基于STM32單片機(jī)的電感測(cè)量儀的研究及實(shí)現(xiàn)*

張清枝，李曉彥，宋科科

（新鄉(xiāng)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

0 引 言

電感器（簡稱電感）性能的優(yōu)劣在一定程度上決定了電路各項(xiàng)性能，因此在實(shí)際工作中對(duì)電感器的測(cè)量是非常重要的。目前電感的測(cè)量方法主要有電橋法、諧振法、三點(diǎn)式振蕩法等［1-2］。這些方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，例如：電橋法具有較高的測(cè)量精度，但需手動(dòng)調(diào)節(jié)，很難實(shí)現(xiàn)快速、自動(dòng)測(cè)量；諧振法對(duì)激勵(lì)信號(hào)的頻率要求較高測(cè)試時(shí)間也較長［3-4］。為取得較好的測(cè)試效果和較低的制作成本，本文提出采用暫態(tài)分析法測(cè)量電感的新方法。該方法將電感值測(cè)量轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)時(shí)間的測(cè)量，并利用單片機(jī)完成，同時(shí)上位機(jī)用LabVIEW快速搭建，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種電感測(cè)量儀，該儀器具有精度高、成本低，操作簡便等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，被測(cè)電感接入測(cè)量電路，和計(jì)算機(jī)按照規(guī)定連接好后，點(diǎn)擊測(cè)量按鈕，階躍信號(hào)發(fā)生電路輸出階躍信號(hào)，同時(shí)單片機(jī)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到結(jié)束條件時(shí)，單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，由測(cè)量所得的時(shí)間和相關(guān)電壓計(jì)算出待測(cè)電感的電感值，并將測(cè)量結(jié)果發(fā)到上位機(jī)處理和顯示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

2 電感測(cè)量原理

2.1 理論推導(dǎo)

圖2所示為一階RL系統(tǒng)，其中Ur為激勵(lì)信號(hào)，UL為輸出響應(yīng)。設(shè)電路初態(tài)為零，即電感沒有儲(chǔ)能，將圖3所示的階躍信號(hào)作為其激勵(lì)信號(hào)。

圖2 一階RL系統(tǒng)簡圖Fig.2 First-order RL system diagram

圖3 理想階躍信號(hào)Fig.3 Ideal step signal

列出該電路的s域方程組：

解之得：

對(duì)式（2）兩邊取拉氏反變換，得到階躍信號(hào)作用下電感L兩端電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律：

圖4 指數(shù)衰減函數(shù)曲線Fig.4 Exponential decay function curve

從圖4中可以看出，每一個(gè)時(shí)刻t都對(duì)應(yīng)著唯一的電壓uL。若t1=τ，由公式（3）可得：

2.2 基礎(chǔ)電路及其工作原理

根據(jù)式（5）可知，只要知道電阻值R和時(shí)間t1就可以精確計(jì)算出電感的大小。由于電阻R的阻值可在電路設(shè)計(jì)、制作時(shí)預(yù)設(shè)，一般取20Ω左右，故只需測(cè)量時(shí)間t1即可。

電壓比較器是在檢測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛的重要電路之一［6］。構(gòu)成電壓比較器的運(yùn)算放大器多工作于開環(huán)狀態(tài)或接入負(fù)反饋，不具備“虛短”特點(diǎn)，某時(shí)刻同相與反相兩輸入端誰的電位高，輸出就反映誰的特征［7］。本文以電壓比較器為核心所設(shè)計(jì)的基于暫態(tài)分析的電感測(cè)量電路如圖5所示。

圖5 電感測(cè)量電路Fig.5 Inductance measurement circuit

圖5所示的電阻R20和電感L1串聯(lián)，構(gòu)成了一階RL系統(tǒng)。P0.0通過限流電阻與單片機(jī)相連接，三極管Q1起開關(guān)作用，其開關(guān)動(dòng)作受單片機(jī)的控制，當(dāng)P0.0為低電平時(shí)，三極管Q1關(guān)斷，運(yùn)算放大器同相端電壓為0 V，當(dāng)P0.0為高電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，運(yùn)算放大器同相端電壓為5 V，即運(yùn)放同相端近似地輸入一個(gè)幅值為5 V的階躍信號(hào)。

可調(diào)電阻R16起分壓作用，將運(yùn)算放大器反相端電壓設(shè)定為ur×e-1，即1.809 V。由于運(yùn)算放大器工作于開環(huán)狀態(tài)，所以在階躍信號(hào)作用下，當(dāng)圖4所示的零時(shí)刻到來，運(yùn)算放大器輸出高電平；當(dāng)時(shí)間推移到t1時(shí)刻運(yùn)算放大器輸出低電平。運(yùn)算放大器輸出端與單片機(jī)的IO口連接。

綜上所述在單片機(jī)控制下，零時(shí)刻三極管Q1產(chǎn)生一階躍信號(hào)，運(yùn)算放大器輸出高電平，單片機(jī)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)運(yùn)算放大器輸出端電平變?yōu)榈蜁r(shí)，單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，得到t1的數(shù)值，根據(jù)式（5）準(zhǔn)確計(jì)算出電感的大小。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)設(shè)計(jì)

考慮到上位機(jī)軟件開發(fā)的周期、成本、穩(wěn)定性等，本上位機(jī)軟件系統(tǒng)使用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)Lab-VIEW。該軟件因其直觀、簡單的編程方式，強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，以及與各種軟硬件的便捷連接方法，受到了廣大實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員和硬件工程師的歡迎，在測(cè)控應(yīng)用領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用［8-10］。

本測(cè)控軟件通過串口通信與單片機(jī)進(jìn)行信息交流，捕捉用戶測(cè)量意圖，控制下位機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)，實(shí)時(shí)讀取電感測(cè)量電路采集的數(shù)據(jù)，并做適當(dāng)處理，最終不僅將電感的大小顯示到屏幕上，而且還將每次測(cè)試結(jié)果自動(dòng)記錄在預(yù)先設(shè)定好路徑的Excel文件中。設(shè)計(jì)好的上位機(jī)程序前面板如圖6所示。

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件的任務(wù)是接收來自上位機(jī)的指令，控制圖5所示的電感測(cè)量電路的狀態(tài)，采集時(shí)間數(shù)據(jù)，適當(dāng)處理后發(fā)送給上位機(jī)。下位機(jī)軟件程序框圖如圖7所示。下位機(jī)軟件運(yùn)行于STM32單片機(jī)上，其采用 ARM Cortex-M0內(nèi)核，運(yùn)行頻率達(dá) 48 MHz，非常有利于采集微小的時(shí)間信號(hào)。

4 誤差分析

誤差是電子測(cè)量中一個(gè)非常重要的指標(biāo)，因此應(yīng)了解可能造成誤差的原因，并采取相應(yīng)措施以減少誤差。一般來說電感測(cè)量的誤差主要分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差［11-12］，其中隨機(jī)誤差是引起引起電感測(cè)量誤差的主要原因，而電感的儲(chǔ)能、自阻，計(jì)時(shí)誤差等則是隨機(jī)誤差產(chǎn)生的主要因素。一般來講測(cè)量前泄放電感的儲(chǔ)能則可以大大降低電感儲(chǔ)能的影響；電感自阻的影響一則比較小，另外也可以通過程序的調(diào)試予以一定的抵消，故在硬件設(shè)計(jì)時(shí)不做特別處理；電源質(zhì)量、元器件參數(shù)以及單片機(jī)程序和晶振在很大程度上決定了計(jì)時(shí)誤差。故在綜合考慮電路結(jié)構(gòu)的前提下，本測(cè)量儀采用鋰電池供電、高精度低溫漂電阻、高精度低溫漂有源晶振和TL081運(yùn)算放大器。由于TL081具有上升時(shí)間短（0.05μs）、輸入電阻大（1012Ω）等特點(diǎn)，大大減少了運(yùn)放對(duì)RL系統(tǒng)的干擾，提高了測(cè)量精度。

圖6 上位機(jī)程序前面板Fig.6 Front panel of PC program

圖7 下位機(jī)程序框圖Fig.7 Block diagram of lower computer program

為分析本電感測(cè)量儀的測(cè)量效果，選擇若干電感值為100μH的電感進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。表1中實(shí)際值是利用某廠生產(chǎn)的YY2810 LRC數(shù)字電橋所測(cè)的同批電感值。由表1可知此時(shí)誤差在±9.8%以內(nèi)?？紤]到前期設(shè)計(jì)時(shí)已采取多種措施以減少測(cè)量誤差，故在兼顧成本與測(cè)量精度的前提下，選擇試湊的方法來抵消誤差，即取100μH標(biāo)準(zhǔn)電感進(jìn)行校準(zhǔn)，反復(fù)修改、調(diào)試下位機(jī)程序，通過軟件程序的微調(diào)達(dá)到減小誤差的目的。校正后的測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知校正后的誤差在±0.6%以內(nèi)，比校正前大大較低。

表1 校正前后電感測(cè)量值與相對(duì)誤差Tab.1 Inductance measurement values and relative error before and after correction

5 結(jié)束語

為使該測(cè)量儀在較大測(cè)量范圍內(nèi)有較高的測(cè)量精度，分別取 68μH，100μH，220μH，330μH，470 μH標(biāo)準(zhǔn)電感，進(jìn)行多次校準(zhǔn)。取標(biāo)稱值為33μH～470μH電感若干進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 33μH～470μH電感測(cè)量值與相對(duì)誤差Tab.2 Inductance measurement values and relative error of 33μH ～470μH

表2中實(shí)際值是利用國內(nèi)某廠生產(chǎn)的YY2810 LRC數(shù)字電橋所測(cè)的同批電感值。由表2可知，該測(cè)量儀對(duì)于33μH～470μH的電感測(cè)量誤差在±2%以內(nèi)，不僅能夠滿足工程實(shí)踐的需要，更由于其能夠自動(dòng)記錄多次測(cè)量數(shù)據(jù)并生成相應(yīng)的曲線圖，大大減輕了科研人員的工作量。作為一種操作方便、數(shù)據(jù)顯示清晰的簡單電感測(cè)量手段，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。若要進(jìn)一步擴(kuò)大該測(cè)量儀的測(cè)量范圍、提高其測(cè)量精度，則需要多選取一些不同電感值標(biāo)準(zhǔn)電感進(jìn)行校準(zhǔn)；此外，該電路只要稍加改動(dòng)便能實(shí)現(xiàn)電容或電阻的測(cè)量，即將一階RL電路改為一階RC電路或?qū)⒁浑ARL電路中的電感和電阻互換即可。經(jīng)將近一年的實(shí)驗(yàn)室試用證明該測(cè)量儀性能穩(wěn)定，具備一定的推廣價(jià)值。