谐振法测电感
测1000H和0.0xuH的谐振法测电感
http://www.crystalradio.cn/thread-330005-1-1.html
本帖最后由 xjw01 于 2012-10-11 23:18 编辑
1、制作
先是试制了网上流行的LM311电路。因手上没有LM311，用LM393代换。虽然只有几个元件，但也焊接了几个小时。
原电路出现以下问题：
1、频率稳定性不好，跳得比较历害
2、测量大电感误差非常大，可达20%
3、测量更大的电感，如10H以上的电感，很多无法测量，不起振。
解决方法：
用示波器观察，谐振器上面的波形非常差，说明电路Q值太低。
原电路使用33k电阻反馈（就是那3个100k电阻的并联值），测大电感时，频率低，阻抗大比33k电阻还大， Q值严重下降，造成电路不起振，就算起振了，测值误差也大得惊人。所以改用1兆欧高阻耦合。
改了之后，可以测到1000H以上的大电感，而且很准。
2、性能
为了与电桥比对，所以上限频率只做到200kHz，辅助电感是220uH
零点缓慢漂移，得经常清零，比较讨厌。这是谐振元件温漂害的。
不过，秒一级的稳定性比较好，读数不会乱跳，因为频率只会跳1个计数值（1计数对应2Hz，计数时间采用0.5秒），所以清零后，及时测量，还是可以准确测量0.x uH电感的。
从几uH到1H之间实测来看，误差小于1%，1H到几百H，误差可以5%左右估算，一般是偏大。因为本电路测量大电感的电压比较高，不易与电桥比对。铁芯电感的电感量随测量电压升高，电感量略有增加。
3、校准
通过修改程序中的这一句校准：
c0 = 3.12e-9 * c2c(f);
其中3.12e-9表示谐振电容在1kHz频率下是3.12nF。
实测700uH空芯线圈，根据误差大小，调整3.12的值，重新下载，使得测量准确。
本表测量的结果实际上是等效并联电感。
4、电容容量修正
•谐振器的极限谐振频率是200kHz。
•涤纶电容随频率变大而变小，所以程序内建修正表，改正电容的容量误差。
以下是3.12nF电容的真值修正表，其中b数组是容量的修正系数
code float a[5]={100, 1000, 10000, 100000, 200000 }; //频率
code float b[5]={1.004, 1.000, 0.992, 0.975, 0.973 }; //修正量(涤纶原真修正表)
•修正值改进
那个1M欧的耦合电阻，在超声波范围内并不是存阻的。当频率较高时，电阻两端的分布电容及LM393内的信号耦合是不可以忽略的。虽然是电容耦合量很小，但在密勒效应的作用下，会被成百上升倍放大，有效谐振电容变小。频率比较高时，谐振器的阻抗很小，所以反馈系数非常弱，这就造成密勒效应的影响严重，可影响2%以上，为此高频率下，有效谐振电容仅修正系数仅为0.973是不够的。
此外，LM393的延迟也会造成振荡频率变小，引起测值变大。如果谐振器高Q，则影响小。整个回路的Q值只有20左右，所以频率高时，这个影响也是不能忽略的。用排除法证明：表笔接20R电阻测量电路中的那个功率电感，结果输电感量变大了2%，并联串联关系的转换远没有2%变化，谐振电压的变化也远不足以造成2%的变化，而接电阻后谐振阻抗变低，密勒效应更大，应造成电感量测值变小才对。显然，这2%的增加是LM393引起的。
以上因素，结合起来，修正表变为
code float a[5]={100, 1000, 10000, 100000, 150000 }; //频率
code float b[5]={1.004, 1.000, 0.992, 0.960, 0.950 }; //修正量(综合修正表)
•测量100uH以下的电感的改正
测量这种电感，频率大约在150kHz至200kHz
这个范围内频率变化，产生如下效果：
功率电感约有0.5uH的变化，电感量随频率变大而变小，引起电感测值变小。
涤纶电容随频率增加，容量变小，引起电感测值变大。
以及其它方面因素影响，相互补偿，最后结果150kHz以后的电容修正值与200kHz的修正值是一样的。所以电容修正表上限只要做到150kHz即可，大于150kHz的使用150kH的修正值。
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// LC表驱动程序 V1.0
// 许剑伟 于莆田 2012.10
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#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define ulong unsigned long
#include <reg52.h>
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// 项目：LCD1602 四线驱动程序
// 设计要点：
// LCD1602 的运行速度慢，而单片机运行的速度快，因此容易因为速度不
// 匹配造成调试失败。因此，调试之前应准确测试lcd_delay() 延时函数
// 准确的延时量，如果不能满足注释中的要求，则应调整循次数。每步操
// 作所需的延时量，按照数据手册指标指行，同时留下足够的时间余量。
// 硬件连接：
// 至少需要9条线，电源线2条，7条信号线。信号线详见程序中的接口定义。
// 清注意对LCD1602比对的调节，否则无显示。
// 设计：许剑伟,于莆田,2010.12
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sbit lcd_RS = P0^1; //数据命令控制位,0命令1数据
sbit lcd_RW = P0^2; //读写位,0写1读
sbit lcd_EN = P0^3; //使能位,下降沿触发
sbit lcd_D4 = P0^7; //数据端口D4
sbit lcd_D5 = P0^6; //数据端口D5
sbit lcd_D6 = P0^5; //数据端口D6
sbit lcd_D7 = P0^4; //数据端口D7
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void lcd_delay(int n){ //LCD专用延时函数
//32MHz钟频下，约循环3000次延迟1毫秒
int i,j;
if(n<0) { for(i=0;i< 20;i++); return; } //10us
if(n== 0) { for(i=0;i<100;i++); return; } //50us
for(;n;n--){ for(j=0;j<2000;j++); } //n毫秒
}
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void lcd_B(char f, uchar c, char t){ //控制四线式接口LCD的7个脚
//f=0写命令字, f=1写RAM数据, f=2读地址（或读忙）, f=3读RAM数据
lcd_EN = 0;
lcd_RS = f%2;
lcd_RW = f/2%2;
//移入高四位
lcd_D4 = c & 16;
lcd_D5 = c & 32;
lcd_D6 = c & 64;
lcd_D7 = c & 128;
lcd_EN = 1; lcd_delay(-1); lcd_EN = 0; //使能脉冲
if(f==4) { lcd_delay(t); return; }
//移入低四位
lcd_D4 = c & 1;
lcd_D5 = c & 2;
lcd_D6 = c & 4;
lcd_D7 = c & 8;
lcd_EN = 1; lcd_delay(-1); lcd_EN = 0; //使能脉冲
lcd_delay(t); //不同的命令,响应时间不同,清零命令需要2ms
}
//==========================================================================
void lcd_init(){ //LCD1602 初始化
//启动四线模式须势行9个步骤，初始化所须耗时较长，约65ms，时限不可减
lcd_delay(20); //启动lcd之前须延时大于15ms，直到VDD大于4.5V
lcd_B(4, 0x30, 9); //置8线模式,须延时大于4.1ms
lcd_B(4, 0x30, 5); //置8线模式,须延时大于100us
lcd_B(4, 0x30, 5); //置8线模式,手册中未指定延时
lcd_B(4, 0x20, 5); //进入四线模式
lcd_B(0, 0x28, 5); //四线模式双行显示
lcd_B(0, 0x0C, 5); //打开显示器
lcd_B(0, 0x80, 5); //RAM指针定位
lcd_B(0, 0x01, 5); //启动清屏命初始化LCD
}
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//=========================几个功能常用函数=================================
void lcd_cls() { lcd_B(0, 0x01+0, 2); } //清屏
void lcd_cur0() { lcd_B(0, 0x0C+0, 0); } //隐藏光标
void lcd_goto1(uchar x){ lcd_B(0, 0x80+x, 0); } //设置DDRAM地址,第1行x位
void lcd_goto2(uchar x){ lcd_B(0, 0xC0+x, 0); } //设置DDRAM地址,第2行x位
void lcd_putc(uchar d) { lcd_B(1, 0x00+d, 0); } //字符输出
void lcd_puts(uchar *s){ for(; *s; s++) lcd_B(1,*s,0); } //字串输出
//==============字符显示函数====================
#define digW 4 //数字显示位数宏
void lcd_puti(long a,char w){ //定宽显示正整数
char i=0, s[10]={32,32,32,32,32,32,32,32,32,32};
if(a<0) { a=-a; lcd_puts("-"); }
else lcd_puts(" ");
do{
s[i++] = a%10+48;
a /= 10;
}while(a);
for(;w;w--) lcd_putc(s[w-1]);
}
void lcd_putf(float a,char n,char w){ //浮点输出，n是保留小数的位数,w是数字宽度
char i,g,fi=0;
long b,c=1;
if(a<0) { lcd_putc('-'); a = -a; }
else { lcd_putc(' '); }
for(i=0;i<n;i++) a *= 10;
for(i=1;i<w;i++) c *= 10;
b = a;
for(i=0;i<w;i++){
g = b/c;
b -= g*c;
c /= 10;
if(g>9||g<0) g='*'-48;
if(i == w-n ) lcd_putc('.');
if(!g && !fi && i<w-n-1) { lcd_putc(' '); continue; }
lcd_putc(g+48);
fi = 1;
}
if(!n) lcd_putc(' '); //无小数点的补足显示宽度
}
//==========================================================================
//===============================延时函数===================================
void delay(uint loop) { uint i; for(i=0;i<loop;i++); } //延时函数
void delay2(uint k) { for(;k>0;k--) delay(10000); } //长延时,k=100大约对应1秒
//==========================================================================
//=================================AD转换===================================
/*
sfr P1ASF = 0x9D; //将P1置为模拟口寄存器(使能),各位中为1的有效
sfr ADC_CONTR = 0xBC; //A/D转换控制寄存器
sfr ADC_res = 0xBD; //A/D转换结果寄存器
sfr ADC_resl = 0xBE; //A/D转换结果寄存器
void set_channel(char channel){
P1ASF = 1<<channel;
ADC_CONTR = channel+128; //最高位是电源开关,低3位通道选择
delay(1); //首次打开电源应延迟，使输入稳定
}
ulong getAD10(){
uchar i;
uint a=0,b=0;
for(i=0;i<200;i++){
ADC_CONTR |= 0x08; //00001000,置ADC_START=1启动A/D 转换
while ( !(ADC_CONTR & 0x10) ); //等待A/D转换结束(ADC_FLAG==0)
ADC_CONTR &= 0xE7; //11100111,置ADC_FLAG=0清除结束标记, 置ADC_START=0关闭A/D 转换
a += ADC_res;
b += ADC_resl;
}
return a*4L + b;
}
uint getAD2(){
ADC_CONTR |= 0x08; //00001000,置ADC_START=1启动A/D 转换
while ( !(ADC_CONTR & 0x10) ); //等待A/D转换结束(ADC_FLAG==0)
ADC_CONTR &= 0xE7; //11100111,置ADC_FLAG=0清除结束标记, 置ADC_START=0关闭A/D 转换
return ADC_res*4 + ADC_resl;
}
*/
/*
uchar get_AD(){
ADC_CONTR |= 0x08; //00001000,置ADC_START=1启动A/D 转换
while( !(ADC_CONTR & 0x10) ); //等待A/D转换结束(ADC_FLAG==0)
ADC_CONTR &= 0xE7; //11100111,置ADC_FLAG=0清除结束标记, 置ADC_START=0关闭A/D 转换
return ADC_res;
}
*/
//==========================================================================
//==================================EEPROW偏程==============================
sfr IAP_data = 0xC2;
sfr IAP_addrH = 0xC3;
sfr IAP_addrL = 0xC4;
sfr IAP_cmd = 0xC5;
sfr IAP_trig = 0xC6;
sfr IAP_contr = 0xC7;
/********************
写字节时，可以将原有数据中的1改为0，无法将0改为1，只能使用擦除命令将0改为1
应注意，擦除命令会将整个扇区擦除
*********************/
int eepEn = 0;
void saEEP(){ //触发并EEP保护
if(eepEn==12345) IAP_trig = 0x5A; //先送5A
if(eepEn==12345) IAP_trig = 0xA5; //先送5A再送A5立即触发
IAP_cmd = 0; //关闭令，保护
IAP_contr = 0; //关EEPROM，保护
IAP_trig = 0;
IAP_addrL = 255; //设置读取地址的低字节，地址改变才需要设置
IAP_addrH = 255; //设置读取地址的高字节，地址改变才需要设置
}
uchar readEEP(uint k){ //读取
IAP_addrL = k; //设置读取地址的低字节，地址改变才需要设置
IAP_addrH = k>>8; //设置读取地址的高字节，地址改变才需要设置
IAP_contr = 0x82; //设置等待时间，1MHz以下取7，2M以下取6，3M取5，6M取4，12M取3，20M取2，24M取1，30M取0，前导1表示许档IAP
IAP_cmd = 1; //读取值1，写取2，擦除取3，擦除时按所在字节整个扇区撺除
saEEP(); //触发并保护
return IAP_data;
}
void writeEEP(uint k, uchar da){ //写入
IAP_data = da; //传入数据
IAP_addrL = k; //设置读取地址的低字节，地址改变才需要设置
IAP_addrH = k>>8; //设置读取地址的高字节，地址改变才需要设置
IAP_contr = 0x82; //设置等待时间，1MHz以下取7，2M以下取6，3M取5，6M取4，12M取3，20M取2，24M取1，30M取0，前导1表示许档IAP
IAP_cmd = 2; //读取值1，写取2，擦除取3，擦除时按所在字节整个扇区撺除
saEEP(); //触发并保护
}
void eraseEEP(uint k){ //擦除
IAP_addrL = k; //设置读取地址的低字节，地址改变才需要设置
IAP_addrH = k>>8; //设置读取地址的高字节，地址改变才需要设置
IAP_contr = 0x82; //设置等待时间，1MHz以下取7，2M以下取6，3M取5，6M取4，12M取3，20M取2，24M取1，30M取0，前导1表示许档IAP
IAP_cmd = 3; //读取值1，写取2，擦除取3，擦除时按所在字节整个扇区撺除
saEEP(); //触发并保护
}
xdata struct Ida{
float L0;
float C0;
} cs;
void cs_RW(char rw){
uchar i,*p = &cs;
const int offs=512;
if(rw){
eraseEEP(offs);
for(i=0;i<sizeof(cs);i++) writeEEP(i+offs,p[i]);
}else{
for(i=0;i<sizeof(cs);i++) p[i]=readEEP(i+offs);
}
}
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//================================电感表主程序==============================
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sfr P1M1=0x91; //P1端口设置寄存器
sfr P1M0=0x92; //P1端口设置寄存器
sfr P0M1=0x93; //P0端口设置寄存器
sfr P0M0=0x94; //P0端口设置寄存器
sfr P2M1=0x95; //P2端口设置寄存器
sfr P2M0=0x96; //P2端口设置寄存器
sfr P3M1=0xB1; //P3端口设置寄存器
sfr P3M0=0xB2; //P3端口设置寄存器
sfr WAKE_CLKO = 0x8F;
sfr AUXR = 0x8E;
sfr BRT = 0x9C;
sbit K1=P3^7; //清零键
long feq=0;
char Tk=0,Tkm=12,fa=0;
void timerInter1(void) interrupt 3 {//T1中断
fa++;
}
void timerInter0(void) interrupt 1 {//T0中断
uchar a,b,c;
if(++Tk>=Tkm){ //读取计数值
Tk = 0;
TR1 = 0; //暂停计数
a = fa, b = TH1, c = TL1;
fa = TH1 = TL1 = 0;
TR1 = 1;
feq = (a*256L*256L + b*256L+c) * (24/Tkm);
if(feq<=5) feq = 0;; //去除本频率(通常有1Hz)
if(feq<300&&feq>10) Tkm = 24; //低频（小于10视为不起振）
else Tkm = 12; //频率较高时，闸门时间减小一些，加快测量速度
}
}
void putLx(float L){
if(L<1e-4) { L*=1e6; lcd_putf(L,2,4); lcd_puts(" uH"); return; }
if(L<1e-3) { L*=1e6; lcd_putf(L,1,4); lcd_puts(" uH"); return; }
if(L<1e-2) { L*=1e3; lcd_putf(L,3,4); lcd_puts(" mH"); return; }
if(L<1e-1) { L*=1e3; lcd_putf(L,2,4); lcd_puts(" mH"); return; }
if(L<1e+0) { L*=1e3; lcd_putf(L,1,4); lcd_puts(" mH"); return; }
if(L<1e+1) { lcd_putf(L,3,4); lcd_puts(" H"); return; }
if(L<1e+2) { lcd_putf(L,1,4); lcd_puts(" H"); return; }
if(L<1e+5) { lcd_puti(L,5); lcd_puts(" H"); return; }
lcd_puts("Overflow.");
}
float c2c(float f){ //针对涤纶电容修正
code float a[5]={100, 1000, 10000, 100000, 150000 }; //频率
code float b[5]={1.004, 1.000, 0.992, 0.960, 0.950 }; //修正量(综合修正表)
//code float a[5]={100, 1000, 10000, 100000, 200000 }; //频率
//code float b[5]={1.004, 1.000, 0.992, 0.975, 0.973 }; //修正量(涤纶原真修正表)
char i;
if(f<a[0]) return b[0];
if(f>a[4]) return b[4];
for(i=0;i<4;i++){
if( f>=a[i] && f<a[i+1]) return b[i] + (b[i+1]-b[i]) * (f-a[i]) / (a[i+1]-a[i]);
}
}
float Lx=0;
void calcL(){ //电感计算
float f,w,c0;
f = feq/1.024;
c0 = 3.12e-9 * c2c(f);
w = 2*3.1415926*f;
if(w) Lx = 1/(w*w*c0);
else Lx = 1e20;
lcd_goto1(0); putLx(Lx-cs.L0);
lcd_goto2(0); lcd_puts("F="); lcd_puti(f,6); lcd_puts("Hz");
}
main(){
uchar kn=0;
eepEn = 12345;
//端口初始化
P3M0 = 0x00; //00000000
P3M1 = 0x20; //00100000 P3.5置为高阻口
delay2(5); //等待升压电源电压上升
lcd_init(); //初始化LCD
lcd_cur0(); lcd_puts("LC 1.0"); //隐藏光标并显示片本
lcd_goto2(0); lcd_puts("XJW Putian,2012"); //显示作者
delay2(200); lcd_cls(); //启动延时
eepEn = 12345;
cs_RW(0); //读EEPROM
AUXR |= 0x40;
TMOD = 0x51; //T1置为16位计数器,T2置为16位定时器
TR0 = TR1 = 1; //起动计数
ET0 = ET1 = 1; //开定时器中断
EA = 1; //开总中断
while(1){
calcL();
if(!K1 && kn <255) kn++;
if(K1) kn=0;
if(kn==3){ //键按下
lcd_cls();
if(!feq) { cs.L0 = 0; lcd_puts("Removed."); }
else { cs.L0 = Lx; lcd_puts("Cleared."); }
cs_RW(1);
delay2(50);
}
delay(20000);
}
}
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