甕嘉民,蔣 威,陳孝宗

(河南工程學(xué)院電氣信息工程學(xué)院,鄭州 451191)

電感電容頻率一體化簡易測量儀設(shè)計*

甕嘉民*,蔣 威,陳孝宗

(河南工程學(xué)院電氣信息工程學(xué)院,鄭州 451191)

針對電感、電容、頻率測量儀器存在儀器類型繁多和操作復(fù)雜的問題,提出了電感電容頻率一體化簡易測量儀的設(shè)計方案,其中小電容、電感和頻率測量通過LC振蕩器計數(shù)測量,電解電容通過RC充放電和比較電路進(jìn)行測量。電感測量范圍:0.1 μH～1 H,精度5%;小非電解電容測量范圍:1 pF～2.2 μF,精度5%;頻率測量范圍:50 Hz～400 kHz,絕對誤差小于3 Hz;電解電容測量范圍:0.5 μF～12 000 μF,精度5%。經(jīng)實(shí)踐證明,測量儀工作穩(wěn)定可靠,能夠滿足大多數(shù)測量場合的需求。

電感電容頻率;一體化測量儀;LC振蕩器;充放電;比較器

常見電容測量一般有兩種方式實(shí)現(xiàn),可以利用多諧振蕩裝置產(chǎn)生脈沖寬度與電容值成正比信號,通過低通濾波后測量輸出電壓實(shí)現(xiàn);也可以利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)裝置產(chǎn)生與電容值成正比門脈沖來控制通過計數(shù)器的標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)脈沖的通斷,即直接根據(jù)充放電時間判斷電容值[1-2]。

微小電容的測量常見方法有:電荷充放電法、交流電壓源激勵法、基于參比電容和鎖定(相)放大技術(shù)[3]、交流不平衡電橋和二極管環(huán)形檢波[4]、積分法[5]。

文獻(xiàn)[6]提出了一種量程為1 pF～1 000 μF的寬量程全自動電容測量儀。文獻(xiàn)[7]利用LC振蕩電路原理實(shí)現(xiàn)了電感和電容的同時測量。文獻(xiàn)[8-12]利用經(jīng)典的伏安法,設(shè)計了電感、電感電容、電阻電感電容測試儀。文獻(xiàn)[13-14]采用交流電橋法設(shè)計了電感測試儀。同樣頻率的測量方法和設(shè)備也很多。

綜上所述,電容、電感和頻率的測量有多種測量方法和儀器,因此設(shè)計一款電感電容頻率一體化的測量儀很有必要性。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

圖1 系統(tǒng)方案框圖

整個系統(tǒng)方案框圖如圖1所示,由6個模塊電路組成:(1)按鍵;(2)LCD1602顯示;(3)單片機(jī)最小系統(tǒng);(4)小電容電感頻率測量;(5)電解電容測量電;(6)電源。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 按鍵電路

如圖2所示,Btn2 為校準(zhǔn)按鈕,在測量小電容時可以隨時按下清零顯示;Btn3 為功能切換按鈕,用來在測量LCF(頻率、小電容、電感)和測量電解電容之間切換。

圖2 按鍵電路

2.2 LCD1602顯示電路

顯示電路如圖3所示。液晶寄存器選擇RS、讀寫使能RW和液晶顯示使能EN分別與單片機(jī)的P1.0～P1.2相連,8位數(shù)據(jù)端口連接到單片機(jī)的P0口。RV1調(diào)節(jié)LCD的背光。

圖3 LCD1602顯示電路

2.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、時鐘電路和復(fù)位電路,如圖4所示。

圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖

圖5 小電容電感頻率測量電路

2.4 小電容電感頻率測量電路

小電容電感頻率測量電路如圖5所示,測量通過雙刀雙擲自鎖按鍵S1與S2進(jìn)行選擇控制;當(dāng)S1彈起、S2彈起和Btn3有效時,測量小電容;當(dāng)S1按下、S2彈起和Btn3有效時,測量電感;當(dāng)S1無論彈起或按下、S2按下,Btn3有效時,進(jìn)行頻率測量。

雙刀雙擲自鎖按鍵的工作原理示意圖,如圖6所示。按鍵彈起時,5腳與6腳導(dǎo)通,2腳與1腳導(dǎo)通;按鍵按下時,5腳與4腳導(dǎo)通,2腳與3腳導(dǎo)通。

圖6 雙刀雙擲自鎖按鍵的工作原理

小電容和電感的測量原理:由LM393組成的LC振蕩器,輸出頻率為F1的周期信號到單片機(jī)的計數(shù)器T1進(jìn)行計數(shù),并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電容C1計算出電感L1的值,計算公式為式(1)。

L1=1/(4π2F21C1)

(1)

電容Cx和電感Lx的值,分別用式(2)和式(3)計算。

(2)

(3)

式中:F1為固有頻率,F2為接入測試電容和電感后的頻率。

2.5 電解電容測量電路

電解電容的測量采用RC電路的充電時間常數(shù)進(jìn)行計算,即τ=R·C,單位為s。

電解電容充電過程如圖7所示。充電電壓Uc按指數(shù)規(guī)律上升,當(dāng)t=τ時,Uc=0.632E(E為電源電壓)。通過測量Uc=0～0.632E 這段時間,利用式(4)計算被測電容值。

C=τ/R

(4)

圖7 電解電容充電過程

圖8 電解電容測量電路

電路如圖8所示,設(shè)置比較器U1B正輸入端Uc=0.632E(調(diào)節(jié)Ref 獲得),反向輸入端接被測電容CEx,當(dāng)單片機(jī)的P15引腳為低電平時,電容放電。當(dāng)P15為高電平時,電容充電;當(dāng)充電到Uc時,比較器翻轉(zhuǎn),觸發(fā)單片機(jī)外部中斷INT0,通過測得的充電時間常數(shù)τ和充電電阻R的大小利用式(4)計算出被測電容大小。S3按下,R=R15;S3彈起,R=R7。

2.6 電源電路

電源電路如圖9所示,直流12 V經(jīng)3端穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓后,輸出直流5 V,供整個系統(tǒng)使用,其中二極管D防止電源接反。

圖9 電源電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、鍵掃描、讀取測量的標(biāo)志清屏,然后根據(jù)測量標(biāo)志,進(jìn)行不同的測量、計算和顯示,如圖10所示。共有5種測量模式,分別是小電容測量(無極性)、電感測量、頻率測量、小電解電容測量和大電解電容測量。

圖10 主程序流程圖

4 通電測試

通電測試如圖11所示。根據(jù)S1和S2的狀態(tài)自動識別測量小電容、電感、頻率。測大電解電容和小電解電容由S3狀態(tài)決定。頻率檔和電解電容測量檔不需要校準(zhǔn),校準(zhǔn)僅僅針對小電容和電感測量。按一下校準(zhǔn)(清零)按鈕,Cx會自動清零。

圖11 通電測試

測試數(shù)據(jù)如表1～表4所列。

表1 小電容測量數(shù)據(jù)

表2 電感測量數(shù)據(jù)

表3 電解電容測量數(shù)據(jù)

表4 頻率測量數(shù)據(jù)

由表1～表4可知,小非電解電容測量范圍:1 pF～2.2 μF,測量精度為3%;電感測量范圍:0.1 μH～1 H,測量精度為5%;頻率測量范圍:50 Hz～400 kHz,絕對誤差小于3 Hz;電解電容測量范圍:0.5 μF～12 000 μF,測量精度為5%。

5 結(jié)論

針對電感、電容、頻率測量儀器存在的問題,設(shè)計了具有5種工作模式電感電容頻率一體化簡易測量儀。小電容、電感和頻率通過LC振蕩器計數(shù)測量,電解電容通過RC充放電和比較電路實(shí)現(xiàn)測量,各種被測參數(shù)范圍寬,同時精度能夠滿足基本測試的需要。經(jīng)實(shí)踐證明,測量儀工作穩(wěn)定可靠,具有一定的使用價值。

[1] 楊金峰,劉鳴. 簡易電容測量儀的設(shè)計與調(diào)試[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2005,(3):110-112.

[2] 彭建學(xué),葉銀忠. 基于參比電容和鎖定放大的微電容測量儀[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報,2009,30(2):25-28,71.

[3] 陳進(jìn)軍,王麗. 一種基于單CPU芯片的電容測量儀[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(12):113-114,140.

[4] 蘇世熙,曾國強(qiáng),喻明福,等. 一種微小電容測量儀的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 自動化與儀表,2015(1):19-23.

[5] 朱衛(wèi)華,劉國穩(wěn),李月華. 基于TM4C123G微處理器的寬量程全自動電容測量儀設(shè)計[J]. 國外電子測量技術(shù),2015,34(7):85-88.

[6] 張玉芹,洪遠(yuǎn)泉. 數(shù)字式電容測量儀設(shè)計[J]. 廊坊師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,11(3):52-54.

[7] 何富運(yùn),羅曉曙. 數(shù)字式電感電容測量儀的設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2008(22):20-21,25.

[8] 何飛,榮軍,黃廣華,等. 智能電阻電容電感測量儀的設(shè)計與開發(fā)[J]. 電子技術(shù),2013(1):63-65.

[9] 王雷,王保良,冀海峰,等. 電容傳感器新型微弱電容測量電路[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2002,15(4):273-277.

[10] 東忠閣. 開關(guān)式電感測量儀的研究與設(shè)計[D]. 哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[11] 韋煒. 新型電容電感測量儀的設(shè)計[J]. 現(xiàn)代科學(xué)儀器,2013(1):69-72.

[12] 劉軍,李智. 基于單片機(jī)的高精度電容電感測量儀[J]. 國外電子測量技術(shù),2007,26(6):48-51.

[13] 李一鳴,榮軍,王岳斌,等. 一種數(shù)字控制電感測量儀的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子器件,2015,38(5):1210-1218.

[14] 王立新,傅崇崗,洪智鳳,等. 一種新型數(shù)字電感測量儀的設(shè)計[J]. 儀器儀表學(xué)報,2001,22(增):113-114.

Design ofLCFrequency Integration Simple Measuring Instrument*

WENGJiamin*,JIANGWei,CHENXiaozong

(Department of Electrical Information Engineering,Henan Institute of Engineering,Zhengzhou 451191,China)

TheLCfrequency integration design scheme of simple measuring instrument is presented for the complicated operation in the inductance,capacitance,frequency measurement instrument. Instrument type is various and there are complex problems,in which contain small capacitance and inductance and frequency measurement by LC oscillator counter measure,electrolytic capacitors by RC charge and discharge measure and the comparison circuit. Inductance measuring range:0.1 μH～1.0 H,accuracy of 5%;Small non electrolytic capacitor measurement range:1.0 pF～2.2 μF,accuracy of 5%;Frequency measurement range:50 Hz～400 kHz,absolute error is less than 3 Hz. Electrolytic capacitor measurement range:0.5 μF～12 000 μF,accuracy of 5%. The practice has proved that the measuring instrument is stable and reliable,can meet the needs of most measurement occasions.

LCF;integration of measuring instrument;LC oscillator;charge and discharge;comparator

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61403123,61305106)

2016-02-22 修改日期:2016-03-25

C:2130;2140

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.049

TM934;TP368

A

1005-9490(2017)02-0511-05