基于STM32单片机的电感测量仪的研究及实现*

张清枝，李晓彦，宋科科

（新乡学院机电工程学院，河南 新乡 453003）

0 引 言

电感器（简称电感）性能的优劣在一定程度上决定了电路各项性能，因此在实际工作中对电感器的测量是非常重要的。目前电感的测量方法主要有电桥法、谐振法、三点式振荡法等［1-2］。这些方法有各自的优缺点和适用范围，例如：电桥法具有较高的测量精度，但需手动调节，很难实现快速、自动测量；谐振法对激励信号的频率要求较高测试时间也较长［3-4］。为取得较好的测试效果和较低的制作成本，本文提出采用暂态分析法测量电感的新方法。该方法将电感值测量转换为动态时间的测量，并利用单片机完成，同时上位机用LabVIEW快速搭建，结合虚拟仪器技术，设计出一种电感测量仪，该仪器具有精度高、成本低，操作简便等优点。

1 系统总体方案设计

图1为系统结构图，被测电感接入测量电路，和计算机按照规定连接好后，点击测量按钮，阶跃信号发生电路输出阶跃信号，同时单片机开始计时，当系统检测到结束条件时，单片机停止计时，由测量所得的时间和相关电压计算出待测电感的电感值，并将测量结果发到上位机处理和显示。

图1 系统结构图Fig.1 System structure diagram

2 电感测量原理

2.1 理论推导

图2所示为一阶RL系统，其中Ur为激励信号，UL为输出响应。设电路初态为零，即电感没有储能，将图3所示的阶跃信号作为其激励信号。

图2 一阶RL系统简图Fig.2 First-order RL system diagram

图3 理想阶跃信号Fig.3 Ideal step signal

列出该电路的s域方程组：

解之得：

对式（2）两边取拉氏反变换，得到阶跃信号作用下电感L两端电压随时间的变化规律：

图4 指数衰减函数曲线Fig.4 Exponential decay function curve

从图4中可以看出，每一个时刻t都对应着唯一的电压uL。若t1=τ，由公式（3）可得：

2.2 基础电路及其工作原理

根据式（5）可知，只要知道电阻值R和时间t1就可以精确计算出电感的大小。由于电阻R的阻值可在电路设计、制作时预设，一般取20Ω左右，故只需测量时间t1即可。

电压比较器是在检测系统中应用非常广泛的重要电路之一［6］。构成电压比较器的运算放大器多工作于开环状态或接入负反馈，不具备“虚短”特点，某时刻同相与反相两输入端谁的电位高，输出就反映谁的特征［7］。本文以电压比较器为核心所设计的基于暂态分析的电感测量电路如图5所示。

图5 电感测量电路Fig.5 Inductance measurement circuit

图5所示的电阻R20和电感L1串联，构成了一阶RL系统。P0.0通过限流电阻与单片机相连接，三极管Q1起开关作用，其开关动作受单片机的控制，当P0.0为低电平时，三极管Q1关断，运算放大器同相端电压为0 V，当P0.0为高电平时，三极管Q1导通，运算放大器同相端电压为5 V，即运放同相端近似地输入一个幅值为5 V的阶跃信号。

可调电阻R16起分压作用，将运算放大器反相端电压设定为ur×e-1，即1.809 V。由于运算放大器工作于开环状态，所以在阶跃信号作用下，当图4所示的零时刻到来，运算放大器输出高电平；当时间推移到t1时刻运算放大器输出低电平。运算放大器输出端与单片机的IO口连接。

综上所述在单片机控制下，零时刻三极管Q1产生一阶跃信号，运算放大器输出高电平，单片机开始计时，当单片机检测运算放大器输出端电平变为低时，单片机停止计时，得到t1的数值，根据式（5）准确计算出电感的大小。

3 系统的软件设计

3.1 上位机设计

考虑到上位机软件开发的周期、成本、稳定性等，本上位机软件系统使用虚拟仪器开发平台Lab-VIEW。该软件因其直观、简单的编程方式，强大的后续数据处理能力，以及与各种软硬件的便捷连接方法，受到了广大实验室技术人员和硬件工程师的欢迎，在测控应用领域得到了普遍的应用［8-10］。

本测控软件通过串口通信与单片机进行信息交流，捕捉用户测量意图，控制下位机系统的状态，实时读取电感测量电路采集的数据，并做适当处理，最终不仅将电感的大小显示到屏幕上，而且还将每次测试结果自动记录在预先设定好路径的Excel文件中。设计好的上位机程序前面板如图6所示。

3.2 下位机软件设计

下位机软件的任务是接收来自上位机的指令，控制图5所示的电感测量电路的状态，采集时间数据，适当处理后发送给上位机。下位机软件程序框图如图7所示。下位机软件运行于STM32单片机上，其采用 ARM Cortex-M0内核，运行频率达 48 MHz，非常有利于采集微小的时间信号。

4 误差分析

误差是电子测量中一个非常重要的指标，因此应了解可能造成误差的原因，并采取相应措施以减少误差。一般来说电感测量的误差主要分为系统误差和随机误差［11-12］，其中随机误差是引起引起电感测量误差的主要原因，而电感的储能、自阻，计时误差等则是随机误差产生的主要因素。一般来讲测量前泄放电感的储能则可以大大降低电感储能的影响；电感自阻的影响一则比较小，另外也可以通过程序的调试予以一定的抵消，故在硬件设计时不做特别处理；电源质量、元器件参数以及单片机程序和晶振在很大程度上决定了计时误差。故在综合考虑电路结构的前提下，本测量仪采用锂电池供电、高精度低温漂电阻、高精度低温漂有源晶振和TL081运算放大器。由于TL081具有上升时间短（0.05μs）、输入电阻大（1012Ω）等特点，大大减少了运放对RL系统的干扰，提高了测量精度。

图6 上位机程序前面板Fig.6 Front panel of PC program

图7 下位机程序框图Fig.7 Block diagram of lower computer program

为分析本电感测量仪的测量效果，选择若干电感值为100μH的电感进行测量，测量数据如表1所示。表1中实际值是利用某厂生产的YY2810 LRC数字电桥所测的同批电感值。由表1可知此时误差在±9.8%以内。考虑到前期设计时已采取多种措施以减少测量误差，故在兼顾成本与测量精度的前提下，选择试凑的方法来抵消误差，即取100μH标准电感进行校准，反复修改、调试下位机程序，通过软件程序的微调达到减小误差的目的。校正后的测量数据如表1所示。由表1可知校正后的误差在±0.6%以内，比校正前大大较低。

表1 校正前后电感测量值与相对误差Tab.1 Inductance measurement values and relative error before and after correction

5 结束语

为使该测量仪在较大测量范围内有较高的测量精度，分别取 68μH，100μH，220μH，330μH，470 μH标准电感，进行多次校准。取标称值为33μH～470μH电感若干进行对比测量，测量数据如表2所示。

表2 33μH～470μH电感测量值与相对误差Tab.2 Inductance measurement values and relative error of 33μH ～470μH

表2中实际值是利用国内某厂生产的YY2810 LRC数字电桥所测的同批电感值。由表2可知，该测量仪对于33μH～470μH的电感测量误差在±2%以内，不仅能够满足工程实践的需要，更由于其能够自动记录多次测量数据并生成相应的曲线图，大大减轻了科研人员的工作量。作为一种操作方便、数据显示清晰的简单电感测量手段，具有较强的实用价值。若要进一步扩大该测量仪的测量范围、提高其测量精度，则需要多选取一些不同电感值标准电感进行校准；此外，该电路只要稍加改动便能实现电容或电阻的测量，即将一阶RL电路改为一阶RC电路或将一阶RL电路中的电感和电阻互换即可。经将近一年的实验室试用证明该测量仪性能稳定，具备一定的推广价值。