบกับเครื่องมือระดับโปรอย่าง NanoVNA (Vector Network Analyzer) ปรากฏว่า LC Meter ของเรา "อ่านค่าง่ายกว่าและใช้งานสะดวกกว่า" ในงานพันขดลวดทั่วไป! เพราะ NanoVNA จะแสดงผลเป็นกราฟ Smith chart ซึ่งต้องมานั่งตีความอีกที แถมเมื่อวัดขดลวดขนาด 10mH ตัว NanoVNA กลับแสดงค่าเพี้ยนเนื่องจากผลของ Self-resonance ในขณะที่ LC Meter DIY ยังอ่านค่าได้ปกติ

คลิกเพื่อดูรูปภาพการเปรียบเทียบกับ NanoVNA (View More)