測量電感與高頻電壓方法的研究

張葉

摘 要：由于當(dāng)前所采用的電感與高頻電壓的測量儀器，其結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜，并且精確度也無法達(dá)到實際要求，本研究將單片機(jī)與轉(zhuǎn)換電路聯(lián)合運用提出一種設(shè)計方案。將電感與高頻電壓經(jīng)由系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為頻率，再以改進(jìn)之后的算法對其頻率進(jìn)行測量，再結(jié)合所測得的結(jié)果進(jìn)行電路轉(zhuǎn)換和頻率大小傳遞關(guān)系的求解，即可獲得電感與高頻電壓的測定結(jié)果。

關(guān)鍵詞：測量；電感；高頻電壓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.240

1 設(shè)計方案

1.1 測量電感振蕩電路的設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)框圖1來看，測量電感中所運用的振蕩電路主要運用了放大的電路，其分別由C1、C2以及UPC1688組合成，同時選頻正反饋電路，其主要由R，C，L組合而成。振蕩器要穩(wěn)定其主要條件為環(huán)路的增益均統(tǒng)一，同時環(huán)路相應(yīng)位的和能夠為零[1]。由于電感測量的誤差以及相位之后為零時，這與其穩(wěn)定條件密切相關(guān)，故這里就對其相應(yīng)位和為零做出分析。將放大器的相移角度設(shè)為，而將選頻正饋電路相移角度設(shè)置為。

（1）

+=0 （2）

若選頻網(wǎng)絡(luò)與上述公式（1）相符合時，其相移則為零（=0）即表示測量非常的精確。但因放大器的相移角度，故，振蕩器因此產(chǎn)生的信號的頻率也就無法設(shè)定為f，測量過程中也會存在各種誤差。為此，從選頻正反饋電路來實現(xiàn)對相移角度的計算：

（3）

根據(jù)公式1與公式3即可獲得：

（4）

令，并將w作為變量，并根據(jù)公式4解得：

（5）

由于，同時當(dāng)k=0時，。而可作為以及C的諧振頻率。為此，在進(jìn)行電路設(shè)計過程中，應(yīng)將電阻R盡量的加大，確保振蕩器所輸出的信號，其頻率能夠與以及C的諧振頻率相一致，從而更好的保證其精度，但因電阻R過大極易引起振蕩器環(huán)路增益過低，故建議將R保持在1KΩ為宜。

1.2 高頻電壓和頻率間關(guān)系的獲取

在對高頻電壓進(jìn)行測量時，主要是將高頻電壓轉(zhuǎn)換為檢波電壓，再將檢波電壓轉(zhuǎn)換為頻率，即。基于軟件的基礎(chǔ)上，首先完成三個量的映射表格，再通過單片機(jī)結(jié)合測量和表格完成頻率F查表并因此獲得，結(jié)合所能夠獲得的查表即可獲得，當(dāng)數(shù)據(jù)并不在一個表格內(nèi)時，即可通過周圍兩個點來取直線方程，通過直代曲解出相應(yīng)的數(shù)據(jù)[2]。檢測電壓以及頻率F之間的關(guān)系時，則可通過實際測量的方式對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的記錄，并將其寫入到單片機(jī)中。因的映射表格要進(jìn)行實測難度較大，但通過仿真的方式卻極易獲取[3]。通過電路仿真軟件來進(jìn)行電路的繪制設(shè)計，通過仿真軟件中的信號源輸入即可獲得不同的信號以及采用仿真軟件電壓表來讀取相應(yīng)的電壓，并完成映射表格的建立。

1.3 頻率測量算法的改進(jìn)

單片機(jī)主要經(jīng)由時間內(nèi)的外部脈沖個數(shù)和測量時間來實現(xiàn)頻率的測量。若假設(shè)晶振在進(jìn)行分頻之后，其內(nèi)部的脈沖個數(shù)為，其周期則設(shè)為；另將外部的脈沖個數(shù)設(shè)定為，周期設(shè)定為，其頻率為。詳見圖2。

根據(jù)頻率測量原理，通過公式即可獲得，通過等價變換即可獲得。但由于計數(shù)器只能夠?qū)φ麄€脈沖個數(shù)（）來進(jìn)行有效識別，而不是在相同的時間點在開始以及結(jié)束時，來進(jìn)行脈沖個數(shù)（）的實際測量；使得等式并不呈現(xiàn)為絕對的對等，避免誤差的出現(xiàn)。誤差的大小通常表現(xiàn)出以下幾種規(guī)律：當(dāng)將所表示的脈沖作為開始以及結(jié)束計數(shù)的觸發(fā)信號，即可獲得不等式，而其中最大的誤差為；若將所表示的脈沖作為觸發(fā)的信號，那么可獲得這樣的不等式，即為等式的最大誤差，為此，要實現(xiàn)對誤差的減小，關(guān)鍵在于將小頻率、大周期作為脈沖的觸發(fā)信號。通常單片機(jī)的時鐘往往來源于1MHz的信號，其相較于單片機(jī)的外部輸入信號頻率較高，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對頻率計準(zhǔn)確度的提升，故應(yīng)當(dāng)采用外部脈沖來作為觸發(fā)信號。而在對外部脈沖個數(shù)確定的情況下，通過內(nèi)部計數(shù)器來實現(xiàn)對時間的記錄。此外，若外部脈沖頻率比內(nèi)部時鐘頻率低時，那么時鐘的頻率越高其所測得的結(jié)果也就越準(zhǔn)確。

在外部脈沖周期的變化相對較大的情況下，則建議以外部脈沖的個數(shù)來對測量時間進(jìn)行確定，其會造成測量時間出現(xiàn)明顯的長短不一，甚至在測量時會表現(xiàn)出明顯的測量時間過長的情況[4]。而通過內(nèi)部時鐘來進(jìn)行時間的測量時，測量的時間則相對較為一定，但內(nèi)部時鐘的頻率較高時，其精度卻會出現(xiàn)明顯下降。通過軟件算法即可將上述兩種方法的優(yōu)點進(jìn)行結(jié)合，其算法為：（1）其定時器的啟動方式主要為T0方式三；（2）首先運用外部脈沖信號來實現(xiàn)對中斷的引發(fā)，在中斷內(nèi)即可對外部計數(shù)器以及內(nèi)部計時器的游俠有效啟動；（3）對內(nèi)部計時器的檢測，了解其是否能夠達(dá)到規(guī)定測量時間，若能夠到達(dá)發(fā)信號到外部計數(shù)器中斷內(nèi)；（4）外部計數(shù)器在出現(xiàn)中斷時，其會將內(nèi)部計時器以及外部脈沖計數(shù)器同時關(guān)閉；（5）在獲得內(nèi)部與外部的脈沖個數(shù)（）后，即可對頻率進(jìn)行計算獲得。這樣測量時間長度確定，并且由外部脈沖決定計數(shù)的開始點和結(jié)束點。

2 實驗結(jié)果

運用制作成功的電感儀對色環(huán)電感進(jìn)行測量，結(jié)果見表1，其誤差為±（2%+8），并且無法應(yīng)用于電感1μH以下的測量。通過本文研究所提出的電感儀測量方法，其誤差控制在了2%以內(nèi)，測量nH級別的電感即可得到有效測量。

采用制作成功的高頻電壓表對正弦信號源電壓所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，另采用示波器對其電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，見表2，通常情況下，高頻電壓表的電路結(jié)構(gòu)相對來說非常的復(fù)雜，需要運用非線性來實現(xiàn)電路的變換，或者運用多個運放以及AD。本文所采取的方法能夠?qū)崿F(xiàn)對非線性檢波問題的有效解決，并以幅頻變換來實現(xiàn)對AD的更換，另通過變?nèi)荻O管即可對電壓變化進(jìn)行感應(yīng)，此時即可獲得高輸入阻抗，同時其電路也相對更為簡單。

3 結(jié)語

在測量的過程中，其可使無法直接測得的量，經(jīng)由電路轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蜻M(jìn)行直接測量的量，再通過電路變換以及測量即可實現(xiàn)對電路傳遞關(guān)系的逆向處理，即可獲得無法直接測得的量。其中重點在于對變換電路的傳遞關(guān)系。無論是對實際變換電路進(jìn)行改進(jìn)，使其的精確度與傳遞關(guān)系更加相符合，亦或是在實際測量的過程中，對電路進(jìn)行變換，從而更為詳細(xì)地獲得精確的傳遞關(guān)系，總而言之，通過對傳遞關(guān)系進(jìn)行求解的方式，其能夠獲得與實際變換電路傳遞關(guān)系相一致的測得結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

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[4]辛苗，歐陽斌林，果莉等.充電電流對測量電感值的影響[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2012（12）：73-76，85.