基于單片機(jī)的大量程電感表設(shè)計(jì)

蔣碧波　肖秋龍　張丹

摘要：本文設(shè)計(jì)了一款基于89C52單片機(jī)的大量程電感表，利用單片機(jī)計(jì)算處理功能，通過硬件和軟件結(jié)合的方法，有效提高了其量程和測量精度，同時(shí)具有價(jià)格低廉的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電感表；大量程；單片機(jī)

1測量原理

測量電感時(shí)，振蕩電路中L與F的關(guān)系如式1所示，但電路的分布電容C難以測量。當(dāng)電路結(jié)構(gòu)不變的情況下分布電容不變，可以看做一個(gè)常數(shù)，則L與F²成反比例關(guān)系。振蕩頻率F可通過L-C選頻網(wǎng)絡(luò)和單片機(jī)的捕捉模式來測量。因此引入基準(zhǔn)電感L，通過加入待測電感Lx前后電路的振蕩頻率的比例關(guān)系計(jì)算待測電感感值，計(jì)算公式如式2所示。

（1）

（2）

2硬件電路

電感測量系統(tǒng)電路主要為振蕩電路和整形以及分頻電路三個(gè)部分，整體邏輯框圖如下：

2.1振蕩電路

自激振蕩的最初始來源是振蕩器在接通電源時(shí)存在不可避免的電沖擊及各種熱噪聲，在它們通過負(fù)載回路時(shí)，由諧振回路的性質(zhì)即只有頻率等于回路諧振頻率的分量可以產(chǎn)生較大的輸出電壓，而其他頻率不會(huì)產(chǎn)生壓降。諧振頻率分量的壓降通過反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生出較大的正反饋電壓，反饋電路又加到放大器進(jìn)行放大，反饋，不斷循環(huán)，隨著信號(hào)的不斷放大，放大器進(jìn)入非線性區(qū)，放大信號(hào)趨近穩(wěn)定。振蕩電路如圖1，R1，R4，R5起衰減及直流偏置的作用，R2為偏置作用，R3做高阻耦合器，R6為上拉電阻。電容選用獨(dú)石電容，精確度較高，L1為基準(zhǔn)電感，選取功率工字電感效果較好。

2.2整形電路

LM393振蕩產(chǎn)生的波形上升沿如果不夠垂直，經(jīng)分頻器后頻率會(huì)產(chǎn)生很大誤差，需要經(jīng)過整形電路使其更加逼近方波。一般選擇加一個(gè)比較電路，可得到完美方波，但是鑒于此表所用器件皆為共用單片機(jī)電源即5V電壓，所以可選擇“與非門”741s00來實(shí)現(xiàn)整形功能，741s00由四個(gè)與非門構(gòu)成，可選擇一個(gè)與非門的輸入和輸出，另一個(gè)輸入引腳懸空，當(dāng)做非門使用，由于測試頻率對(duì)齊正反向無要求，故此處非門可直接取代比較器，可實(shí)現(xiàn)整形。

這里需要注意一個(gè)問題，即振蕩波形經(jīng)過非門后會(huì)存在細(xì)微的延遲，對(duì)精度存在一定的影響，可通過如上圖的連接方式，形成并聯(lián)，能減少經(jīng)過非門造成的延遲對(duì)測量電感的精度造成的影響。

2.3分頻電路

由于89C52捕捉模式只能測量32K頻率，而當(dāng)測量電感較小時(shí)，震蕩頻率會(huì)很大，故必須采用分頻電路?？捎?41s163來完成此功能，將整形后的信號(hào)作CLK輸入，選取一個(gè)恰當(dāng)?shù)姆诸l系數(shù)輸出，選擇分頻系數(shù)過小則對(duì)測量量程提升較?。贿x擇分頻系數(shù)過大則導(dǎo)致捕捉的頻率誤差較大，經(jīng)過運(yùn)算放大誤差，對(duì)測量精度產(chǎn)生很大的影響，一般選取四分頻較好，殘留誤差可通過軟件部分解決。

3軟件設(shè)計(jì)

初始化即使單片機(jī)進(jìn)入捕捉模式測量頻率，捕捉模式的定時(shí)器初值需要通過信號(hào)發(fā)生器輸入波形來測試修改，使其顯示測試頻率與信號(hào)發(fā)生器顯示頻率相同即可，能有效減小誤差。先閉合圖1中開關(guān)S，測得頻率F并寫入程序中，同時(shí)顯示初始界面，然后斷開S接入待測電感，則可測得Fx，通過程序數(shù)據(jù)處理便可計(jì)算出待測電感感值，按下顯示按鍵，若為長按，則顯示測量出的Lx值。主程序流程圖如圖5所示。

為了取得更準(zhǔn)確的精度，程序中預(yù)設(shè)數(shù)組，存儲(chǔ)多次測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均再顯示，有效提高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。

4數(shù)據(jù)處理

閉合圖1中的S可測的F，然后斷開S便可測得加上待測電感后的頻率Fx，Lx可通過測量原理中式2關(guān)系得到。

單位的變換可通過預(yù)先計(jì)算得到分界值，然后顯示對(duì)應(yīng)的單位。若在部分量程誤差較大，可測得一定的數(shù)據(jù)加入校正的數(shù)據(jù)表，反復(fù)測量后可得到十分精確的數(shù)據(jù)表，當(dāng)測得在此表段范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)入查找表查找數(shù)據(jù)可以得到待測電感Lx的值。此外，對(duì)于基準(zhǔn)電感對(duì)整個(gè)電路起著至關(guān)重要的作用，從原理可知，在一定范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電感感值越小，測量小電感感值越精確，反之測量大電感越準(zhǔn)確，具體選擇可根據(jù)需求自定，也可根據(jù)運(yùn)放特性進(jìn)行運(yùn)算選擇一個(gè)最佳匹配感值。測量大電感時(shí)結(jié)果若有較大偏差，可通過測試部分?jǐn)?shù)據(jù)后利用MATLAB繪制偏差曲線及正確線性關(guān)系，求出校正系數(shù)加入式2，有效減少誤差。

5誤差校正及結(jié)果參照

按照本文的方法，測量1000μH以內(nèi)的電感時(shí)，測量誤差不到1%，在測量電感較大時(shí)誤差顯著增加，其原因是大電感時(shí)諧振頻率較低，其有載Q值低，選頻能力差，且捕捉模式頻率分辨有限，所以在測量大電感時(shí)可以選擇在圖1電路C2旁并聯(lián)一個(gè)適當(dāng)值的電容解決，或者可預(yù)先通過大量測試，得出后面的非線性系數(shù)，預(yù)先加入程序進(jìn)行修正，即上文提到的精確電路分布電容值。通過大量數(shù)據(jù)測試寫入數(shù)據(jù)表后，測量大電感時(shí)誤差可控制在2%以內(nèi)。部分測量結(jié)果如下：

6結(jié)語

本文通過自激振蕩方法實(shí)現(xiàn)了大量程的電感測量表，該方法是一種十分簡便且實(shí)用的低成本電感測量的方法，且測量過程迅速，結(jié)果準(zhǔn)確，讀者可根據(jù)需求自行選擇測量的精度及量程，且所用元器件均很常見，也說明此方法十分實(shí)用。