LC振蕩電路電容和電感的測(cè)量設(shè)計(jì)

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

1 測(cè)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(guò)LC的組合，振蕩器起振，當(dāng)測(cè)量電容時(shí)電感固定，測(cè)量電感時(shí)電容固定。通過(guò)LC振蕩器的頻率計(jì)算公式

其中，

可以計(jì)算出待測(cè)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(cè)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(guò)信號(hào)分頻，再者由于輸出的電壓幅度大，此處無(wú)需再加一級(jí)驅(qū)動(dòng)，以74LS393數(shù)字分頻芯片，把分頻端級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)100分頻，最終信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，由單片機(jī)計(jì)算出頻率，經(jīng)過(guò)算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)未知電容或電感參數(shù)的測(cè)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(jì)

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(shí)系統(tǒng)通過(guò)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(kāi)節(jié)點(diǎn)連接待測(cè)電容或電感的引腳兩端，并且初始設(shè)置兩個(gè)引腳一個(gè)為邏輯高電平5 V，一個(gè)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(duì)直流是開(kāi)路，所以IO3和IO4電平維持原來(lái)的狀態(tài)。若為電感，由于電感對(duì)直流相當(dāng)于導(dǎo)線，那么5 V的IO會(huì)被0 V的拉低。兩個(gè)IO都為0 V。由此得出沒(méi)有短路在一起時(shí)，單片機(jī)判斷為電容，從而選擇測(cè)量電容的方法，此時(shí)通過(guò)單片機(jī)對(duì)IO1腳的設(shè)置把另一個(gè)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)K1，開(kāi)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(shí)，單片機(jī)判斷為電感，單片機(jī)選擇測(cè)量電感的方法，此時(shí)通過(guò)單片機(jī)對(duì)IO1腳的設(shè)置把另一個(gè)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)K1開(kāi)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(hào)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(hào)和反饋信號(hào)同相。在測(cè)量過(guò)程中，當(dāng)測(cè)量電感時(shí)，輸入電路自動(dòng)把待測(cè)電感Lx并聯(lián)到L的兩端。當(dāng)測(cè)量電容時(shí)，輸入電路自動(dòng)把要測(cè)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(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)100分頻，高頻管9018的集電極輸出振蕩信號(hào)，之后把振蕩器輸出的信號(hào)100分頻，頻率將降到單片機(jī)測(cè)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(cè)的電容或電感接入時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)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(shí)，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(cè)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(shí)，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(cè)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(cè)量時(shí)，選擇測(cè)量按鍵，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)判斷并進(jìn)行電容或電感的測(cè)量。當(dāng)判斷為電容時(shí)，系統(tǒng)選擇電容的計(jì)算方法。當(dāng)判斷為電感時(shí)，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(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)及其分析

4.1 提高測(cè)量精度的方法

采用該系統(tǒng)進(jìn)行電容和電感的測(cè)量，由于元器的熱穩(wěn)定性和外界對(duì)電路的干擾影響，測(cè)量的結(jié)果會(huì)有所跳動(dòng)，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(cè)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?；谝陨显?，在測(cè)量過(guò)程中可以采用多次測(cè)量求平均值的方法提高測(cè)量精度。

4.2 實(shí)際測(cè)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(cè)試3次，得到表1。選擇不同的電感分別測(cè)試3次，得到表2。由表得出測(cè)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(cè)試精度要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(cè)量方法和簡(jiǎn)易的操作方法。單片機(jī)進(jìn)行全自動(dòng)的判斷和測(cè)量，通過(guò)單片機(jī)的IO口判斷來(lái)確認(rèn)所要測(cè)量的對(duì)象。然后進(jìn)行頻率的測(cè)量和測(cè)量結(jié)果的計(jì)算，最終計(jì)算出被測(cè)對(duì)象的真實(shí)值。該系統(tǒng)通過(guò)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)際的測(cè)量，能準(zhǔn)確地測(cè)量電容和電感的數(shù)值，測(cè)量范圍為0.001～22μF和0.01～100 mH，測(cè)量精度在5%以內(nèi)。