簡易數字電感計

張德華, 傅曉程, 王 晗, 王建嘉

(浙江大學 電氣工程學院, 浙江 杭州 310027)

簡易數字電感計

張德華, 傅曉程, 王 晗, 王建嘉

(浙江大學 電氣工程學院, 浙江 杭州 310027)

設計并制作了一臺簡易數字電感計。硬件由電容三點式振蕩電路和整形電路構成,軟件用VHDL編寫,在Nesys3開發平臺上通過調試,并實現與硬件部分的對接。給出了設計過程,仿真和實測結果證明該方法避免了復雜的算術運算,在一定精度范圍內滿足小功率電感的測試需要。

電感測試； 電容三點式； FPGA； VHDL； Nexys3數字開發平臺

電感元件是電路基本元件之一,對其參數實現簡便精確的測量具有重要的意義[1]。目前眾多測量方案中,常見的測量方式有3類:一類是以構成RLC諧振回路實現測量[2-3],該方案在測量過程中需要調整諧振點,無法實現連續自動的參數測量；第二類是基于正弦波振蕩電路[4],以測量振蕩頻率求得電感參數,這類振蕩器振蕩頻率通常比較高,適合于小參數測量；第三類的測量對象是寄生電感,雜散電感等參數,這些參數的測量往往需要在特定的電路環境中尋求特殊的解決辦法[5-9]。這些方法的共同點是需要借助CPU實現算術運算[10]。本設計旨在為大二學生提供電子系統設計訓練的可選方案。這一時期的學生正在接觸電路和電子技術的理論知識,對可編程邏輯器件的應用已有初步認識,能夠設計一些簡單的邏輯功能電路,但對單片微機和DSP等的應用還不了解。因此測量方案的選擇應與所學知識緊密結合,盡量在邏輯電路的層面解決問題,避免復雜的數學運算。

1 設計要求

設計并制作一臺數字顯示的電感參數測試儀。

要求:

(1) 測量范圍1～10 mH；

(2) 測量精度±3%；

(3) 用4位LED數碼管顯示測量數值,單位mH。

2 方案介紹

所選擇的方案:利用電容三點式振蕩器(也叫考比茨振蕩器)產生正弦振蕩[11],測量振蕩頻率,根據振蕩頻率計算電感量。采用該方案的原因有二:

(1) 電容三點式振蕩器起振簡單,振蕩波形好,頻率高,適合小參數測量，并且在測量過程中不需要任何調整,能夠實現電感參數的自動測量；

(2) 經過硬件電路的參數配置,測量結果可以通過簡單的邏輯運算得到,只需要一片FPGA就可以實現設計要求中的全部功能。

2.1 硬件結構

測量電路如圖1所示,可分為兩級:第一級為電容三點式振蕩電路,正弦波從OUT1輸出。其中Q1、R1、R2構成振蕩電路的直流通路,用于建立合適的靜態工作點。Lx為待測電感,Lx和C1、C2構成電容三點式振蕩回路,振蕩頻率由下式決定：

(1)

第二級為整形電路,通過過零比較器將正弦波形轉換成同頻率方波,從OUT2輸出。為避免正弦波過零區的抖動對比較器造成誤觸發,可在比較器同相端和輸出間接入正反饋電阻,構成滯回比較器結構。R3為三態輸出比較器的上拉電阻,穩壓管DZ起輸出鉗位作用,限制方波幅度使其和FPGA邏輯電平匹配。

圖1 電感測量電路

2.2 軟件結構

軟件部分由VHDL實現并載入FPGA[12],功能有:

(1) 測量振蕩頻率。根據(1)式求得

(2)

為避免繁瑣的換算,最好能夠直接測量出Lx的值。如果采用測量頻率的方法,后期的計算處理很復雜。故本實驗中采用測周法比較合適。圖2為測周法結構框圖。

圖2 測周法結構框圖

用一個4位BCD計數器記錄第1次計數的結果N,并將N作為一個4位減法計數器的最大值,通過減法計數的方式,使得另一個 6位BCD計數器將第1次計數的結果N累加N次,當減法計數器減至零,6位BCD計數器記錄的數據就是T2。

(3) 電感量動態顯示。測量結果需要通過鎖存、譯碼、并進行位數選擇和小數點位置的控制才能正確顯示。根據Nexys3數字開發平臺提供的條件和學生已經掌握的數字邏輯知識,從優化綜合、節省芯片資源的角度出發,最終得到圖3所示的模塊化結構框圖。

圖3 電感測量顯示模塊化結構框圖

3 模塊介紹

3.1 1 000分頻

為了測量1～10 mH的電感,可選取電容量為2.533 nF,得到的振蕩頻率在31.6～100 kHz。為此將待測方波1 000分頻后作為閘門寬度對基準頻率計數。同時在閘門信號結束后產生鎖存和清零信號。

3.2 分頻器

Nexys3開發板自身晶振產生100 MHz的方波,需要進行分頻得到基準信號。本設計采用的基準信號頻率為10 kHz(周期為100 μs),1 000分頻和分頻器模塊通過“與”邏輯產生一定寬度的基準頻率。該模塊中另外產生200 Hz基準信號為動態掃描信號。

3.3 計數器(Ⅰ)

計數器(Ⅰ)為4位BCD加法計數器,負責對每一段閘門時間內的基準頻率CLK進行計數,該過程被重復執行N次。N為每一次的計數結果,在第1次計數完成后被鎖存于計數器(Ⅱ)中,每一次計數完成后計數器(Ⅰ)被清零并開始下一次計數。

3.4 計數器(Ⅱ)

計數器(Ⅱ)為4位BCD減法計數器,用于鎖存計數器(Ⅰ)的計數結果N并控制計數器(Ⅲ)的計數。每完成一次對N的累加,鎖存信號就控制計數器(Ⅱ)計數減1,直到減為0,此時計數器(Ⅰ)重復了N次計數,計數器(Ⅲ)中的累加值為N2。

3.5 計數器(Ⅲ)

計數器(Ⅲ)為6位BCD加法計數器,負責對基準頻率CLK不斷進行計數累加,當累加進行到N次時,將計數器(Ⅲ)的當前數據N2鎖存至BCD譯碼器。當累加結果溢出時給出溢出指示信號。

3.6 BCD譯碼器

Nexys3含有4個七段共陽極數碼管,所以選擇計數器(Ⅲ)數據的前四位進行顯示,小數點的位置用一個單獨位輸出控制。

3.7 動態輸出

動態輸出模塊為數碼管顯示控制模塊,Nexys3開發板需要通過動態掃描顯示,且選通端低電平有效。動態顯示的掃描時鐘從分頻器獲得,一般200 Hz左右就可以保持人眼的暫留。動態輸出以掃描時鐘提供的頻率依次輸出四位譯碼的結果。小數點的位置及其余數據與管腳設置與Nexys3開發板內部電路有關。

4 仿真和實驗結果分析

4.1 仿真和實驗結果

圖4為電感三點式振蕩電路輸出信號OUT1和整形電路的輸出波形OUT2。

圖4 圖1的振蕩電路和整形電路的輸出波形

將上述軟件和硬件設計通過建立仿真文件進行仿真,仿真結果和標稱值Lx對比見表1。圖5所示為實際測量結果圖片。

表1 仿真結果與實際值比較

從測量數據中可以看出,通過開發板自帶的方波進行測試誤差很小,符合設計要求。

4.2 測量誤差分析

測量結果的誤差主要由以下幾方面構成:

(1) 電容精度。從電感計算公式可知，電容精度是造成測量誤差的主要原因。為簡化邏輯運算,電容的數值有嚴格的規定,而電容參數的分散性較大,需要選擇穩定性好的鉭電容以及通過參數的嚴格選擇,才能盡量減小測量誤差。

(2) 電感量。運用測周法時,周期越長,閘門寬度越長,測量誤差越小。由于電感量和振蕩周期的平方成正比,因此,隨著電感量的增加,振蕩周期增大,測量誤差隨之減小。所以,在待測電感的范圍內,需要合理設計標準頻率,使測量范圍內閘門寬度變化不會使測量誤差高于設計指標。

(3) 計數器。在進行邏輯處理時,可能會造成計數值和實際值存在一個計數值的誤差,特別是當這個誤差在與邏輯時產生,會經過平方運算被放大。不過隨著電感值的增加,閘門信號的寬度增大,該誤差帶來的影響會減小。另外,由于10 mH時為臨界值,所以在顯示時有可能會由于軟件判斷的原因不能正常顯示,或者出現超量程顯示。

5 結束語

通過簡易數字電感計的設計和調試,學生可學習正弦波振蕩器和整形電路的結構和工作原理；練習Nexy3數字開發平臺的使用；練習用VHDL語言進行邏輯功能設計,調用計數模塊實現乘方的操作,掌握元件例化的構造方式；通過譯碼器的設計,掌握輸出顯示方式,初步了解人機交互；了解掃描選擇和動態輸出,可以較少的連線實現對多個數碼管的顯示控制。

該設計功能還可以進一步擴展和完善。例如擴大電感量的測量范圍,測量精度的校正功能等。在軟件設計中,還預留了若干變量用于進行量程擴展和顯示清零等附加功能,這些內容可以作為思考內容加入到實驗任務書中,便于實驗任務的興趣擴展。

圖5 測量結果

References)

[1] 辜明.測量標準電感器應注意的幾個問題[J].電子質量,2013(11):71-72.

[2] 孟為民.電路元件參數的諧振測量法[J].計量與測試技術,2013,40(10):44-45.

[3] 劉竹琴.基于RLC串聯諧振實現電感的測量[J].信息技術,2014(8):90-91,95.

[4] 李成武,劉成穎.永磁同步直線電動機電感測試方法[J].現代制造工程,2009(6):78-80.

[5] 王愛玲,秦曉明.基于LC諧振的疊層母排雜散電感測量新方法[J].電測與儀表,2014,51(16):85-88.

[6] 傅世強,李嬋娟,李小鳳.一種貼片電感電容測量新方法的研究[J].信息技術,2014(6):22-24.

[7] 姚小禹.基于單片機的高精度電阻電感電容測量儀器的設計[J].中國科技投資，2014(A18):233.

[8] 劉秉安.鐵氧體飽和電感量的測量[J].國外電子測量技術,2013,32(8):63-66.

[9] 曹艷玲,曹萍.基于穩態電壓方程的直交軸電感參數測量[J].電子世界,2014(15):41-42.

[10] 鄒宇漢.恒流源法電感測量系統設計[J].電子測試,2014(9):1-2.

[11] 高燕梅,付文秀.電容三點式振蕩電路的研究與SPICE仿真[J].吉林大學學報:信息科學版,2002,20(2):11-15.

[12] 李云松,宋銳,雷杰,等.Xilinx FPGA設計基礎[M].西安:西安電子科技大學出版社,2008.

Simple digital inductance meter

Zhang Dehua, Fu Xiaocheng, Wang Han, Wang Jianjia

(College of Electrical and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

A simple digital inductance meter is designed and fabricated.The hardware part consists of the capacitance three-point oscillation circuit and the shaping circuit.The software is compiled with VHDL,debugging through on Nesys3 development platform to realize the docking with the hardware part. The design process is given. The simulation and experimental results prove that this method can avoid the complicated arithmetic.This method can meet the need of the low power inductance test within a certain precision range.

inductance measurement; capacitance three-point oscillator; FPGA; VHDL; Nexys3 digital development platform

2015- 02- 01 修改日期：2015- 03- 26

張德華(1972—)，女，浙江杭州，博士，副教授，主要從事電子技術基礎理論和實驗教學和科研工作.

TM55-33;G642.0

A

1002-4956(2015)9- 0088- 04