基于單片機的大量程電感表設計

蔣碧波　肖秋龍　張丹

摘要：本文設計了一款基于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的關系如式1所示，但電路的分布電容C難以測量。當電路結構不變的情況下分布電容不變，可以看做一個常數，則L與F²成反比例關系。振蕩頻率F可通過L-C選頻網絡和單片機的捕捉模式來測量。因此引入基準電感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，在它們通過負載回路時，由諧振回路的性質即只有頻率等于回路諧振頻率的分量可以產生較大的輸出電壓，而其他頻率不會產生壓降。諧振頻率分量的壓降通過反饋網絡產生出較大的正反饋電壓，反饋電路又加到放大器進行放大，反饋，不斷循環，隨著信號的不斷放大，放大器進入非線性區，放大信號趨近穩定。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為基準電感，選取功率工字電感效果較好。

2.2整形電路

LM393振蕩產生的波形上升沿如果不夠垂直，經分頻器后頻率會產生很大誤差，需要經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來實現整形功能，741s00由四個與非門構成，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，可實現整形。

這里需要注意一個問題，即振蕩波形經過非門后會存在細微的延遲，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，能減少經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，而當測量電感較小時，震蕩頻率會很大，故必須采用分頻電路。可用741s163來完成此功能，將整形后的信號作CLK輸入，選取一個恰當的分頻系數輸出，選擇分頻系數過小則對測量量程提升較小；選擇分頻系數過大則導致捕捉的頻率誤差較大，經過運算放大誤差，對測量精度產生很大的影響，一般選取四分頻較好，殘留誤差可通過軟件部分解決。

3軟件設計

初始化即使單片機進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生器輸入波形來測試修改，使其顯示測試頻率與信號發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，通過程序數據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。

為了取得更準確的精度，程序中預設數組，存儲多次測量的數據進行求平均再顯示，有效提高穩定性和準確度。

4數據處理

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關系得到。

單位的變換可通過預先計算得到分界值，然后顯示對應的單位。若在部分量程誤差較大，可測得一定的數據加入校正的數據表，反復測量后可得到十分精確的數據表，當測得在此表段范圍內時，進入查找表查找數據可以得到待測電感Lx的值。此外，對于基準電感對整個電路起著至關重要的作用，從原理可知，在一定范圍內，基準電感感值越小，測量小電感感值越精確，反之測量大電感越準確，具體選擇可根據需求自定，也可根據運放特性進行運算選擇一個最佳匹配感值。測量大電感時結果若有較大偏差，可通過測試部分數據后利用MATLAB繪制偏差曲線及正確線性關系，求出校正系數加入式2，有效減少誤差。

5誤差校正及結果參照

按照本文的方法，測量1000μH以內的電感時，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旁并聯一個適當值的電容解決，或者可預先通過大量測試，得出后面的非線性系數，預先加入程序進行修正，即上文提到的精確電路分布電容值。通過大量數據測試寫入數據表后，測量大電感時誤差可控制在2%以內。部分測量結果如下：

6結語

本文通過自激振蕩方法實現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，結果準確，讀者可根據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。