CN206638736U

CN206638736U - 一种电感测量电路

Info

Publication number: CN206638736U
Application number: CN201720370491.8U
Authority: CN
Inventors: 史江山; 徐明宇
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2017-11-14
Anticipated expiration: 2027-04-10

Abstract

本实用新型公开了一种电感测量电路，包括依次相连的电压偏置电路、运放自激振荡电路、施密特触发器和单片机；电压偏置电路用于为运放自激振荡电路提供直流电压偏置点；运放自激振荡电路用于接入待测电感L，根据上述电压偏置点振荡出频率为的近似正弦波的波形；施密特触发器用于对运放自激振荡电路产生的近似正弦波进行迟滞比较，将其转换为矩形波；单片机用于对施密特触发器输出的矩形波进行测频，并根据矩形波的频率计算得到电感值；本实用新型所提供的电感测量电路，具有测量精度高、测量电感速度快、测量电感值范围宽、测量结果可自动显示的优点。

Description

一种电感测量电路

技术领域

本实用新型属于测量技术领域，更具体地，涉及一种电感测量电路。

背景技术

在电路设计中往往需要使用电感，在对电感值有一定精度要求时，电感值的精确测量便具有其重要性。传统的测量电感的方法有非平衡电桥测电感法和平衡电桥测电感法，现代的测量电感的设备有矢量式阻抗测量仪，以及电容三点式振荡法测电感，以下简述这几种测量方法的优缺点。

(1)非平衡电桥测量电感的优点：测量电感时，电桥无需平衡，在一次测量完成后，恢复初始平衡状态，不会出现难以平衡的情况；缺点：测量电感的精度与交流激励电源的稳定度有关，仪器体积较大。

(2)平衡电桥法测量电感的优点：测量精度与交流激励电源无关；缺点：一次测量需要两次平衡，需要人工调节来实现平衡，而且会出现难以平衡的情况，无法实现测量，测量速度慢，仪器体积较大。

(3)矢量阻抗测量仪的优点：精度高，量程宽，可以测量出待测电感在宽频带范围内的复阻抗特性；缺点：需要高精度和高稳定度的扫频激励信号源，高精度的矢量电压和电流测量设备，电路结构复杂、体积笨重、价格昂贵。

(4)电容三点式振荡法测电感的优点：将电感量转换为频率量来测量，电路相对简单；缺点：振荡频率高，增加了测频电路设计的复杂性，由于标准电容小，振荡频率精度易受晶体管极间电容影响。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种电感测量电路，其目的在于提高电感测量精度、加快电感测量速度。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种电感测量电路，包括依次相连的电压偏置电路、运放自激振荡电路、施密特触发器和单片机；

其中，电压偏置电路用于为运放自激振荡电路提供直流电压偏置点；

运放自激振荡电路用于接入待测电感L，根据上述电压偏置点振荡出频率为的近似正弦波的波形；其中，L为待测电感的值，C为标准电容的容值；

施密特触发器用于对运放自激振荡电路产生的近似正弦波进行迟滞比较，将其转换为矩形波；

单片机用于对施密特触发器输出的矩形波进行测频，并根据矩形波的频率计算得到电感值。

优选的，上述电感测量电路还包括显示电路，显示电路的输入端与单片机的输出端相连，用于显示电感值的大小和单位。

优选的，上述电感测量电路，其电压偏置电路包括第一电阻R1、第二电阻R2和第一运算放大器U1；其中，第一电阻R1与第二电阻R2的阻值相等；

第一电阻R1与第二电阻R2串联，第一电阻R1的非串联端用于连接VCC电源，第二电阻R2的非串联端接地；

第一运算放大器U1的同相端与第一电阻R1和第二电阻R2的串联端相连，从第二电阻R2的一端获得1/2VCC的直流电压；第一运算放大器U1的反相端与其输出端相连构成电压缓冲电路，第一运算放大器U1的输出端Uo1作为电压偏置电路的输出端。

优选的，上述电感测量电路，其运放自激振荡电路包括第二运算放大器U2，第三电阻R3、标准电容C和第四电阻R4；

其中，第三电阻R3的一端作为运放自激振荡电路的输入端，与电压偏置电路的输出端相连；第三电阻R3的另一端与第二运算放大器U2的反相输入端相连；第四电阻R4串联在第二运算放大器U2的反相输入端与输出端之间；标准电容C的一端与第一运算放大器U1的输出端相连，另一端与第二运算放大器U2的同相输入端相连，第二运算放大器U2的同相输入端还与其输出端相连；

标准电容C的两端还用作测试端，分别用于连接待测电感的两端；

其中，第二运算放大器U2配置成同相放大电路；用于电感测试时，待测电感L与标准电容C并联，构成并联LC选频网络。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本实用新型所提供的电感测量电路，其电路结构简单、元件少、功耗低、性能稳定；

(2)本实用新型所提供的电感测量电路，采用了集成运算放大器和并联LC选频网络构成的自激振荡电路，具有振荡频率稳定、振荡频率范围宽且振荡频率为低频的特点；采用的施密特触发器进行迟滞比较具有抗干扰能力强的优点，可以保证转换出来的矩形波与振荡电路产生的振荡频率一致；且采用单片机测频时的测频方法为多周期同步测频法，具有高测频精度和测频时间可控制在毫秒级别的优点；且在单片机的控制下，可以自动显示测量到的电感值的大小和单位；因此其具有测量精度高、测量电感速度快、测量电感值范围宽、测量结果自动显示的优点。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的电感测量电路的功能框图；

图2是本实用新型实施例提供的电感测量电路中电压偏置电路、运放自激振荡电路以及施密特触发器的电路示意图；

图3是本实用新型实施例提供的电感测量电路的运放自激振荡电路的原理分析示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-电压偏置电路、2-运放自激振荡电路、3-施密特触发器电路。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型实施例提供的电感测量电路如图1所示，包括电压偏置电路、运放自激振荡电路、施密特触发器、单片机和显示电路；电压偏置电路的输出端与运放自激振荡电路的输入端相连，运放自激振荡电路的输出端与施密特触发器的输入端相连，施密特触发3的输出端与单片机的输入端相连，单片机的输出端与显示电路的输入端相连。

本实用新型实施例提供的电感测量电路中的电压偏置电路、运放自激振荡电路以及施密特触发器的电路如图2所示意的；图3则是其中运放自激振荡电路的原理示意图；

如图2所示的，本实施例中，将阻值相等的电阻R1和电阻R2串联在VCC(电源)和GND(地)之间，从电阻R2的上端即获得等于1/2VCC的直流电压，将电阻R2的上端连接到运算放大器U1的同相端，U1的反相端连接到其输出端构成电压缓冲电路，则U1输出端Uo1便具有了1/2VCC，构成电压偏置电路1。

实施例中，VCC取+5V电压，R1和R2的阻值为100KΩ以降低R1和R2上消耗的静态功耗，考虑到运放U1的输入阻抗，取值不宜无限制增加，以免影响分压精度。第一运算放大器U1采用双运放LM358D的一路运放，或其它满足供电要求的电压反馈型运放；电压偏置电路1的输出端Uo1与运放自激振荡电路2相连，为运放自激振荡电路2提供直流电压偏置点。

将运算放大器U2配置成同相放大电路，即R3接在U2的反相输入端和Uo1之间，R4接在U2的反相输入端和U2的输出端之间，同相放大器的倍数即为(1+R4/R3)，且设置成大于1；将由待测电感与标准电容构成的并联LC选频网络连接在U2的输出端Uo2和Uo1之间，连接Uo2与运算放大器U2的同相端，便构成运放自激振荡电路；其中，L为待测电感，接入运放自激振荡电路中，在Uo2端口处产生频率为的带有直流偏置电压的近似正弦波的波形，由于运放自激振荡电路的选频网络采用无源LC并联谐振网络，故具有谐振频率稳定的优点。

本实施例中，第三电阻R3和第四电阻R4的阻值均为100KΩ，以降低功耗和运放的输入阻抗。标准电容C的容值为100uF、耐压值10V、电容类型为钽电容；本实施例中，第二运算放大器U2采用双运放LM358D的另一路运放，以实现电路体积小型化。第二运算放大器U2的选择应该注意增益带宽积，因为运放在频率逐渐升高时，同相放大倍数会逐渐下降，同相放大的相位滞后角会逐渐增大，不满足启振条件时，便不能产生自激振荡波形，所以增益带宽积应该大于最高振荡频率的10倍以上。LM358D的单位增益带宽积为700KHZ，当待测电感在1uH～100mH之间变化时，振荡频率范围为50.3HZ～15915.5HZ。

本实施例中，施密特触发器U3用于将运放自激振荡电路2振荡出来的具有偏置电压的近似正弦波形整形成矩形波，Uo3为矩形波的输出口。施密特触发器具有迟滞比较器的作用，具有抗干扰能力强的优点，本实施例中采用SN74AHC1G14，也可采用其它满足供电要求的施密特触发器。

图3中，Ao为基本放大电路增益，F为反馈电路网络的增益；产生自激振荡的两个条件为：(a)振幅条件，|Ao*F|＝1；(b)相位条件：开始振荡的条件为|Ao*F|>1。当将并联LC作为选频反馈网络，则LC反馈网络在频率为时的反馈增益为1，且相位故当基本放大电路的放大倍数略大于1，就可以启振，且振荡频率为

本实施例中，单片机对施密特触发器输出的矩形波的测频方法为多周期同步测频法；多周期同步测频法的测频精度仅取决于标准信号的频率f_s和闸门时间T，其测频相对误差δ≤1/(f_s·T),当标准信号频率f_s＝12MHZ，闸门时间T＝100ms时，其测频相对误差δ≤8.3×10^-7。单片机测量到频率后，根据公式和标准电容C的容值计算得到电感值的大小。由于闸门时间T可控，可以设置在毫秒级别，所以可以实现对电感的快速测量。在满足供电要求情况下，单片机和显示电路的选择以低功耗为主，且单片机同时具有外部触发中断功能、定时器功能和计数器功能，显示电路该具有字符显示功能以便显示电感数值和电感单位符号。

实施例提供的电感测量电路只需要振荡电路以为主要频率进行振荡即可，并不需要稳定振荡幅值的措施，得到的振荡波形为近似正弦波的具有饱和失真特性的波形。为了采用单电源供电方式，实施例中将运放自激振荡电路的静态工作点设置为电源电压VCC一半，以获得对称的动态工作方式，电压偏置电路便起到了这个作用。

将运放自激振荡电路振荡出来的具有偏置电压的近似正弦波形输入到施密特触发器，可在施密特触发器3的输出端得到频率为的矩形波，采用单片机对矩形波进行测频，根据公式和标准电容的容值C计算出电感值，通过单片机控制显示电路即可显示出计算出的电感值和单位。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种电感测量电路，其特征在于，包括电压偏置电路、运放自激振荡电路、施密特触发器和单片机；

所述运放自激振荡电路的输入端与电压偏置电路的输出端相连，所述施密特触发器的输入端与运放自激振荡电路的输出端相连，所述单片机的输入端与施密特触发器的输出端相连；

将所述电感测量电路用于电感测量时，待测电感从所述运放自激振荡电路接入。

2.如权利要求1所述的电感测量电路，其特征在于，还包括显示电路，所述显示电路的输入端与单片机的输出端相连，用于显示电感值的大小和单位。

3.如权利要求1或2所述的电感测量电路，其特征在于，所述电压偏置电路包括第一电阻R1、第二电阻R2和第一运算放大器U1；所述第一电阻R1与第二电阻R2的阻值相等；

所述第一电阻R1与第二电阻R2串联，第一电阻R1的非串联端用于连接VCC电源，第二电阻R2的非串联端接地；

所述第一运算放大器U1的同相端与第一电阻R1和第二电阻R2的串联端相连；第一运算放大器U1的反相端与其输出端相连，第一运算放大器U1的输出端作为所述电压偏置电路的输出端。

4.如权利要求1或2所述的电感测量电路，其特征在于，所述运放自激振荡电路包括第二运算放大器U2，第三电阻R3、标准电容C和第四电阻R4；

所述第三电阻R3的一端作为运放自激振荡电路的输入端，与电压偏置电路的输出端相连；第三电阻R3的另一端与第二运算放大器U2的反相输入端相连；第四电阻R4串联在第二运算放大器U2的反相输入端与输出端之间；标准电容C的一端与第一运算放大器U1的输出端相连，另一端与第二运算放大器U2的同相输入端相连，第二运算放大器U2的同相输入端还与其输出端相连；

标准电容C的两端还用作测试端，分别用于连接待测电感的两端；所述第二运算放大器U2配置成同相放大电路；用于电感测试时，将待测电感L与标准电容C并联，构成并联LC选频网络。