基于STM32單片機的電感測量儀的研究及實現*

張清枝，李曉彥，宋科科

（新鄉學院機電工程學院，河南 新鄉 453003）

0 引 言

電感器（簡稱電感）性能的優劣在一定程度上決定了電路各項性能，因此在實際工作中對電感器的測量是非常重要的。目前電感的測量方法主要有電橋法、諧振法、三點式振蕩法等［1-2］。這些方法有各自的優缺點和適用范圍，例如：電橋法具有較高的測量精度，但需手動調節，很難實現快速、自動測量；諧振法對激勵信號的頻率要求較高測試時間也較長［3-4］。為取得較好的測試效果和較低的制作成本，本文提出采用暫態分析法測量電感的新方法。該方法將電感值測量轉換為動態時間的測量，并利用單片機完成，同時上位機用LabVIEW快速搭建，結合虛擬儀器技術，設計出一種電感測量儀，該儀器具有精度高、成本低，操作簡便等優點。

1 系統總體方案設計

圖1為系統結構圖，被測電感接入測量電路，和計算機按照規定連接好后，點擊測量按鈕，階躍信號發生電路輸出階躍信號，同時單片機開始計時，當系統檢測到結束條件時，單片機停止計時，由測量所得的時間和相關電壓計算出待測電感的電感值，并將測量結果發到上位機處理和顯示。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

2 電感測量原理

2.1 理論推導

圖2所示為一階RL系統，其中Ur為激勵信號，UL為輸出響應。設電路初態為零，即電感沒有儲能，將圖3所示的階躍信號作為其激勵信號。

圖2 一階RL系統簡圖Fig.2 First-order RL system diagram

圖3 理想階躍信號Fig.3 Ideal step signal

列出該電路的s域方程組：

解之得：

對式（2）兩邊取拉氏反變換，得到階躍信號作用下電感L兩端電壓隨時間的變化規律：

圖4 指數衰減函數曲線Fig.4 Exponential decay function curve

從圖4中可以看出，每一個時刻t都對應著唯一的電壓uL。若t1=τ，由公式（3）可得：

2.2 基礎電路及其工作原理

根據式（5）可知，只要知道電阻值R和時間t1就可以精確計算出電感的大小。由于電阻R的阻值可在電路設計、制作時預設，一般取20Ω左右，故只需測量時間t1即可。

電壓比較器是在檢測系統中應用非常廣泛的重要電路之一［6］。構成電壓比較器的運算放大器多工作于開環狀態或接入負反饋，不具備“虛短”特點，某時刻同相與反相兩輸入端誰的電位高，輸出就反映誰的特征［7］。本文以電壓比較器為核心所設計的基于暫態分析的電感測量電路如圖5所示。

圖5 電感測量電路Fig.5 Inductance measurement circuit

圖5所示的電阻R20和電感L1串聯，構成了一階RL系統。P0.0通過限流電阻與單片機相連接，三極管Q1起開關作用，其開關動作受單片機的控制，當P0.0為低電平時，三極管Q1關斷，運算放大器同相端電壓為0 V，當P0.0為高電平時，三極管Q1導通，運算放大器同相端電壓為5 V，即運放同相端近似地輸入一個幅值為5 V的階躍信號。

可調電阻R16起分壓作用，將運算放大器反相端電壓設定為ur×e-1，即1.809 V。由于運算放大器工作于開環狀態，所以在階躍信號作用下，當圖4所示的零時刻到來，運算放大器輸出高電平；當時間推移到t1時刻運算放大器輸出低電平。運算放大器輸出端與單片機的IO口連接。

綜上所述在單片機控制下，零時刻三極管Q1產生一階躍信號，運算放大器輸出高電平，單片機開始計時，當單片機檢測運算放大器輸出端電平變為低時，單片機停止計時，得到t1的數值，根據式（5）準確計算出電感的大小。

3 系統的軟件設計

3.1 上位機設計

考慮到上位機軟件開發的周期、成本、穩定性等，本上位機軟件系統使用虛擬儀器開發平臺Lab-VIEW。該軟件因其直觀、簡單的編程方式，強大的后續數據處理能力，以及與各種軟硬件的便捷連接方法，受到了廣大實驗室技術人員和硬件工程師的歡迎，在測控應用領域得到了普遍的應用［8-10］。

本測控軟件通過串口通信與單片機進行信息交流，捕捉用戶測量意圖，控制下位機系統的狀態，實時讀取電感測量電路采集的數據，并做適當處理，最終不僅將電感的大小顯示到屏幕上，而且還將每次測試結果自動記錄在預先設定好路徑的Excel文件中。設計好的上位機程序前面板如圖6所示。

3.2 下位機軟件設計

下位機軟件的任務是接收來自上位機的指令，控制圖5所示的電感測量電路的狀態，采集時間數據，適當處理后發送給上位機。下位機軟件程序框圖如圖7所示。下位機軟件運行于STM32單片機上，其采用 ARM Cortex-M0內核，運行頻率達 48 MHz，非常有利于采集微小的時間信號。

4 誤差分析

誤差是電子測量中一個非常重要的指標，因此應了解可能造成誤差的原因，并采取相應措施以減少誤差。一般來說電感測量的誤差主要分為系統誤差和隨機誤差［11-12］，其中隨機誤差是引起引起電感測量誤差的主要原因，而電感的儲能、自阻，計時誤差等則是隨機誤差產生的主要因素。一般來講測量前泄放電感的儲能則可以大大降低電感儲能的影響；電感自阻的影響一則比較小，另外也可以通過程序的調試予以一定的抵消，故在硬件設計時不做特別處理；電源質量、元器件參數以及單片機程序和晶振在很大程度上決定了計時誤差。故在綜合考慮電路結構的前提下，本測量儀采用鋰電池供電、高精度低溫漂電阻、高精度低溫漂有源晶振和TL081運算放大器。由于TL081具有上升時間短（0.05μs）、輸入電阻大（1012Ω）等特點，大大減少了運放對RL系統的干擾，提高了測量精度。

圖6 上位機程序前面板Fig.6 Front panel of PC program

圖7 下位機程序框圖Fig.7 Block diagram of lower computer program

為分析本電感測量儀的測量效果，選擇若干電感值為100μH的電感進行測量，測量數據如表1所示。表1中實際值是利用某廠生產的YY2810 LRC數字電橋所測的同批電感值。由表1可知此時誤差在±9.8%以內。考慮到前期設計時已采取多種措施以減少測量誤差，故在兼顧成本與測量精度的前提下，選擇試湊的方法來抵消誤差，即取100μH標準電感進行校準，反復修改、調試下位機程序，通過軟件程序的微調達到減小誤差的目的。校正后的測量數據如表1所示。由表1可知校正后的誤差在±0.6%以內，比校正前大大較低。

表1 校正前后電感測量值與相對誤差Tab.1 Inductance measurement values and relative error before and after correction

5 結束語

為使該測量儀在較大測量范圍內有較高的測量精度，分別取 68μH，100μH，220μH，330μH，470 μH標準電感，進行多次校準。取標稱值為33μH～470μH電感若干進行對比測量，測量數據如表2所示。

表2 33μH～470μH電感測量值與相對誤差Tab.2 Inductance measurement values and relative error of 33μH ～470μH

表2中實際值是利用國內某廠生產的YY2810 LRC數字電橋所測的同批電感值。由表2可知，該測量儀對于33μH～470μH的電感測量誤差在±2%以內，不僅能夠滿足工程實踐的需要，更由于其能夠自動記錄多次測量數據并生成相應的曲線圖，大大減輕了科研人員的工作量。作為一種操作方便、數據顯示清晰的簡單電感測量手段，具有較強的實用價值。若要進一步擴大該測量儀的測量范圍、提高其測量精度，則需要多選取一些不同電感值標準電感進行校準；此外，該電路只要稍加改動便能實現電容或電阻的測量，即將一階RL電路改為一階RC電路或將一階RL電路中的電感和電阻互換即可。經將近一年的實驗室試用證明該測量儀性能穩定，具備一定的推廣價值。