大量程電感表Word

1、超大量程電感表許劍偉 莆田第十中學(xué)一、引言：無(wú)線電愛(ài)好者，經(jīng)常要測(cè)量電感量，他們常常測(cè)量小到零點(diǎn)幾u(yù)h或大到上千h的電感。除了商品數(shù)字電橋可以測(cè)量，其它儀表很難測(cè)出來(lái)。后來(lái)，在網(wǎng)上看到捷克人的作品，基于lm311制作了一個(gè)小電感測(cè)量?jī)x，國(guó)內(nèi)也有很多愛(ài)好者仿制。出于好奇，也動(dòng)手仿制并做了改進(jìn)，重新分析、設(shè)計(jì)電路，使得本表可以極寬范圍測(cè)量，而且精度良好。最先使用洞洞板調(diào)試，后來(lái)打樣pcb板安裝了數(shù)臺(tái)，效果良好。二、電路原理本表利用lm393做為放大器，在正反饋回路加放lc選頻回路，得到穩(wěn)定的振蕩，并由單片機(jī)測(cè)量出振蕩頻率f。當(dāng)f和c已知，就可以計(jì)算出l的值。雖然lm393頻響比lm311差5倍，但

2、本表通過(guò)合理的補(bǔ)償，可以消除lm393速度上的不足，大幅減小了小電感測(cè)量誤差。此外，由于采用了高阻耦合，使得本電路可以測(cè)量1000h以上的電感。電路原理如下圖。ca是基準(zhǔn)電容，la是輔助諧振電感。rf*c1應(yīng)大于rb*c2，以免低頻自激或間歇振蕩。c1、c2是隔直流電容。c4、c5是表筆高頻干擾信號(hào)吸收電容（不是工頻吸收電容）。c6是相位補(bǔ)償電容（lm393無(wú)內(nèi)置相位補(bǔ)償）。r1、r2、r3是1/3衰減器兼直流編置電壓發(fā)生器。rf是高阻同相耦合器。r4、r5是上拉電阻。rf1、rf2是負(fù)反饋電阻，7.2倍放大。r6是偏置電阻并產(chǎn)生數(shù)毫伏正偏壓。r7、r8是給二極管施加測(cè)試電流的電阻那個(gè)rf耦合

3、電阻，在超聲波范圍內(nèi)并不是存阻的。當(dāng)頻率較高時(shí)，電阻兩端的分布電容及l(fā)m393內(nèi)的信號(hào)耦合是不可以忽略的。雖然是電容耦合量很小，但在密勒效應(yīng)的作用下，等效到輸入端的電容會(huì)被成百倍放大，有效諧振電容變小。當(dāng)頻率比較高時(shí)，諧振器的阻抗很小，所以反饋系數(shù)非常弱，這就造成密勒效應(yīng)的影響嚴(yán)重，可影響2%以上，為此，高頻率下有效諧振電容需要適當(dāng)修正。此外，lm393的延遲也會(huì)造成振蕩頻率變小，引起測(cè)值變大。以上因素，結(jié)合起來(lái)，有效諧振電容還要修正 k=5e-8 * rf * f，式中rf是指反饋總電阻（單位m歐），f指頻率（單位hz）。電感的計(jì)算公式變?yōu)椋?實(shí)際上，可以理解為a就是考慮密勒效應(yīng)及l(fā)m393

4、延時(shí)后對(duì)頻率修正的結(jié)果。同理，電容計(jì)算公式則為： la與ca均指當(dāng)前頻率下的輔助電感與輔助電容量的真值。如果事先測(cè)出ca與la的非線性誤差，則可以在程序中進(jìn)行修正處理。使用質(zhì)量好的la與ca，就無(wú)須修正。l/c切換開(kāi)關(guān)的接觸電阻易造成測(cè)量誤差，所以電路中電感檔采用直通接入被測(cè)電感，電容檔采用高阻抗（用4.7mh的）的諧振電感l(wèi)b，這樣就可以大大減小接觸電阻對(duì)測(cè)量的影響。以上計(jì)算成立是有條件的，要求諧振器處于高q狀態(tài)。q<10，精度受到明顯影響。由于使用了高阻耦合，測(cè)量大電感時(shí)，對(duì)諧振器的q值影響得到有效控制。三、調(diào)試、元件及制作工藝1、pcb板上幾個(gè)失誤：把測(cè)試線接線端子放在la電感旁邊

5、。測(cè)量時(shí)，表筆位置移動(dòng)，就改變了測(cè)量回路與la電感的距離，引起0.0xuh的變化。這對(duì)測(cè)量0.xuh電感是十分不利的?？梢园岩€針折彎，使表筆軟件焊接點(diǎn)遠(yuǎn)離la，就可以解決這個(gè)問(wèn)題了。電感放在了液晶屏銅柱子旁邊，引起電感q值嚴(yán)重下降?？梢愿挠盟芰现咏鉀Q問(wèn)題。如果要用銅柱子，可以斷開(kāi)左邊銅柱子下的地線，使得“液晶上的導(dǎo)線右銅柱pcb地線左銅柱”環(huán)路消失，可以減小它對(duì)旁邊的la的q值影響。 pcb板晶振位置大小不正確，晶振不易安裝。需長(zhǎng)腳立裝。儀表用的晶振，質(zhì)量要求高。建議使用有源晶振，可靠性好些。調(diào)試10套普通晶振的，遇到一臺(tái)無(wú)故誤差1%，經(jīng)反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)是晶振不可靠。原設(shè)計(jì)使用銅柱子固定lc

6、d1602，不巧，輔助是感l(wèi)a放在了銅柱子旁邊。銅柱子會(huì)影響la的電感量及q值，對(duì)小電感測(cè)量不利。特別是，銅柱子接觸不良，會(huì)引起la電感量變化，進(jìn)而出現(xiàn)零點(diǎn)不穩(wěn)象現(xiàn)。實(shí)際上，液晶板與主板，通過(guò)兩個(gè)銅柱子，形成了一個(gè)地線環(huán)。這個(gè)環(huán)正好與la電感靠得很近，對(duì)于高頻率來(lái)說(shuō)，地線環(huán)會(huì)改變振蕩頻率。當(dāng)?shù)鼐€環(huán)時(shí)有時(shí)無(wú)，就造成零點(diǎn)不穩(wěn)。 由于電路改動(dòng)，所以與原先pcb也要改動(dòng)。2、本表測(cè)量精度與諧振電容ca有關(guān)。云母電容是低溫漂的，適合儀表使用。低頻檔的諧振電容是cb=100nf，請(qǐng)使用cbb/630v或cbb/400v電容。須是100nf，如果有偏差，應(yīng)修改程序中的cm2參數(shù)。本表開(kāi)機(jī)時(shí)顯示ca和cb的標(biāo)

7、定值。即3n3與100n電容在1khz時(shí)的容量。其中，3n3是電容放入電路電路板上，還要加上3pf布電容。如，測(cè)得電容為3.001nf，則cm應(yīng)置為3.004nf3、本表測(cè)量精度與la、lb的線性度有一定關(guān)系。使用電感采用q值較高的工型電感器。尺寸使用6mm*8mm工型磁芯即可，體積過(guò)大易受到分布參數(shù)影響。使用0.2mm左右的漆包線，可以得到較高的q值，使用0.04*60的李茲線繞制可以得到更高的q值。電感q值高，它的線性度一般也比較好，電感量隨頻率變化小一些。檢測(cè)q值時(shí)，la用200khz測(cè)量，lb用50khz測(cè)量即可。4、測(cè)量小電感l(wèi)a的選值影響測(cè)量精度。振蕩器的穩(wěn)定度一般只在1e-4到1

8、e-5之間。計(jì)算電感時(shí)，先計(jì)算出諧振回路總電感然后扣除la，因頻率不穩(wěn)，就會(huì)產(chǎn)1e-4級(jí)別的短期不穩(wěn)，1e-3級(jí)別的漂移。如la=220，零漂移可達(dá)220*1e-3=0.2uh，如果la=25uh，則漂移只有25*1e-3=0.025uh。5、被測(cè)電感的q值影響小電感測(cè)量精度。理論上可以證明，即使在q值較高時(shí)，測(cè)量小電感還是有誤差。誤差絕對(duì)量可以表示為l=r*t0，式中r是諧振回路的串聯(lián)損耗電阻，t0是振蕩器的延時(shí)。選取適當(dāng)?shù)膌a，可以使得t0變得，la取25uh至50uh，t0的影響基本可以消除。下圖是我改進(jìn)的作品。我把220uh電感改為50uh自繞電感，能夠更好的測(cè)量10uh以下的電感。由

9、于沒(méi)有注意繞制工藝，造成q值只有17（200khz），但效果也不會(huì)太差。因?yàn)閝值太小，引起20uh以下電感測(cè)值偏小1%左右。可以使用礦機(jī)工藝改造這個(gè)電感。比如，使用李茲線繞制，并在磁芯上面墊一層生料帶。下圖電感采用25uh的，它是在磁芯上，內(nèi)層墊上生料帶，使用0.04*60多股線繞制，1.3mhz時(shí)q值可達(dá)150以上。因?yàn)椴灰踪I到25uh的高q電感，diy是倒是比較容易一些。正因?yàn)槭褂昧烁遯線圈，小電感測(cè)量精度再次得到保證，而且零點(diǎn)基本不漂。開(kāi)機(jī)后20分鐘內(nèi)，漂了0.02uh，再往后觀察，未見(jiàn)漂移。此外，所以與諧振器相關(guān)的切換開(kāi)關(guān)，接觸電阻應(yīng)小一些，以免影響諧振電路的q值。6、關(guān)于低頻測(cè)量功能

10、擴(kuò)展通常鐵芯電感在3khz以下頻率可以取得較大的q值，測(cè)值變得準(zhǔn)確。在15khz頻率q值將下降到2以下，測(cè)量精度嚴(yán)重下降，而且15khz頻率往往遠(yuǎn)離鐵芯電感實(shí)際應(yīng)用頻率。測(cè)量200mh至10mh的鐵芯電感，諧振頻率可高達(dá)20khz，鐵芯電感的q值不行，諧振不可靠，本表無(wú)法可靠測(cè)量。如果是鐵氧體電感，幾乎不存在這個(gè)問(wèn)題，它的q值比鐵芯電感高得多，各種電感量都可以測(cè)量。為了解決這個(gè)問(wèn)題，有必要增加一個(gè)低頻測(cè)量功能。可按電路圖補(bǔ)接一個(gè)cbb 630v/100nf的電容。接線示意如圖。如不需要低頻功能，請(qǐng)將p1.0接到地線上。圖中是一個(gè)扭子開(kāi)關(guān)，接觸電阻為2mr左右。不要使用接觸電阻為100mr以上的

11、開(kāi)關(guān)。7、表筆制作長(zhǎng)度10cm就夠了。不要太長(zhǎng)。8、電源要求本電路對(duì)電源質(zhì)量要求高，不要使用開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源干擾大，嚴(yán)重影響大電感測(cè)量，甚至造成無(wú)法測(cè)量。使用“雙6v鐵芯銅線變壓器”或“鐵芯銅線變壓器制造的9v直流適配器”或“鋰電池”均可。五、使用方法1、屏上的標(biāo)識(shí)及使用第1行顯示電感量。首字是“l(fā)”或“c”，分別表示測(cè)電感和測(cè)電容，用“l(fā)/c”按鍵切換。第2行顯示頻率。行末還有一個(gè)“h”或“l(fā)”，分別表示高頻檔和低頻檔。安裝了那個(gè)扭子開(kāi)關(guān)及100n電容，才有“h”與“l(fā)”兩檔。否則，請(qǐng)把p1.0接地，這樣只有“h”檔。低頻“l(fā)”檔主要用來(lái)測(cè)量10mh至1h的鐵芯電感。當(dāng)諧振頻率過(guò)高時(shí)，鐵芯

12、變壓器q值低。頻率降到3khz以下，測(cè)量就可靠得多。當(dāng)rd端子接入二極管或短路，會(huì)自動(dòng)切換到rd測(cè)量狀態(tài)。已安裝了雙6v變壓器接口。也有9v電池接口，它受power開(kāi)關(guān)控制。9v電池與變壓器不可同時(shí)使用，否則變壓器會(huì)對(duì)電池充電，電池受損。2、清零，用clear鍵清零rd檔要短路清零，電感檔要短路清零，電容檔要開(kāi)路清零?！岸搪非辶恪本褪潜砉P短路后，按clear鍵?！伴_(kāi)路清零”就是表筆開(kāi)路后按clear鍵。每次使用時(shí)，要先看一下零點(diǎn)（電感檔、rd檔，看短路零點(diǎn)，電容檔看開(kāi)路）。如果零點(diǎn)偏移較大，影響你的測(cè)量，則做清零。不影響測(cè)量，則不要清零。如果零點(diǎn)異常，顯示有“*”號(hào)或超大零點(diǎn)數(shù)值（這一般是錯(cuò)誤

13、清零操作造成的），這時(shí)須做清零操作。rd檔短路清零后，rd與ut會(huì)含有“*”號(hào)是正常的。后面顯示的兩個(gè)電壓值，則應(yīng)變?yōu)?mv平時(shí)測(cè)量，不必頻繁清零。因?yàn)?，每次清零，就?huì)把清零數(shù)據(jù)寫到eeprom，而eeprom的擦寫壽命有限。約幾萬(wàn)次到百萬(wàn)次吧。比如，當(dāng)前測(cè)量1000uh，而零點(diǎn)是1.2uh，相對(duì)于1000uh來(lái)說(shuō)，1.2uh是可以忽略的，所以不必清零。再比如，測(cè)量10h，不用清零的。因?yàn)榱泓c(diǎn)的uh級(jí)或nh級(jí)漂移，根本不會(huì)影響10h電感的測(cè)量。六、精度 我實(shí)測(cè)3個(gè)電感比對(duì)，與電橋測(cè)值基本相同，在同頻率下用0.2v比對(duì)。使用質(zhì)量較好的電感比對(duì)：lcz1062電橋lc-rd v1.04.26mh4

14、.27mh179uh181uh56.8uh56.8uh672uh669uh 雖然上表得到的測(cè)量結(jié)果還不錯(cuò)，但不表示所有電感都能得到這樣的結(jié)果。應(yīng)注意到，不同q值的電感，測(cè)量誤差不相同。有載q值小于3，測(cè)量誤差明顯增加。1、大電感測(cè)量，有載q值低，選頻能力差，所以測(cè)量精度下降一些。而且，由于頻率只分辨到1hz，大電感諧振頻率卻只有100hz左右，還會(huì)引入2%誤差。不過(guò)，達(dá)到5%問(wèn)題不大。當(dāng)諧振頻率接近于或大于變壓器自諧振頻率時(shí)，q值小得可憐，測(cè)值不準(zhǔn)，這時(shí)應(yīng)切換到低頻檔測(cè)量。2、特別小的電感（20uh以下），其內(nèi)阻影響諧振回路的q值，引起測(cè)量誤差不可忽略。la使用220uh，大約直流電阻每歐姆引

15、入0.6uh的負(fù)偏差。如果la使用25uh，這種負(fù)偏差會(huì)減小10倍。可以接入1歐姆電阻測(cè)量，觀察零點(diǎn)偏情況。比如la=220uh，測(cè)量4.7uh色環(huán)電感，內(nèi)阻0.8歐，負(fù)偏差0.6uh/歐，測(cè)得4.00uh，那么真值將得加上0.8歐*0.6uh/歐=0.48uh，得4+0.48=4.5uh。如果la=25uh，就無(wú)須做此項(xiàng)修正。礦機(jī)用的小電感，直流電阻很小，所以一般不用進(jìn)行修正。3、小于10h大于10uh范圍內(nèi)，如果被測(cè)電感q值有保證(q>10)，實(shí)測(cè)誤差一般不會(huì)超過(guò)1%4、當(dāng)被測(cè)電感遠(yuǎn)大于la時(shí)，本表測(cè)量結(jié)果是等效并聯(lián)電感。七、lm393的極限以上推導(dǎo)，t0是lm393振蕩器系統(tǒng)延遲時(shí)

16、間，這種延遲對(duì)小電感測(cè)量是有害的。當(dāng)la=220uh時(shí)t0是負(fù)值。la改為25uh，若q值保持不變，那么諧振阻抗變小約3倍，反饋信號(hào)則變小3倍。而小信號(hào)時(shí)，lm393延遲量增加，這樣一來(lái)t0就接近于0。已上公式表明，如果t0為1微秒，諧振串聯(lián)內(nèi)阻1歐，將引入r*t0=1uh電感計(jì)算誤差。不少幾u(yù)h的小電感，內(nèi)阻在零點(diǎn)幾歐姆級(jí)別，顯然，引入的誤差不可低估。因此，盡量減小t0才可以提升小電感測(cè)量的精度。也許有人會(huì)問(wèn)，清零時(shí)不就把t0引入的誤差消除了嗎？其實(shí)，清零是扣除了輔助電感的測(cè)值。總誤差量是(r+r被測(cè))t0，r*t0誤差是清零了，但r被測(cè)*t0誤差清不了的。關(guān)于lm393延遲量的測(cè)定，可以采

17、取如下方法。rf短路，c1換為10uf，la=25uh高q（且la不隨信號(hào)帳度而變化），這樣c0*rf可以忽略。然后表筆短路起振清零。接入1歐電阻測(cè)得0.31uh，所以=l/r=0.31微秒。此時(shí)諧振器上的電壓約為vpp=0.35伏關(guān)于正反饋超前響應(yīng)c0*rf的測(cè)定。換一個(gè)la=220uh高q感，且不隨信號(hào)幅度變化的電感。清零后，測(cè)得1歐電阻為-0.6uh示值，所以t0=(-c0*rf)=-0.6us，因?yàn)?0.3us，所以c0*rf=0.9us。關(guān)于小信號(hào)時(shí)的測(cè)定。換一個(gè)la=25uh高q電感，清零后，測(cè)得1歐電阻為-0.0xuh示值，可以忽略。說(shuō)明此時(shí)c0*rf=0.9us，經(jīng)時(shí)諧振電壓為

18、vpp=0.12伏綜上，當(dāng)接入25uh左右電感，本電路正反饋超前響應(yīng)與lm393滯后響應(yīng)相互補(bǔ)償，使得lm393引入的誤差最小，當(dāng)被測(cè)電感的內(nèi)阻較大，并不會(huì)影響測(cè)量精度。這部分計(jì)算表明，接入25uh電感后，工作頻率為500khz左右的補(bǔ)償效果，測(cè)量小于10uh的電感，頻率基本上就在500khz左右。但這并不是說(shuō)程序設(shè)計(jì)時(shí)，密勒效應(yīng)的補(bǔ)償可以取消。從上式看出，當(dāng)q值恒定，相對(duì)誤差隨頻率增加而線性增加。當(dāng)頻率達(dá)到300khz，q=30至70所需的補(bǔ)償量約為2%，頻率繼續(xù)升高，振幅變小，lm393的延時(shí)增加，與超前補(bǔ)償相互抵消，所需補(bǔ)償量減小。程序中，補(bǔ)償算法采用簡(jiǎn)單的線性補(bǔ)償，即補(bǔ)償量隨頻率線性增

19、加。如果300khz時(shí)的補(bǔ)償量控制在1.5%，那么小于300khz輕微補(bǔ)償不足，300khz以上輕微補(bǔ)償過(guò)剩，整體誤差均衡，實(shí)測(cè)誤差約為正負(fù)0.5%八、負(fù)反饋電路對(duì)測(cè)量的影響大電感諧振阻抗高，可以得到與耦合端基本相等的電壓。a0是輸出方波幅值，a是諧振器上電壓峰值，a0/a理論值是3/4。由于電感損耗，a會(huì)變小一些，所以a0/a約為2.7左右。負(fù)反饋輸入電壓相當(dāng)于進(jìn)行了90度移相（是個(gè)三角波），那么，諧振器電壓也必須有等值的90度電壓分量，這樣才滿足振蕩的相位條件。 諧振頻率上，正弦波在三角波峰過(guò)后才能過(guò)零點(diǎn)，而三角波峰對(duì)應(yīng)輸出方波零點(diǎn)，所以諧振器上的正弦波相對(duì)輸出方波是滯后的，實(shí)際振蕩頻率將

20、變小，引起測(cè)量誤差。設(shè)r是諧振器并聯(lián)電阻，x是諧振器殘余電抗，負(fù)反饋?zhàn)枞轂閞g和cg，起振的相位條件是：代入本表的參數(shù)得電感測(cè)量誤差以上計(jì)算表明，隨著有載q下降，誤差會(huì)變大。當(dāng)被測(cè)電感為1000h時(shí)，諧振電路的q值是1.5左右，誤差為正編大0.037/（1.52)=1.6%因?yàn)榇箅姼袦y(cè)量，諧振電壓比較大，約為0.9v，與電橋比對(duì)時(shí)，應(yīng)把電壓設(shè)置為0.9v方可比對(duì)。由于測(cè)量1000h大電感，諧振頻率只有90hz左右，所以1hz數(shù)字誤差（本表只分辨到1hz）將引入2*(1/90)=2%左右的電感誤差。因此，大電感測(cè)量最終可高達(dá)2%+1.6%=3.6%正偏大誤差。如果注意技巧，當(dāng)數(shù)字有跳變時(shí)，只取小

21、的那一次電感讀數(shù)，這樣實(shí)讀誤差將減少為2.5%以內(nèi)。九、直流耦合電容c1對(duì)測(cè)量的影響設(shè)lc諧振的并聯(lián)電阻為r，在諧振頻率上，相當(dāng)于c1與r串聯(lián)后接入lm393，轉(zhuǎn)換為并聯(lián)模式，則電容量變?yōu)楸倦娐穼?shí)際參數(shù)代入得式中q為lc諧振器的q值（不是有載q）由于c1可以等效為諧振器的并聯(lián)電容，所以頻率下降，引起l測(cè)值偏大。諧振器的q值通常比較大，由公式看出， c1引入的測(cè)量誤差可以忽略不計(jì)的。但是，在低頻檔，這個(gè)問(wèn)題就不可以忽略了。低頻檔對(duì)應(yīng)的ca是100nf，c1是330nf，所以，顯然，當(dāng)q=3，誤差可達(dá)4%左右。如果希望低頻檔精度更好一些，可以把c1換為660nf的。實(shí)測(cè)也是如此，c1增加一倍，低頻檔誤差減半。當(dāng)然，c1也不宜過(guò)大，否則響應(yīng)速度變慢，而且大容量c1不好找。十、電感分布電容的影響電感分布電容的存在，將影響電感測(cè)量。這種分布電容通?？梢钥醋骷?/p>