基于单片机的大量程电感表设计

蒋碧波　肖秋龙　张丹

摘要：本文设计了一款基于89C52单片机的大量程电感表，利用单片机计算处理功能，通过硬件和软件结合的方法，有效提高了其量程和测量精度，同时具有价格低廉的特点。

关键词：电感表；大量程；单片机

1测量原理

测量电感时，振荡电路中L与F的关系如式1所示，但电路的分布电容C难以测量。当电路结构不变的情况下分布电容不变，可以看做一个常数，则L与F²成反比例关系。振荡频率F可通过L-C选频网络和单片机的捕捉模式来测量。因此引入基准电感L，通过加入待测电感Lx前后电路的振荡频率的比例关系计算待测电感感值，计算公式如式2所示。

（1）

（2）

2硬件电路

电感测量系统电路主要为振荡电路和整形以及分频电路三个部分，整体逻辑框图如下：

2.1振荡电路

自激振荡的最初始来源是振荡器在接通电源时存在不可避免的电冲击及各种热噪声，在它们通过负载回路时，由谐振回路的性质即只有频率等于回路谐振频率的分量可以产生较大的输出电压，而其他频率不会产生压降。谐振频率分量的压降通过反馈网络产生出较大的正反馈电压，反馈电路又加到放大器进行放大，反馈，不断循环，随着信号的不断放大，放大器进入非线性区，放大信号趋近稳定。振荡电路如图1，R1，R4，R5起衰减及直流偏置的作用，R2为偏置作用，R3做高阻耦合器，R6为上拉电阻。电容选用独石电容，精确度较高，L1为基准电感，选取功率工字电感效果较好。

2.2整形电路

LM393振荡产生的波形上升沿如果不够垂直，经分频器后频率会产生很大误差，需要经过整形电路使其更加逼近方波。一般选择加一个比较电路，可得到完美方波，但是鉴于此表所用器件皆为共用单片机电源即5V电压，所以可选择“与非门”741s00来实现整形功能，741s00由四个与非门构成，可选择一个与非门的输入和输出，另一个输入引脚悬空，当做非门使用，由于测试频率对齐正反向无要求，故此处非门可直接取代比较器，可实现整形。

这里需要注意一个问题，即振荡波形经过非门后会存在细微的延迟，对精度存在一定的影响，可通过如上图的连接方式，形成并联，能减少经过非门造成的延迟对测量电感的精度造成的影响。

2.3分频电路

由于89C52捕捉模式只能测量32K频率，而当测量电感较小时，震荡频率会很大，故必须采用分频电路。可用741s163来完成此功能，将整形后的信号作CLK输入，选取一个恰当的分频系数输出，选择分频系数过小则对测量量程提升较小；选择分频系数过大则导致捕捉的频率误差较大，经过运算放大误差，对测量精度产生很大的影响，一般选取四分频较好，残留误差可通过软件部分解决。

3软件设计

初始化即使单片机进入捕捉模式测量频率，捕捉模式的定时器初值需要通过信号发生器输入波形来测试修改，使其显示测试频率与信号发生器显示频率相同即可，能有效减小误差。先闭合图1中开关S，测得频率F并写入程序中，同时显示初始界面，然后断开S接入待测电感，则可测得Fx，通过程序数据处理便可计算出待测电感感值，按下显示按键，若为长按，则显示测量出的Lx值。主程序流程图如图5所示。

为了取得更准确的精度，程序中预设数组，存储多次测量的数据进行求平均再显示，有效提高稳定性和准确度。

4数据处理

闭合图1中的S可测的F，然后断开S便可测得加上待测电感后的频率Fx，Lx可通过测量原理中式2关系得到。

单位的变换可通过预先计算得到分界值，然后显示对应的单位。若在部分量程误差较大，可测得一定的数据加入校正的数据表，反复测量后可得到十分精确的数据表，当测得在此表段范围内时，进入查找表查找数据可以得到待测电感Lx的值。此外，對于基准电感对整个电路起着至关重要的作用，从原理可知，在一定范围内，基准电感感值越小，测量小电感感值越精确，反之测量大电感越准确，具体选择可根据需求自定，也可根据运放特性进行运算选择一个最佳匹配感值。测量大电感时结果若有较大偏差，可通过测试部分数据后利用MATLAB绘制偏差曲线及正确线性关系，求出校正系数加入式2，有效减少误差。

5误差校正及结果参照

按照本文的方法，测量1000μH以内的电感时，测量误差不到1%，在测量电感较大时误差显著增加，其原因是大电感时谐振频率较低，其有载Q值低，选频能力差，且捕捉模式频率分辨有限，所以在测量大电感时可以选择在图1电路C2旁并联一个适当值的电容解决，或者可预先通过大量测试，得出后面的非线性系数，预先加入程序进行修正，即上文提到的精确电路分布电容值。通过大量数据测试写入数据表后，测量大电感时误差可控制在2%以内。部分测量结果如下：

6结语

本文通过自激振荡方法实现了大量程的电感测量表，该方法是一种十分简便且实用的低成本电感测量的方法，且测量过程迅速，结果准确，读者可根据需求自行选择测量的精度及量程，且所用元器件均很常见，也说明此方法十分实用。