بررسی هدایت سنج دیجیتالی و دی الکتریک سنج

مقدمه

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

همان طور که می دانیم در مدار های الکتریکی سه عنصر هستند که پایه (Base ) کلیه مدارهای الکتریکی و نیز الکترونیکی را تشکیل می دهند . این عناصر عبارتند از مقاومت ( R ) ، خازن ( C ) و سلف ( L ) .
هدف ذکر مطالبی است که در خصوص ساخت دستگاه اندازه گیری ضرایب           دی الکتریک و رسانایی حایز اهمیت هستند .
مقاومت (R ) که اولین عنصر مهم در ساخت مدارات می باشد و جزء لاینفک هر مدار محسوب می شود به صورت فرمول زیر تعریف می شود :

                                   (ρ بر حسب اهم در متر   می باشد )         R = ρ
                       
که با توجه به مطالبی که تا کنون آموختیم می دانیم ρ ضریب مقاومت ویژه بوده و فقط بستگی به جنس ماده مورد نظر دارد و نیز بر حسب این که چه ضریبی باشد میتواند معرفی کند که 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 که در تمام طول ماده مقداری ثابت باشد ، وگرنه باید مقادیر سطوح یکسان مختلف را با هم جمع کرده و یا انتگرال گرفت ) .
حال اگر جنس ماده مورد نظر تغییر کند مسلما مقدار ρ فرق خواهد کرد و این همان موردی است که برای سیستمی که 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 کنید.

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

ماده    رسانندگی ( σ )
نقره     

مس     

طلا     

آلومینیوم     

برنج     

برنز     

آهن     

آب ( مقطر )     

خاک     

شیشه     

چینی     

لاستیک     

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

البته همان طور که 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 که فرض کنیم دو صفحه جوشن خازن به یک اندازه ( یعنی A ) بوده و به فاصله d از هم قرار گیرند به گونه ای که دو صفحه کاملا با هم موازی باشند ، میتوانیم با قرار دادن یک دی الکتریک در میان این دو صفحه مقدار C را تغییر دهیم . پس همان طور که ملاحظه میشود با استفاده از یک خازن سنج دقیق و داشتن اندازه های صفحات جوشن و فاصله آنها از یکدیگر مقدار ε را بدست آورده و در نهایت  ε را با یک رابطه ساده از آن استخراج کنیم ، البته باید توجه داشت که این مقدار گاهی برای بعضی موارد در فرکانسها و درجه حرارتهای مختلف تغییر می کند .
به جدول صفحه بعد مراجعه کنید.

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

ماده    نفوذ پذیری نسبی ( ε )

هوا     

شیشه     4 ~ 10
روغن    2.3
کاغذ    2 ~ 4
چینی    5.7
لاستیک    2.3 ~ 4
خاک    3 ~ 4
تفلن    2.1
آب ( مقطر )    80

همان طور که قبلا هم ذکر شد دو پارامتر σ و  ε که 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 که از مهمترین آنها حرارت ، فرکانس ، نویز و غیره بوده که 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
نیکل    0.0000001376    7267000
قلع     0.0000001459    6854000
فولاد    0.0000001534    6519000
سرب    0.0000002271    4403300
جیوه    0.0000009718    1029000
نیکروم    0.0000001068    936300
کربن    0.000036    27800

فصل دوم : ساخت دی الکتریک سنج با استفاده از یک نوسان ساز موج مربعی

توضیحاتی در مورد مدار نوسان ساز موج مربعی :
علت استفاده از نوسان ساز موج مربعی این است که اطلاعات آنالوگ خازن را به اطلاعات دیجیتال تبدیل کنیم ؛ در واقع می توان گفت علت اصلی آن مناسب بودن این سیگنال جهت AVR ( که بعداً در مورد آن مفصلاً توضیح داده خواهد شد ) می باشد .
در این قسمت می خواهیم طرز ساخت یک مدار نوسان ساز موج مربعی را تشریح  کنیم . میدانیم که در مدار های دیجیتال استفاده از یک نوسان ساز موج مربعی که بتواند در باند فرکانسی مورد نظر ما نوسان کند ، بسیار مفید می باشد . لذا در خصوص این سیستم ( دی- الکتریک سنج دیجیتال )  نیز که در نهایت می خواهد اطلاعات دیجیتال به ما بدهد ، تولید پالسهای مربعی بسیار مفید واقع خواهد شد ، بطوریکه با قرار دادن خازن مورد نظر در قسمت نوسان ساز و تغییر دی الکتریک موجود در بین صفحات آن می توانیم فرکانس نوسان موج مربعی را تغییر دهیم و این همان چیزی است که در بدست آوردن مقدار دی الکتریک به آن احتیاج داریم . البته ظاهراً با یک معادله ساده که در توضیحات قبل گفته شد میتوانیم از روی فرکانس و مقادیر معلوم دیگر ، اندازه دی الکتریک را بدست آوریم ، اما باید توجه داشت که هر دستگاه            اندازه گیری نیاز به کالیبره شدن دارد . لذا در این سیستم بایستی پس از دریافت اطلاعات سیگنال مورد نظر آن را کالیبره کنیم ، که یکی از ساده ترین راههای آن اندازه گیری دو جسم مختلف و یا یک جسم در اندازه های متفاوت می باشد که در نهایت اگر محدوده اندازه گیری ما کم باشد ، می توانیم آن را یک معادله خطی در نظر گرفته و دو عدد مجهول آن را با استفاده از یک دستگاه دو معادله دو مجهولی بدست آمده از دو جسم مذکور بدست آوریم .
 در خصوص خازن داریم :
                                                                                           C = ε (که 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 اینکه نوسان ساز مورد نظر ما RC می باشد که در زیر به طور کامل توضیح داده خواهد شد ، نسبت ظرفیت خازن به فرکانس 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 :
                                                                                                 

( که   و  فرکانسهای 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 :
( کلیه مقادیر سمت راست معادله معلوم هستند )  

توجه : در صورتیکه بخواهیم از معادله دوم استفاده کنیم ، به جای مقدار   و  و مقادیر A و d از   استفاده می کنیم .
شکل کلی مدار نوسان ساز موج مربعی مذکور به صورت زیر می باشد :
فرض :  = 5 v    = 
( جهت فعال سازی Op – Amp )
 
( شکل ۱ )
در این اسیلاتور که Op-Amp آن همانند یک مقایسه کننده عمل می کند، با توجه به شکل در حالت اول چون   0 =  ، لذا افت ولتاژی بر روی  خواهیم داشت که با توجه به تخلیه بودن خازن در لحظه اول  0=  و به همین دلیل چون فیدبک مثبت داریم و   لذا   و در نتیجه خروجی سیستم از ۵v شروع خواهد شد . در مرحله بعد خازن با یک ثابت زمانی معین از صفر تا عددی زیر ۵v شارژ خواهد شد . علت اینکه به ۵v نمی رسد اینست که با توجه به   ، مقاومتهای موجود در سر   افت ولتاژی برابر با   یا   ایجاد خواهند کرد در نتیجه   تا   به دلیل اینکه   شارژ خواهد شد و به محض اینکه این مقدار از   بیشتر شد ( که این اختلاف عددی بسیار کوچک می باشد )   شده ، لذا مجددا   و افت ولتاژ بر روی   به مقدار زیر تغییر خواهد کرد : 

در نتیجه خازن از طریق مقاومت فیدبک منفی در جهت مخالف جهت شارژ     ( به سمت   ) تخلیه خواهد شد که این تخلیه خازن تا مقدار   ادامه     می یابد و مجددا بدلیل اینکه اندکی از   کمتر شد چون   دوباره    و این کار 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

که برای بدست آوردن فرکانس آن بایستی ابتدا پریود نوسان را محاسبه کرده وبعد معکوس آن را که همان فرکانس می باشد طبق فرمول زیر بدست آوریم :
                                                                                               
حال جهت بدست آوردن پریود نوسان ، همانطور که می دانیم ، طبق نمودار شارژ و دشارژ خازن ، فاصله بین دو نوک قله نوسان می تواند یک پریود نوسان باشد که با دقت بیشتر در می یابیم که این مدت زمان شامل یک زمان شارژ و یک زمان دشارژ خازن در بین محدوده های   و   و بالعکس   می باشد .
با توجه به فرمولهای بدست آمده فوق در لحظه شارژ مقدار نهایی   میباشد و به محض اینکه به این مقدار برسیم ، نوسان ساز تغییر جهت داده و خازن را دشارژ می کند . 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 :
                               
که   زمان شارژ خازن در این نوسان می باشد .
بطور مشابه جهت دشارژ خازن داریم ( با توجه به اینکه خازن تا مقدار   تخلیه  می شود ) :
                                    
همانطور که در شکل 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 فرکانس بصورت فرمول زیر خواهد بود :
   
با توجه به مقدار  سایر مقاومت ها را نیز تقریبا هم اندازه با آن انتخاب میکنیم تا جریان یکسانی در مدار برقرار شود . لذا خازن C تعیین کننده مقادیر کلیه مقاومتها می باشد .
هم اکنون باید ببینیم که خازن های اختیار شده چه مقادیری خواهند داشت . اگر مقدار خازن بسیار کم باشد بایستی مقاومت های بزرگ در نظر بگیریم . دراین پروژه اگر سعی بر آن شود که خازن تا حد امکان بزرگ شود بایستی طبق فرمول زیر صفحات بزرگ با فاصله بسیار کمی برای آن انتخاب کنیم . مثلا اگر سطح مقطع هر دو جوشن ۱۰۰ Cm² یا  Cm²  باشد و              دی الکتریک را هوا (  ε = ε ) فرض کنیم :

با یک فاصله ۱ mm ( یا  ) برای دو جوشن خواهیم داشت :

پس دستگاه مورد نظر باید بتواند حداقل مقدار حدود ۸۸.۵ pf را بخواند . لذا برای تولید نوسان می توانیم حداقل مقدار بعد از هوا یعنی حدوداً :

                    88.5 = 177 pf 2
   
را انتخاب کنیم و مقادیر کمتر از آن را صفر بگیریم که نشان دهنده هوا میباشد .
با توجه به اینکه فرکانس مورد استفاده در IC مدار ما حداکثر ۲۰ KHZ در نظر گرفته می شود ، لذا برای محاسبه مقاومت  داریم :
               
در شرایط Maximum :         

که مقاومت نسبتا زیادی می باشد ، لذا اگر فاصله دو جوشن را به مقدار ۰.۱ mm کاهش دهیم ، آن گاه مقدار فوق برابر ۲۰.۳۸ KΩ خواهد شد که حداقل مقدار مقاومت را نشان می دهد ، لذا با استفاده از یک مقاومت ۱۰۰ KΩ میتوانیم کلیه مقادیر لازم جهت بدست آوردن ضرایب دی الکتریک را بدست آوریم .

برای تبدیل فرکانس بدست آمده به ضریب دی الکتریک می توانیم از یک AVR استفاده کنیم و نتایج را به یک LCD تبدیل کنیم . اما نوسانات بدست آمده بایستی اصلاح شوند تا براحتی توسط AVR قابل محاسبه باشند .
همانطور که می دانیم در استفاده از Op–Amp های موجود در بازار محدودیت هایی وجود دارد .
در خصوص تولید نوسان مذکور دو IC ی LM 324 و NL 5532 در اختیار        می باشند . که آی سی NL 5532 دارای خصوصیات بهتری نسبت به LM 324   می باشد .
حال نمودار  در این Op–Amp بدلیل اینکه خروجی دارای دامنه کمتر از دامنه  و GND که به ترتیب ۵ v و ۰ 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 اینکه AVR با ۵ v فعال و با ۰ v غیر فعال می شود ، توسط یک خازن (ترجیحا با مقدار بزرگ تا خودش باعث نوسان نشود) ابتدا ولتاژ آفست آن را حذف می کنیم ، لذا به صورت زیر  خواهد شد :

البته با توجه به اینکه بعد از آن یک ترانزیستور NPN جهت سوئیچینگ قرار داده ایم، لذا کمی آفست منفی پیدا کرده که به صورت شکل زیر در می آید :
 
                   
حال اگر از یک ترانزیستور با دامنه ۵ v جهت سوئیچینگ استفاده کنیم ، یعنی با وصل کردن آن به صورت امیتر مشترک و استفاده از یک منبع ۵ v (مانند ) میتوانیم به سیگنال مورد نظر دست پیدا کنیم ( قبل از ترانزیستور یک مقاومت ۱ K قرار داده ایم که در نیم سیکل های منفی که ترانزیستور از خود جریانی عبور نمی دهد وجود نویز در سیگنال باعث فعال شدن آن نشود ، بدین صورت که این مقاومت با  در ترانزیستور موازی شده و مقدار آن را کاهش می دهد و باعث می شود که  نیم سیکل های منفی از طریق آن به زمین انتقال یابند ، همچنین برای Pull up ولتاژ جهت استفاده در میکروکنترلر وجود یک مقاومت در حدود ۱۰ K کافیست و جریان مورد نظر می تواند AVR را فعال کند .
 
همان طور که ملاحظه می شود ، در نهایت به جای موج مربعی در خروجی ترانزیستور موج دندان اره ای بدست آمده که علت آن فرکانس بالای تولید شده در Op-Amp می باشد و ترانزیستور استفاده شده در این مدار (C945) قادر به عکس العمل سریع در برابر آن نمی باشد                                       (Out of Frequency Range ) و لبه بالا رونده آن را کمی با تاخیر به خروجی می دهد ( به علت خازن های درونی ترانزیستور ) ، که  می توان با استفاده از یک ترانزیستور با قابلیت فرکانسهای بالاتر این مشکل را حل کرد . اما با توجه به اینکه فقط فرکانس این سیگنال مورد توجه می باشد ،‌ هیچ مشکلی در محاسبات AVR ایجاد نخواهد شد .
 حال سیگنال های دریافتی را که برای AVR مناسب می باشند به پایه مورد نظر جهت انجام محاسبات وصل می نماییم .
در AVR می بایست اعداد بدست آمده در مرحله کالیبراسیون را که قبلاً به آن اشاره شد در فرمول مربوطه گذاشته و آن را به خروجی یعنی LCD بدهیم تا   را نمایش دهد .
این کار به صورت عملی انجام شده و در نهایت اعداد ذکر شده در برنامه C جهت AVR قرار داده شده اند ( علت ذکر نکردن 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 ذکر شده اند ) .

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

ساخت یک میلی اهم متر که بتواند مقادیر بسیار کم اهمی را به ما نشان دهد تا بوسیله آن بتوانیم مقادیر رسانایی آن ها بدست آوریم باید بر این اساس باشد که با استفاده از تغییرات بسیار کم افت ولتاژ بر روی جسم رسانای مورد نظر ( یا همان V = IR ) در یک فرکانس معین مثلا ۱ Khz ، بتوانیم به مقدار اهمی و در نهایت رسانایی آن دست پیدا کنیم . چون این تغییرات ولتاژ به دلیل استفاده از مقاومتهای بسیار کم یعنی در حدود میلی اهم و جریانی در حدود جریان یک باتری ( ۲۵ mA ) در حد  خواهند شد ( مثلا :    )، لذا باید تغییرات ولتاژ را در حد  بررسی کنیم . اما مشکل اصلی در این روش آن است که نویزهای زیادی به طور طبیعی در این حد وجود دارند که باعث می شوند به راحتی به این تغییرات دسترسی پیدا نکنیم .
در مرحله اول بایستی یک منبع جریان ثابت ( مستقل ) بسازیم تا بر روی هر مقاومتی که در جای Test قرار می دهیم یک افت ولتاژ به خصوص داشته باشد . این کار توسط یک ترانزیستور PNP که ولتاژ نوسانی   و ۱ Khz ورودی را به پایه بیس آن داده و خروجی را از کلکتور آن می گیریم مقدور میباشد .
ابتدا ولتاژ های تولید شده توسط یک نوسان ساز موج مربعی ( همانند         دی الکتریک سنج ) را که با دامنه    و با ۲.۵ v آفست ( یعنی نوسان ساز از صفر تا ۵ ولت ) می باشد توسط یک مقاومت ۱۰ K ( جهت کاهش جریان ورودی بیس ) به بیس ترانزیستور وارد می کنیم .
جهت Bias DC ترانزیستور هم یک ولتاژ +۵v به امیتر می دهیم ( توسط یک مقاومت ۱۰ اهمی ) . این ترانزیستور به دلیل اینکه با ولتاژ های نوسانی ۵v فعال می شود ، دائما به حالت اشباع رفته و غیر فعال ( قطع ) می شود و کار سوئیچینگ انجام می دهد . لذا در حالت اشباع ولتاژی بین پایه های CE افت نخواهد کرد . اما از امیتر آن به یک مقاومت ۲۲۰ Ω وصل کرده و سپس به مقاومت مورد test وصل می نماییم .
پس در این صورت برای یک مقاومت ۱۰۰ میلی اهمی ( یعنی حداکثر مقاومتی که   می تواند داشته باشد ) افت ولتاژ در حدود ۲.۳ mv خواهیم داشت که نسبت به افت مجموع دو مقاومت ۱۰ Ω و ۲۲۰ Ω مقدار بسیار ناچیزی بوده و در جریان   تاثیر چندانی نخواهد داشت . علت استفاده از فرکانس ۱ Khz قابل استفاده و راحت بودن آن توسط OP – Amp ها و نیز عمل انتگرال گیری که در مراحل بعد توضیح داده خواهد شد ،  می باشد . حال این مقدار ولتاژ که بر روی مقاومت می افتد دارای نویز های مختلفی می باشد که جهت حذف یک سری از آن ها ( مخصوصا زمانی که جای این مقاومت Test   خالی باشد که به طور تجربی مقاومتی در حدود MΩ 20 ~ 30  داشته و نویزهای بسیار زیادی را تولید خواهد کرد ) یک مقاومت  10 K که دارای مقداری نسبتا بزرگ در برابر   ولی نسبتا کوچک در برابر   Open Circuit میباشد ، قرار می دهیم تا تعداد زیادی از این نویزها را بر طرف کند .
استفاده از یک خازن ۲۲۰ µ f از این جهت در ورودی   ترانزیستور اهمیت دارد که با مقدار بالایی که دارد همانند یک صافی عمل کرده و باز از هم از نویزهای احتمالی در ولتاژ بایاسینگ جلوگیری بعمل می آورد .
جهت اینکه بتوانیم مقاومت صفر ( یعنی S/C ) را اندازه گیری کنیم ، اگر یک سوئیچ Push Button قرار دهیم ، خود همین سوئیچ یک مقاومت کوچکی در حد میلی اهم خواهد شد و در نتیجه صفر کامل به دست نخواهد آمد لذا اگر یک مقاومت بسیار کوچک در حد ۴.۷ Ω سر راه آن قرار دهیم ( مطابق شکل ) این مقاومت افت ولتاژ را به کمتر از ۲۳ میلی ولت کاهش می دهد و لذا خروجی را صفر می کند ، البته باید توجه داشت که مقاومت Test بایستی وصل باشد تا ولتاژ افت برای اندازه گیری و صفر کردن ، یک مقدار شود ( البته در ساخت این پروژه به دلیل عدم نیاز به Zeroing این قسمت از مدار حذف شده است ) .

( شکل ۱ )

توضیح  PreAmplifier
قبل از اینکه سیگنال های دریافت شده به مدار اصلی انتقال یابند بایستی از یک تقویت کننده با فیلتر بالا گذر HFP ( جهت حذف آفست ) عبور کنند (U2A ) . این تقویت کننده که با یک خازن ۰.۳۳ µ f  ولتاژ آفست را حذف می کند ( کوپلاژ ) توسط مقاومت  1 K و خازن مذکور تشکیل یک فیلتر بالا گذر می دهد . همچنین مقاومت ۴.۷ K و خازن  .047 µ f نیز فیلتر دیگری تشکیل می دهند تا نویزهای موجود بر روی فرکانس ۱ Khz را کاهش دهند . همان طور که ملاحظه می شود چون مقاومت ۱ K به ۱.۸ v وصل شده در خروجی این تقویت کننده نوسانات بر روی ولتاژ آفست ۱.۸ v سوار خواهند شد ( ولتاژ ۱.۸ v توسط آمپ امپ   U2D که یک مقسم ولتاژ از +۵ v میباشد، به راحتی ساخته می شود ) .
گین این تقویت کننده AC توسط پتانسیو متر تعبیه شده در خروجی آن قابل تغییر از ۱ الی ۱۰ برابر می باشد .

 
( شکل ۲ )

حال سیگنال ما به صورت یک شکل موج مربعی که حول ۱.۸ vdc نوسان میکند ، در آمده است که با توجه به شکل ۳ که یک  معکوس کننده با گین ۱ می باشد ( به ولتاژ ۱.۸ v در پایه مثبت توجه شود ) و توسط دو سوئیچ کنترل که از یک کنترل کننده مانند AVR خارج می شوند و با همان پالس ۱ Khz و   فعال می شوند، شکل موج را یکسوسازی می کنیم ، بدین صورت که به دو سوئیچ U3A و U3B سیگنال Reference کنترلی را که برای یکی از آنها با گیت Not معکوس شده ،   می فرستیم .
بایستی به گونه ای سوئیچ ها را تنظیم کنیم که در نیم سیکل های مثبت شکل موج اصلی حول ۱.۸ v و در نیم سیکل های منفی معکوس آن را بفرستد که نتیجه آن همانند یک یکسو کننده تمام موج خواهد شد (۱.۸ vdc ) .

( شکل ۳ )

 
                    ( شکل ۴ )
با توجه به شکل فوق خروجی ها به دلیل اینکه شکل موج اصلی یکسو شده در نیم سیکل های مثبت بالا تر و در نیم سیکل 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 یک انتگرال گیر که توسط دو سوئیچ کنترل می شود ( طبق شکل ۵ )، چون از سیگنال دریافتی انتگرال گرفته می شود ، می دانیم که اثرات نویزها به دلیل تغییرات سریع آنها نسبت به شارژ خازن ( و نیز اینکه چون نویزها هر کدام دارای یک فرکانس به خصوصی می باشند و با جمع شدن آنها در انتگرال گیر ، نیم سیکل های مثبت و منفی یکدیگر را خنثی میکنند)، می توانیم شکل موجی را که شبیه دندان اره ای می باشد بدست آوریم که این شکل موج با تغییر مقاومت Test تغییر خواهد کرد .
نحوه کارکرد این انتگرال گیر بدین صورت می باشد که ابتدا خازن ۰.۰۴۷ µ f را در یک پالس معین ( در این پروژه همان پریود ۱ Khz ) شارژ و سپس با وصل کردن سوئیچ U3C آن را دشارژ می کنیم ، که همانند شکل (۵) زمان دشارژ شدن خازن با توجه به اینکه در یک پریود زمانی ۱ 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 که با استفاده از یک کانتر در AVR و یک مقایسه گر در آن به ازای یک زمان بسیار کوچک ( واحد ) این کانتر شماره انداخته و به محض اینکه مقایسه گر ما احساس کند که ولتاژ به حد ۱.۸ v رسیده کانتر از حرکت بایستد و عدد به دست آمده در کانتر میزان زمان دشارژ و در نهایت عددی با یک نسبت خطی با ولتاژ مقاومت و در نهایت مقدار مقاومت و نیز هدایت الکتریکی را به دست می دهد که همانند دی الکتریک سنج با دوبار سنجش می توان اعداد مجهول این رابطه خطی را به دست آورده و هر بار نیز با یک Programming ساده AVR آن را کالیبره کنیم .

( شکل ۵ )

مطالبی در خصوص سنجش رسانایی :

چون مقدار مقاومت اجسام رسانا بسیار پایین می باشد ، لذا طبق مطالب گفته شده اگر قطر آنها را کم و طول آنها را زیاد در نظر بگیریم                                (مثلا قطر ۱mm × 1mm و طول ۱m ) می توانیم مقادیر مقاومت آنها را بر حسب میلی اهم بدست آوریم که 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 الکتریکی جسم را نشان دهیم .

فصل چهارم : AVR و LCD

در دیاگرام شکل کلی دو مدار دی الکتریک سنج و هدایت سنج مشاهده میشود . در این دیاگرام یک مبدل برق ۱۲ vdc به ۵ vdc وجود دارد که ولتاژ   را تولید می کند . همچنین نیز یک کریستال 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 که مشاهده می شود دو خروجی هدایت سنج و دی الکتریک سنج به AVR متصل شده اند .
در زیر به شرح مختصری از AVR و LCD  ( هر یک به طور جداگانه ) میپردازیم :

تاریخچه AVR  :

میکروپروسسورها که از حدود ۳۰ سال پیش با ساخت Z80 توسط زایلوگ و نیز ۸۰۸۵  و بعد از آن ۸۰۲۸۶ ، ۸۰۳۸۶ ، ۸۰۴۸۶ و Pentium توسط Intel و همینطور سری ۶۸۰۰۰ ساخت کمپانی 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 که میکروپروسسورها نیاز به سخت افزارهای جانبی نظیر RAM و ROM ، پورت های مختلف ، اسیلاتور و سایر موارد دارند تا تبدیل به یک میکروکنترلر شوند ، لذا ساخت چیپ هایی که بتوانند موارد فوق را در یک IC گرد هم آورند ضروری به نظر می رسد . البته تفاوت بین میکروپروسسور و میکروکنترلر به این امر منتهی نشده و عده ای میکروپروسسور را به دلیل توانایی انجام محاسبات ریاضی و منطقی بالاتر جدا از میکروکنترلر معرفی می کنند و اهم وظایف میکروکنترلر را مسائل کنترلی می نامند تا مسائل محاسباتی .
لذا از همان آغاز تولید میکروپروسسورها ، میکروکنترلرها نیز بوجود آمدند که می توان از آنها ۸۰۵۱ و سری MCS-51 ساخت Intel را نام برد که انقلاب بزرگی در صنعت کنترل بوجود آورد . بعد از آن شرکتهای بزرگی نظیر Philips ، Motorola ، Siemens و Hitachi نیز مدلهای مختلف دیگری را ارائه کردند ، تا اینکه شرکتی به نام ATMEL                                                ( Advanced Technology Memory & Logic ) مایکرو چیپ PIC را به بازار عرضه کرد که قابلیت برنامه ریزی شدن توسط  برنامه های HLL (High Level Languages ) مانند Basic‌ و C ( علاوه بر اسمبلی ) را داشتند و از کامپایلرهای خاص خود استفاده می کردند .
بعد از PIC شرکت ATMEL میکروکنترلر بهتری با نام AVR را به بازار عرضه کرد که شدیداً مورد استقبال قرار گرفت ( با توجه به اینکه معنای خاصی از AVR در جایی درج نشده و با توجه به مدارک به دست رسیده از ATMEL و سایر منابع مختلف ، AVR را بیشتر                        Advanced Virtual RISC  و کمتر Alf Vegard RISC  تعریف میکنند که نام دوم آن براساس نام مخترعین آن یعنی Alf Egil Bogen وVegard Wollan می باشد . علت ذکر کلمه 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 مایکرو چیپ می باشد که بعداً به شرح جزئیات آن خواهیم پرداخت .
مزیت AVR نسبت به PIC سرعت عملکرد بالاتر ، طراحی بسیار آسان کامپایلرهای آن و نیز تنوع آن نسبت به PIC می باشد. اما در خصوص نحوه عملکرد در محیط های صنعتی ، با توجه به محیط هایی که در آنها نویز (Noise ) بیشتر می باشد ، عملکرد PIC نسبت به AVR بهتر می باشد .
به دلیل شباهت بسیار زیاد AVR و PIC از ذکر خصوصیات PIC خودداری کرده و به ذکر خصوصیات AVR می پردازیم :
خانواده AVR بسیار ارزان قیمت بوده و به عنوان مثال یکی از قدرتمندترین آنها را که ATMega16L می باشد ( که در همین پروژه از آن استفاده شده ) می توان با پرداخت کمتر از ۳ دلار ( در حدود ۲۵۰۰۰ ریال ) تهیه کرد . استفاده از حافظه Flash و EEPROM که حافظه هایی با قابلیت          برنامه ریزی می باشند سرعت آن را بسیار بالا برده و این مزیت را دارد که برای یادگیری معماری آن نیازی به مطالعه مجدد نیست ، چرا که از همان معماری کامپیوتری گذشته که تا به حال در دروس دانشگاهی نظیر معماری کامپیوتر و اصول میکروپروسسورها مطالعه کرده ایم ، پیروی می کند ، با این فرق که از یک مایکرو چیپ ۸ پین با حافظه برنامه ریزی ۲K به یک مایکروچیپ قدرتمند با ۴۰ پین و حافظه برنامه ریزی ۸K تغییر یافته است .
کلیه AVR ها می توانند از داخل برنامه ریزی شوند و نیز می توان بوسیله فقط ۴ الی ۶ سیم آن را چندین بار به طور مجدد برنامه ریزی کرد ، آنهم به میزان کافی یعنی حدوداً ۱۰۰۰۰۰ دفعه !
خصوصیات بارز دیگری که AVR را از PIC متمایز می سازد این است که 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 میکروکنترلرها که از معماری  CISC (‍Complex Instruction Set Computer ) استفاده می کنند تقسیم بندی زمانی وجود دارد ، بدین معنی که در معماری CISC به دلیل اینکه دستورات بسیار زیادی با توجه به پیشرفت روز افزون مدارهای مجتمع (یعنی حدود ۱۰۰ و حتی گاهی تا ۲۰۰    دستور العمل ) بوجود آمده اند ، تلاش برای تبدیل توابع از نرم افزار به سخت افزار صورت گرفت که یک کامپیوتر با تعداد زیادی دستور را کامپیوتر با مجموعه دستورات پیچیده یا همان CISC نامیدند . اما در اوایل سال ۱۹۸۰ میلادی سازندگان بر آن شدند تا کامپیوتری با دستورات کمتر و ساختاری ساده تر طراحی کنند تا هم دستورات در CPU سریعتر اجرا شده و هم اینکه به استفاده مکرر از حافظه نیازی نباشد ، لذا کامپیوتری با مجموعه دستورات کاهش یافته یا همان RISC را مطرح کردند که شاید بطور ساده تر بتوان گفت بسیاری از دستورات موجود در ساختار CISC در RISC فاکتور گرفته شده و کلیه 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 دستکاری می شوند . با این توضیحات در معماری CISC گاهی Clock‌ اسیلاتور به نسبت ۱:۴ ویا ۱:۱۲ تقسیم می شد یا به طور ساده تر سرعت آن ۴ و یا ۱۲ برابر کندتر می شد و عده زیادی از دستورات در چند کلاک سیکل اجرا می شدند ، اما در RISC‌ قالب دستورات در یک کلاک سیکل انجام می پذیرند و معنای آن این است که با همان فرکانس نوسان قبلی سرعت آن چهار تا دوازده برابر افزایش یافته است و نیز به بهبود توان مصرفی در میکروکنترلر کمک می کند و اصطلاحاً عملیات AVR را عملیات تک سیکل می گویند . مثلاً یک AVR با فرکانس ۱۶MHz سرعتی تا ۱۶MIPS ( Million Instructions Per Second ) خواهد داشت . ساختار حافظه در میکروکنترلر ATmega16L همانطور که قبلا هم ذکر شد از Flash و EEPROM تشکیل شده که حافظه Flash آن ۱۶k می باشد و دارای ۳۲ رجیستر ۸ بیتی بوده که ۶ رجیستر آن می توانند با هم دوبه دو ترکیب شده و حداکثر ۳ رجیستر ۱۶ بیتی تشکیل دهند . شرح کلی حافظه ها در ATmega16L به صورت زیر می باشد :

•    16k حافظه Flash داخلی قابل برنامه ریزی و تا ۱۰,۰۰۰ بار نوشتن و پاک کردن ( Write / Erase )
•    1024 بایت حافظه SRAM ( حافظه استاتیک )
•    512 بایت حافظه EEPROM داخلی قابل برنامه ریزی و تا ۱۰۰,۰۰۰ بار  نوشتن و پاک کردن ( Write / Erase )

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

۱ – Flash
۲ – EEPROM
۳ – Fuse Bits
۴ – Lock Bits

ولتاژ عملیاتی آن از ۲.۷v تا ۵.۵v می باشد که بسیار مناسب به نظر می رسد .
فرکانس کاری آن از 0MHz تا ۸MHz می باشد و جهت افزایش آن تا ۱۶MHz می توان از یک اسیلاتور خارجی استفاده کرد که می تواند به صورت RC و یا کریستالی باشد ( در