بررسی هدایت سنج دیجیتالی و دی الكتریک سنج در word

مقدمه

امروزه وسایل اندازه گیری متعددی در دنیا ساخته شده اند كه هر یك به منظور خاصی بكار می روند . علت این تعدد ، وجود عناصر و نیز پارامترهای مختلف مانند ولتاژ ، جریان ، توان و غیره آن هم در رنج های گوناگون میباشد كه باعث شده شركت های مختلف سازنده وسایل اندازه گیری الكتریكی و الكترونیكی رقابت تنگاتنگی در جهت بهینه نمودن هر چه بیشتر این وسایل داشته باشند . نمونه بارز این رقابت را می توان دستگاه های اسیلوسكوپ نام برد كه امروزه بسیار پیشرفته تر شده اند و حتی می توان با نصب یك كارت (بورد) ساده بر روی Slot كامپیوتر با هزینه بسیار كمتر یك اسیلوسكوپ پیشرفته داشت . همین طور می توان دستگاه های اندازه گیری را مثال زد كه Probe  این دستگاه كه بصورت یك قلم بزرگ میباشد ، خودش یك سیستم  اندازه گیری نیز می باشد تا هم سبكتر و هم راحت تر باشد .
اما در این میان هنوز هم پارامتر هایی هستند كه شاید تا به حال به آن ها زیاد توجه نشده باشد . علت این امر آن است كه شاید تا بحال ضرورتی پیدا نشده تا اندازه گیری شوند یا شاید با یك فرمول ساده از مقادیر دیگر بدست آیند .
یكی از این پارامترها دی الكتریك و دیگری رسانایی قطعات مختلف می باشد. البته جهت ساخت دستگاهی كه بتواند این مقادیر را اندازه بگیرد ، باید توجه داشت كه این پارامتر ها با پارامتر هایی نظیر مقاومت ، جریان ، ولتاژ ، ظرفیت خازن و غیره تفاوت عمده ای دارند و آن این است كه در پارامتر های مذكور سه دیمانسیون طول ، عرض و ارتفاع نقشی ندارند و محدودیتی از این نظر وجود ندارد ، اما در مورد دی الكتریك و رسانایی ( رسانایی ویژه ) باید توجه داشت كه اندازه جسم نیز باید مد نظر باشد .
حال فرض می كنیم كارخانه ای برای بهینه سازی تولید محصولات خود میخواهد این مقادیر را اندازه بگیرد تا با بررسی این خاصیت بتواند محصولات خود را با یك درجه خلوص بسازد ( همان طور كه می دانیم با تغییر درجه خلوص در یك ماده جامد ضریب دی- الكتریك آن فرق خواهد كرد ) . بنابراین می دانیم كه اندازه كلیه این محصولات تولید شده همگی به یك صورت بوده و با توجه به صفحات معینی كه با فاصله به خصوصی از هم تعبیه شده اند این جسم را در بین آن دو صفحه قرار داده و به راحتی با فشردن یك دكمه ضریب دی الكتریك و یا رسانایی آن را اندازه می گیریم.
مسلماً ضریب دی الكتریك همان طور كه از اسمش هم پیداست بیشتر برای عایق ها و رسانایی برای اجسام رسانا مانند فلزات مناسب می باشند . نكته حایز اهمیت این است كه چطور سیستمی بسازیم تا هم بتواند دی الكتریك و هم بتواند رسانایی اجسام ( با یك اندازه معین ) را محاسبه كرده و به ما نشان دهد .
فصل اول : ضرایب رسانایی و دی الكتریك

همان طور كه می دانیم در مدار های الكتریكی سه عنصر هستند كه پایه (Base ) كلیه مدارهای الكتریكی و نیز الكترونیكی را تشكیل می دهند . این عناصر عبارتند از مقاومت ( R ) ، خازن ( C ) و سلف ( L ) .
هدف ذكر مطالبی است كه در خصوص ساخت دستگاه اندازه گیری ضرایب           دی الكتریك و رسانایی حایز اهمیت هستند .
مقاومت (R ) كه اولین عنصر مهم در ساخت مدارات می باشد و جزء لاینفك هر مدار محسوب می شود به صورت فرمول زیر تعریف می شود :

                                   (ρ بر حسب اهم در متر   می باشد )         R = ρ
                       
كه با توجه به مطالبی كه تا كنون آموختیم می دانیم ρ ضریب مقاومت ویژه بوده و فقط بستگی به جنس ماده مورد نظر دارد و نیز بر حسب این كه چه ضریبی باشد میتواند معرفی كند كه جسم رسانا ، نیمه رسانا و یا نارسانا (عایق) می باشد .
l  طول جسم بوده  و A سطح مقطع آن می باشد ( البته باید توجه داشت این سطح مقطع به گونه ای فرض شده كه در تمام طول ماده مقداری ثابت باشد ، وگرنه باید مقادیر سطوح یكسان مختلف را با هم جمع كرده و یا انتگرال گرفت ) .
حال اگر جنس ماده مورد نظر تغییر كند مسلما مقدار ρ فرق خواهد كرد و این همان موردی است كه برای سیستمی كه در مقدمه توضیح داده شد مناسب می باشد ، یعنی با توجه به رابطه ساده زیر :
       

    (. m )  = σ


می توانیم رسانایی ویژه جسم ( σ ) را بدست آوریم .
به جدول صفحه بعد مراجعه كنید.

جدول رسانندگی های اجسام مختلف بطور متوسط در فركانس پایین و درجه حرارت اتاق 


ماده    رسانندگی ( σ )
نقره     

مس     

طلا     

آلومینیوم     

برنج     

برنز     

آهن     

آب ( مقطر )     

خاك     

شیشه     

چینی     

لاستیك     



عنصر بعدی خازن ( C ) می باشد كه به صورت فرمول زیر تعریف شده است :
                   
                                       C = ε


البته همان طور كه می دانیم خود ε با توجه به فرمول زیر بدست می آید :

                                     ε  ε = ε

در مورد خازن ، موارد تا حدودی مشابه مقاومت بوده و سطح مقطع و فاصله دو جوشن از هم در آن تاثیر دارند  . هنگامی كه فرض كنیم دو صفحه جوشن خازن به یك اندازه ( یعنی A ) بوده و به فاصله d از هم قرار گیرند به گونه ای كه دو صفحه كاملا با هم موازی باشند ، میتوانیم با قرار دادن یك دی الكتریك در میان این دو صفحه مقدار C را تغییر دهیم . پس همان طور كه ملاحظه میشود با استفاده از یك خازن سنج دقیق و داشتن اندازه های صفحات جوشن و فاصله آنها از یكدیگر مقدار ε را بدست آورده و در نهایت  ε را با یك رابطه ساده از آن استخراج كنیم ، البته باید توجه داشت كه این مقدار گاهی برای بعضی موارد در فركانسها و درجه حرارتهای مختلف تغییر می كند .
به جدول صفحه بعد مراجعه كنید.

جدول گذردهی های نسبی اجسام مختلف ( ثابت دی الكتریك )  بطور متوسط در فركانس پایین و درجه حرارت اتاق :


ماده    نفوذ پذیری نسبی ( ε )

هوا     

شیشه     4 ~ 10
روغن    2.3
كاغذ    2 ~ 4
چینی    5.7
لاستیك    2.3 ~ 4
خاك    3 ~ 4
تفلن    2.1
آب ( مقطر )    80


همان طور كه قبلا هم ذكر شد دو پارامتر σ و  ε كه اهداف نهایی ما در این پروژه  میباشند توسط فرمول های مربوطه بدست می آیند . اما در بدست آوردن این گونه مقادیر محدودیت هایی نیز می باشند كه از مهمترین آنها حرارت ، فركانس ، نویز و غیره بوده كه به طور عمده ای بر روی این مقادیر تاثیر گذار هستند .
 
جدول دیگری از مقاومت و هدایت مخصوص اجسام                  ( دریافتی از اینترنت )


جنس    مقاومت مخصوص ( m.)
هدایت مخصوص ( m.)

نقره    0.0000000163    61350000
مس    0.0000000178    56000000
طلا    0.0000000245    40800000
آلومینیوم    0.0000000283    35335000
تنگستن    0.0000000570    17540000
روی    0.0000000644    15530000
برنج    0.0000000783    12770000
پلاتین    0.0000001032    9690000
آهن     0.0000001151    8688000
نیكل    0.0000001376    7267000
قلع     0.0000001459    6854000
فولاد    0.0000001534    6519000
سرب    0.0000002271    4403300
جیوه    0.0000009718    1029000
نیكروم    0.0000001068    936300
كربن    0.000036    27800

فصل دوم : ساخت دی الكتریك سنج با استفاده از یك نوسان ساز موج مربعی

توضیحاتی در مورد مدار نوسان ساز موج مربعی :
علت استفاده از نوسان ساز موج مربعی این است كه اطلاعات آنالوگ خازن را به اطلاعات دیجیتال تبدیل كنیم ؛ در واقع می توان گفت علت اصلی آن مناسب بودن این سیگنال جهت AVR ( كه بعداً در مورد آن مفصلاً توضیح داده خواهد شد ) می باشد .
در این قسمت می خواهیم طرز ساخت یك مدار نوسان ساز موج مربعی را تشریح  كنیم . میدانیم كه در مدار های دیجیتال استفاده از یك نوسان ساز موج مربعی كه بتواند در باند فركانسی مورد نظر ما نوسان كند ، بسیار مفید می باشد . لذا در خصوص این سیستم ( دی- الكتریك سنج دیجیتال )  نیز كه در نهایت می خواهد اطلاعات دیجیتال به ما بدهد ، تولید پالسهای مربعی بسیار مفید واقع خواهد شد ، بطوریكه با قرار دادن خازن مورد نظر در قسمت نوسان ساز و تغییر دی الكتریك موجود در بین صفحات آن می توانیم فركانس نوسان موج مربعی را تغییر دهیم و این همان چیزی است كه در بدست آوردن مقدار دی الكتریك به آن احتیاج داریم . البته ظاهراً با یك معادله ساده كه در توضیحات قبل گفته شد میتوانیم از روی فركانس و مقادیر معلوم دیگر ، اندازه دی الكتریك را بدست آوریم ، اما باید توجه داشت كه هر دستگاه            اندازه گیری نیاز به كالیبره شدن دارد . لذا در این سیستم بایستی پس از دریافت اطلاعات سیگنال مورد نظر آن را كالیبره كنیم ، كه یكی از ساده ترین راههای آن اندازه گیری دو جسم مختلف و یا یك جسم در اندازه های متفاوت می باشد كه در نهایت اگر محدوده اندازه گیری ما كم باشد ، می توانیم آن را یك معادله خطی در نظر گرفته و دو عدد مجهول آن را با استفاده از یك دستگاه دو معادله دو مجهولی بدست آمده از دو جسم مذكور بدست آوریم .
 در خصوص خازن داریم :
                                                                                           C = ε (كه مقادیر A و d و  ε آن از روی جداول معلوم می باشند و می توانیم مقدار C را بدست آوریم )         
و نیز با توجه با اینكه نوسان ساز مورد نظر ما RC می باشد كه در زیر به طور كامل توضیح داده خواهد شد ، نسبت ظرفیت خازن به فركانس بدست آمده بصورت زیر خواهد بود :
                                                                                                               C
پس با حل دستگاه دو معادله دو مجهولی زیر جهت دو جسم مختلف ، مقادیر مجهول X و Y بدست می آیند :
                                                                                                 

( كه   و  فركانسهای بدست آمده در دو مرحله بوده و  و   قبلاً از فرمول مربوطه بدست آمده اند )                                                      
در نهایت با قرار دادن معادله اول این دستگاه در معادله خازن داریم :
( كلیه مقادیر سمت راست معادله معلوم هستند )  

توجه : در صورتیكه بخواهیم از معادله دوم استفاده كنیم ، به جای مقدار   و  و مقادیر A و d از   استفاده می كنیم .
شكل كلی مدار نوسان ساز موج مربعی مذكور به صورت زیر می باشد :
فرض :  = 5 v    = 
( جهت فعال سازی Op – Amp )
 
( شكل 1 )
در این اسیلاتور كه Op-Amp آن همانند یك مقایسه كننده عمل می كند، با توجه به شكل در حالت اول چون   0 =  ، لذا افت ولتاژی بر روی  خواهیم داشت كه با توجه به تخلیه بودن خازن در لحظه اول  0=  و به همین دلیل چون فیدبك مثبت داریم و   لذا   و در نتیجه خروجی سیستم از 5v شروع خواهد شد . در مرحله بعد خازن با یك ثابت زمانی معین از صفر تا عددی زیر 5v شارژ خواهد شد . علت اینكه به 5v نمی رسد اینست كه با توجه به   ، مقاومتهای موجود در سر   افت ولتاژی برابر با   یا   ایجاد خواهند كرد در نتیجه   تا   به دلیل اینكه   شارژ خواهد شد و به محض اینكه این مقدار از   بیشتر شد ( كه این اختلاف عددی بسیار كوچك می باشد )   شده ، لذا مجددا   و افت ولتاژ بر روی   به مقدار زیر تغییر خواهد كرد : 

در نتیجه خازن از طریق مقاومت فیدبك منفی در جهت مخالف جهت شارژ     ( به سمت   ) تخلیه خواهد شد كه این تخلیه خازن تا مقدار   ادامه     می یابد و مجددا بدلیل اینكه اندكی از   كمتر شد چون   دوباره    و این كار مرتبا بین مقادیر   و   ادامه خواهد داشت .
فرمولهای شارژ و دشارژ خازن ( به جز در لحظه شارژ اولیه ) به صورت زیر خواهند بود:

                                                           : شارژ       
                     
                                                                                     : دشارژ

كه برای بدست آوردن فركانس آن بایستی ابتدا پریود نوسان را محاسبه كرده وبعد معكوس آن را كه همان فركانس می باشد طبق فرمول زیر بدست آوریم :
                                                                                               
حال جهت بدست آوردن پریود نوسان ، همانطور كه می دانیم ، طبق نمودار شارژ و دشارژ خازن ، فاصله بین دو نوك قله نوسان می تواند یك پریود نوسان باشد كه با دقت بیشتر در می یابیم كه این مدت زمان شامل یك زمان شارژ و یك زمان دشارژ خازن در بین محدوده های   و   و بالعكس   می باشد .
با توجه به فرمولهای بدست آمده فوق در لحظه شارژ مقدار نهایی   میباشد و به محض اینكه به این مقدار برسیم ، نوسان ساز تغییر جهت داده و خازن را دشارژ می كند . به همین دلیل اگر مقدار نهایی   را همان   در نظر بگیریم ، زمان شارژ شدن خازن تا این مقدار را براحتی طبق روابط زیر بدست می آوریم :
                               
كه   زمان شارژ خازن در این نوسان می باشد .
بطور مشابه جهت دشارژ خازن داریم ( با توجه به اینكه خازن تا مقدار   تخلیه  می شود ) :
                                    
همانطور كه در شكل هم ملاحظه می شود مقادیر شارژ و دشارژ خازن با هم برابرند و به همین دلیل این سیگنال را موج مربعی می گویند ( اگر با هم اختلاف داشتند آن را سیگنال پالس می نامیدیم ) .
لذا برای بدست آوردن پریود نوسان داریم :
                                                               
و در نهایت فركانس بصورت فرمول زیر خواهد بود :
   
با توجه به مقدار  سایر مقاومت ها را نیز تقریبا هم اندازه با آن انتخاب میكنیم تا جریان یكسانی در مدار برقرار شود . لذا خازن C تعیین كننده مقادیر كلیه مقاومتها می باشد .
هم اكنون باید ببینیم كه خازن های اختیار شده چه مقادیری خواهند داشت . اگر مقدار خازن بسیار كم باشد بایستی مقاومت های بزرگ در نظر بگیریم . دراین پروژه اگر سعی بر آن شود كه خازن تا حد امكان بزرگ شود بایستی طبق فرمول زیر صفحات بزرگ با فاصله بسیار كمی برای آن انتخاب كنیم . مثلا اگر سطح مقطع هر دو جوشن 100 Cm² یا  Cm²  باشد و              دی الكتریك را هوا (  ε = ε ) فرض كنیم :

با یك فاصله 1 mm ( یا  ) برای دو جوشن خواهیم داشت :

                    

پس دستگاه مورد نظر باید بتواند حداقل مقدار حدود 88.5 pf را بخواند . لذا برای تولید نوسان می توانیم حداقل مقدار بعد از هوا یعنی حدوداً :

                    88.5 = 177 pf 2
   
را انتخاب كنیم و مقادیر كمتر از آن را صفر بگیریم كه نشان دهنده هوا میباشد .
با توجه به اینكه فركانس مورد استفاده در IC مدار ما حداكثر 20 KHZ در نظر گرفته می شود ، لذا برای محاسبه مقاومت  داریم :
               
در شرایط Maximum :         

كه مقاومت نسبتا زیادی می باشد ، لذا اگر فاصله دو جوشن را به مقدار 0.1 mm كاهش دهیم ، آن گاه مقدار فوق برابر 20.38 KΩ خواهد شد كه حداقل مقدار مقاومت را نشان می دهد ، لذا با استفاده از یك مقاومت 100 KΩ میتوانیم كلیه مقادیر لازم جهت بدست آوردن ضرایب دی الكتریك را بدست آوریم .

برای تبدیل فركانس بدست آمده به ضریب دی الكتریك می توانیم از یك AVR استفاده كنیم و نتایج را به یك LCD تبدیل كنیم . اما نوسانات بدست آمده بایستی اصلاح شوند تا براحتی توسط AVR قابل محاسبه باشند .
همانطور كه می دانیم در استفاده از Op–Amp های موجود در بازار محدودیت هایی وجود دارد .
در خصوص تولید نوسان مذكور دو IC ی LM 324 و NL 5532 در اختیار        می باشند . كه آی سی NL 5532 دارای خصوصیات بهتری نسبت به LM 324   می باشد .
حال نمودار  در این Op–Amp بدلیل اینكه خروجی دارای دامنه كمتر از دامنه  و GND كه به ترتیب 5 v و 0 v هستند می باشد ، به صورت زیر خواهد بود :

یعنی می توان آن را با دامنه  2.5 و ولتاژ  2.8 در نظر گرفت . به دلیل اینكه AVR با 5 v فعال و با 0 v غیر فعال می شود ، توسط یك خازن (ترجیحا با مقدار بزرگ تا خودش باعث نوسان نشود) ابتدا ولتاژ آفست آن را حذف می كنیم ، لذا به صورت زیر  خواهد شد :

البته با توجه به اینكه بعد از آن یك ترانزیستور NPN جهت سوئیچینگ قرار داده ایم، لذا كمی آفست منفی پیدا كرده كه به صورت شكل زیر در می آید :
 
                   
حال اگر از یك ترانزیستور با دامنه 5 v جهت سوئیچینگ استفاده كنیم ، یعنی با وصل كردن آن به صورت امیتر مشترك و استفاده از یك منبع 5 v (مانند ) میتوانیم به سیگنال مورد نظر دست پیدا كنیم ( قبل از ترانزیستور یك مقاومت 1 K قرار داده ایم كه در نیم سیكل های منفی كه ترانزیستور از خود جریانی عبور نمی دهد وجود نویز در سیگنال باعث فعال شدن آن نشود ، بدین صورت كه این مقاومت با  در ترانزیستور موازی شده و مقدار آن را كاهش می دهد و باعث می شود كه  نیم سیكل های منفی از طریق آن به زمین انتقال یابند ، همچنین برای Pull up ولتاژ جهت استفاده در میكروكنترلر وجود یك مقاومت در حدود 10 K كافیست و جریان مورد نظر می تواند AVR را فعال كند .
 
همان طور كه ملاحظه می شود ، در نهایت به جای موج مربعی در خروجی ترانزیستور موج دندان اره ای بدست آمده كه علت آن فركانس بالای تولید شده در Op-Amp می باشد و ترانزیستور استفاده شده در این مدار (C945) قادر به عكس العمل سریع در برابر آن نمی باشد                                       (Out of Frequency Range ) و لبه بالا رونده آن را كمی با تاخیر به خروجی می دهد ( به علت خازن های درونی ترانزیستور ) ، كه  می توان با استفاده از یك ترانزیستور با قابلیت فركانسهای بالاتر این مشكل را حل كرد . اما با توجه به اینكه فقط فركانس این سیگنال مورد توجه می باشد ،‌ هیچ مشكلی در محاسبات AVR ایجاد نخواهد شد .
 حال سیگنال های دریافتی را كه برای AVR مناسب می باشند به پایه مورد نظر جهت انجام محاسبات وصل می نماییم .
در AVR می بایست اعداد بدست آمده در مرحله كالیبراسیون را كه قبلاً به آن اشاره شد در فرمول مربوطه گذاشته و آن را به خروجی یعنی LCD بدهیم تا   را نمایش دهد .
این كار به صورت عملی انجام شده و در نهایت اعداد ذكر شده در برنامه C جهت AVR قرار داده شده اند ( علت ذكر نكردن اعداد آن در این قسمت ، تغییر آنها به مرور زمان می باشد ، اما در انتهای پایان نامه و در برنامه نوشته شده به زبان C ذكر شده اند ) .

فصل سوم : ساخت رسانایی سنج با استفاده از یك                       Milli Ohm Meter

ساخت یك میلی اهم متر كه بتواند مقادیر بسیار كم اهمی را به ما نشان دهد تا بوسیله آن بتوانیم مقادیر رسانایی آن ها بدست آوریم باید بر این اساس باشد كه با استفاده از تغییرات بسیار كم افت ولتاژ بر روی جسم رسانای مورد نظر ( یا همان V = IR ) در یك فركانس معین مثلا 1 Khz ، بتوانیم به مقدار اهمی و در نهایت رسانایی آن دست پیدا كنیم . چون این تغییرات ولتاژ به دلیل استفاده از مقاومتهای بسیار كم یعنی در حدود میلی اهم و جریانی در حدود جریان یك باتری ( 25 mA ) در حد  خواهند شد ( مثلا :    )، لذا باید تغییرات ولتاژ را در حد  بررسی كنیم . اما مشكل اصلی در این روش آن است كه نویزهای زیادی به طور طبیعی در این حد وجود دارند كه باعث می شوند به راحتی به این تغییرات دسترسی پیدا نكنیم .
در مرحله اول بایستی یك منبع جریان ثابت ( مستقل ) بسازیم تا بر روی هر مقاومتی كه در جای Test قرار می دهیم یك افت ولتاژ به خصوص داشته باشد . این كار توسط یك ترانزیستور PNP كه ولتاژ نوسانی   و 1 Khz ورودی را به پایه بیس آن داده و خروجی را از كلكتور آن می گیریم مقدور میباشد .
ابتدا ولتاژ های تولید شده توسط یك نوسان ساز موج مربعی ( همانند         دی الكتریك سنج ) را كه با دامنه    و با 2.5 v آفست ( یعنی نوسان ساز از صفر تا 5 ولت ) می باشد توسط یك مقاومت 10 K ( جهت كاهش جریان ورودی بیس ) به بیس ترانزیستور وارد می كنیم .
جهت Bias DC ترانزیستور هم یك ولتاژ +5v به امیتر می دهیم ( توسط یك مقاومت 10 اهمی ) . این ترانزیستور به دلیل اینكه با ولتاژ های نوسانی 5v فعال می شود ، دائما به حالت اشباع رفته و غیر فعال ( قطع ) می شود و كار سوئیچینگ انجام می دهد . لذا در حالت اشباع ولتاژی بین پایه های CE افت نخواهد كرد . اما از امیتر آن به یك مقاومت 220 Ω وصل كرده و سپس به مقاومت مورد test وصل می نماییم .
پس در این صورت برای یك مقاومت 100 میلی اهمی ( یعنی حداكثر مقاومتی كه   می تواند داشته باشد ) افت ولتاژ در حدود 2.3 mv خواهیم داشت كه نسبت به افت مجموع دو مقاومت 10 Ω و 220 Ω مقدار بسیار ناچیزی بوده و در جریان   تاثیر چندانی نخواهد داشت . علت استفاده از فركانس 1 Khz قابل استفاده و راحت بودن آن توسط OP – Amp ها و نیز عمل انتگرال گیری كه در مراحل بعد توضیح داده خواهد شد ،  می باشد . حال این مقدار ولتاژ كه بر روی مقاومت می افتد دارای نویز های مختلفی می باشد كه جهت حذف یك سری از آن ها ( مخصوصا زمانی كه جای این مقاومت Test   خالی باشد كه به طور تجربی مقاومتی در حدود MΩ 20 ~ 30  داشته و نویزهای بسیار زیادی را تولید خواهد كرد ) یك مقاومت  10 K كه دارای مقداری نسبتا بزرگ در برابر   ولی نسبتا كوچك در برابر   Open Circuit میباشد ، قرار می دهیم تا تعداد زیادی از این نویزها را بر طرف كند .
استفاده از یك خازن 220 µ f از این جهت در ورودی   ترانزیستور اهمیت دارد كه با مقدار بالایی كه دارد همانند یك صافی عمل كرده و باز از هم از نویزهای احتمالی در ولتاژ بایاسینگ جلوگیری بعمل می آورد .
جهت اینكه بتوانیم مقاومت صفر ( یعنی S/C ) را اندازه گیری كنیم ، اگر یك سوئیچ Push Button قرار دهیم ، خود همین سوئیچ یك مقاومت كوچكی در حد میلی اهم خواهد شد و در نتیجه صفر كامل به دست نخواهد آمد لذا اگر یك مقاومت بسیار كوچك در حد 4.7 Ω سر راه آن قرار دهیم ( مطابق شكل ) این مقاومت افت ولتاژ را به كمتر از 23 میلی ولت كاهش می دهد و لذا خروجی را صفر می كند ، البته باید توجه داشت كه مقاومت Test بایستی وصل باشد تا ولتاژ افت برای اندازه گیری و صفر كردن ، یك مقدار شود ( البته در ساخت این پروژه به دلیل عدم نیاز به Zeroing این قسمت از مدار حذف شده است ) .

( شكل 1 )

توضیح  PreAmplifier
قبل از اینكه سیگنال های دریافت شده به مدار اصلی انتقال یابند بایستی از یك تقویت كننده با فیلتر بالا گذر HFP ( جهت حذف آفست ) عبور كنند (U2A ) . این تقویت كننده كه با یك خازن 0.33 µ f  ولتاژ آفست را حذف می كند ( كوپلاژ ) توسط مقاومت  1 K و خازن مذكور تشكیل یك فیلتر بالا گذر می دهد . همچنین مقاومت 4.7 K و خازن  .047 µ f نیز فیلتر دیگری تشكیل می دهند تا نویزهای موجود بر روی فركانس 1 Khz را كاهش دهند . همان طور كه ملاحظه می شود چون مقاومت 1 K به 1.8 v وصل شده در خروجی این تقویت كننده نوسانات بر روی ولتاژ آفست 1.8 v سوار خواهند شد ( ولتاژ 1.8 v توسط آمپ امپ   U2D كه یك مقسم ولتاژ از +5 v میباشد، به راحتی ساخته می شود ) .
گین این تقویت كننده AC توسط پتانسیو متر تعبیه شده در خروجی آن قابل تغییر از 1 الی 10 برابر می باشد .

 
( شكل 2 )

حال سیگنال ما به صورت یك شكل موج مربعی كه حول 1.8 vdc نوسان میكند ، در آمده است كه با توجه به شكل 3 كه یك  معكوس كننده با گین 1 می باشد ( به ولتاژ 1.8 v در پایه مثبت توجه شود ) و توسط دو سوئیچ كنترل كه از یك كنترل كننده مانند AVR خارج می شوند و با همان پالس 1 Khz و   فعال می شوند، شكل موج را یكسوسازی می كنیم ، بدین صورت كه به دو سوئیچ U3A و U3B سیگنال Reference كنترلی را كه برای یكی از آنها با گیت Not معكوس شده ،   می فرستیم .
بایستی به گونه ای سوئیچ ها را تنظیم كنیم كه در نیم سیكل های مثبت شكل موج اصلی حول 1.8 v و در نیم سیكل های منفی معكوس آن را بفرستد كه نتیجه آن همانند یك یكسو كننده تمام موج خواهد شد (1.8 vdc ) .

( شكل 3 )

 
                    ( شكل 4 )
با توجه به شكل فوق خروجی ها به دلیل اینكه شكل موج اصلی یكسو شده در نیم سیكل های مثبت بالا تر و در نیم سیكل های منفی پایین تر قرار میگیرند و عملا مقدار ولتاژ در آنها معلوم می شود . اما وجود نویز بسیار همچنان مانع به هدف رسیدن ما می باشد .

ورودی بدون نویز
 

حال اگر توسط یك انتگرال گیر كه توسط دو سوئیچ كنترل می شود ( طبق شكل 5 )، چون از سیگنال دریافتی انتگرال گرفته می شود ، می دانیم كه اثرات نویزها به دلیل تغییرات سریع آنها نسبت به شارژ خازن ( و نیز اینكه چون نویزها هر كدام دارای یك فركانس به خصوصی می باشند و با جمع شدن آنها در انتگرال گیر ، نیم سیكل های مثبت و منفی یكدیگر را خنثی میكنند)، می توانیم شكل موجی را كه شبیه دندان اره ای می باشد بدست آوریم كه این شكل موج با تغییر مقاومت Test تغییر خواهد كرد .
نحوه كاركرد این انتگرال گیر بدین صورت می باشد كه ابتدا خازن 0.047 µ f را در یك پالس معین ( در این پروژه همان پریود 1 Khz ) شارژ و سپس با وصل كردن سوئیچ U3C آن را دشارژ می كنیم ، كه همانند شكل (5) زمان دشارژ شدن خازن با توجه به اینكه در یك پریود زمانی 1 ثانیه ای و آن هم با توجه به ولتاژ ایجاد شده در PreAmp و در نهایت ولتاژ روی   شارژ شده، زمان مناسبی جهت سنجش مقدار ولتاژ بر روی   بدون توجه به نویزهای موجود در سیستم می باشد . نحوه اندازه گیری آن بسیار ساده بوده و بدین صورت می باشد كه با استفاده از یك كانتر در AVR و یك مقایسه گر در آن به ازای یك زمان بسیار كوچك ( واحد ) این كانتر شماره انداخته و به محض اینكه مقایسه گر ما احساس كند كه ولتاژ به حد 1.8 v رسیده كانتر از حركت بایستد و عدد به دست آمده در كانتر میزان زمان دشارژ و در نهایت عددی با یك نسبت خطی با ولتاژ مقاومت و در نهایت مقدار مقاومت و نیز هدایت الكتریكی را به دست می دهد كه همانند دی الكتریك سنج با دوبار سنجش می توان اعداد مجهول این رابطه خطی را به دست آورده و هر بار نیز با یك Programming ساده AVR آن را كالیبره كنیم .


( شكل 5 )

مطالبی در خصوص سنجش رسانایی :

چون مقدار مقاومت اجسام رسانا بسیار پایین می باشد ، لذا طبق مطالب گفته شده اگر قطر آنها را كم و طول آنها را زیاد در نظر بگیریم                                (مثلا قطر 1mm × 1mm و طول 1m ) می توانیم مقادیر مقاومت آنها را بر حسب میلی اهم بدست آوریم كه مسلماً با داشتن مقادیر A ، L و R طبق فرمول زیر ρ و در نهایت σ بدست می آید :

         یا                  یا      

این سیگنال های خروجی نیز به AVR جهت انجام محاسبات داده شده و در نهایت می توانیم مقاومت را بر حسب میلی اهم و نیز هدایت الكتریكی جسم را نشان دهیم .

فصل چهارم : AVR و LCD

در دیاگرام شكل كلی دو مدار دی الكتریك سنج و هدایت سنج مشاهده میشود . در این دیاگرام یك مبدل برق 12 vdc به 5 vdc وجود دارد كه ولتاژ   را تولید می كند . همچنین نیز یك كریستال اسیلاتور به AVR متصل شده تا نوسانات لازم جهت استفاده در Clock این AVR را تولید نماید . با توجه به خروجی های AVR پایه های LCD را به پایه های مورد نظر آن وصل می نماییم . دو سوئیچ دیگر جهت تغییرات پارامترها به AVR متصل شده اند.
همانطور كه مشاهده می شود دو خروجی هدایت سنج و دی الكتریك سنج به AVR متصل شده اند .
در زیر به شرح مختصری از AVR و LCD  ( هر یك به طور جداگانه ) میپردازیم :

تاریخچه AVR  :

میكروپروسسورها كه از حدود 30 سال پیش با ساخت Z80 توسط زایلوگ و نیز 8085  و بعد از آن 80286 ، 80386 ، 80486 و Pentium توسط Intel و همینطور سری 68000 ساخت كمپانی Motorola پا به عرصه وجود نهادند ، نقش بسزایی در مسائل حرفه ای و صنعتی داشته و روز به روز در حال پیشرفت می باشند . اما در این میان با توجه به این كه میكروپروسسورها نیاز به سخت افزارهای جانبی نظیر RAM و ROM ، پورت های مختلف ، اسیلاتور و سایر موارد دارند تا تبدیل به یك میكروكنترلر شوند ، لذا ساخت چیپ هایی كه بتوانند موارد فوق را در یك IC گرد هم آورند ضروری به نظر می رسد . البته تفاوت بین میكروپروسسور و میكروكنترلر به این امر منتهی نشده و عده ای میكروپروسسور را به دلیل توانایی انجام محاسبات ریاضی و منطقی بالاتر جدا از میكروكنترلر معرفی می كنند و اهم وظایف میكروكنترلر را مسائل كنترلی می نامند تا مسائل محاسباتی .
لذا از همان آغاز تولید میكروپروسسورها ، میكروكنترلرها نیز بوجود آمدند كه می توان از آنها 8051 و سری MCS-51 ساخت Intel را نام برد كه انقلاب بزرگی در صنعت كنترل بوجود آورد . بعد از آن شركتهای بزرگی نظیر Philips ، Motorola ، Siemens و Hitachi نیز مدلهای مختلف دیگری را ارائه كردند ، تا اینكه شركتی به نام ATMEL                                                ( Advanced Technology Memory & Logic ) مایكرو چیپ PIC را به بازار عرضه كرد كه قابلیت برنامه ریزی شدن توسط  برنامه های HLL (High Level Languages ) مانند Basic‌ و C ( علاوه بر اسمبلی ) را داشتند و از كامپایلرهای خاص خود استفاده می كردند .
بعد از PIC شركت ATMEL میكروكنترلر بهتری با نام AVR را به بازار عرضه كرد كه شدیداً مورد استقبال قرار گرفت ( با توجه به اینكه معنای خاصی از AVR در جایی درج نشده و با توجه به مدارك به دست رسیده از ATMEL و سایر منابع مختلف ، AVR را بیشتر                        Advanced Virtual RISC  و كمتر Alf Vegard RISC  تعریف میكنند كه نام دوم آن براساس نام مخترعین آن یعنی Alf Egil Bogen وVegard Wollan می باشد . علت ذكر كلمه Virtual قابلیت برنامه ریزی آن تحت Basicو C بر روی صفحه مانیتور مخصوصاً با وجود سیستم عامل معروف Windows و RISC در هر دو نام استفاده از معماری پیشرفته RISC (Reduced Instruction Set Computer) در طراحی این مایكرو چیپ می باشد كه بعداً به شرح جزئیات آن خواهیم پرداخت .
مزیت AVR نسبت به PIC سرعت عملكرد بالاتر ، طراحی بسیار آسان كامپایلرهای آن و نیز تنوع آن نسبت به PIC می باشد. اما در خصوص نحوه عملكرد در محیط های صنعتی ، با توجه به محیط هایی كه در آنها نویز (Noise ) بیشتر می باشد ، عملكرد PIC نسبت به AVR بهتر می باشد .
به دلیل شباهت بسیار زیاد AVR و PIC از ذكر خصوصیات PIC خودداری كرده و به ذكر خصوصیات AVR می پردازیم :
خانواده AVR بسیار ارزان قیمت بوده و به عنوان مثال یكی از قدرتمندترین آنها را كه ATMega16L می باشد ( كه در همین پروژه از آن استفاده شده ) می توان با پرداخت كمتر از 3 دلار ( در حدود 25000 ریال ) تهیه كرد . استفاده از حافظه Flash و EEPROM كه حافظه هایی با قابلیت          برنامه ریزی می باشند سرعت آن را بسیار بالا برده و این مزیت را دارد كه برای یادگیری معماری آن نیازی به مطالعه مجدد نیست ، چرا كه از همان معماری كامپیوتری گذشته كه تا به حال در دروس دانشگاهی نظیر معماری كامپیوتر و اصول میكروپروسسورها مطالعه كرده ایم ، پیروی می كند ، با این فرق كه از یك مایكرو چیپ 8 پین با حافظه برنامه ریزی 2K به یك مایكروچیپ قدرتمند با 40 پین و حافظه برنامه ریزی 8K تغییر یافته است .
كلیه AVR ها می توانند از داخل برنامه ریزی شوند و نیز می توان بوسیله فقط 4 الی 6 سیم آن را چندین بار به طور مجدد برنامه ریزی كرد ، آنهم به میزان كافی یعنی حدوداً 100000 دفعه !
خصوصیات بارز دیگری كه AVR را از PIC متمایز می سازد این است كه در Clock آن تقسیم بندی زمانی به هیچ عنوان صورت نمی گیرد و دلیل آن استفاده از معماری RISC ( Reduced Instruction Set Computer ) در این چیپ  می باشد . اما در PIC وسایر میكروكنترلرها كه از معماری  CISC (‍Complex Instruction Set Computer ) استفاده می كنند تقسیم بندی زمانی وجود دارد ، بدین معنی كه در معماری CISC به دلیل اینكه دستورات بسیار زیادی با توجه به پیشرفت روز افزون مدارهای مجتمع (یعنی حدود 100 و حتی گاهی تا 200    دستور العمل ) بوجود آمده اند ، تلاش برای تبدیل توابع از نرم افزار به سخت افزار صورت گرفت كه یك كامپیوتر با تعداد زیادی دستور را كامپیوتر با مجموعه دستورات پیچیده یا همان CISC نامیدند . اما در اوایل سال 1980 میلادی سازندگان بر آن شدند تا كامپیوتری با دستورات كمتر و ساختاری ساده تر طراحی كنند تا هم دستورات در CPU سریعتر اجرا شده و هم اینكه به استفاده مكرر از حافظه نیازی نباشد ، لذا كامپیوتری با مجموعه دستورات كاهش یافته یا همان RISC را مطرح كردند كه شاید بطور ساده تر بتوان گفت بسیاری از دستورات موجود در ساختار CISC در RISC فاكتور گرفته شده و كلیه اعمال در داخل ثبات های CPU انجام می شوند و دستیابی به حافظه فقط منحصر شده است به Load ( بارگیری ) و Store ( ذخیره سازی )،  اما در CISC گاهی عملوند های موجود در حافظه نیز دستكاری می شوند . با این توضیحات در معماری CISC گاهی Clock‌ اسیلاتور به نسبت 1:4 ویا 1:12 تقسیم می شد یا به طور ساده تر سرعت آن 4 و یا 12 برابر كندتر می شد و عده زیادی از دستورات در چند كلاك سیكل اجرا می شدند ، اما در RISC‌ قالب دستورات در یك كلاك سیكل انجام می پذیرند و معنای آن این است كه با همان فركانس نوسان قبلی سرعت آن چهار تا دوازده برابر افزایش یافته است و نیز به بهبود توان مصرفی در میكروكنترلر كمك می كند و اصطلاحاً عملیات AVR را عملیات تك سیكل می گویند . مثلاً یك AVR با فركانس 16MHz سرعتی تا 16MIPS ( Million Instructions Per Second ) خواهد داشت . ساختار حافظه در میكروكنترلر ATmega16L همانطور كه قبلا هم ذكر شد از Flash و EEPROM تشكیل شده كه حافظه Flash آن 16k می باشد و دارای 32 رجیستر 8 بیتی بوده كه 6 رجیستر آن می توانند با هم دوبه دو تركیب شده و حداكثر 3 رجیستر 16 بیتی تشكیل دهند . شرح كلی حافظه ها در ATmega16L به صورت زیر می باشد :


•    16k حافظه Flash داخلی قابل برنامه ریزی و تا 10,000 بار نوشتن و پاك كردن ( Write / Erase )
•    1024 بایت حافظه SRAM ( حافظه استاتیك )
•    512 بایت حافظه EEPROM داخلی قابل برنامه ریزی و تا 100,000 بار  نوشتن و پاك كردن ( Write / Erase )


 دارای چهار نوع برنامه ریزی زیر از طریق ارتباط JTAG می باشد :

1 – Flash
2 – EEPROM
3 – Fuse Bits
4 – Lock Bits

ولتاژ عملیاتی آن از 2.7v تا 5.5v می باشد كه بسیار مناسب به نظر می رسد .
فركانس كاری آن از 0MHz تا 8MHz می باشد و جهت افزایش آن تا 16MHz می توان از یك اسیلاتور خارجی استفاده كرد كه می تواند به صورت RC و یا كریستالی باشد ( در