蔣碧波　肖秋龍　張丹

摘要：本文設(shè)計了一款基于89C52單片機的大量程電感表，利用單片機計算處理功能，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，同時具有價格低廉的特點。

關(guān)鍵詞：電感表；大量程；單片機

1測量原理

測量電感時，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)系計算待測電感感值，計算公式如式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，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)，隨著信號的不斷放大，放大器進(jìn)入非線性區(qū)，放大信號趨近穩(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電源即5V電壓，所以可選擇“與非門”741s00來實現(xiàn)整形功能，741s00由四個與非門構(gòu)成，可選擇一個與非門的輸入和輸出，另一個輸入引腳懸空，當(dāng)做非門使用，由于測試頻率對齊正反向無要求，故此處非門可直接取代比較器，可實現(xiàn)整形。

這里需要注意一個問題，即振蕩波形經(jīng)過非門后會存在細(xì)微的延遲，對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，震蕩頻率會很大，故必須采用分頻電路?？捎?41s163來完成此功能，將整形后的信號作CLK輸入，選取一個恰當(dāng)?shù)姆诸l系數(shù)輸出，選擇分頻系數(shù)過小則對測量量程提升較小；選擇分頻系數(shù)過大則導(dǎo)致捕捉的頻率誤差較大，經(jīng)過運算放大誤差，對測量精度產(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

初始化即使單片機進(jìn)入捕捉模式測量頻率，捕捉模式的定時器初值需要通過信號發(fā)生器輸入波形來測試修改，使其顯示測試頻率與信號發(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)先計算得到分界值，然后顯示對應(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，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，對于基準(zhǔn)電感對整個電路起著至關(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)運放特性進(jìn)行運算選擇一個最佳匹配感值。測量大電感時結(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，測量誤差不到1%，在測量電感較大時誤差顯著增加，其原因是大電感時諧振頻率較低，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可以選擇在圖1電路C2旁并聯(lián)一個適當(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現(xiàn)了大量程的電感測量表，該方法是一種十分簡便且實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用。