嵌入式RLC 参数测量系统的设计

梁贵谦，张 旭，李雨微，赵君垚，于明军，韩 铮

（赤峰学院 物理与智能制造工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

0 引言

对电阻、电容及电感参数的测量，关系到工程研究的许多方面。现在国内外对此的研究主要集中在某些特定系统、场景情况下对元件参数的测量，具体有：由这些元器件构成的各种类型传感器中元件参数的测量，如微电感传感器电感测量、MEMS 电容薄膜真空计微电容测量等［1-2］；特定场景下电阻、电容和电感参数的测量，如共面波导传输线电容准确测量，多导体静电独立系统中电容的测量等［3］；使用不同技术手段增大测量范围和提升测量精度的研究，如高动态范围的电容测量，基于Network Analyzer 技术、基于BP 神经网络技术的高精度电容测量等［4-5］。大量的工程实践中，对电阻、电容、电感等元器件的参数测量要求并不高。从日常应用来看，多数情况下只需进行验证性测量即可。因此，快速、便捷的测量变得很重要。随着微处理器性价比的不断提高，传统测量方法逐渐向低功耗、高性能、应用简单的嵌入式测量技术方向发展。通过频率法进行R，L，C参数值测量，能够很好地将测量系统数字化，可以让测量操作非常迅速。基于此，本文以stm32f103c8t6 单片机为控制核心，设计了一个能够对R，L，C参数值进行快速测量的系统。

1 方案整体设计框架

本设计由4个部分组成，分别是测量电路部分、通道选择部分、控制电路部分以及人机接口部分。设计总体框图如图1 所示。其中，测量电路是以电容、电阻、电感为测量对象，由555 定时器组成的振荡电路。将待测元件的参数值转换为振荡电路的频率值进行输出，如图1 中的Fc，Fr，Fl为三路频率信号；为了对不同测量电路进行切换，通道选择模块由CD4501B 多路选择器构成，在测量电容、电阻和电感时进行软件控制切换，方便测量；控制电路主要由stm32f103c8t6 单片机最小系统构成，它是一款低功耗、高性能的32 位可在线编程的单片机，有较强的信号实时捕获能力，可实时进行参数值的计算［6］，同时与人机接口部分进行交互；人机接口模块由LCD1602 显示器和3 个按键组成，系统工作时，分别用于显示输出测量结果和选择测量电路通道。

图1 总体设计框图

2 系统硬件电路设计

2.1 电阻测试电路设计

电阻测试电路如图2 所示。该电路由555 定时器、电阻元件及电容元件组成多谐振荡电路。其中，除待测电阻外，其余各部分元件参数已经确定。根据不同的待测电阻值，振荡电路将输出不同频率的FR信号。该信号通过控制部分的单片机进行脉冲计数，最后利用推导公式（1）计算得出所测电阻的值。

图2 电阻测试电路

根据多谐振荡电路的振荡周期，可推导得出待测电阻的计算公式［7］：

2.2 电感测量电路的设计

电感测量电路使用电容三点式振荡电路，如图3 所示。该电路能进行高频的电感测量，其振荡频率为

图3 电感测试电路

则有：

式中：C是C4和C12的并联值。

2.3 电容测量电路

电容的测量同样采用由555 定时器、电阻元件及电容元件组成的振荡电路，如图4 所示。通过测量振荡电路的频率，间接测量电容值。使用“脉冲计数法”，得到振荡电路的频率后，通过式（4）计算得出所测电容的值。多谐振荡电路的振荡周期公式推导出：

图4 电容测试电路

式中：R8=1 kΩ，R12=10 kΩ。

3 软件设计

在主程序设计中，通过对按键S1，S2，S3 的操作来设置按键值，选择对应的电阻、电感、电容测量的电路通道。在单片机stm32f103c8t6 中具体设置计算参数，最后由LCD 进行数据显示。具体操作流程如图5 所示。当被测元件接入电路，按下复位键进行复位，通过按键扫描，进行按键分析，判断被测元件的类型。判断出具体类型之后，根据对应类型的测量方法进行测量和计算，在更新LCD 液晶屏显示之后再次进行键盘扫描，如此往复循环执行。

图5 程序主流程图

设计中使用到两个中断，分别是外部中断和定时器中断。外部中断用于计数，定时器中断用于计时。当测试电路输出频率进入到单片机中，当前频率是方波信号，下降沿触发中断，计数变量加一；在定时器中断程序中，每隔200 ms 采集一次频率。最后通过计数变量的值和定时器的值算出最终结果。

4 实验与结果

根据以上设计完成了实物样机的制作与调试，对系统进行了实验测试。实物如图6 所示。

图6 系统实物图

测试过程中，选用了常见阻值的7 种电阻、6种电感和6 种电容，分别进行10 次测量。各种元器件在测试时，每次手动对系统进行断电重启后，记录测试结果并保留1 位小数。对测量结果进行了统计分析，统计出均值、标准差和均值真值之间的误差百分比。测量结果如表1、表2、表3 所示。

表1 电阻测试结果

表2 电感测试结果

表3 电容测试结果

可见，对以上元件的测量结果中，电阻测量的结果误差约在2%～9%，电感测量误差在2%～12%，电容的测量结果误差在4%～10%。总体来说，测量结果精度误差都在10%左右，满足鉴别元器件参数值的要求。本实验设计的系统综合考虑成本与测量精度，使用成本较低的方案进行系统设计，可满足日常实验需要。

5 结语

针对电子电路实验中经常需要对元器件参数进行鉴别测定的问题，本文利用振荡电路将待测元器件的参数值测量转换为振荡电路输出信号的频率测量，设计了以单片机为核心的检测系统，能够快速、准确地完成参数的测量工作。如果想进一步降低测量误差，扩大测量范围，得到更精确的测量结果，可从两个方面进行改进：其一，选择主频更高的单片机，能够使频率的测量更精确；其二，进行更多的测量分析，使用软件方法进行数据矫正，能够提高测量精度。