电感电容频率一体化简易测量仪设计*

瓮嘉民,蒋 威,陈孝宗

(河南工程学院电气信息工程学院,郑州 451191)

电感电容频率一体化简易测量仪设计*

瓮嘉民*,蒋 威,陈孝宗

(河南工程学院电气信息工程学院,郑州 451191)

针对电感、电容、频率测量仪器存在仪器类型繁多和操作复杂的问题,提出了电感电容频率一体化简易测量仪的设计方案,其中小电容、电感和频率测量通过LC振荡器计数测量,电解电容通过RC充放电和比较电路进行测量。电感测量范围:0.1 μH～1 H,精度5%;小非电解电容测量范围:1 pF～2.2 μF,精度5%;频率测量范围:50 Hz～400 kHz,绝对误差小于3 Hz;电解电容测量范围:0.5 μF～12 000 μF,精度5%。经实践证明,测量仪工作稳定可靠,能够满足大多数测量场合的需求。

电感电容频率;一体化测量仪;LC振荡器;充放电;比较器

常见电容测量一般有两种方式实现,可以利用多谐振荡装置产生脉冲宽度与电容值成正比信号,通过低通滤波后测量输出电压实现;也可以利用单稳态触发装置产生与电容值成正比门脉冲来控制通过计数器的标准计数脉冲的通断,即直接根据充放电时间判断电容值[1-2]。

微小电容的测量常见方法有:电荷充放电法、交流电压源激励法、基于参比电容和锁定(相)放大技术[3]、交流不平衡电桥和二极管环形检波[4]、积分法[5]。

文献[6]提出了一种量程为1 pF～1 000 μF的宽量程全自动电容测量仪。文献[7]利用LC振荡电路原理实现了电感和电容的同时测量。文献[8-12]利用经典的伏安法,设计了电感、电感电容、电阻电感电容测试仪。文献[13-14]采用交流电桥法设计了电感测试仪。同样频率的测量方法和设备也很多。

综上所述,电容、电感和频率的测量有多种测量方法和仪器,因此设计一款电感电容频率一体化的测量仪很有必要性。

1 系统设计方案

图1 系统方案框图

整个系统方案框图如图1所示,由6个模块电路组成:(1)按键;(2)LCD1602显示;(3)单片机最小系统;(4)小电容电感频率测量;(5)电解电容测量电;(6)电源。

2 系统硬件电路设计

2.1 按键电路

如图2所示,Btn2 为校准按钮,在测量小电容时可以随时按下清零显示;Btn3 为功能切换按钮,用来在测量LCF(频率、小电容、电感)和测量电解电容之间切换。

图2 按键电路

2.2 LCD1602显示电路

显示电路如图3所示。液晶寄存器选择RS、读写使能RW和液晶显示使能EN分别与单片机的P1.0～P1.2相连,8位数据端口连接到单片机的P0口。RV1调节LCD的背光。

图3 LCD1602显示电路

2.3 单片机最小系统

单片机最小系统主要包括单片机、时钟电路和复位电路,如图4所示。

图4 单片机最小系统电路原理图

图5 小电容电感频率测量电路

2.4 小电容电感频率测量电路

小电容电感频率测量电路如图5所示,测量通过双刀双掷自锁按键S1与S2进行选择控制;当S1弹起、S2弹起和Btn3有效时,测量小电容;当S1按下、S2弹起和Btn3有效时,测量电感;当S1无论弹起或按下、S2按下,Btn3有效时,进行频率测量。

双刀双掷自锁按键的工作原理示意图,如图6所示。按键弹起时,5脚与6脚导通,2脚与1脚导通;按键按下时,5脚与4脚导通,2脚与3脚导通。

图6 双刀双掷自锁按键的工作原理

小电容和电感的测量原理:由LM393组成的LC振荡器,输出频率为F1的周期信号到单片机的计数器T1进行计数,并根据标准电容C1计算出电感L1的值,计算公式为式(1)。

L1=1/(4π2F21C1)

(1)

电容Cx和电感Lx的值,分别用式(2)和式(3)计算。

(2)

(3)

式中:F1为固有频率,F2为接入测试电容和电感后的频率。

2.5 电解电容测量电路

电解电容的测量采用RC电路的充电时间常数进行计算,即τ=R·C,单位为s。

电解电容充电过程如图7所示。充电电压Uc按指数规律上升,当t=τ时,Uc=0.632E(E为电源电压)。通过测量Uc=0～0.632E 这段时间,利用式(4)计算被测电容值。

C=τ/R

(4)

图7 电解电容充电过程

图8 电解电容测量电路

电路如图8所示,设置比较器U1B正输入端Uc=0.632E(调节Ref 获得),反向输入端接被测电容CEx,当单片机的P15引脚为低电平时,电容放电。当P15为高电平时,电容充电;当充电到Uc时,比较器翻转,触发单片机外部中断INT0,通过测得的充电时间常数τ和充电电阻R的大小利用式(4)计算出被测电容大小。S3按下,R=R15;S3弹起,R=R7。

2.6 电源电路

电源电路如图9所示,直流12 V经3端稳压器7805稳压后,输出直流5 V,供整个系统使用,其中二极管D防止电源接反。

图9 电源电路

3 系统软件设计

系统主程序主要完成系统的初始化、键扫描、读取测量的标志清屏,然后根据测量标志,进行不同的测量、计算和显示,如图10所示。共有5种测量模式,分别是小电容测量(无极性)、电感测量、频率测量、小电解电容测量和大电解电容测量。

图10 主程序流程图

4 通电测试

通电测试如图11所示。根据S1和S2的状态自动识别测量小电容、电感、频率。测大电解电容和小电解电容由S3状态决定。频率档和电解电容测量档不需要校准,校准仅仅针对小电容和电感测量。按一下校准(清零)按钮,Cx会自动清零。

图11 通电测试

测试数据如表1～表4所列。

表1 小电容测量数据

表2 电感测量数据

表3 电解电容测量数据

表4 频率测量数据

由表1～表4可知,小非电解电容测量范围:1 pF～2.2 μF,测量精度为3%;电感测量范围:0.1 μH～1 H,测量精度为5%;频率测量范围:50 Hz～400 kHz,绝对误差小于3 Hz;电解电容测量范围:0.5 μF～12 000 μF,测量精度为5%。

5 结论

针对电感、电容、频率测量仪器存在的问题,设计了具有5种工作模式电感电容频率一体化简易测量仪。小电容、电感和频率通过LC振荡器计数测量,电解电容通过RC充放电和比较电路实现测量,各种被测参数范围宽,同时精度能够满足基本测试的需要。经实践证明,测量仪工作稳定可靠,具有一定的使用价值。

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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

项目来源:国家自然科学基金项目(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