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[導(dǎo)讀]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)計原理。同時通過實驗證明該方案能進行高頻電感和電容的測量。測量的精度能達到應(yīng)有要求。

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)計原理。同時通過實驗證明該方案能進行高頻電感和電容的測量。測量的精度能達到應(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振蕩器的頻率計算公式

其中,

可以計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

如圖1所示??驁D包括輸入切換部分、振蕩部分、分頻部分、單片機部分、顯示部分和鍵盤部分。此系統(tǒng)由STC89C51單片機作為控制核心,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)實現(xiàn)100分頻,最終信號進入單片機,由單片機計算出頻率,經(jīng)過算法設(shè)計,實現(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。

圖1 電路圖總體框圖設(shè)計

2.2 輸入切換電路

輸入切換電路使用雙刀雙擲繼電器實現(xiàn),主要負責(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,K2的固定端直接連接單片機的引腳IO3和IO4,常開節(jié)點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,單片機判斷為電容,從而選擇測量電容的方法,此時通過單片機對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,單片機判斷為電感,單片機選擇測量電感的方法,此時通過單片機對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,頻率將降到單片機測量的范圍之內(nèi)。

2.5 單片機實現(xiàn)電容和電感的計算

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

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

根據(jù)測量到的頻率和已知的C1、C2、L計算出Lx的值。

3 算法設(shè)計

系統(tǒng)上電初始化并且清屏,單片機初始化完成后,進入鍵盤掃描程序,當(dāng)要進行電容或電感測量時,選擇測量按鍵,系統(tǒng)進行自動判斷并進行電容或電感的測量。當(dāng)判斷為電容時,系統(tǒng)選擇電容的計算方法。當(dāng)判斷為電感時,系統(tǒng)選擇電感的計算方法。計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,是因為三極管的結(jié)電容隨著溫度的變化而變化,從而影響測量結(jié)果,這也是電容三點式振蕩電路不穩(wěn)定的關(guān)鍵原因?;谝陨显颍跍y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)計方案的正確性,滿足一般的實驗室和工程設(shè)計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)采用單片機和振蕩器起振的組合,計算電容和電感值。系統(tǒng)擁有比較智能的測量方法和簡易的操作方法。單片機進行全自動的判斷和測量,通過單片機的IO口判斷來確認所要測量的對象。然后進行頻率的測量和測量結(jié)果的計算,最終計算出被測對象的真實值。該系統(tǒng)通過相應(yīng)的實驗和實際的測量,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)。

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