LC振蕩電路電容和電感的測量設(shè)計(jì)

文中針對電容和電感的測量，簡單介紹了關(guān)于LC振蕩電路測量電容和電感的設(shè)計(jì)原理。同時通過實(shí)驗(yàn)證明該方案能進(jìn)行高頻電感和電容的測量。測量的精度能達(dá)到應(yīng)有要求。

　　1 測量原理

　　采用LC振蕩器的振蕩原理，LC振蕩器選擇L或是C參數(shù)為固定值。通過LC的組合，振蕩器起振，當(dāng)測量電容時電感固定，測量電感時電容固定。通過LC振蕩器的頻率計(jì)算公式

　　其中，

　　，可以計(jì)算出待測的電容或電感數(shù)值。

　　2 電路工作原理

　　2.1 電路框圖設(shè)計(jì)

　　如圖1所示?？驁D包括輸入切換部分、振蕩部分、分頻部分、單片機(jī)部分、顯示部分和鍵盤部分。此系統(tǒng)由STC89C51單片機(jī)作為控制核心，輸入切換部分采用雙刀雙擲繼電器完成待測電容或電感的線路切換，振蕩電路工作在放大諧振狀態(tài)，頻率有高頻管9018的集電極輸出，由于頻率較高，所以需經(jīng)過信號分頻，再者由于輸出的電壓幅度大，此處無需再加一級驅(qū)動，以74LS393數(shù)字分頻芯片，把分頻端級聯(lián)實(shí)現(xiàn)100分頻，最終信號進(jìn)入單片機(jī)，由單片機(jī)計(jì)算出頻率，經(jīng)過算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)未知電容或電感參數(shù)的測定。圖1給出了系統(tǒng)的總體框架圖。

　　2.2 輸入切換電路

　　輸入切換電路使用雙刀雙擲繼電器實(shí)現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)電容和電感的輸入切換，當(dāng)連接上電容時系統(tǒng)通過繼電器K2，如圖2所示。連接單片機(jī)，K2的固定端直接連接單片機(jī)的引腳IO3和IO4，常開節(jié)點(diǎn)連接待測電容或電感的引腳兩端，并且初始設(shè)置兩個引腳一個為邏輯高電平5 V，一個為邏輯低電平0 V，當(dāng)給K2通電，固定端和常閉端連接，由于IO3和IO4分別為5 V和0 V。電容對直流是開路，所以IO3和IO4電平維持原來的狀態(tài)。若為電感，由于電感對直流相當(dāng)于導(dǎo)線，那么5 V的IO會被0 V的拉低。兩個IO都為0 V。由此得出沒有短路在一起時，單片機(jī)判斷為電容，從而選擇測量電容的方法，此時通過單片機(jī)對IO1腳的設(shè)置把另一個雙刀雙擲開關(guān)K1，開關(guān)撥到上，上為與電容C2并聯(lián)，如圖2所示。而短路在一起時，單片機(jī)判斷為電感，單片機(jī)選擇測量電感的方法，此時通過單片機(jī)對IO1腳的設(shè)置把另一個雙刀雙擲開關(guān)K1開關(guān)撥到下，即與電感L并聯(lián)。

　　2.3 振蕩電路原理

　　振蕩電路采用LC振蕩電路，振蕩的頻率由L和C確定。振蕩管采用9018，Rb1和Rb2為基極偏置，Rc為限流電阻，電容C1、C2和電感L構(gòu)成正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)，反饋信號取自電容C2兩端。該電路也稱為電容3點(diǎn)式振蕩電路。輸入信號和反饋信號同相。在測量過程中，當(dāng)測量電感時，輸入電路自動把待測電感Lx并聯(lián)到L的兩端。當(dāng)測量電容時，輸入電路自動把要測量的電容Cx并聯(lián)到C1的兩端。

　　2.4 分頻電路原理

　　分頻電路采用74LS393數(shù)字分頻芯片，分頻端級聯(lián)實(shí)現(xiàn)100分頻，高頻管9018的集電極輸出振蕩信號，之后把振蕩器輸出的信號100分頻，頻率將降到單片機(jī)測量的范圍之內(nèi)。2.5 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電容和電感的計(jì)算

　　當(dāng)把待測的電容或電感接入時，系統(tǒng)自動進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果確定算法。當(dāng)判斷到是電容時，系統(tǒng)計(jì)入電容的計(jì)算方式，電容的計(jì)算方式采用公式

　　根據(jù)測量得到頻率和已知的L和C2，從而計(jì)算出Cx的值。當(dāng)判斷為電感時，系統(tǒng)進(jìn)入電感的計(jì)算方式，電感的計(jì)算方式采用公式

　　根據(jù)測量到的頻率和已知的C1、C2、L計(jì)算出Lx的值。

　　3 算法設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)上電初始化并且清屏，單片機(jī)初始化完成后，進(jìn)入鍵盤掃描程序，當(dāng)要進(jìn)行電容或電感測量時，選擇測量按鍵，系統(tǒng)進(jìn)行自動判斷并進(jìn)行電容或電感的測量。當(dāng)判斷為電容時，系統(tǒng)選擇電容的計(jì)算方法。當(dāng)判斷為電感時，系統(tǒng)選擇電感的計(jì)算方法。計(jì)算完成后在液晶屏上顯示測量結(jié)果。下面是具體的程序流程圖，如圖3所示。

　　4 實(shí)際測量數(shù)據(jù)及其分析

　　4.1 提高測量精度的方法

　　采用該系統(tǒng)進(jìn)行電容和電感的測量，由于元器的熱穩(wěn)定性和外界對電路的干擾影響，測量的結(jié)果會有所跳動，是因?yàn)槿龢O管的結(jié)電容隨著溫度的變化而變化，從而影響測量結(jié)果，這也是電容三點(diǎn)式振蕩電路不穩(wěn)定的關(guān)鍵原因。基于以上原因，在測量過程中可以采用多次測量求平均值的方法提高測量精度。

　　4.2 實(shí)際測量

　　電路的固定參數(shù)如下：Rb1=10 kΩ，Rb2=10 kΩ，Rc=4 kΩ，Re=4.7 kΩ，Cb=1μF，Ce=0.1μF，選擇不同的電容分別測試3次，得到表1。選擇不同的電感分別測試3次，得到表2。由表得出測量值與標(biāo)稱值幾乎接近，表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的正確性，滿足一般的實(shí)驗(yàn)室和工程設(shè)計(jì)用到的電子元器件參數(shù)測試精度要求。

　　5 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)采用單片機(jī)和振蕩器起振的組合，計(jì)算電容和電感值。系統(tǒng)擁有比較智能的測量方法和簡易的操作方法。單片機(jī)進(jìn)行全自動的判斷和測量，通過單片機(jī)的IO口判斷來確認(rèn)所要測量的對象。然后進(jìn)行頻率的測量和測量結(jié)果的計(jì)算，最終計(jì)算出被測對象的真實(shí)值。該系統(tǒng)通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)際的測量，能準(zhǔn)確地測量電容和電感的數(shù)值，測量范圍為0.001～22μF和0.01～100 mH，測量精度在5%以內(nèi)。