CN112630540A - 电感品质因数测量方法、相应的测量电路及其应用 - Google Patents

电感品质因数测量方法、相应的测量电路及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电感品质因数测量方法、相应的测量电路及其应用，其中，通过给予振荡电路一个阶跃电压，令所述的振荡电路进行欠阻尼振荡，通过
Figure DDA0002213486070000011
或
Figure DDA0002213486070000012
进行简单的四则运算即可计算的备用的电感品质因数Qi的值，然后通过对求出的数个备用的电感品质因数Qi的值求平均值即可确定所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值。采用本发明的电感品质因数测量方法、相应的测量电路及其应用在测试过程中进行测量几个点的电压参数，然后通过简单的四则运算即可求出振荡电路中的电感的品质因数Q的值，对电路的要求较低，有效节约测量成本，也使得测量过程更为简单。

Description

电感品质因数测量方法、相应的测量电路及其应用
技术领域
本发明涉及电学领域，尤其涉及电子元件参数的测量领域，具体涉及一种电感品质因数测量方法、相应的测量电路及其应用。
背景技术
在电路领域，电感是一种较为常用的电子器件，而电感品质因数Q的值则是评估整个电路的一个重要参数，电感品质因数Q的值为正整数。但在当前无线充电系统或者其他电路系统中，LC振荡电路中电感品质因数——Q值(Q factor)的测量，其方法往往比较复杂，且对电路的处理时序要求较高。
现有技术中，一般测试电感的Q值往往需要一定的仪器或较为复杂的电路，比如采用电桥进行测量，而电路中Q值测量的实现一般都基于振荡电路的谐振特性，首先确认电感的谐振频率，再测量其感值、直流电阻、交流电阻等参数，通过较为复杂的计算才能得出电感的Q值。或者就是需要较为复杂繁琐的控制与测量过程，同时需要复杂的计算，如在找到振荡电路的谐振频率的基础上，通过驱动电压与谐振电压的比值来确认Q值的大小，这种电路就需要一个速度与精度较高的模数转换器ADC才能实现，电路成本较为昂贵。
发明内容
本发明的目的是克服至少一个上述现有技术的缺点，提供了一种易于实现、无需复杂的电路结构及复杂电路控制方法，且操作简便的电感品质因数测量方法、相应的测量电路及其应用。
为了实现上述目的或其他目的，本发明的电感品质因数测量方法、相应的测量电路及其应用如下：
该电感品质因数测量方法，其主要特点是，所述的方法为：
(1)给予振荡电路一个阶跃电压，令所述的振荡电路进行欠阻尼振荡；
(2)在预选的所述的振荡电路的振荡过程，通过下列式1或式2求取出至少一个备用的电感品质因数Qi的值：
Figure BDA0002213486050000021
其中，vC(ti)为测量得到的ti点的电压值，vC(ti+T)为测量得到的与ti点间隔一个振荡周期T处的电压值；
Figure BDA0002213486050000022
其中，vp-p(ti)为测量得到的ti点的峰-峰值电压，vp-p(ti+T)为测量得到的与ti点间隔一个振荡周期T处的峰-峰值电压；
其中，i为自然数，即i＝(1、2、……n)，且i的个数由系统预设，即n的具体取值由系统预设，测量过程中系统对每一个i对应的数均进行求取；
(3)当系统预设的i的个数为1时，求取出的所述的备用的电感品质因数Qi的值即为所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值，当系统预设的i的个数大于1时，继续后续步骤(4)；
(4)对求取出的所述的备用的电感品质因数Qi的值求取平均值，确定所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值。
较佳的，所述的方法包括以下步骤：
测量得到所述的振荡周期T。
一种电感品质因数测量电路，其主要特点是，所述的电感品质因数测量电路包括：
阶跃电压产生模块，用于产生阶跃电压；
振荡电路，获取所述的阶跃电压后进行欠阻尼振荡；
主控模块，分别与所述的阶跃电压产生模块及振荡电路连接，用于对所述的振荡电路进行测量，且所述的主控模块内置下列式1或式2，结合式1或式2求取出所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值：
Figure BDA0002213486050000023
其中，vC(ti)为测量得到的ti点的电压值，vC(ti+T)为测量得到的与ti点间隔一个振荡周期T处的电压值；
Figure BDA0002213486050000024
其中，vp-p(ti)为测量得到的ti点的峰-峰值电压，vp-p(ti+T)为测量得到的与ti点间隔一个振荡周期T处的峰-峰值电压；
其中，i为自然数，且i的个数由系统预设，Qi为备用的电感品质因数Qi的值，所述的主控模块根据所述的备用的电感品质因数Qi的值确定所述的电感品质因数Q的值。
较佳的，所述的阶跃电压产生模块包括直流电源及可控开关；
所述的直流电源的正端通过所述的可控开关与所述的振荡电路的第一端相连接，所述的直流电源的负端直接与所述的振荡电路的第二端相连接；
且所述的直流电源、所述的振荡电路的第一端以及所述的可控开关的控制端分别与所述的主控模块相连接。
更佳的，所述的振荡电路包括并联连接的电容与电感，所述的电容与电感的一端连接处构成所述的振荡电路的第一端，所述的电容与电感的另一端连接处构成所述的振荡电路的第二端。
更佳的，所述的主控模块包括电压比较单元、计时单元、电压采样单元及主控制单元，
所述的电压比较单元的第一输入端与所述的振荡电路的第一端相连接；所述的电压比较单元的第二输入端与所述的直流电源相连接；
所述的电压采样单元的第一输入端所述的振荡电路的第一端相连接；所述的电压采样单元的第二输入端与所述的主控制单元的第一输出端相连接；
所述的电压比较单元的输出端与所述的计时单元的输入端相连接；
所述的计时单元的输出端与所述的主控制单元的第一输入端相连接；所述的电压采样单元的输出端与所述的主控制单元的第二输入端相连接；
所述的主控制单元的第二输出端与所述的可控开关的控制端相连接；
当所述的i的个数为1时，所述的主控制单元将求取出的所述的备用的电感品质因数Qi的值作为所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值，当所述的i的个数大于1时，所述的主控制单元对求取出的多个所述的备用的电感品质因数Qi的值求平均值，确定所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值。
更佳地，
当所述的主控制单元通过控制所述的可控开关从导通状态变为关断状态后，使得所述的阶跃电压产生模块产生所述的阶跃电压时，所述的电压比较单元的第二输入端与所述的直流电源的负端相连接；
当所述的主控制单元通过控制所述的可控开关从关断状态变为导通状态后，使得所述的阶跃电压产生模块产生所述的阶跃电压时，所述的电压比较单元的第二输入端与所述的直流电源的正端相连接。
进一步的，所述的电压采样单元为模拟/数字转换器。
一种基于上述电感品质因数测量电路的应用，其主要特点是，所述的应用包括：
(a1)所述的直流电源启动，所述的主控制单元控制所述的可控开关改变通断状态，令所述的阶跃电压产生模块产生一个所述的阶跃电压给所述的振荡电路；
(a2)所述的电压比较单元将所述的振荡电路产生的振荡电压与所述的直流电源产生的参考电压进行比较，当所述的振荡电压大于所述的参考电压时，所述的电压比较单元输出高电平，当所述的振荡电压小于所述的参考电压时，所述的电压比较单元输出低电平；
(a3)所述的计时单元通过测量所述的电压比较单元输出的两次相邻的上升沿的间隔时间，确定所述的振荡周期T，或通过测量所述的电压比较单元输出的两次相邻的下升沿的间隔时间，确定所述的振荡周期T；
(a4)所述的主控制单元分别在系统预设的数个周期，控制所述的电压采样单元对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，并根据采样得到的电压值确定所述的振荡电路在与ti点对应的周期的峰-峰值电压vp-p(ti)，并在与ti点相邻的后一个周期，控制所述的电压采样单元对所述的振荡电路的输出电压再次进行电压采样，并根据再次采样得到的电压值确定与ti点相邻的后一个周期的峰-峰值电压vp-p(ti+T)；
(a5)所述的主控制单元根据所述的式2求取出电感品质因数Qi的值后，得到所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值；
其中，i为自然数，且i的个数由系统预设，当所述的i的个数为1时，所述的主控制单元将求取出的所述的备用的电感品质因数Qi的值作为所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值，当所述的i的个数大于1时，所述的主控制单元对求取出的多个所述的备用的电感品质因数Qi的值求平均值，确定所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值。
较佳的，所述的ti点为与所述的振荡电路振荡时在对应的系统预设的周期内的波峰或波谷对应的时间点；所述的步骤(a4)包括以下步骤：
所述的主控制单元分别在各个系统预设的周期执行以下步骤：
(a4.1)所述的主控制单元控制所述的电压采样单元分别在ti、
Figure BDA0002213486050000041
ti+T、
Figure BDA0002213486050000042
点对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，得到各对应点的电压值v2(ti)、
Figure BDA0002213486050000051
v2(ti+T)以及
Figure BDA0002213486050000052
(a4.2)通过求取v2(ti)与
Figure BDA0002213486050000053
的差值，得到所述的振荡电路在与ti点对应的周期的峰-峰值电压vp-p(ti)；通过求取v2(ti+T)与
Figure BDA0002213486050000054
的差值，得到与ti点相邻的后一个周期的峰-峰值电压vp-p(ti+T)。
一种基于上述电感品质因数测量电路的应用，其主要特点是，所述的应用包括：
(b1)所述的直流电源启动，所述的主控制单元控制所述的可控开关改变通断状态，令所述的阶跃电压产生模块产生一个所述的阶跃电压给所述的振荡电路；
(b2)所述的电压比较单元将所述的振荡电路产生的振荡电压与所述的直流电源产生的参考电压进行比较，当所述的振荡电压大于所述的参考电压时，所述的电压比较单元输出高电平，当所述的振荡电压小于所述的参考电压时，所述的电压比较单元输出低电平；
(b3)所述的计时单元通过测量所述的电压比较单元输出的两次相邻的上升沿的间隔时间，确定所述的振荡周期T，或通过测量所述的电压比较单元输出的两次相邻的下升沿的间隔时间，确定所述的振荡周期T；
(b4)所述的主控制单元分别在系统预设的数个周期，控制所述的电压采样单元对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，得出所述的振荡电路在ti点的电压值vC(ti)，并控制所述的电压采样单元在与ti点间隔一个振荡周期T时再次对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，得出所述的振荡电路在ti+T点的电压值vC(ti+T)；
(b5)所述的主控制单元根据所述的式1求取出电感品质因数Qi的值后，得到所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值；
其中，i为自然数，且i的个数由系统预设，当所述的i的个数为1时，所述的主控制单元将求取出的所述的备用的电感品质因数Qi的值作为所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值，当所述的i的个数大于1时，所述的主控制单元对求取出的多个所述的备用的电感品质因数Qi的值求平均值，确定所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值。
较佳的，所述的ti点为与所述的振荡电路振荡时在对应的系统预设的周期内的波峰或波谷对应的时间点；所述的步骤(b4)包括以下步骤：
所述的主控制单元分别在各个系统预设的周期执行以下步骤：
(b4.1)所述的主控制单元在ti点控制所述的电压采样单元对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，得到所述的振荡电路在ti点的电压值vC(ti)；
(b4.2)所述的主控制单元在ti+T点控制所述的电压采样单元对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，得到所述的振荡电路在ti+T点的电压值vC(ti+T)。
采用本发明的电感品质因数测量方法、相应的测量电路及其应用，通过给予振荡电路一个阶跃电压，令所述的振荡电路进行欠阻尼振荡，通过
Figure BDA0002213486050000061
或
Figure BDA0002213486050000062
进行简单的四则运算即可计算的备用的电感品质因数Qi的值，然后通过对求出的数个备用的电感品质因数Qi的值求平均值即可确定所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值。采用本发明的电感品质因数测量方法、相应的测量电路及其应用在测试过程中进行测量几个点的电压参数，然后通过简单的四则运算即可求出振荡电路中的电感的品质因数Q的值，对电路的要求较低，有效节约测量成本，也使得测量过程更为简单。
附图说明
图1为本发明的一实施例中的电感品质因数测量电路的结构示意图。
图2为欠阻尼振荡的波形示意图。
图3为RLC串联电路模型图。
图4为图3中开关位于b点时的等效示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
该电感品质因数测量方法为：
(1)给予振荡电路一个阶跃电压，令所述的振荡电路进行欠阻尼振荡，并测量得到所述的振荡周期T；
(2)在预选的所述的振荡电路的振荡过程，通过下列式1或式2求取出至少一个备用的电感品质因数Qi的值：
Figure BDA0002213486050000071
其中，vC(ti)为测量得到的ti点的电压值，vC(ti+T)为测量得到的与ti点间隔一个振荡周期T处的电压值；
Figure BDA0002213486050000072
其中，vp-p(ti)为测量得到的ti点的峰-峰值电压，vp-p(ti+T)为测量得到的与ti点间隔一个振荡周期T处的峰-峰值电压；
其中，i为自然数，即i＝(1、2、……n)，且i的个数由系统预设，即n的具体取值由系统预设，测量过程中系统对每一个i对应的数均进行求取；所述的ti点为与所述的振荡电路振荡时在对应的系统预设的周期内的波峰或波谷对应的时间点。如图2所示，图2为欠阻尼振荡的波形示意图(需注意的是图2仅仅是为了说明欠阻尼振荡的波形大致的形式的图，并非是实际测量后的图，该图也仅仅说明了振荡的趋势，而非完成整个振荡过程的图)，在该图中一共绘制了4个半周期，总共有5个波峰，4个波谷，在振荡过程中，振荡波形逐渐趋近于稳定。
(3)当系统预设的i的个数为1时，求取出的所述的备用的电感品质因数Qi的值即为所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值，当系统预设的i的个数大于1时，继续后续步骤(4)；
(4)对求取出的所述的备用的电感品质因数Qi的值求取平均值，确定所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值，即当需要提高求取精度时，可对电感品质因数Q的值进行多次测量，然后在振荡结束后，对求出来的备用的电感品质因数Qi的值求平均值，然后确定电感品质因数Q的值。
在一具体实施例中可通过下述电感品质因数测量电路执行测量过程，参阅图1所示，所述的电感品质因数测量电路包括：
阶跃电压产生模块，用于产生阶跃电压；
振荡电路，获取所述的阶跃电压后进行欠阻尼振荡；
主控模块，分别与所述的阶跃电压产生模块及振荡电路连接，用于对所述的振荡电路进行测量，且所述的主控模块内置下列式1或式2，结合式1或式2求取出所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值：
Figure BDA0002213486050000081
其中，vC(ti)为测量得到的ti点的电压值，vC(ti+T)为测量得到的与ti点间隔一个振荡周期T处的电压值；
Figure BDA0002213486050000082
其中，vp-p(ti)为测量得到的ti点的峰-峰值电压，vp-p(ti+T)为测量得到的与ti点间隔一个振荡周期T处的峰-峰值电压；
其中，i为自然数，且i的个数由系统预设，Qi为备用的电感品质因数Qi的值，所述的主控模块根据所述的备用的电感品质因数Qi的值确定所述的电感品质因数Q的值。
在该实施例中，所述的阶跃电压产生模块包括直流电源及可控开关；
所述的直流电源的正端通过所述的可控开关与所述的振荡电路的第一端相连接，所述的直流电源的负端直接与所述的振荡电路的第二端相连接；
且所述的直流电源、所述的振荡电路的第一端以及所述的可控开关的控制端分别与所述的主控模块相连接。
在该实施例中，所述的振荡电路包括并联连接的电容与电感，所述的电容与电感的一端连接处构成所述的振荡电路的第一端，所述的电容与电感的另一端连接处构成所述的振荡电路的第二端。
在该实施例中，所述的主控模块包括电压比较单元、计时单元、电压采样单元及主控制单元，
所述的电压比较单元的第一输入端与所述的振荡电路的第一端相连接；所述的电压比较单元的第二输入端与所述的直流电源相连接；
所述的电压采样单元的第一输入端所述的振荡电路的第一端相连接；所述的电压采样单元的第二输入端与所述的主控制单元的第一输出端相连接；
所述的电压比较单元的输出端与所述的计时单元的输入端相连接；
所述的计时单元的输出端与所述的电压采样单元的第一输入端相连接；所述的电压采样单元的输出端与所述的主控制单元的第二输入端相连接；
所述的主控制单元的第二输出端与所述的可控开关的控制端相连接；
当所述的i的个数为1时，所述的主控制单元将求取出的所述的备用的电感品质因数Qi的值作为所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值，当所述的i的个数大于1时，所述的主控制单元对求取出的多个所述的备用的电感品质因数Qi的值求平均值，确定所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值。
当所述的主控制单元通过控制所述的可控开关从导通状态变为关断状态后，使得所述的阶跃电压产生模块产生所述的阶跃电压时，所述的电压比较单元的第二输入端与所述的直流电源的负端相连接。图1中绘制的就是这种通过控制所述的可控开关从导通状态变为关断状态后，使得所述的阶跃电压产生模块产生所述的阶跃电压的电路连接方式，在振荡电路通过这种方式获取阶跃电压后，产生的振荡电路的波形类似于图2所示，其振荡的波形逐渐趋近于0，到达稳定。该实施例中，所述的电压比较单元的第二输入端与所述的直流电源的负端(即接地端GND)相连接。
当所述的主控制单元通过控制所述的可控开关从关断状态变为导通状态后，使得所述的阶跃电压产生模块产生所述的阶跃电压时，所述的电压比较单元的第二输入端与所述的直流电源的正端相连接。在其他实施例中，也可采用这种方式组成电路，由于电路组成与图1中的电路组成近似，区别仅在这种方式组成的电路中，所述的电压比较单元的第二输入端与所述的直流电源的正端相连接，因此，没有绘制另一种实施方式的电路的结构示意图。
在该实施例中，所述的电压采样单元为模拟/数字转换器(即模数转换器ADC)。
当所述的主控制单元内置所述的式2，通过上述电路进行测试时，应用过程如下：
(a1)所述的直流电源启动，所述的主控制单元控制所述的可控开关改变通断状态，令所述的阶跃电压产生模块产生一个所述的阶跃电压给所述的振荡电路；
(a2)所述的电压比较单元将所述的振荡电路产生的振荡电压与所述的直流电源产生的参考电压进行比较，当所述的振荡电压大于所述的参考电压时，所述的电压比较单元输出高电平，当所述的振荡电压小于所述的参考电压时，所述的电压比较单元输出低电平；
在该实施例中，可控开关是从导通状态变为关断状态，电压比较单元的第二输入端与所述的直流电源的负端相连接，因此，所述的参考电压为0(即接地GND电压值)。如果可控开关是从关断状态变为导通状态，则电压比较单元的第二输入端与所述的直流电源的正端相连接，那么，所述的参考电压即为直流电源正端的电压，即V1的电压值。
(a3)所述的计时单元通过测量所述的电压比较单元输出的两次相邻的上升沿的间隔时间，确定所述的振荡周期T，或通过测量所述的电压比较单元输出的两次相邻的下升沿的间隔时间，确定所述的振荡周期T；
(a4)所述的主控制单元分别在系统预设的数个周期，控制所述的电压采样单元对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，并根据采样得到的电压值确定所述的振荡电路在与ti点对应的周期的峰-峰值电压vp-p(ti)，并在与ti点相邻的后一个周期，控制所述的电压采样单元对所述的振荡电路的输出电压再次进行电压采样，并根据再次采样得到的电压值确定与ti点相邻的后一个周期的峰-峰值电压vp-p(ti+T)，所述的ti点为与所述的振荡电路振荡时在对应的系统预设的周期内的波峰或波谷对应的时间点，该步骤具体为：
所述的主控制单元分别在各个系统预设的周期执行以下步骤：
(a4.1)所述的主控制单元控制所述的电压采样单元分别在ti、
Figure BDA0002213486050000101
ti+T、
Figure BDA0002213486050000102
点对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，得到各对应点的电压值v2(ti)、
Figure BDA0002213486050000103
v2(ti+T)以及
Figure BDA0002213486050000104
(a4.2)通过求取v2(ti)与
Figure BDA0002213486050000105
的差值，得到所述的振荡电路在与ti点对应的周期的峰-峰值电压vp-p(ti)；通过求取v2(ti+T)与
Figure BDA0002213486050000106
的差值，得到与ti点相邻的后一个周期的峰-峰值电压vp-p(ti+T)；
(a5)所述的主控制单元根据所述的式2求取出电感品质因数Qi的值后，得到所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值；
其中，i为自然数，且i的个数由系统预设，当所述的i的个数为1时，所述的主控制单元将求取出的所述的备用的电感品质因数Qi的值作为所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值，当所述的i的个数大于1时，所述的主控制单元对求取出的多个所述的备用的电感品质因数Qi的值求平均值，确定所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值。
在另一实施例中，当所述的主控制单元内置所述的式1时，也可采用上述电路进行测量；应用该实施例中的电路进行测量时，执行下述步骤：
(b1)所述的直流电源启动，所述的主控制单元控制所述的可控开关改变通断状态，令所述的阶跃电压产生模块产生一个所述的阶跃电压给所述的振荡电路；
(b2)所述的电压比较单元将所述的振荡电路产生的振荡电压与所述的直流电源产生的参考电压进行比较，当所述的振荡电压大于所述的参考电压时，所述的电压比较单元输出高电平，当所述的振荡电压小于所述的参考电压时，所述的电压比较单元输出低电平；
(b3)所述的计时单元通过测量所述的电压比较单元输出的两次相邻的上升沿的间隔时间，确定所述的振荡周期T，或通过测量所述的电压比较单元输出的两次相邻的下升沿的间隔时间，确定所述的振荡周期T；
(b4)所述的主控制单元分别在系统预设的数个周期，控制所述的电压采样单元对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，得出所述的振荡电路在ti点的电压值vC(ti)，并控制所述的电压采样单元在与ti点间隔一个振荡周期T时再次对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，得出所述的振荡电路在ti+T点的电压值vC(ti+T)，所述的ti点为与所述的振荡电路振荡时在对应的系统预设的周期内的波峰或波谷对应的时间点，具体包括以下步骤：
所述的主控制单元分别在各个系统预设的周期执行以下步骤：
(b4.1)所述的主控制单元在ti点控制所述的电压采样单元对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，得到所述的振荡电路在ti点的电压值vC(ti)；
(b4.2)所述的主控制单元在ti+T点控制所述的电压采样单元对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，得到所述的振荡电路在ti+T点的电压值vC(ti+T)；
(b5)所述的主控制单元根据所述的式1求取出电感品质因数Qi的值后，得到所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值；
其中，i为自然数，且i的个数由系统预设，当所述的i的个数为1时，所述的主控制单元将求取出的所述的备用的电感品质因数Qi的值作为所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值，当所述的i的个数大于1时，所述的主控制单元对求取出的多个所述的备用的电感品质因数Qi的值求平均值，确定所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值。
一般而言，在振荡电路变化过程中，靠开始振荡的部分的电压值较大，故测量过程中选择靠近开始振荡的时间点，进行电压的测量，更便于测量，因此实际操作过程中过程中可选择靠近开始振荡的ti点的电压进行测量。
为了使得本领域技术人员可以更好地理解本技术方案，下面给出本发明中提到的公式的推导过程及其原理进行说明，公式推导过程如下(为了便于说明下列推导过程中仅针对求取一次电感品质因数Q的值进行说明，即只从各个ti中选取一个t点所对应的相关参数进行求取)：
图3为RLC串联电路模型图，Us为一电压源，i(t)表示当前的电流值，图4为图3中开关位于b点时的等效示意图，根据基尔霍夫电压定律(KVL)，可知图3中的电路可由式3表示：
vR+vL+vC＝0 (式3)；
其中，vR、vL、vC分别为电阻R、电感L及电容C两端的电压。
在图4的电路中，电阻R、电感L及电容C阻尼振荡过程中的时间变化特性分别由下述式4-1、4-2、4-3表示：
vR(t)＝Ri(t) (式4-1)；
Figure BDA0002213486050000121
Figure BDA0002213486050000122
其中，R代表电阻R的电阻值，C表示电容C的电容值，L表示电感L的电感值，
Figure BDA0002213486050000123
表示电容C处的电压微分，vL(t)表示电感L处的电压，
Figure BDA0002213486050000124
表示电感L处的电流微分。
将式4-1至式4-3引入式1可得出下述式5，式5为阻尼振荡的运动微分方程：
Figure BDA0002213486050000125
其中，在图3中的开关K从图中的a点到b点后，由衰减因子α决定放电过程中电压与电流的衰减特性，衰减因子α可由下述式6-1求出，而电路中的角频率ω0可由下述式6-2及6-3求出，具体如下：
Figure BDA0002213486050000126
Figure BDA0002213486050000127
ω0＝2πf (式6-3)；
其中，为f为振荡频率。
将式6-1及式6-2代入上述式5可得：
Figure BDA0002213486050000131
式7的通解为：
Figure BDA0002213486050000132
其中s1、s2为微分方程特征方程
Figure BDA0002213486050000133
的根，
Figure BDA0002213486050000134
对于阻尼振荡而言，主要有三种情况，分别为过阻尼振荡、临界阻尼振荡及欠阻尼振荡，其中，当α＞ω0时为过阻尼振荡，当α＝ω0为临界阻尼振荡，当α＜ω0为欠阻尼振荡(过阻尼振荡、临界阻尼振荡及欠阻尼振荡时所计算出的s1、s2的值是不同的)，而过阻尼振荡与临界阻尼振荡的振荡过程一般为单调曲线，而欠阻尼振荡的振荡过程为一条衰减的振荡曲线(欠阻尼振荡的振荡过程的振荡趋势可参阅图2所示)。
为了能够计算电感品质因数Q的值，本发明中采用的谐振电路为欠阻尼振荡电路，即选用α＜ω0的振荡电路，此时，电路中的电感的电压值的时间变化特性参数为：
Figure BDA0002213486050000135
其中，A与
Figure BDA0002213486050000136
为待定常数，其由初始条件决定。
根据式9可以推导出下式：
Figure BDA0002213486050000137
其中，T为振荡信号的周期，由式10可知谐振电路在间隔一个振荡周期T后的前后幅值变化的比例关系。
根据式10，求出其以e为底的对数表达式，即对式10的等式两边求对数得到式11：
Figure BDA0002213486050000138
谐振电路中，电感品质因数Q的值的计算公式为：
Figure BDA0002213486050000139
将衰减因子α的计算公式6-1、角频率ω0的计算公式6-3以及式12代入电感品质因数Q的值的计算公式，可得：
Figure BDA0002213486050000141
如果要采用式13中的公式求取电感品质因数Q的值，则需要求取间隔一个振荡信号周期T的电压比例的对数值，虽然振荡信号的电压应用ADC(ADC，Analog-to-DigitalConverter的缩写，指模/数转换器或者模数转换器)采样即可得到，但对数计算比较复杂。
为了避免测量过程中的复杂计算，因此，
可求取出当前振荡信号的幅度与周期幅度衰减之间的比例关系：
Figure BDA0002213486050000142
或求取出振荡信号的峰峰值与周期峰峰值衰减之间的比例关系：
Figure BDA0002213486050000143
参阅下表1所示，当αT的值小于0.2时，αT与1-e-αT可近似相等。
αT 1 0.5 0.3 0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.05
1-e<sup>-αT</sup> 0.632 0.393 0.259 0.181 0.165 0.148 0.131 0.113 0.095 0.04877
表1
结合上表1中内容，可将式13中的电感品质因数Q的值的计算公式
Figure BDA0002213486050000144
推导为：
Figure BDA0002213486050000145
采用式16中的公式对电感品质因数Q的值进行求取时，则无需进行复杂的对数计算，进行通过模数转换器ADC进行测量，结合式16采用简单的四则运算就可计算出电感品质因数Q的值，对主控模块的要求较低。
结合上述式14、式16及表1中内容可推导出上述式2；结合上述式15、式16及表1中内容可推导出上述式2。
从式16中可以计算得出如果求取出的电感品质因数Q的值大于15时，那么求出的这个电感品质因数Q的值就是比较精准的，而如果采用上式求出的电感品质因数Q的值小于15，则可能误差较大，所以本方法一般用于对电感品质因数Q的值大于15的电感进行测量，同时，所测量的电感品质因数Q的值越大，测量值越精准。
如图1所示，选取了电感L与电容C共同构成振荡电路，振荡电路输出的电压为V2；采用直流电源Q1及可控开关K构成阶跃电压产生模块，直流电源Q1正端输出的电压为V1；采用比较强Q2构成电压比较单元、计时器Q3构成计时单元、模拟/数字转换器Q5(模数转换器ADC)构成电压采样单元，以及由主控制器Q4构成主控制单元。
当所述的主控制单元通过控制所述的可控开关从导通状态变为关断状态后，使得所述的阶跃电压产生模块产生所述的阶跃电压，且采用
Figure BDA0002213486050000151
进行测量时，可采用图1中电路进行测量，测量过程如下：
主控芯片Q4控制开关K由闭合变为张开(即从导通状态变为关断状态)，向由电感L、电容C组成的振荡电路提供一个从电源电压V1到地的阶跃信号，此时振荡电路中的电感L、电容C之间有一个阻尼振荡信号其电压为V2，其最大幅度值为电源电压V1，在振荡过程中振荡电压V2在0的上下进行振荡，最终趋向于0；
可采用第一个振荡衰减过程用来确定阻尼振荡的周期，如图1所示，将GND(即直流电源的负端的电压)与V2连接到比较器Q2，比较两者这件的大小，当V2>GND时，比较器输出高电平，当V2<GND时，比较器输出低电平；(如果主控芯片Q4控制开关K由张开变为闭合，提供阶跃信号时，相应的工作原理不变，而是将V2与V1进行比较，在振荡过程中振荡电压V2在V1的上下进行振荡，最终趋向于V1，因此，此处不对其进行赘述)。
通过输出方波信号的两个上升沿或者两个下降沿之间的计时器Q3输出的到周期T，根据周期T即可计算出阻尼振荡频率；
主控芯片Q4从方波上升沿或者下降沿计时
Figure BDA0002213486050000152
通过模数转换器ADC Q5采样得到当前时间点电压v2(t)，计时到
Figure BDA0002213486050000153
通过模数转换器ADC Q5采样得到当前时间点电压
Figure BDA0002213486050000154
通过计算得到峰峰值
Figure BDA0002213486050000155
计时到
Figure BDA0002213486050000156
通过模数转换器ADC Q5采样得到当前时间点电压v2(t+T)，计时到
Figure BDA0002213486050000157
通过模数转换器ADC Q5采样得到当前时间点电压
Figure BDA0002213486050000161
通过计算得到峰峰值
Figure BDA0002213486050000162
根据式
Figure BDA0002213486050000163
(即
Figure BDA0002213486050000164
)计算得到电感的品质因素Q的值。
当所述的主控制单元通过控制所述的可控开关从导通状态变为关断状态后，使得所述的阶跃电压产生模块产生所述的阶跃电压，且采用
Figure BDA0002213486050000165
进行测量时，同样可采用图1中电路进行测量，测量过程如下：
主控芯片Q4控制开关K由闭合变为张开(即从导通状态变为关断状态)，向由L、C组成的振荡电路提供一个从电源电压V1到地的阶跃信号，此时振荡电路L、C之间有一个阻尼振荡信号其电压为V2，其最大幅度值为电源电压V1，在振荡过程中振荡电压V2在0的上下进行振荡，最终趋向于0；
可采用第一个振荡衰减过程用来确定阻尼振荡的周期，如图1所示，将GND(即直流电源的负端的电压)与V2连接到比较器Q2，比较两者这件的大小，当V2>GND时，比较器输出高电平，当V2<GND时，比较器输出低电平；(如果主控芯片Q4控制开关K由张开变为闭合，提供阶跃信号时，相应的工作原理不变，而是将V2与V1进行比较，在振荡过程中振荡电压V2在V1的上下进行振荡，最终取趋向于V1，因此，此处不对其进行赘述)。
通过输出方波信号的两个上升沿或者两个下降沿之间的计时器Q3输出的到周期T，根据周期T即可计算出阻尼振荡频率；
主控芯片Q4从方波上升沿或者下降沿计时
Figure BDA0002213486050000166
通过模数转换器ADC Q5采样得到当前时间点的电压值v2(t)(即t时刻振荡电路输出的电压值V2)，得到vC(t)＝v2(t)，计时到
Figure BDA0002213486050000167
通过模数转换器ADC Q5采样得到当前时间点的电压值v2(t+T)(即t+T时刻振荡电路输出的电压值V2)，得到vC(t+T)＝v2(t+T)；
根据式
Figure BDA0002213486050000168
(即
Figure BDA0002213486050000169
)计算得到电感的品质因素Q的值。
本发明中的直流电源电压V1形成的阶跃信号可以是对地向上的阶跃也可以是对地向下的阶跃，两种阶跃情的电路区别仅在电压比较单元的第二输入端与所述的直流电源的负端相连接，还是与所述的直流电源的正端相连接，电路的其他结构基本相同，以通过对应的测量过程得到电感的品质因素Q值。本发明中的直流电源电压V1的大小也可以根据实际情况进行调节，但建议提供尽量采用小一点的电压(10V以下较为合适)，以提高电路性价比。
需注意，采用本发明的电路、方法及相应的应用，由于只针对电感品质因数Q的值进行测量，其所采用的电路结构较为简单，计算也较为简便灵活，可以根据系统对电感品质因数Q的值精度的要求，可求取某一个周期中计算得出的电感品质因数Q的值作为最终测量结果，也可以对振荡电路振荡过程中的多个周期进行测量，得出多个周期得出的电感品质因数Q的值，然后在振荡结束后，对求出的各个电感品质因数Q的值求平均数，最终求得最终的电感品质因数Q的值，以得到一个更为精准的值。
在该实施例中，仅采用简单的直流电源、可控开关、模数转换器ADC、比较器、计时器，即可准确测量LC振荡电路中电感的Q值，电路结果及测量过程更为简便，有效节约电路成本。
采用本发明的电感品质因数测量方法、相应的测量电路及其应用，通过给予振荡电路一个阶跃电压，令所述的振荡电路进行欠阻尼振荡，通过
Figure BDA0002213486050000171
或
Figure BDA0002213486050000172
进行简单的四则运算即可计算的备用的电感品质因数Qi的值，然后通过对求出的数个备用的电感品质因数Qi的值求平均值即可确定所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值。采用本发明的电感品质因数测量方法、相应的测量电路及其应用在测试过程中进行测量几个点的电压参数，然后通过简单的四则运算即可求出振荡电路中的电感的品质因数Q的值，对电路的要求较低，有效节约测量成本，也使得测量过程更为简单。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (12)

1.一种电感品质因数测量方法，其特征在于，所述的方法为：
(1)给予振荡电路一个阶跃电压，令所述的振荡电路进行欠阻尼振荡；
(2)在预选的所述的振荡电路的振荡过程，通过下列式1或式2求取出至少一个备用的电感品质因数Qi的值：
Figure FDA0002213486040000011
其中，vC(ti)为测量得到的ti点的电压值，vC(ti+T)为测量得到的与ti点间隔一个振荡周期T处的电压值；
Figure FDA0002213486040000012
其中，vp-p(ti)为测量得到的ti点的峰-峰值电压，vp-p(ti+T)为测量得到的与ti点间隔一个振荡周期T处的峰-峰值电压；
其中，i为自然数，且i的个数由系统预设；
(3)当系统预设的i的个数为1时，求取出的所述的备用的电感品质因数Qi的值即为所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值，当系统预设的i的个数大于1时，继续后续步骤(4)；
(4)对求取出的所述的备用的电感品质因数Qi的值求取平均值，确定所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值。
2.根据权利要求1所述的电感品质因数测量方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
测量得到所述的振荡周期T。
3.一种电感品质因数测量电路，其特征在于，所述的电感品质因数测量电路包括：
阶跃电压产生模块，用于产生阶跃电压；
振荡电路，获取所述的阶跃电压后进行欠阻尼振荡；
主控模块，分别与所述的阶跃电压产生模块及振荡电路连接，用于对所述的振荡电路进行测量，且所述的主控模块内置下列式1或式2，结合式1或式2求取出所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值：
Figure FDA0002213486040000021
其中，vC(ti)为测量得到的ti点的电压值，vC(ti+T)为测量得到的与ti点间隔一个振荡周期T处的电压值；
Figure FDA0002213486040000022
其中，vp-p(ti)为测量得到的ti点的峰-峰值电压，vp-p(ti+T)为测量得到的与ti点间隔一个振荡周期T处的峰-峰值电压；
其中，i为自然数，且i的个数由系统预设，Qi为备用的电感品质因数Qi的值，所述的主控模块根据所述的备用的电感品质因数Qi的值确定所述的电感品质因数Q的值。
4.根据权利要求3所述的电感品质因数测量电路，其特征在于，所述的阶跃电压产生模块包括直流电源及可控开关；
所述的直流电源的正端通过所述的可控开关与所述的振荡电路的第一端相连接，所述的直流电源的负端直接与所述的振荡电路的第二端相连接；
且所述的直流电源、所述的振荡电路的第一端以及所述的可控开关的控制端分别与所述的主控模块相连接。
5.根据权利要求4所述的电感品质因数测量电路，其特征在于，所述的振荡电路包括并联连接的电容与电感，所述的电容与电感的一端连接处构成所述的振荡电路的第一端，所述的电容与电感的另一端连接处构成所述的振荡电路的第二端。
6.根据权利要求4所述的电感品质因数测量电路，其特征在于，所述的主控模块包括电压比较单元、计时单元、电压采样单元及主控制单元，
所述的电压比较单元的第一输入端与所述的振荡电路的第一端相连接；所述的电压比较单元的第二输入端与所述的直流电源相连接；
所述的电压采样单元的第一输入端所述的振荡电路的第一端相连接；所述的电压采样单元的第二输入端与所述的主控制单元的第一输出端相连接；
所述的电压比较单元的输出端与所述的计时单元的输入端相连接；
所述的计时单元的输出端与所述的主控制单元的第一输入端相连接；所述的电压采样单元的输出端与所述的主控制单元的第二输入端相连接；所述的主控制单元的第二输出端与所述的可控开关的控制端相连接；
当所述的i的个数为1时，所述的主控制单元将求取出的所述的备用的电感品质因数Qi的值作为所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值，当所述的i的个数大于1时，所述的主控制单元对求取出的多个所述的备用的电感品质因数Qi的值求平均值，确定所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值。
7.根据权利要求4所述的电感品质因数测量电路，其特征在于，
当所述的主控制单元通过控制所述的可控开关从导通状态变为关断状态后，使得所述的阶跃电压产生模块产生所述的阶跃电压时，所述的电压比较单元的第二输入端与所述的直流电源的负端相连接；
当所述的主控制单元通过控制所述的可控开关从关断状态变为导通状态后，使得所述的阶跃电压产生模块产生所述的阶跃电压时，所述的电压比较单元的第二输入端与所述的直流电源的正端相连接。
8.根据权利要求6所述的电感品质因数测量电路，其特征在于，所述的电压采样单元为模拟/数字转换器。
9.一种基于权利要求6所述的电感品质因数测量电路的应用，其特征在于，所述的应用包括：
(a1)所述的直流电源启动，所述的主控制单元控制所述的可控开关改变通断状态，令所述的阶跃电压产生模块产生一个所述的阶跃电压给所述的振荡电路；
(a2)所述的电压比较单元将所述的振荡电路产生的振荡电压与所述的直流电源产生的参考电压进行比较，当所述的振荡电压大于所述的参考电压时，所述的电压比较单元输出高电平，当所述的振荡电压小于所述的参考电压时，所述的电压比较单元输出低电平；
(a3)所述的计时单元通过测量所述的电压比较单元输出的两次相邻的上升沿的间隔时间，确定所述的振荡周期T，或通过测量所述的电压比较单元输出的两次相邻的下升沿的间隔时间，确定所述的振荡周期T；
(a4)所述的主控制单元分别在系统预设的数个周期，控制所述的电压采样单元对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，并根据采样得到的电压值确定所述的振荡电路在与ti点对应的周期的峰-峰值电压vp-p(ti)，并在与ti点相邻的后一个周期，控制所述的电压采样单元对所述的振荡电路的输出电压再次进行电压采样，并根据再次采样得到的电压值确定与ti点相邻的后一个周期的峰-峰值电压vp-p(ti+T)；
(a5)所述的主控制单元根据所述的式2求取出电感品质因数Qi的值后，得到所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值；
其中，i为自然数，且i的个数由系统预设，当所述的i的个数为1时，所述的主控制单元将求取出的所述的备用的电感品质因数Qi的值作为所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值，当所述的i的个数大于1时，所述的主控制单元对求取出的多个所述的备用的电感品质因数Qi的值求平均值，确定所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述的ti点为与所述的振荡电路振荡时在对应的系统预设的周期内的波峰或波谷对应的时间点；所述的步骤(a4)包括以下步骤：
所述的主控制单元分别在各个系统预设的周期执行以下步骤：
(a4.1)所述的主控制单元控制所述的电压采样单元分别在ti、
Figure FDA0002213486040000041
ti+T、
Figure FDA0002213486040000042
点对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，得到各对应点的电压值v2(ti)、
Figure FDA0002213486040000043
v2(ti+T)以及
Figure FDA0002213486040000044
(a4.2)通过求取v2(ti)与
Figure FDA0002213486040000045
的差值，得到所述的振荡电路在与ti点对应的周期的峰-峰值电压vp-p(ti)；通过求取v2(ti+T)与
Figure FDA0002213486040000046
的差值，得到与ti点相邻的后一个周期的峰-峰值电压vp-p(ti+T)。
11.一种基于权利要求6所述的电感品质因数测量电路的应用，其特征在于，所述的应用包括：
(b1)所述的直流电源启动，所述的主控制单元控制所述的可控开关改变通断状态，令所述的阶跃电压产生模块产生一个所述的阶跃电压给所述的振荡电路；
(b2)所述的电压比较单元将所述的振荡电路产生的振荡电压与所述的直流电源产生的参考电压进行比较，当所述的振荡电压大于所述的参考电压时，所述的电压比较单元输出高电平，当所述的振荡电压小于所述的参考电压时，所述的电压比较单元输出低电平；
(b3)所述的计时单元通过测量所述的电压比较单元输出的两次相邻的上升沿的间隔时间，确定所述的振荡周期T，或通过测量所述的电压比较单元输出的两次相邻的下升沿的间隔时间，确定所述的振荡周期T；
(b4)所述的主控制单元分别在系统预设的数个周期，控制所述的电压采样单元对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，得出所述的振荡电路在ti点的电压值vC(ti)，并控制所述的电压采样单元在与ti点间隔一个振荡周期T时再次对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，得出所述的振荡电路在ti+T点的电压值vC(ti+T)；
(b5)所述的主控制单元根据所述的式1求取出电感品质因数Qi的值后，得到所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值；
其中，i为自然数，且i的个数由系统预设，当所述的i的个数为1时，所述的主控制单元将求取出的所述的备用的电感品质因数Qi的值作为所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值，当所述的i的个数大于1时，所述的主控制单元对求取出的多个所述的备用的电感品质因数Qi的值求平均值，确定所述的振荡电路中的电感品质因数Q的值。
12.根据权利要求11所述的应用，其特征在于，所述的ti点为与所述的振荡电路振荡时在对应的系统预设的周期内的波峰或波谷对应的时间点；所述的步骤(b4)包括以下步骤：
所述的主控制单元分别在各个系统预设的周期执行以下步骤：
(b4.1)所述的主控制单元在ti点控制所述的电压采样单元对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，得到所述的振荡电路在ti点的电压值vC(ti)；
(b4.2)所述的主控制单元在ti+T点控制所述的电压采样单元对所述的振荡电路的输出电压进行电压采样，得到所述的振荡电路在ti+T点的电压值vC(ti+T)。
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