數(shù)字式電感電容測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

摘 要：在測(cè)量電感電容值時(shí)，傳統(tǒng)的測(cè)量大都采用交流電橋法和諧振法。然而這些方法通常采用刻度讀數(shù)，讀數(shù)不夠直觀。著眼于對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方式的改進(jìn)，基于LC振蕩電路原理，結(jié)合以AT89S51單片機(jī)為核心的頻率測(cè)量電路，設(shè)計(jì)一種數(shù)字式電感電容測(cè)量?jī)x，給出詳細(xì)的電路原理和程序流程，對(duì)測(cè)量原理做了較詳細(xì)的闡述?；贚C振蕩電路原理測(cè)量LC是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處。

關(guān)鍵詞：電感電容；LC振蕩電路；AT89S51；頻率測(cè)量電路

中圖分類號(hào)：TP216文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)2202002

Design of Digital Inductance Capacitance Measuring Apparatus

HE Fuyun，LUO Xiaoshu

(Physics Electronic Engineering College，Guangxi Normal University，Guilin，541004，China)

Abstract：Measuring the value of the inductance capacitance in traditional measuring mostly utilizes AC bridge and resonance.But these methods often read the value by scale meter，so the display isn′t intuitive.Compared with the traditional method，the design of digital inductance capacitance measuring apparatus is based on the principle of LC oscillation circuit and the frequency measuring circuit which uses AT89S51 as the core.Detailed circuit principle and program diagram are given.The measuring principle is also expatiated in detail.The innovation of the design is measuring LC based on the principle of LC oscillation circuit.

Keywords：inductance capacitance;LC oscillation circuit;AT89S51;frequency measuring circuit

1 測(cè)量原理

整個(gè)測(cè)量?jī)x原理框圖如圖1所示，其測(cè)量原理為。

圖1 測(cè)量?jī)x原理框圖

LC振蕩電路不接入待測(cè)電感或電容，自由振蕩產(chǎn)生一頻率為F1的正弦波，由LC振蕩電路原理有：

該正弦波經(jīng)分頻器100分頻后，變?yōu)橐环葹? V的方波，該方波從單片機(jī)AT89S51的P3.4腳引入，由定時(shí)器T1產(chǎn)生200 μs的閘門時(shí)間，在定時(shí)器T1定時(shí)1 s期間內(nèi)由計(jì)數(shù)器T0對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，所獲得的計(jì)數(shù)值m即為被測(cè)脈沖信號(hào)的頻率。這時(shí)測(cè)得的頻率F1為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理作準(zhǔn)備。當(dāng)AT89S51完成對(duì)自由振蕩期振蕩頻率F1的測(cè)量后，校準(zhǔn)電容Cb自動(dòng)接入LC振蕩電路，這時(shí)產(chǎn)生一新的振蕩頻率Fb。

當(dāng)待測(cè)電感或電容通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)接入LC振蕩電路，振蕩頻率將會(huì)發(fā)生變化。如果一待測(cè)電感Lx接入電路，和已知電感值的L1是串聯(lián)的，因而電路中總的電感為L(zhǎng)1+Lx，這導(dǎo)致振蕩頻率變?yōu)椋邯?/p>

同理如果一待測(cè)電容Cx接入電路，但和已知電容值的C1是并聯(lián)的，因而電路中總的電感為C1+Cx，這導(dǎo)致振蕩頻率變?yōu)椋邯?/p>

從上述關(guān)系可以看出，基準(zhǔn)電容Cb的精確度是整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量精確度的關(guān)鍵，因此Cb選用精度高的精密電容，從而整體上提高了整個(gè)測(cè)量?jī)x的測(cè)量精確度。

2 電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 AT89S51單片機(jī)介紹

單片機(jī)是整個(gè)測(cè)量?jī)x的核心。根據(jù)測(cè)量的要求和單片機(jī)的總體性能，如運(yùn)算速度、抗干擾能力、I/O端口、中斷源、存貯容量、性價(jià)比等，采用性能優(yōu)越的AT89S51作為處理器。AT89S51是一款低功耗，高性能的8位可在線編程的CMOS型單片機(jī)。它帶有4 kB可編程和擦除的讀寫存儲(chǔ)器，128 B RAM，4個(gè)8 b的并行I/O口，2個(gè)16 b定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，6個(gè)中斷源，1個(gè)全雙工串行口。AT89S51的應(yīng)用范圍廣，既可以用于簡(jiǎn)單的測(cè)控系統(tǒng)，又可以用于復(fù)雜的邏輯控制，而且應(yīng)用系統(tǒng)組成靈活、方便、性能穩(wěn)定。圖2為AT89S51的引腳圖。

圖2 AT89S51引腳圖

2.2 100分頻電路

因?yàn)閱纹瑱C(jī)所能測(cè)出的頻率有一定的上限值，而由LC振蕩電路振蕩出來(lái)的頻率為0.4~3 MHz，經(jīng)100分頻后，變?yōu)轭l率范圍為4~30 kHz，落在單片機(jī)所能測(cè)出頻率的范圍內(nèi)。74HC390是二-五進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可以接成100進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。100分頻電路如圖3所示。

圖3 100分頻電路

2.3 LCD顯示電路

點(diǎn)陣字符型液晶顯示器專門用于顯示數(shù)字、字母、圖形符號(hào)及少量自定義符號(hào)的顯示器。這類顯示器把LCD控制器/點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)器/字符存貯器全做在一塊印刷板。這里采用日立公司的HD44780液晶顯示模塊來(lái)顯示測(cè)量結(jié)果。HD44780具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)/閃爍等功能。與MCU的傳輸可采用8位并行傳輸或4位并行傳輸2種方式。LCD顯示電路如圖4所示。

圖4 LCD顯示電路

2.4 LC振蕩電路

LC振蕩電路采用電容三點(diǎn)式的電容反饋式振蕩器。該振蕩電路的主要特點(diǎn)是容易起振、頻率穩(wěn)定度高、頻帶寬。頻帶的寬窄，直接影響著所能測(cè)試的電感和電容的范圍。因此，如何盡最大可能擴(kuò)大LC振蕩電路的工作頻帶，成為影響整個(gè)測(cè)量?jī)x性能的關(guān)鍵因素之一。該電路原理如圖5所示。

圖5 LC振蕩電路

3 程序設(shè)計(jì)

由于采用單片機(jī)測(cè)量頻率和處理相關(guān)的運(yùn)算，其涉及到浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算，如果采用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算，工作量將很繁重。因而選擇C51來(lái)編寫程序，使得浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的程序編寫量大大簡(jiǎn)化。并且整個(gè)程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)模塊方式，使整個(gè)程序的結(jié)構(gòu)清晰。整個(gè)測(cè)量程序的流程圖如圖6所示。

圖6 測(cè)量程序流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

該電感電容測(cè)試儀采用單片機(jī)智能控制，數(shù)字顯示、操作簡(jiǎn)單、使用方便。其所能測(cè)量的電容，電感的范圍及測(cè)量精度，都能滿足一般應(yīng)用場(chǎng)合的需要。

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作者簡(jiǎn)介

何富運(yùn) 男，1982年出生，廣西陸川人，碩士研究生。主要從事自動(dòng)化測(cè)量與控制方面的研究。

羅曉曙 男，1961年出生，湖北應(yīng)城人，教授，博士。