Yüksek Hassasiyetli STM32G431 Tabanlı LCR Metre Tasarımı ve Uygulaması

Bu projede, Auto-Balancing Bridge (Otomatik Dengeleme Köprüsü) tekniği kullanılarak, geniş bir frekans aralığında endüktans (L), kapasitans (C) ve direnç (R) ölçümü yapabilen yüksek hassasiyetli bir LCR metre tasarlanmıştır.

Proje Özellikleri

• Yüksek Hassasiyet: Auto-Balancing Bridge tekniği ile %0.1 doğruluk
• Geniş Frekans Aralığı: 10Hz - 1MHz arası ölçüm kapasitesi
• Çoklu Parametre Ölçümü: R, L, C, Q faktörü, D faktörü
• Gerçek Zamanlı Görselleştirme: Python GUI ile anlık sonuçlar
• Profesyonel Kalibrasyon: Open/Short/Load kalibrasyon sistemi
• USB Bağlantısı: Hızlı veri aktarımı

Kullanılan Teknolojiler

Donanım

• STM32G431: Yüksek hızlı ADC, dijital filtre, OPAMP ve gelişmiş zamanlayıcılar içeren ARM Cortex-M4 tabanlı, hassas analog ve motor kontrol uygulamaları için optimize edilmiş bir mikrodenetleyicidir.
• AD9833: DDS sinyal jeneratörü
• AD7606: 16-bit eş zamanlı ADC
• OPA1632: ADC Sürücü
• OPA192/OPA810: Hassas işlemsel yükselteçler
• BUF634A: Yüksek akım buffer
• LT3042 - LT3094: Çok düşük gürültülü pozitif ve negatif gerilim düzenleyicileri

• ---

Yazılım

• STM32CubeIDE: Firmware geliştirme
• Python: Masaüstü arayüzü (PyQt/Tkinter)
• DSP Algoritmaları: DFT/Goertzel algoritması
• LTspice: Devre simülasyonu

Sistem Mimarisi

Blok Diyagramı

Auto-Balancing Bridge Prensibi

Bu yöntemi açıklamadan önce empedansın basit olarak nasıl ölçüldüğüne bakalım. Aşağıdaki şekilde temel bir ölçüm devresi verilmiştir.

Bu devrede ölçülmek istenen devre elemanının uçları arasındaki potansiyel fark $v_x$, içinden geçen akım ise $i_x$ olduğundan, bu elemanın empedansını aşağıdaki eşitlikten bulabiliriz.

$$\begin{equation} Z_x = \frac{v_x}{i_x} \tag{1} \end{equation}$$

Auto-Balancing Bridge yöntemi, işlemsel yükseltecin sanal toprak (virtual ground) ilkesini kullanarak bilinmeyen empedansı ölçer. Temel devre yapısı aşağıdaki gibidir.

Bu devreyi açıklamadan önce op-ampın mükemmel bir özelliği olan sanal toprak ilkesini ve diğer bazı özelliklerini açıklayalım.

• Op-amp’ın pozitif ve negatif girişlerinin empedansı çok yüksektir. Teorik olarak sonsuzdur ve akım akmaz. Ancak gerçek dünya uygulamalarda çok küçük kutuplama akımları akabilir.
• Op-amp’ın pozitif ve negatif girişlerinden birine herhangi bir gerilim uygulandığında diğeri de o gerilim seviyesine yükselir. Bizim uygulamamızda pozitif giriş $0V$ olduğundan negatif giriş de $0V$ potansiyelinde olacaktır.
• Opamplar geri besleme dirençleri olmadığında ($R_F$) teorik olarak sonsuz kazanca sahiptirler.

Devremize dönüp analize devam edelim. Opampın negatif girişinin $0V$ olacağını ve bu negatif girişten akım akmayacağını biliyoruz. Negatif pine bağlı düğümde Kirchhoff akım yasasını kullanırsak:

$$i_x + i_F = 0$$ $$\begin{equation} i_x = -i_F \tag{2} \end{equation}$$

elde ederiz. Opampın negatif girişinin bağlı olduğu düğümün potansiyeli $0V$ olduğundan Ohm yasasını kullanarak aşağıdaki ifadeleri elde ederiz.

$$\begin{align} Z_x &= \frac{v_x}{i_x} \tag{3} \\ i_F &= \frac{v_F}{R_F} \tag{4} \end{align}$$

Denklem (2) ve (3)‘ü birleştirerek $Z_x$‘i $i_F$ cinsinden yazabiliriz:

$$\begin{equation} Z_x = \frac{v_x}{-i_F} \tag{5} \end{equation}$$

Şimdi, denklem (4)‘teki $i_F$ ifadesini bu eşitlikte yerine koyarsak:

$$\begin{equation} Z_x = \frac{v_x}{-\frac{v_F}{R_F}} = -\frac{v_x}{v_F} \cdot R_F \tag{6} \end{equation}$$

Yani, bilinmeyen empedans $Z_x$, ölçülen $v_x$ ve $v_F$ gerilimleri ile geri besleme direnci $R_F$ üzerinden kolayca hesaplanabilir.

Bu yöntemin avantajları:

• Yüksek doğruluk ve tekrarlanabilirlik
• Prob parazitik etkilerini minimize etme
• Geniş empedans ve frekans aralığı

---

Bu noktada şunu vurgulamak gerekir: Teorisini detaylıca incelediğimiz ve matematiksel temelini ortaya koyduğumuz LCR metrenin, artık her bir alt bloğunu adım adım tasarlayıp uygulama aşamasına geçiyoruz. Yani, gerçek bir cihaz üretmek için gerekli olan tüm donanım ve yazılım bileşenlerini, pratikte karşılaşılabilecek sorunları da göz önünde bulundurarak tek tek ele alacağız.

İlk adım olarak, ölçüm hassasiyetini ve doğruluğunu doğrudan etkileyen düşük gürültülü güç kaynağı tasarımıyla başlayacağız. Güç katı, hem analog hem de dijital devrelerin kararlı ve temiz bir şekilde çalışabilmesi için kritik öneme sahiptir. Bu nedenle, bir sonraki bölümde LCR metrenin güç katını (pozitif/negatif regülatörler, filtreler ve dağıtım topolojisi dahil) ayrıntılı olarak ele alacağız.

Bir sonraki projede görüşmek üzere!
Elektroniğin büyülü dünyasında, teoriden uygulamaya birlikte ilerlemeye devam edeceğiz. 👋