基于STM32F103的电感测量仪

向波+向伟+郑恒+董效杰

摘 要：该文介绍的电感测量仪是由STM32F103单片机作为控制芯片的软硬件控制系统设计。系统由电源模块、信号产生模块、测量滤波模块、人机交互模块和单片机等子模块组成。利用集成压控振荡芯片、变容二极管、待测电感和滤波电路产生精确的谐振频率信号。由STM32F103单片机检测经放大和分频之后的谐振信号，计算并通过人机交互模块显示电感的测量值，实现对电感的测量，此方法测量方便，易于实现，成本较低。

关键词：电感测量 集成压控振荡原理 STM32单片机

中图分类号：TH83 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（c）-0019-03

在电力电子设计和嵌入式控制领域中，受多方面因素的影响，电感线圈往往不同于电阻方便测量。为了解决该问题，该文介绍了一种间接测量电感值的方法，暨利用集成压控振荡原理，将不同电感线圈的电感值转换成频率信号，最后通过检测频率实现对电感的间接测量。实验表明，基于该方法设计的电感测量仪能够实现较微小值的测量，且测量结果一致性好、性能稳定、测量精度高。

1 测量原理

系统利用电感和电容通过谐振原理，后经过集成压控振荡芯片将谐振频率作为检测频率输出，最后通过单片机来实现测量。压控震荡是通过调节可变电阻或可变电容以改变波形发生电路的振荡频率，自动控制场合往往要求自动调节振荡频率。常见情况是给出一个控制电压。频率的间接测量，是在硬件电路中将不同电感线圈的电感值转换成频率作为输出经过放大成单片机能识别的信号，然后通过在单片机上编写程序，检测来自硬件电路的频率信号，在通过内部算法将不同频率对应的电感大小显示出来。暨集成压控振荡原理和高性能的STM32F103单片机软硬件配合。

2 系统总体设计

2.1 系统结构原理图

系统主要包括振荡模块、滤波放大模块、单片机模块、人机交互模块、电源模块等，框图如图1所示，同时展现了各个模块之间的关系，其中单片机模块是该系统的核心，其说明详见文章内容2.3小节。

2.2 系统硬件设计

2.2.1 电源模块

电源模块是整个系统运行的基本保障。由于电网电压不稳定，时刻受到各种感性元件的影响，整流输出电压取决于变压器副边电压有效值，输出电压平均值随之产生相应的波动；另一方面，整流滤波电路存在内阻，负载变化时，输出电压平均值也将随之变化。综上两种因素，导致输出电压稳定性较差，测量系统出现误差。负载电压：

式中，Ce为涡流损耗系数；△为变压器钢片厚度；Bm为磁场强度。易知磁滞损耗与频率f的平方成正比。

稳压部分设计，将质量较差的电压变换为平滑的直流电压。选用7915、7905、7805、7815等稳压芯片，这4个稳压器都具有较完善的短路和限流保护、过热保护和调整管安全工作区保护电路。

2.2.2 变容二级管特性

变容二极管是一种随其端电压变化而改变结电容的半导体器件。不同的电感线圈和相应的电容产生谐振，对变容二极管的要求比较高。根据频率的计算公式可知，C变化范围的大小决定了振荡器的频率覆盖范围。该文选用BB809二极管，最高电压为30 V，最大电流为20 mA，性能稳定。

2.2.3 压控振荡模块

MC1648 是一種负阻型压控振荡器，工作电压5 V，工作频率范围10 Hz～150 MHz，内部有放大电路和自动增益控制，可以实现输出频率稳幅，射极跟随器有隔离作用，可减小负载对振荡器工作状态的影响。外接一个并行的LC槽路，结合变容二极管BB809和电感线圈既可得到稳定频率输出。

2.2.4 设计原理

该电感测量仪的原理图如图3所示。被测电感直接接在Lx位置，与变容二极管共同作用，就会产生一定频率的信号并从MC1648的引脚3输出。接至分频器[1]进行分频。

在图3中，D2是变容二极管，电位器VR1对+15 V进行分压，调节该电位器可获得不同的电压输出，变容二极管电压VD2：

式中，谐振频率f0为MC1648的引脚3输出频率值；C为电位器VR1调定的变容二极管的电容值。可见要计算f0的值还需先知道C值。为此需要对电位器VR1刻度与变容二极管的对应值做出校准。为此，我们要一个标准的电感线圈取0.44 uH。

校准时，将标准线圈接在如图2所示的LX的1，2两端，调节电位器VR1至不同的刻度位置，在C点可测量出相对应的测量值，再根据上面谐振公式（4）可算出变容二极管在电位器VR1刻度盘不同刻度的电容量[3]。表1给出了实测取样对应关系。

2.3 系统软件设计

STM32F103系列产品是国内ST（意法半导体）公司量产的微控制器[4]它是基于ARM7 TDMI，Cortex M3的控制器，具有高性能的32位运算能力。

系统采用C语言进行软件设计，编程和调试平台为MDK5，系统主流程图如图3所示。

STM32系列控制芯片，稳定性好，处理速度快。该控制芯片的测量频率可达到上百兆赫兹，能够实现设计要求。

框图部分说明如下。

（1）该设计以ARM单片机为核心，采用STM32F103单片机，利用其管脚的特殊功能以及所具备的A/D，定时/计数器和与LCD显示屏串联显示功能等。

（2）外部输入信号，为硬件电路中通过滤波后的频率信号。

该系统频率信号捕获是系统的核心，信号的采集真实度直接影响整个系统的准确度。另外在满足测量精确的前提下，尽量提高测量速度，保证测量的稳定性也是关键性因素。

3 测试结果与误差分析

将基于STM32F103的电感测量仪测试数据与刘军[5]的基于LM3S1138高精度电阻电感电容智能测试仪研究的测试数据进行比较，数据如表1所示。

由表1可知谐振法的测量结果不如电桥法和阻抗电压变化法测试结果精确，误差来源有以下几个方面。

（1）由于系统对滤波模块的设计薄弱，因此来自系统和外界的噪声干扰比较大，很大程度上影响了频率检测的准确性。

（2）STM32F103的处理速度有限，因此，在信号采集之前，增加了分频模块，造成了信号的失真，从而引起测量误差。

（3）PCB的制作工艺达不到标准要求，有大部分的裸露铜导体和焊接尖端，造成铜导体之间相互干扰同时也易受到外界干扰。

4 结语

该次的电感测量仪的设计制作，实现对实验室电感的测量，该电感测量系统采用单片机为处理器，将对电感的测量转化为对信号频率的测量，虽然在测量精度上不及阻抗电压变换法测量精度高，但还是在很大程度上确保了结果的准确度测量，完成系统的电路硬件设计和软件设计，通过系统测试获得满意的结果，仍有很多待改进的地方，比如：该系统可以向高智能测量仪器发展，为客户提供更加方便简单的测量试品，在提高测量稳定性的问题上应该有更加多的研究与实验，精小美观，方便携带，结构简单，成本低廉，为实验室电感测量提供了很大方便。

参考文献

[1] 陈昶.吞除脉冲式数字锁相频率合成器的设计[J].太原师范学院学报：自然科学版，2011，9（3）：78-81.

[2] 康华光.电子技术基础模拟部分[M].6版.北京：高等教育出版社，2014.

[3] 赵家贵.电子电路设计[M].北京：中国计量出版社，2007.

[4] 张洋.原子教你玩STM32（库函数版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.

[5] 刘军.基于LM3S1138高精度电阻电感电容智能测试仪的研究[D].青岛科技大学，2011.