整理大量程電感表

1、精品文檔超大量程電感表許劍偉 莆田第十中學(xué)一、引言：無線電愛好者， 經(jīng)常要測量電感量， 他們常常測量小到零點幾 uH 或大到上千 H 的電感。除了商品數(shù)字電橋可以測量，其它儀表很難測出來。后來，在網(wǎng)上 看到捷克人的作品，基于 LM311 制作了一個小電感測量儀，國內(nèi)也有很多愛好 者仿制。出于好奇，也動手仿制并做了改進，重新分析、設(shè)計電路，使得本表 可以極寬范圍測量，而且精度良好。最先使用洞洞板調(diào)試，后來打樣 PCB 板安 裝了數(shù)臺，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，并由單片機測量出振蕩頻率 F。當(dāng)F和C已知，就可以計算出

2、L的值。雖然 LM393 頻響比 LM311 差 5 倍，但本表通過合理的補償， 可以消除 LM393 速度上的不足，大幅減小了小電感測量誤差。此外，由于采用了高阻耦合，使 得本電路可以測量 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吸收電容（不 是工頻吸收電容）。C6是相位補償電容（LM393無內(nèi)置相位補償）。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是負反饋電阻，7.

3、2倍放大。R6是偏置電阻并產(chǎn) 生數(shù)毫伏正偏壓。 R7、 R8 是給二極管施加測試電流的電阻精品文檔精品文檔諧振法電感表5¥It.2La25uHQ葛QLb4.TmH e>502屹*334Cl用川旳3才與程序匹配（阻型,如傅州）Hh獨石CbCa lOOn _斗3n3云母 低頻丄 i高頻 卄獨石334C2LC測量CEB/63OVFl.O4EV73k3R4R11=lootin oRb P3.EUrtU5VI loot|R2RfIM高阻R3耦合器 100k5V40STC12C5A603221FF3333L冷tn20丄丄JT下載線清零SVflf)LCD160£ 15214 131

4、211 6 4 5 1 伯18,432HHiT4T2C4472 C3H1H4OO7*£ _ .外" 翰 瀝 一juisealook =a -R6472C5 =Rf2苓;n3k3UR5OPkT100kI334丄亠csTTY5V作圖：windows畫筆設(shè)計；xjwOl于莆田第十中學(xué)? T沏uF334獨石精品文檔那個Rf耦合電阻，在超聲波范圍內(nèi)并不是存阻的。當(dāng)頻率較高時，電阻兩端 的分布電容及LM393內(nèi)的信號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被成百倍放大，有效諧振電容 變小。當(dāng)頻率比較高時，諧振器的阻抗很小，所以反饋系數(shù)非常弱

5、，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的延遲也會造成振蕩頻率變小，引起測值變大。k=5e-8 * Rf * f，式中 Rf 是指以上因素，結(jié)合起來，有效諧振電容還要修正反饋總電阻（單位M歐），f指頻率（單位Hz）。電感的計算公式變?yōu)椋? 10,L X = 2- L 0，令a = 2，貝y有 L 2（1-k）Ca 2（1-k）實際上，可以理解為a就是考慮密勒效應(yīng)及LM393延時后對頻率修正的結(jié)果。C a C同理，電容計算公式則為： Cx = CaL aLa與Ca均指當(dāng)前頻率下的輔助電感與輔助電容量的真值。如果事先測出Ca與La的

6、非線性誤差，則可以在程序中進行修正處理。使用質(zhì)量好的La與Ca,就無須修正。L/C切換開關(guān)的接觸電阻易造成測量誤差，所以電路中電感檔采用直通接入被 測電感，電容檔采用高阻抗（用4.7mH的）的諧振電感Lb，這樣就可以大大減 小接觸電阻對測量的影響。以上計算成立是有條件的，要求諧振器處于高 Q狀態(tài)。QV10,精度受到明顯 影響。由于使用了高阻耦合，測量大電感時，對諧振器的 Q值影響得到有效控 制。三、調(diào)試、元件及制作工藝1、PCB板上幾個失誤：把測試線接線端子放在La電感旁邊。測量時，表筆位置移動，就改變了測量 回路與La電感的距離，引起O.OxuH的變化。這對測量O.xuH電感是十分不利 的。

7、可以把引線針折彎，使表筆軟件焊接點遠離La，就可以解決這個問題了。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?解決問題。如果要用銅柱子，可以斷開左邊銅柱子下的地線，使得“液晶上的 導(dǎo)線7右銅柱7 PCB地線7左銅柱”環(huán)路消失，可以減小它對旁邊的 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，遇到一臺無故誤差1%,經(jīng)反復(fù)測試，發(fā)現(xiàn)是晶振不可靠。原設(shè)計使用銅柱子固定LCD1602，不巧，輔助是感La放在了銅柱子旁邊。銅 柱子會影響La的電感量及Q值，對小電感測量不利。

8、特別是，銅柱子接觸不良， 會引起La電感量變化，進而出現(xiàn)零點不穩(wěn)象現(xiàn)。實際上，液晶板與主板，通過兩個銅柱子，形成了一個地線環(huán)。這個環(huán)正好與La電感靠得很近，對于高頻率來說，地線環(huán)會改變振蕩頻率。當(dāng)?shù)鼐€環(huán)時有時無，就造成零點不穩(wěn)。由于電路改動，所以與原先 PCB也要改動。J 二'*3-*牡*此蠱是豁鴛薜罷躺£瞬芒鯛.7吹'*上的K4二Ik換為乳3k£3宀、B9H MB BH £* rBV <' BHI 亠L(fēng)/C CvtAH甕、曇薩舉責(zé)琢但V小電容測量精度可高達03%電感換為2511H高Q的0, 04*60線繞制2、本表測量精度與諧振電容

9、 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,請使用CBB/630V或CBB/400V電容。須是 lOOnF,如果有偏差，應(yīng)修改程序中的 Cm2參數(shù)。本表開機時顯示Ca和Cb的標(biāo)定值。即3n3與100n電容在1kHz時的容量。 其中, 3n3 是電容放入電路電路板上,還要加上 3pF 布電容。如,測得電容為 3.001 nF，則 Cm 應(yīng)置為 3.004nF3、本表測量精度與 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

10、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 Q 值時, La 用 200kHz 測量, Lb 用 50kHz 測量即可。4、測量小電感La的選值影響測量精度。振蕩器的穩(wěn)定度一般只在1e-4到1e-5之間。計算電感時，先計算出諧振回路總電感然后扣除La，因頻率不穩(wěn)，就會產(chǎn) 1e-4 級別的短期不穩(wěn), 1e-3 級別的 漂移。 如 La=220, 零漂移可達 220*1e-3=0.2uH，如果 La=25uH，則漂移只有 25*1e-3=0.025uH。5、被測電感的Q值影響小電感測量精度。理論上可以證明，即

11、使在 Q 值較高時，測量小電感還是有誤差。誤差絕對量 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。 選取適當(dāng)?shù)腖a，可以使得T0變得，La取25uH至50uH，T0的影響基本可以消 除。下圖是我改進的作品。我把 220uH 電感改為 50uH 自繞電感，能夠更好的測 量10uH以下的電感。由于沒有注意繞制工藝，造成 Q值只有17 (200kHz)， 但效果也不會太差。因為 Q值太小，引起20uH以下電感測值偏小1%左右。L 二 Ct&R FVMJeR比如，使用李茲線繞制，并在磁芯上面墊可以使用礦機工藝改造這個電感。一層生料帶。下圖電感采用 25uH的，

12、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Q值可達150以上。因為不易買到25uH的高Q 電感，DIY是倒是比較容易一些。，®a；正因為使用了高Q線圈，小電感測量精度再次得到保證，而且零點基本不漂。 開機后20分鐘內(nèi)，漂了 0.02UH,再往后觀察，未見漂移。此外，所以與諧振器相關(guān)的切換開關(guān)，接觸電阻應(yīng)小一些，以免影響諧振電 路的Q值。6、關(guān)于低頻測量功能擴展通常鐵芯電感在3kHz以下頻率可以取得較大的Q值，測值變得準(zhǔn)確。在15kHz 頻率Q值將下降到2以下，測量精度嚴(yán)重下降，而且15kHz頻率往往遠離鐵芯 電感實際應(yīng)用頻率。測量200mH至10mH的

13、鐵芯電感，諧振頻率可高達20kHz， 鐵芯電感的Q值不行，諧振不可靠，本表無法可靠測量。如果是鐵氧體電感， 幾乎不存在這個問題，它的 Q值比鐵芯電感高得多，各種電感量都可以測量。為了解決這個問題，有必要增加一個低頻測量功能?？砂措娐穲D補接一個CBB 630V/100nF的電容。接線示意如圖。Vi?*如不需要低頻功能，請將P1.0接到地線上。圖中是一個扭子開關(guān)，接觸電阻為 2mR左右。不要使用接觸電阻為lOOmR 以上的開關(guān)。7、表筆制作長度10cm就夠了。不要太長。8電源要求本電路對電源質(zhì)量要求高，不要使用開關(guān)電源。開關(guān)電源干擾大，嚴(yán)重影響 大電感測量，甚至造成無法測量。使用“雙 6V鐵芯銅線

14、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)識及使用第1行顯示電感量。首字是“L”或“C”，分別表示測電感和測電容，用“L/C” 按鍵切換。第2行顯示頻率。行末還有一個“ H”或“L”，分別表示高頻檔和低頻檔。安裝了那個扭子開關(guān)及100n電容，才有“ H”與“L”兩檔。否則，請把P1.0接 地，這樣只有“ H”檔。低頻“L”檔主要用來測量10mH至1H的鐵芯電感。當(dāng)諧振頻率過高時，鐵芯變壓器Q值低。頻率降到3kHz以下，測量就可靠得多。當(dāng)Rd端子接入二極管或短路，會自動切換到 Rd測量狀態(tài)。已安裝了雙6V變壓器接口。也有9V電池接口，它受powe

15、r開關(guān)控制。9V 電池與變壓器不可同時使用，否則變壓器會對電池充電，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，電容檔要開路清零?！岸搪非辶恪本褪?表筆短路后，按CLEAR鍵?！伴_路清零”就是表筆開路后按 CLEAR鍵。每次使用時，要先看一下零點（電感檔、Rd檔，看短路零點，電容檔看開路）。 如果零點偏移較大，影響你的測量，則做清零。不影響測量，則不要清零。如果零點異常，顯示有“*”號或超大零點數(shù)值（這一般是錯誤清零操作造成的）， 這時須做清零操作。Rd檔短路清零后，Rd與uT會含有“ * ”號是正常的。后面顯示的兩個電壓 值，則應(yīng)變?yōu)镺mV平時測量，不必頻繁清零

16、。因為，每次清零，就會把清零數(shù)據(jù)寫到EEP ROM，而EEPROM的擦寫壽命有限。約幾萬次到百萬次吧。比如，當(dāng)前測量1000uH，而零點是1.2uH，相對于1000uH來說，1.2uH是可 以忽略的，所以不必清零。再比如，測量 10H，不用清零的。因為零點的uH級 或nH級漂移，根本不會影響10H電感的測量。六、精度我實測3個電感比對，與電橋測值基本相同，在同頻率下用0.2V比對。使用質(zhì)量較好的電感比對：LCZ1062 電橋LC-Rd V1.04.26mH4.27mH179uH181uH56.8uH56.8uH672uH669uH雖然上表得到的測量結(jié)果還不錯，但不表示所有電感都能得到這樣的結(jié)果

17、。應(yīng) 注意到，不同Q值的電感，測量誤差不相同。有載 Q值小于3,測量誤差明顯 精品文檔精品文檔精品文檔增加。1、大電感測量，有載Q值低，選頻能力差，所以測量精度下降一些。而且，由于頻率只分辨到1Hz,大電感諧振頻率卻只有100Hz左右，還會引入2%誤差。 不過，達到5%問題不大。當(dāng)諧振頻率接近于或大于變壓器自諧振頻率時，Q值小得可憐，測值不準(zhǔn)，這時應(yīng)切換到低頻檔測量。2、特別小的電感（20uH以下），其內(nèi)阻影響諧振回路的Q值，引起測量誤差 不可忽略。La使用220uH，大約直流電阻每歐姆引入 0.6uH的負偏差。如果La 使用25uH，這種負偏差會減小10倍?？梢越尤?歐姆電阻測量，觀察零點偏

18、 情況。比如La=220uH，測量4.7uH色環(huán)電感，內(nèi)阻0.8歐，負偏差0.6uH/歐，測得 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，就無須做此項修正。礦機用的小電感，直流電阻很小，所以一般不用進行修正。3、小于10H大于10uH范圍內(nèi)，如果被測電感 Q值有保證（Q>10），實測誤差 一般不會超過1%4、當(dāng)被測電感遠大于La時，本表測量結(jié)果是等效并聯(lián)電感。七、LM393的極限R為并聯(lián)諧振損耗電阻,x為剩余諧振電抗，是等效串聯(lián)電阻LM 393延遲T，引起有效諧振電容變化也G，如下關(guān)系正反饋純阻部分為Rf,容

19、性部分為C。，有效諧振電容變化aC2也C2 = C0Rf / R有效諧振電容變化總量AC = 2 -心=（T-C0Rf）/R引起電感計算誤差A(yù) L存在如下關(guān)系A(chǔ)L _ 心CL C£（，C0Rf） = re-C0Rf） RCAL 丄ACC所以 AL = rT。，式中 T。= e-C0Rf）以上推導(dǎo)，T0是LM393振蕩器系統(tǒng)延遲時間，這種延遲對小電感測量是有害的。當(dāng)La=220uH時TO是負值。La改為25uH,若Q值保持不變，那么諧振阻 抗變小約3倍，反饋信號則變小3倍。而小信號時，LM393延遲量增加，這樣 一來TO就接近于0。盡量減小 TO才可以提升小電感測量的精度。清零時不就把

20、TO引入的誤差消除了嗎？其實，清零是扣除了 總誤差量是（r+r被測）T0，r*TO誤差是清零了，但r被測*T0已上公式表明，如果TO為1微秒，諧振串聯(lián)內(nèi)阻1歐，將引入r*T0=1uH電 感計算誤差。不少幾uH的小電感，內(nèi)阻在零點幾歐姆級別，顯然，引入的誤差 不可低估。因此，也許有人會問， 輔助電感的測值。 誤差清不了的微秒。此時諧關(guān)于LM393延遲量T的測定，可以采取如下方法。Rf短路，C1換為1OuF, La=25uH高Q （且La不隨信號帳度而變化），這樣CO*Rf可以忽略。然后表筆 短路起振清零。接入1歐電阻測得O.31uH,所以T = L/r=O.31 振器上的電壓約為Vpp=O.35

21、伏且不隨信號幅所以T0=（ T清零后，測得1歐電阻為-0.6uH示值，因為 T=0.3us，所以 C0*Rf=0.9us。T測定。換一個La=25uH高Q電感，清零后，測得1歐電阻 可以忽略。說明此時TC0*Rf=0.9us，經(jīng)時諧振電壓為關(guān)于正反饋超前響應(yīng) CO*Rf的測定。換一個La=22OuH高Q感， 度變化的電感。-CO*Rf）=-O.6us ,關(guān)于小信號時的為-O.OxuH示值，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 補償，使得LM393引入的誤差最小，當(dāng)被測電感的內(nèi)阻較大，并不會影響測量 精度。這部分計算表明，接入25uH電

22、感后，工作頻率為500kHz左右的補償效果， 測量小于10uH的電感，頻率基本上就在 500kHz左右。但這并不是說程序設(shè)計 時，密勒效應(yīng)的補償可以取消。C LAL 時L =r（T-QRf）=舌（CORf）= pqG-CoRJQL Q從上式看出，當(dāng) Q值恒定，相對誤差隨頻率增加而線性增加。當(dāng)頻率達到 300kHz, Q=30至 70所需的補償量約為2%頻率繼續(xù)升高，振幅變小，LM393的 延時T增加，與超前補償相互抵消，所需補償量減小。程序中，補償算法采用 簡單的線性補償，即補償量隨頻率線性增加。如果300kHz時的補償量控制在精品文檔精品文檔1.5%,那么小于300kHz輕微補償不足，300

23、kHz以上輕微補償過剩，整體誤差均 衡，實測誤差約為正負0.5%八、負反饋電路對測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3n /4。由于電感損耗，A會變小一些， 所以A0/A約為2.7左右。負反饋輸入電壓相當(dāng)于進行了 90度移相（是個三角波），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后才能過零點，而三角波峰對應(yīng)輸出方波 零點，所以諧振器上的正弦波相對輸出方波是滯后的，實際振蕩頻率將變小， 引起測量誤差。設(shè)R是諧振器并聯(lián)電阻，x是諧振器殘余電抗，負反饋阻

24、容為 Rg和Cg,起振 的相位條件是：正端90度分量=負端三角波峰值即 ATxRgCg 4得也C = A式中A 2/R0RgCg所以3兀Rf兀C = ()4 R。2B2R0RgCg也C_3兀2RfCaT1，式中 Ro = R/Rf，=蛍人 C,T =x色Ao _ 3兀 R + Rf _ 3兀 RfA " 4 R" 4 Ro得 Ca 8(3R0Ca)2RgCg進¥，式中Q是有載Q精品文檔Q2以上計算表明，隨著有載Q下降，振電路的Q值是1.5左右，誤差為正編大0.037/（ 1.5八2）=1.6%代入本表的參數(shù)得電感測量誤差0.037Ca誤差會變大。當(dāng)被測電感為 10

25、00H時，諧因為大電感測量，諧振電壓比較大，約為0.9V，與電橋比對時，應(yīng)把電壓設(shè)置為0.9V方可比對。由于測量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, 大電感測量最終可高達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，只取小的那一次電感讀數(shù)，這樣實讀誤差將減少為2.5%以內(nèi)。九、直流耦合電容C1對測量的影響AC _ Ca _ Ca 1 C7 (&Ca)2C1 "CQ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)锳C =(Rg)2本電路實際參數(shù)代入得乂 = 0.01CaQ2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測值偏大。諧振器的Q值通常比較大，由公式看出，C1引入的測量誤差可以忽略不計的。但是，在低頻檔，這個問題就不可以忽略了。低頻檔對應(yīng)的Ca是100nF, C1是330nF，所以邑二0!，顯然，當(dāng)Q=3,誤差可達4%左右。如果希望低頻檔L Q2精度更好一些，可以把C1換為660nF的。實測也是如此，C1增加一倍，低頻 檔誤差減半。當(dāng)然，C1也不宜過大，否則