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2021-04-22
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文中针对电容和电感的测量，简单介绍了关于LC振荡电路测量电容和电感的设计原理。同时通过实验证明该方案能进行高频电感和电容的测量。测量的精度能达到应有要求。
1 测量原理
采用LC振荡器的振荡原理，LC振荡器选择L或是C参数为固定值。通过LC的组合，振荡器起振，当测量电容时电感固定，测量电感时电容固定。通过LC振荡器的频率计算公式
其中，
可以计算出待测的电容或电感数值。
2 电路工作原理
2.1 电路框图设计
如图1所示。框图包括输入切换部分、振荡部分、分频部分、单片机部分、显示部分和键盘部分。此系统由STC89C51单片机作为控制核心，输入切换部分采用双刀双掷继电器完成待测电容或电感的线路切换，振荡电路工作在放大谐振状态，频率有高频管9018的集电极输出，由于频率较高，所以需经过信号分频，再者由于输出的电压幅度大，此处无需再加一级驱动，以74LS393数字分频芯片，把分频端级联实现100分频，最终信号进入单片机，由单片机计算出频率，经过算法设计，实现未知电容或电感参数的测定。图1给出了系统的总体框架图。
图1 电路图总体框图设计
2.2 输入切换电路
输入切换电路使用双刀双掷继电器实现，主要负责电容和电感的输入切换，当连接上电容时系统通过继电器K2，如图2所示。连接单片机，K2的固定端直接连接单片机的引脚IO3和IO4，常开节点连接待测电容或电感的引脚两端，并且初始设置两个引脚一个为逻辑高电平5 V，一个为逻辑低电平0 V，当给K2通电，固定端和常闭端连接，由于IO3和IO4分别为5 V和0 V。电容对直流是开路，所以IO3和IO4电平维持原来的状态。若为电感，由于电感对直流相当于导线，那么5 V的IO会被0 V的拉低。两个IO都为0 V。由此得出没有短路在一起时，单片机判断为电容，从而选择测量电容的方法，此时通过单片机对IO1脚的设置把另一个双刀双掷开关K1，开关拨到上，上为与电容C2并联，如图2所示。而短路在一起时，单片机判断为电感，单片机选择测量电感的方法，此时通过单片机对IO1脚的设置把另一个双刀双掷开关K1开关拨到下，即与电感L并联。
2.3 振荡电路原理
振荡电路采用LC振荡电路，振荡的频率由L和C确定。振荡管采用9018，Rb1和Rb2为基极偏置，Rc为限流电阻，电容C1、C2和电感L构成正反馈选频网络，反馈信号取自电容C2两端。该电路也称为电容3点式振荡电路。输入信号和反馈信号同相。在测量过程中，当测量电感时，输入电路自动把待测电感Lx并联到L的两端。当测量电容时，输入电路自动把要测量的电容Cx并联到C1的两端。
2.4 分频电路原理
分频电路采用74LS393数字分频芯片，分频端级联实现100分频，高频管9018的集电极输出振荡信号，之后把振荡器输出的信号100分频，频率将降到单片机测量的范围之内。
2.5 单片机实现电容和电感的计算
当把待测的电容或电感接入时，系统自动进行判断，根据判断结果确定算法。当判断到是电容时，系统计入电容的计算方式，电容的计算方式采用公式
根据测量得到频率和已知的L和C2，从而计算出Cx的值。当判断为电感时，系统进入电感的计算方式，电感的计算方式采用公式
根据测量到的频率和已知的C1、C2、L计算出Lx的值。
3 算法设计
系统上电初始化并且清屏，单片机初始化完成后，进入键盘扫描程序，当要进行电容或电感测量时，选择测量按键，系统进行自动判断并进行电容或电感的测量。当判断为电容时，系统选择电容的计算方法。当判断为电感时，系统选择电感的计算方法。计算完成后在液晶屏上显示测量结果。下面是具体的程序流程图，如图3所示。
4 实际测量数据及其分析
4.1 提高测量精度的方法
采用该系统进行电容和电感的测量，由于元器的热稳定性和外界对电路的干扰影响，测量的结果会有所跳动，是因为三极管的结电容随着温度的变化而变化，从而影响测量结果，这也是电容三点式振荡电路不稳定的关键原因。基于以上原因，在测量过程中可以采用多次测量求平均值的方法提高测量精度。
4.2 实际测量
电路的固定参数如下：Rb1=10 kΩ，Rb2=10 kΩ，Rc=4 kΩ，Re=4.7 kΩ，Cb=1μF，Ce=0.1μF，选择不同的电容分别测试3次，得到表1。选择不同的电感分别测试3次，得到表2。由表得出测量值与标称值几乎接近，表明系统设计方案的正确性，满足一般的实验室和工程设计用到的参数测试精度要求。
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