雷冬閣,趙軍法,葉汝夏,周新光,張 博

(1.衢州學(xué)院 電氣工程及自動化學(xué)院，浙江 衢州 32400;2.浙江啟超電纜股份有限公司，浙江 衢州 32400)

一種高精度開關(guān)式電感測試儀的設(shè)計

雷冬閣1,趙軍法2,葉汝夏2,周新光2,張 博2

(1.衢州學(xué)院 電氣工程及自動化學(xué)院，浙江 衢州 32400;2.浙江啟超電纜股份有限公司，浙江 衢州 32400)

電感在現(xiàn)代電子電路中應(yīng)用廣泛，大量的存在于濾波、耦合、振蕩等電路中，因此如果可以準(zhǔn)確地測量電感的值具有重大的意義;現(xiàn)今，電感的測量大部分是用電橋法，高精度的電橋測試儀器是比較昂貴的;通過對電感的特點，以及現(xiàn)有的測量方式進行了研究，設(shè)計了一種高精度、低成本的電感測試儀;該儀器采用具有不同電流值的恒流源反復(fù)對電感進行正反向充電，然后根據(jù)檢測的不同電流值下的放電時間求取電感值取其平均值，最后得出待測的電感值;完成了恒流源充放電電路、電源電路、開關(guān)充放電電路、檢測電路以及控制電路的設(shè)計;該裝置的電感測量誤差在±5%以內(nèi)，具有靈敏度高，響應(yīng)速度快、成本低等特點，具有廣泛的應(yīng)用意義。

電感測試；開關(guān)式；恒流源電路

0 引言

電感器是一種將電能轉(zhuǎn)化為磁能的儲能元件，在電路的設(shè)計中實現(xiàn)振蕩、調(diào)諧、耦合、濾波、延遲、偏轉(zhuǎn)等元件之一[1-4]。在電路中主要起到濾波、振蕩、延遲、陷波等作用，還有篩選信號、過濾噪聲、穩(wěn)定電流及抑制電磁波干擾等作用[5-6]。電感最常見的應(yīng)用就是利用其“阻交流，通直流”特點組成LC濾波電路[7]。電感的應(yīng)用是十分廣泛，因此需要一種簡單經(jīng)濟的方法對電感進行測量。目前常用電感測量方法有傳統(tǒng)電橋法、諧振法[8-9]，數(shù)字智能測量方法電壓比例法、電感-頻率轉(zhuǎn)換法、電感-周期轉(zhuǎn)換法[10-11]。但是不管是傳統(tǒng)的方法，還是數(shù)字智能測量方法各有優(yōu)缺點。例如采用電橋法要反復(fù)調(diào)節(jié)橋臂的值，操作繁瑣。采用諧振法操作簡單但是的測量精度要低于電橋法。采用電壓比例法和電感-頻率轉(zhuǎn)換法由于未考慮電感的損耗電阻的影響，因此會影響測量精度[11-12]。電感-周期轉(zhuǎn)換法由于頻率穩(wěn)定性較差，并且未考慮損耗電阻的影響，從而影響測量精度[13]。

另外目前大部分的電感測量方法只能在正弦波激勵下測量感抗且只能測試電感為定值的線圈[14-15]，而無法對非正弦狀態(tài)下(也就是開關(guān)狀態(tài)下)的電感進行測量，而這種狀態(tài)下的電感是大量存在并應(yīng)用的，因此需要一種可以滿足這種需求的電感測試儀器，基于此設(shè)計了一種可以較好測量開關(guān)狀態(tài)下電感值得儀器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

該系統(tǒng)主要有STM32單片機作為控制中心的主控模塊，以及電源模塊、顯示模塊、按鍵電路、可調(diào)恒流源電路模塊、開關(guān)電路模塊、信號檢測轉(zhuǎn)換電路模塊、電感充放電電路組成。系統(tǒng)的基本框圖如圖1所示。在系統(tǒng)中控制核心采用STM32F103VCT6，其主要完成對信號檢測電路采集的數(shù)據(jù)進行計算求出電感值。顯示電路選用LCD12864來顯示測量結(jié)果的電感值。按鍵電路主要是為了在測量不同電感時對電感類型進行選擇?？烧{(diào)恒流源電路和開關(guān)電路是完成對電感充放電。信號檢測電路完成對電流放電的檢測。

圖1 系統(tǒng)基本框圖

圖2 開關(guān)充放電電路

系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示，系統(tǒng)的工作原理如下：系統(tǒng)工作時，當(dāng)電感插入測試端口時，電感測試儀開始工作。首先通過STM32控制可調(diào)恒流源輸出一個穩(wěn)定的100 mA的電流，然后通過STM32控制開關(guān)電路對電感進行正向充電，充電時間大于100 μs，通過查找資料發(fā)現(xiàn)對于大部分電感在充電大于100 μs時，其可以達到穩(wěn)定狀態(tài)。充電達到穩(wěn)定后，對電感進行放電，通過信號檢測電路測量其穩(wěn)定放電時間。根據(jù)測量時間，STM32單片機通過計算得出其電感值。完成正向充放電之后，STM32控制開關(guān)電路對電感進行反相充放電，反相充電同樣在100 μs時達到穩(wěn)定，記錄反相放電時間，計算出電感值。在完成100 mA正反相充放電之后，通過STM32控制恒流源改變恒流源的輸出，在設(shè)計過程選擇在100 mA的左右各取兩個值，對每一個電流等級重復(fù)前文100 mA時電感的測量過程，分別測量得出不同電流等級的電感值，然后對電感值運用插值法進行處理求得測量電感值，并在顯示器上進行顯示。此外本裝置還具有自主學(xué)習(xí)得能力，在電感的檢測的過程中如果面對未知類型的電感本裝置具有自主學(xué)習(xí)記憶功能，當(dāng)檢測的電感類型和已知電感的類型都不同的時候，裝置可以自動檢測并完成數(shù)據(jù)的擬合與處理，處理完成之后將數(shù)據(jù)關(guān)系進行記憶保存，在下次檢測同類型的電感只需調(diào)用原有的數(shù)據(jù)關(guān)系計算即可，節(jié)約了檢測時間，大大提高了電感測試儀的效率。

2 電路的設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計過程中，主要是完成對恒流源電路、開關(guān)電路、以及信號檢測電路的設(shè)計，其直接關(guān)系到電感測試儀的精度以及功能的實現(xiàn)。下面主要對這三個電路模塊進行介紹。

2.1 開關(guān)充放電

系統(tǒng)采用如圖2所示電路對電感進行充放電。開關(guān)充電電路有光耦、場效應(yīng)管等組成。開關(guān)充過放電的原理是：在電感的測量的過程中，恒流源會輸出一個設(shè)定的恒定的電流值。通過STM32控制光耦使得場效應(yīng)管1、4導(dǎo)通，2、3斷開，達到為電感正向充電的目的。電感完成充電之后，通過資料研究發(fā)現(xiàn)電感在100 μs內(nèi)可以達到充電飽和狀態(tài)，然后對電感進行放電放電時1斷開，4繼續(xù)導(dǎo)通，在放電的過程中檢測穩(wěn)定放電時間，然后根據(jù)公式:

計算出電感的值記為X1。在完成正向充放電之后對電感進行反相充電，反相充電時候1、4斷開，2、3閉合，達到反相充電的目的。反相充電完成之后，2斷開，3繼續(xù)導(dǎo)通。在放電的過程中檢測穩(wěn)定放電時間，根據(jù)公式計算出電感值記為X2。然后根據(jù)設(shè)定值改變恒流源的輸入電流，重復(fù)進行充放電操作，記錄不同電流等級下的電感值。將得到的電感值運用插值法分析求出實際的電感值。

2.2 恒流源電路

設(shè)計中電感值得測量是通過運用恒流源對電感的正反向的充放電完成的，因此恒流源對電感的測量具有重要的作用，恒流源的輸出穩(wěn)定與否決定了電感測試儀的測量精度的好壞。恒流源按照采用的原理和使用的元器件的不同，可以分為晶體管恒流源、場效應(yīng)管恒流源、集成電路式恒流源。通過對這幾種恒流源的設(shè)計電路和試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：晶體管恒流源由于電流控制過程中控制器件的性能不好，造成恒流源穩(wěn)定性比較差，精度不高。集成電路式恒流源往往電流的輸出幅值有缺陷，不能輸出大電流；對于場效應(yīng)管其作為電壓控制型器件，其輸入端的阻抗值很大，因此可以用作恒流源，但是其同樣具有缺點。因此本文采用集成電路芯片和場效應(yīng)管組合使用設(shè)計恒流源電路。恒流源電路如圖3所示。

圖3 恒流源電路

綜上可知恒流電路是電感測試儀系統(tǒng)是否滿足設(shè)計精度的關(guān)鍵，要求恒流源的電路輸出電流要保持穩(wěn)定，在圖3所示的恒流源電路中，考慮到器件對恒流源穩(wěn)定性的影響，恒流源電路采用了高精度的儀表放大器INA128和穩(wěn)定性好的線繞電阻。電路采用線性反饋調(diào)節(jié)電路使得恒流源的輸出穩(wěn)定，恒流源電路的最大標(biāo)準(zhǔn)差低于0.5 uV。如圖3所示恒流源電路有運算放大器OP07，儀表放大器INA128，場效應(yīng)管以及線繞電阻組成。在STM32軟件系統(tǒng)中已經(jīng)提前設(shè)置了五個不同的電流等級值，系統(tǒng)正常的工作過程中，STM32根據(jù)內(nèi)部設(shè)置的電感值的大小依次調(diào)節(jié)IN128的輸出電壓與運算放大器OP07配合使用使得場效應(yīng)管的輸出電流穩(wěn)定在設(shè)置值并對對電感進行充電。通過系統(tǒng)的控制可以保證在每個電流等級下都可以對電感進行正向和反向充電。這里設(shè)計不同的電流等級主要是為了提高電感的測試精度，減小誤差。

2.3 信號檢測電路

信號檢測電路主要是完成對電感放電是否完成進行檢測。在電感的放電期間，對開關(guān)電路中電感放電所經(jīng)過的二極管兩端的電壓模擬量進行檢測，并將模擬量轉(zhuǎn)換為STM32可以識別的電壓信號。信號檢測電路由信號放大和比較電路，以及信號選擇電路組成。信號檢測電路如圖4所示。

圖4 檢測電路

圖5 STM32控制電路和電源電路

信號檢測電路如圖4所示。首先由于二極管導(dǎo)通時候二極管兩端的電壓大小為0.26～0.3 V，對于STM32來說他僅能夠識別的是高低電壓，因此通過放大電路可以將二極管兩端電壓進行放大比較，最終將二極管的導(dǎo)通和截止信息轉(zhuǎn)化為STM32所能識別的高低電平信號。信號檢測電路通過兩路的與非門和比較電路檢測電感放電的時間，當(dāng)放電結(jié)束的時候由于二極管的存在使得電路截至，檢測電路會檢測到電平的變化據(jù)此可以得到電路放電結(jié)束的時間。定時器記錄放電結(jié)束時間以用于代入公式計算電感。

2.4 STM32控制電路和電源電路

控制電路的設(shè)計主要包括STM32的最小系統(tǒng)的設(shè)計，在設(shè)計的過程主要要考慮STM32 的穩(wěn)定工作以及對STM32 抗干擾性做一定的處理。電源電路在是為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電路，在這里設(shè)計的過程中考慮到信號檢測電路和STM32電路、恒流源電路工作電壓是不一樣，因此電源要具有不同工作等級電壓的輸出。另外在電路中要求恒流源的輸出保持穩(wěn)定、盡量不要波動。因此在設(shè)計的過程要求恒流源的輸入電源的文波要小，這里通過仿真對濾波電容進行合理的搭配以達到降低紋波的目的。STM32控制電路和電源電路如圖5所示。

2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，軟件子程序主要包括定時器中斷控制、外部輸入中斷控制、以及內(nèi)部ADC控制采樣程序。電感的測量過程中對電感正反向充電時間都在100 μs，這里采用定時器進行時間的設(shè)定。在放電完成之后通過外部中斷觸發(fā)內(nèi)部定時器定時結(jié)束記錄電感完成放電的時間。控制內(nèi)部ADC完成對電感兩端電壓的檢測。

3 試驗結(jié)果與分析

本設(shè)計在完成電路設(shè)計之后，先在仿真軟件上對部分電路進行仿真，仿真通過之后，在覆銅板上完成硬件電路的搭建，并對實驗結(jié)果進行記錄。數(shù)據(jù)見表1。在試驗的時候電感采用手工繞制，然后通過數(shù)字電橋測量其真值如下表第一行所示。第二行為開關(guān)電感式測量儀所測量出的數(shù)據(jù)。

對比表1可以發(fā)現(xiàn)，電感的測量值與真值之間存在有一定的誤差，通過上表分析可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)待測電感的值在15～70 mh范圍之內(nèi)，測量隨著待測電感值的增加，電感測試儀的精度也在提高；隨著待測電感值的減小，電感測試儀的精度降低。電感測試儀精度在15～40 mh內(nèi)雖然精度降低但是總體維持在±5%之內(nèi)；在40～70 mh范圍之內(nèi)，電感測試儀精度可以維持在±1%左右，可見此階段電感測試儀的精度最高。待測電感的值小于15 mh時，通過實驗中大量測試發(fā)現(xiàn)在此階段電感測試儀的精度已經(jīng)不滿足±5%的精度要求，由此可知此電感測試儀對小于15 mh電感的測量有明顯不足。待測電感的值大于70 mh的時，電感測試儀的測量精度會隨著電感值的增大而降

表1 實驗測試數(shù)據(jù)

低，但是通過實驗發(fā)現(xiàn)在100 mh左右時整體上測量精度可以保持在±5%之內(nèi)。在輸入待測電感值過大時已經(jīng)無法滿足設(shè)計的精度要求。

通過數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，電感測試儀的性能還有待進一步提高。分析誤差主要是有以下幾個方面的原因造成：1)首先軟件方面來說數(shù)據(jù)處理的算法有待進一步優(yōu)化，減小計算誤差；2)其次恒流源電路的穩(wěn)定性需要再次設(shè)計，在測量的過程不可避免的受到恒電源不穩(wěn)定波動的影響；3)另外由于設(shè)計中采用的是STM32自帶10位A/D的進行轉(zhuǎn)化，A/D的分辨率有待進一步提高，在改進方案中選擇專門的16位A/D進行轉(zhuǎn)換；4)最后考慮電路板和環(huán)境中干擾也會對結(jié)果造成一定的影響，需要考慮進行干擾屏蔽處理。

4 結(jié)論

通過實驗對比可以發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計完成了設(shè)計要求，實現(xiàn)了電感值的檢測的功能。通過本裝置可以實現(xiàn)對電感的測量，并且在電感值處于15～100 mh范圍之內(nèi)時，可以保證測量的精度保持在±5%之內(nèi)，并且在電感值處于40～70 mh范圍之內(nèi)，電感測試儀精度可以維持在±1%左右。通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)在電感值在一定的范圍之內(nèi)時，本裝置的測量精度是極高的。本裝置具有原理簡單，使用方便，性價比高的特點，在一定使用的條件下特別是在小電感的檢測領(lǐng)域內(nèi)本裝置可以廣泛使用，具有廣闊的應(yīng)用前景，對電感的測量具有重要的實際應(yīng)用意義。實際的使用過程中可以根據(jù)不同的電感類型通過按鍵選擇對應(yīng)的處理程序，實現(xiàn)對不同類型電感的測量。同時本裝置還運用學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)對未知類型的電感自主學(xué)習(xí)記憶，在以后的測量中如果遇到同種類型的電感可以節(jié)省測量時間。

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Design of a High Precision Switch-type Inductance Tester

Lei Dongge1,Zhao Junfa2,Ye Ruxia2,Zhou Xinguang2,Zhang Bo2

(1.College of Electrical Engineering and Automation, Quzhou University, Quzhou 324000, China;2.Zhejiang Qichao Cable Co., Ltd., Quzhou 324000,China)

Inductance is widely used in modern electronic circuits, and exists in a large number of circuits such as filtering, coupling and oscillation. Therefore, it is of great significance to accurately measure the resistance of inductance[1-2]. Today, the measurement of inductance is mostly measured by bridge method, high-precision bridge test equipment is more expensive. So this article designed a high-precision, low-cost inductor tester. The instrument uses different current value of the constant current source of the inductor for positive and negative charge, and then according to the detection of different current value of the discharge time to obtain the inductance value of its average, and finally get the measured inductance. Completes the design of constant current source charge and discharge circuit, power supply circuit, switch charge and discharge circuit, detection circuit and control circuit[3-4]. The inductance measurement error of the device is within ±5%, which has the characteristics of high sensitivity, fast corresponding speed and low cost, and has wide application significance.

inductance test; switch type; constant current source circuit

2017-05-14；

2017-06-07。

衢州市科技項目(2016D009)。

雷冬閣(1989-)，男，河南洛陽人，碩士研究生，主要從事弱信號檢測方向的研究。

1671-4598(2017)12-0298-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.077

TM910.6

A