測(cè)量電感與高頻電壓方法的研究

張葉

摘 要：由于當(dāng)前所采用的電感與高頻電壓的測(cè)量?jī)x器，其結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜，并且精確度也無(wú)法達(dá)到實(shí)際要求，本研究將單片機(jī)與轉(zhuǎn)換電路聯(lián)合運(yùn)用提出一種設(shè)計(jì)方案。將電感與高頻電壓經(jīng)由系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為頻率，再以改進(jìn)之后的算法對(duì)其頻率進(jìn)行測(cè)量，再結(jié)合所測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行電路轉(zhuǎn)換和頻率大小傳遞關(guān)系的求解，即可獲得電感與高頻電壓的測(cè)定結(jié)果。

關(guān)鍵詞：測(cè)量；電感；高頻電壓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.240

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 測(cè)量電感振蕩電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)框圖1來(lái)看，測(cè)量電感中所運(yùn)用的振蕩電路主要運(yùn)用了放大的電路，其分別由C1、C2以及UPC1688組合成，同時(shí)選頻正反饋電路，其主要由R，C，L組合而成。振蕩器要穩(wěn)定其主要條件為環(huán)路的增益均統(tǒng)一，同時(shí)環(huán)路相應(yīng)位的和能夠?yàn)榱鉡1]。由于電感測(cè)量的誤差以及相位之后為零時(shí)，這與其穩(wěn)定條件密切相關(guān)，故這里就對(duì)其相應(yīng)位和為零做出分析。將放大器的相移角度設(shè)為，而將選頻正饋電路相移角度設(shè)置為。

（1）

+=0 （2）

若選頻網(wǎng)絡(luò)與上述公式（1）相符合時(shí)，其相移則為零（=0）即表示測(cè)量非常的精確。但因放大器的相移角度，故，振蕩器因此產(chǎn)生的信號(hào)的頻率也就無(wú)法設(shè)定為f，測(cè)量過(guò)程中也會(huì)存在各種誤差。為此，從選頻正反饋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相移角度的計(jì)算：

（3）

根據(jù)公式1與公式3即可獲得：

（4）

令，并將w作為變量，并根據(jù)公式4解得：

（5）

由于，同時(shí)當(dāng)k=0時(shí)，。而可作為以及C的諧振頻率。為此，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)將電阻R盡量的加大，確保振蕩器所輸出的信號(hào)，其頻率能夠與以及C的諧振頻率相一致，從而更好的保證其精度，但因電阻R過(guò)大極易引起振蕩器環(huán)路增益過(guò)低，故建議將R保持在1KΩ為宜。

1.2 高頻電壓和頻率間關(guān)系的獲取

在對(duì)高頻電壓進(jìn)行測(cè)量時(shí)，主要是將高頻電壓轉(zhuǎn)換為檢波電壓，再將檢波電壓轉(zhuǎn)換為頻率，即。基于軟件的基礎(chǔ)上，首先完成三個(gè)量的映射表格，再通過(guò)單片機(jī)結(jié)合測(cè)量和表格完成頻率F查表并因此獲得，結(jié)合所能夠獲得的查表即可獲得，當(dāng)數(shù)據(jù)并不在一個(gè)表格內(nèi)時(shí)，即可通過(guò)周圍兩個(gè)點(diǎn)來(lái)取直線方程，通過(guò)直代曲解出相應(yīng)的數(shù)據(jù)[2]。檢測(cè)電壓以及頻率F之間的關(guān)系時(shí)，則可通過(guò)實(shí)際測(cè)量的方式對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的記錄，并將其寫入到單片機(jī)中。因的映射表格要進(jìn)行實(shí)測(cè)難度較大，但通過(guò)仿真的方式卻極易獲取[3]。通過(guò)電路仿真軟件來(lái)進(jìn)行電路的繪制設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真軟件中的信號(hào)源輸入即可獲得不同的信號(hào)以及采用仿真軟件電壓表來(lái)讀取相應(yīng)的電壓，并完成映射表格的建立。

1.3 頻率測(cè)量算法的改進(jìn)

單片機(jī)主要經(jīng)由時(shí)間內(nèi)的外部脈沖個(gè)數(shù)和測(cè)量時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量。若假設(shè)晶振在進(jìn)行分頻之后，其內(nèi)部的脈沖個(gè)數(shù)為，其周期則設(shè)為；另將外部的脈沖個(gè)數(shù)設(shè)定為，周期設(shè)定為，其頻率為。詳見圖2。

根據(jù)頻率測(cè)量原理，通過(guò)公式即可獲得，通過(guò)等價(jià)變換即可獲得。但由于計(jì)數(shù)器只能夠?qū)φ麄€(gè)脈沖個(gè)數(shù)（）來(lái)進(jìn)行有效識(shí)別，而不是在相同的時(shí)間點(diǎn)在開始以及結(jié)束時(shí)，來(lái)進(jìn)行脈沖個(gè)數(shù)（）的實(shí)際測(cè)量；使得等式并不呈現(xiàn)為絕對(duì)的對(duì)等，避免誤差的出現(xiàn)。誤差的大小通常表現(xiàn)出以下幾種規(guī)律：當(dāng)將所表示的脈沖作為開始以及結(jié)束計(jì)數(shù)的觸發(fā)信號(hào)，即可獲得不等式，而其中最大的誤差為；若將所表示的脈沖作為觸發(fā)的信號(hào)，那么可獲得這樣的不等式，即為等式的最大誤差，為此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差的減小，關(guān)鍵在于將小頻率、大周期作為脈沖的觸發(fā)信號(hào)。通常單片機(jī)的時(shí)鐘往往來(lái)源于1MHz的信號(hào)，其相較于單片機(jī)的外部輸入信號(hào)頻率較高，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)頻率計(jì)準(zhǔn)確度的提升，故應(yīng)當(dāng)采用外部脈沖來(lái)作為觸發(fā)信號(hào)。而在對(duì)外部脈沖個(gè)數(shù)確定的情況下，通過(guò)內(nèi)部計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間的記錄。此外，若外部脈沖頻率比內(nèi)部時(shí)鐘頻率低時(shí)，那么時(shí)鐘的頻率越高其所測(cè)得的結(jié)果也就越準(zhǔn)確。

在外部脈沖周期的變化相對(duì)較大的情況下，則建議以外部脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)對(duì)測(cè)量時(shí)間進(jìn)行確定，其會(huì)造成測(cè)量時(shí)間出現(xiàn)明顯的長(zhǎng)短不一，甚至在測(cè)量時(shí)會(huì)表現(xiàn)出明顯的測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的情況[4]。而通過(guò)內(nèi)部時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行時(shí)間的測(cè)量時(shí)，測(cè)量的時(shí)間則相對(duì)較為一定，但內(nèi)部時(shí)鐘的頻率較高時(shí)，其精度卻會(huì)出現(xiàn)明顯下降。通過(guò)軟件算法即可將上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，其算法為：（1）其定時(shí)器的啟動(dòng)方式主要為T0方式三；（2）首先運(yùn)用外部脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)中斷的引發(fā)，在中斷內(nèi)即可對(duì)外部計(jì)數(shù)器以及內(nèi)部計(jì)時(shí)器的游俠有效啟動(dòng)；（3）對(duì)內(nèi)部計(jì)時(shí)器的檢測(cè)，了解其是否能夠達(dá)到規(guī)定測(cè)量時(shí)間，若能夠到達(dá)發(fā)信號(hào)到外部計(jì)數(shù)器中斷內(nèi)；（4）外部計(jì)數(shù)器在出現(xiàn)中斷時(shí)，其會(huì)將內(nèi)部計(jì)時(shí)器以及外部脈沖計(jì)數(shù)器同時(shí)關(guān)閉；（5）在獲得內(nèi)部與外部的脈沖個(gè)數(shù)（）后，即可對(duì)頻率進(jìn)行計(jì)算獲得。這樣測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)度確定，并且由外部脈沖決定計(jì)數(shù)的開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

運(yùn)用制作成功的電感儀對(duì)色環(huán)電感進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見表1，其誤差為±（2%+8），并且無(wú)法應(yīng)用于電感1μH以下的測(cè)量。通過(guò)本文研究所提出的電感儀測(cè)量方法，其誤差控制在了2%以內(nèi)，測(cè)量nH級(jí)別的電感即可得到有效測(cè)量。

采用制作成功的高頻電壓表對(duì)正弦信號(hào)源電壓所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，另采用示波器對(duì)其電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，見表2，通常情況下，高頻電壓表的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)非常的復(fù)雜，需要運(yùn)用非線性來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的變換，或者運(yùn)用多個(gè)運(yùn)放以及AD。本文所采取的方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)非線性檢波問(wèn)題的有效解決，并以幅頻變換來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)AD的更換，另通過(guò)變?nèi)荻O管即可對(duì)電壓變化進(jìn)行感應(yīng)，此時(shí)即可獲得高輸入阻抗，同時(shí)其電路也相對(duì)更為簡(jiǎn)單。

3 結(jié)語(yǔ)

在測(cè)量的過(guò)程中，其可使無(wú)法直接測(cè)得的量，經(jīng)由電路轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蜻M(jìn)行直接測(cè)量的量，再通過(guò)電路變換以及測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電路傳遞關(guān)系的逆向處理，即可獲得無(wú)法直接測(cè)得的量。其中重點(diǎn)在于對(duì)變換電路的傳遞關(guān)系。無(wú)論是對(duì)實(shí)際變換電路進(jìn)行改進(jìn)，使其的精確度與傳遞關(guān)系更加相符合，亦或是在實(shí)際測(cè)量的過(guò)程中，對(duì)電路進(jìn)行變換，從而更為詳細(xì)地獲得精確的傳遞關(guān)系，總而言之，通過(guò)對(duì)傳遞關(guān)系進(jìn)行求解的方式，其能夠獲得與實(shí)際變換電路傳遞關(guān)系相一致的測(cè)得結(jié)果。

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