數字式電感電容測量儀的設計

摘 要：在測量電感電容值時，傳統的測量大都采用交流電橋法和諧振法。然而這些方法通常采用刻度讀數，讀數不夠直觀。著眼于對傳統測量方式的改進，基于LC振蕩電路原理，結合以AT89S51單片機為核心的頻率測量電路，設計一種數字式電感電容測量儀，給出詳細的電路原理和程序流程，對測量原理做了較詳細的闡述。基于LC振蕩電路原理測量LC是本設計的創新之處。

關鍵詞：電感電容；LC振蕩電路；AT89S51；頻率測量電路

中圖分類號：TP216文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)2202002

Design of Digital Inductance Capacitance Measuring Apparatus

HE Fuyun，LUO Xiaoshu

(Physics Electronic Engineering College，Guangxi Normal University，Guilin，541004，China)

Abstract：Measuring the value of the inductance capacitance in traditional measuring mostly utilizes AC bridge and resonance.But these methods often read the value by scale meter，so the display isn′t intuitive.Compared with the traditional method，the design of digital inductance capacitance measuring apparatus is based on the principle of LC oscillation circuit and the frequency measuring circuit which uses AT89S51 as the core.Detailed circuit principle and program diagram are given.The measuring principle is also expatiated in detail.The innovation of the design is measuring LC based on the principle of LC oscillation circuit.

Keywords：inductance capacitance;LC oscillation circuit;AT89S51;frequency measuring circuit

1 測量原理

整個測量儀原理框圖如圖1所示，其測量原理為。

圖1 測量儀原理框圖

LC振蕩電路不接入待測電感或電容，自由振蕩產生一頻率為F1的正弦波，由LC振蕩電路原理有：

該正弦波經分頻器100分頻后，變為一幅度為5 V的方波，該方波從單片機AT89S51的P3.4腳引入，由定時器T1產生200 μs的閘門時間，在定時器T1定時1 s期間內由計數器T0對外部脈沖進行計數，所獲得的計數值m即為被測脈沖信號的頻率。這時測得的頻率F1為后續的數據處理作準備。當AT89S51完成對自由振蕩期振蕩頻率F1的測量后，校準電容Cb自動接入LC振蕩電路，這時產生一新的振蕩頻率Fb。

當待測電感或電容通過選擇開關接入LC振蕩電路，振蕩頻率將會發生變化。如果一待測電感Lx接入電路，和已知電感值的L1是串聯的，因而電路中總的電感為L1+Lx，這導致振蕩頻率變為：

同理如果一待測電容Cx接入電路，但和已知電容值的C1是并聯的，因而電路中總的電感為C1+Cx，這導致振蕩頻率變為：

從上述關系可以看出，基準電容Cb的精確度是整個系統測量精確度的關鍵，因此Cb選用精度高的精密電容，從而整體上提高了整個測量儀的測量精確度。

2 電路的設計與實現

2.1 AT89S51單片機介紹

單片機是整個測量儀的核心。根據測量的要求和單片機的總體性能，如運算速度、抗干擾能力、I/O端口、中斷源、存貯容量、性價比等，采用性能優越的AT89S51作為處理器。AT89S51是一款低功耗，高性能的8位可在線編程的CMOS型單片機。它帶有4 kB可編程和擦除的讀寫存儲器，128 B RAM，4個8 b的并行I/O口，2個16 b定時器/計數器，6個中斷源，1個全雙工串行口。AT89S51的應用范圍廣，既可以用于簡單的測控系統，又可以用于復雜的邏輯控制，而且應用系統組成靈活、方便、性能穩定。圖2為AT89S51的引腳圖。

圖2 AT89S51引腳圖

2.2 100分頻電路

因為單片機所能測出的頻率有一定的上限值，而由LC振蕩電路振蕩出來的頻率為0.4~3 MHz，經100分頻后，變為頻率范圍為4~30 kHz，落在單片機所能測出頻率的范圍內。74HC390是二-五進制計數器，可以接成100進制的計數器。100分頻電路如圖3所示。

圖3 100分頻電路

2.3 LCD顯示電路

點陣字符型液晶顯示器專門用于顯示數字、字母、圖形符號及少量自定義符號的顯示器。這類顯示器把LCD控制器/點陣驅動器/字符存貯器全做在一塊印刷板。這里采用日立公司的HD44780液晶顯示模塊來顯示測量結果。HD44780具有簡單而功能較強的指令集，可實現字符移動/閃爍等功能。與MCU的傳輸可采用8位并行傳輸或4位并行傳輸2種方式。LCD顯示電路如圖4所示。

圖4 LCD顯示電路

2.4 LC振蕩電路

LC振蕩電路采用電容三點式的電容反饋式振蕩器。該振蕩電路的主要特點是容易起振、頻率穩定度高、頻帶寬。頻帶的寬窄，直接影響著所能測試的電感和電容的范圍。因此，如何盡最大可能擴大LC振蕩電路的工作頻帶，成為影響整個測量儀性能的關鍵因素之一。該電路原理如圖5所示。

圖5 LC振蕩電路

3 程序設計

由于采用單片機測量頻率和處理相關的運算，其涉及到浮點數的運算，如果采用匯編語言來編寫浮點數的運算，工作量將很繁重。因而選擇C51來編寫程序，使得浮點數運算的程序編寫量大大簡化。并且整個程序設計結構采用標準的函數模塊方式，使整個程序的結構清晰。整個測量程序的流程圖如圖6所示。

圖6 測量程序流程圖

4 結 語

該電感電容測試儀采用單片機智能控制，數字顯示、操作簡單、使用方便。其所能測量的電容，電感的范圍及測量精度，都能滿足一般應用場合的需要。

參考文獻

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作者簡介

何富運 男，1982年出生，廣西陸川人，碩士研究生。主要從事自動化測量與控制方面的研究。

羅曉曙 男，1961年出生，湖北應城人，教授，博士。