目前RLC 電抗測試類設(shè)備基本工作原理為電阻器電阻值變化量，電容器電容值的變化以及電感器電感值的變化量均轉(zhuǎn)換為電壓變化或頻率，通過高精度AD 采集或頻率檢測等方法獲得確定的電抗數(shù)值，確定相應(yīng)器件的具體參數(shù)^[1]。

在現(xiàn)代電子信息科學研究中，需要對電阻、電容或電感的電抗參數(shù)進行測量，萬用表以其簡單易用、功耗低等優(yōu)點被大部分人所采用。然而萬用表存在局限性，如不能測量電感與大容量電容。因此，研制一種簡單易用的RLC 電抗參數(shù)測量儀器十分必要，存在巨大的市場空間。

*基金項目：阿壩州應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)重點項目（19YYJSYJ0091）；四川省教育信息技術(shù)“十三五”規(guī)劃課題（川教館2019-142）。阿壩師范學院自然科學重點項目（ASA19-17）

1   系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

測試系統(tǒng)采用MCU 作為電阻、電容、電感的電抗參數(shù)測試中心控制器，實現(xiàn)對其電抗參數(shù)的測試。系統(tǒng)分為參數(shù)測量模塊、通道選擇模塊、控制電路模塊和顯示模塊四個部分，通過輸入輸出端口向模擬開關(guān)發(fā)送兩位地址信號，得到相應(yīng)的振蕩頻率，根據(jù)輸出頻率切換測試量程，同時進一步處理電抗參數(shù)輸出值，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

控制電路模塊以STC89C52 為核心，具有中斷、定時、計數(shù)等功能模塊。系統(tǒng)設(shè)計中，采用LCD1602 作為顯示器，CD4502 作為模擬開關(guān)、NE555 與3 個測量模式控制按鍵分別為SR、SC、SL，切換不同參數(shù)測量模式，實現(xiàn)智能選擇并測量。通道選擇由MCU 控制CD4052 模擬選擇開關(guān)完成檔位切換。測量電路中RC震蕩電路采用555 振蕩器與電容三端式振蕩電路，實現(xiàn)電抗參數(shù)的間接測量^[2]。

作者簡介：曹新敏（2001—），四川成都，阿壩師范學院本科在讀，主要研究方向：單片機嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計。

通信作者：晏勇（1983—），四川成都，副教授，碩士，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2   硬件電路設(shè)計

2.1 STC89C52單片機電路設(shè)計

基于MCU 的RLC 電抗參數(shù)測試系統(tǒng)采用STC89C52中心控制器，最小系統(tǒng)包括電源模塊、復位模塊、晶振時鐘模塊、串口下載模塊^[3]，單片機最小系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)

2.2 顯示電路及按鍵電路設(shè)計

在RLC 電抗參數(shù)測試過程中，LED 用于顯示電抗參數(shù)類別和電源狀態(tài)指示，方便直觀。系統(tǒng)MCU 的I/O與LED 采用共陽方式連接，控制程序放在STC89C52的ROM 中，I/O 口輸出低電壓，相連的狀態(tài)顯示LED被點亮；I/O 口輸出高電壓，狀態(tài)顯示LED 熄滅，LED接口電路如圖3 所示。

圖3 LED接口電路

在LED 電路中，每個LED 與MCU 的I/O 之間都必須串聯(lián)限流電阻，而且阻值至少為180 Ω 。按照電源電壓2.3 V 時正常發(fā)光工作電流為15 mA 計算，分去5 V 電源電壓中的2.7 V 電壓，則得到

且電阻功率應(yīng)為

系統(tǒng)設(shè)計中設(shè)置了SR、SC、SL 模式按鍵，分別與單片機P1.3、P1.4 和P1.5 直接相連，按鍵電路如圖4所示。

圖4 按鍵電路

2.3 電阻測量電路設(shè)計

555 時基電路是一種應(yīng)用廣泛的時基發(fā)生器，外接電阻與電容即可組成多諧振蕩器[4]。電抗參數(shù)測量采用“脈沖計數(shù)法”，由555 電路組成多諧振蕩器，通過555 輸出振蕩頻率計算被測R 阻值^[5]，測量原理如圖5。

555 時基電路構(gòu)成的多諧振蕩器，振蕩周期為：

得：

即：

其中， R5 = 1 kΩ ， R6 = 1 kΩ ， C5 = 0.1 μF。

圖5 電阻測量原理圖

2.4 電容測量電路設(shè)計

電容電抗參數(shù)測量方法也是采用“脈沖計數(shù)法”，由555 時基電路構(gòu)成多諧振蕩電路^[6]，通過計算振蕩器輸出頻率計算被測電容的大小^[7]，電容測量原理如圖6。555 電路多諧振蕩器振蕩周期為：

設(shè)： ，得：

即：

其中： R3 = 200 kΩ，R4 =1 MΩ，C4 = 0.1 μF

圖6 電容測量原理

2.5 電感測量電路設(shè)計

電感電抗參數(shù)測量采用電容三端式振蕩器，電容三端式振蕩器也稱為考畢茲振蕩電路^[8]，采用“射同余異”的組成原則^[9]，電感測量原理如圖7 所示，振蕩頻率為：

即：

圖7 電感測量電路

3   軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計，以單片機作為控制器，控制按鍵選擇參數(shù)測量模式，通過LCD 顯示測量結(jié)果，模式控制按鍵處理流程如圖8。

RLC 電抗參數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計中，為了操作方便、直觀，LED 顯示被測參數(shù)的模式，通過按鍵SR、SC、SL來進行控制，按鍵子程序操作流程如圖9。

測試中放入待測元器件，開啟電源，選擇測量參數(shù)模式。首先選擇被測元件電抗參數(shù)的類別，MCU 控制器根據(jù)模式開啟不同的測試模塊程序，測試完成后結(jié)果通過LED 顯示。

系統(tǒng)設(shè)計中頻率計算通過MCU 外部中斷INT1 實現(xiàn)，對外觸發(fā)產(chǎn)生的脈沖頻率進行測量，通過MCU 對測量數(shù)據(jù)校正計算完成對頻率^[10]。MCU 頻率測量原理如圖10。

當t1 時刻檢測到高電平，開定時器同時計數(shù)； t2 時刻等待檢測低電平；在t3 時刻第二次檢測到高電壓，關(guān)閉定時器并停止計數(shù)^[11]。

GATE =1，TR1 =1 , 當INT1引腳的輸入為高電壓時， t1 開始計數(shù)。外部輸入脈沖經(jīng)過INT1 引腳，當檢測到高電壓時，打開定時器開始計數(shù)；當檢測到低電平時，記錄脈沖的脈寬，但需要的參數(shù)是頻率，所以在程序中要繼續(xù)檢測，等待下一個高電壓的到來；再次檢測到高電壓時，關(guān)閉定時器停止計數(shù)，用此計數(shù)據(jù)乘以機器周期，得出觸發(fā)電路產(chǎn)生周期，最后通過計算得到輸入信號頻率f ^[12]，測頻程序流程如圖11。

4   實驗與測試

4.1 液晶顯示電路調(diào)試

顯示電路分別與MCU 的P1.0、P1.1、P1.2 相連接，顯示測量結(jié)果。接通電源，用示波器測試輸出波形，輸出顯示為方波，電路焊接無誤工作正常，否則硬件電路存在故障，應(yīng)斷電檢查。改變電源輸出電壓，輸出方波頻率會隨之發(fā)生變化。經(jīng)測試，當Vcc 為3.25 V 左右時誤差較小。

4.3 實驗數(shù)據(jù)

5   結(jié)束語

系統(tǒng)采用STC89C52 為核心，便于攜帶，穩(wěn)定性強，調(diào)試和維護簡便。通過555 振蕩器與電容三端式振蕩器產(chǎn)生不同振蕩頻率，測試頻率通過CD4052 模擬開關(guān)輸入單片機計數(shù)，顯示電路顯示被測參數(shù)的測量值。根據(jù)按鍵選擇情況，控制被測參數(shù)所對應(yīng)的子程序，靈活控制被測參數(shù)檔位切換。經(jīng)測試，RLC 參數(shù)測試系統(tǒng)精度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強，具有很強的使用價值。

參考文獻：

[1] 甕嘉民,蔣威,陳孝宗.電感電容頻率—體化簡易測量儀設(shè)計[J].電子器件.2019,38(09):148-152.

[2] 劉福星,任全會.便攜式電容電感測試系統(tǒng)設(shè)計[J].鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學院學報, 2019,34(08):67-70.

[3] 王劍,王黨朝,黃永超,等.基于Labview的仿真暫態(tài)過程測量儀開發(fā)[J].內(nèi)江師范學院學報,2019,34(08）:48-52.

[4] 于柏,費騰,只德瑞.一種簡易RLC測量系統(tǒng)的研制[J].實驗室研究與探索,2021,40(01):130-134.

[5] 王韋剛,張云偉,田龍彬.一種諧振頻率的簡便求解與測量[J].國外電子測量技術(shù),2019,42(23):25-29.

[6] 東忠閣.基于LabVIEW的RLC測量儀設(shè)計[J].電子科學技術(shù),2017,04(05):28-31.

[7] 吳勇,汪樹青.電LCR測量儀校準方法研究[J].電子世界,2020,(23):95-97.

[8] XU M, ZHU L.Ferro-resonance Overvoltage Identification Using Earth Capacitance and Excitation Inductance of Ratio Method[C].Proceedings of 2017 International Conference on Advances in Materials,Machinery,Electrical Engineering(AMMEE 2017),2017.

[9] 賴瑞鏹.基于Arduino的RLC測量儀的研究與設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導報,2019,16(18):121-124.

[10] 王杰.基于51單片機的電容電感測量儀設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2019(24):32-33.

[11] 王勇,王梨英.高精度測量儀的研究與設(shè)計[J].電子世界,2018,(06):140-160.

[12] 黃江.基于STM32 的高精度電容測量儀設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導報,2017(27):139-141.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）