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DIY集電容、電感和頻率測量為一體的儀器

發(fā)布時間:2013-10-25 責任編輯:sherryyu

【導讀】話說小編曾經(jīng)也是待過實驗室的“憤青”呢?當時做一個設計可是頭疼,特別是儀器測量。一會用這個測電容,一會用那個測電感,然后再測頻率。反正就是整個桌子上各種儀器,看著心煩,用著難受!看見一個技術帝DIY的集合電感、電容還有小信號的頻率測量為一體的儀器,頓時感覺“身不逢時”??!不多說,來看看神器如何做成的!

在平時的工作中,有時候我們需要測試一下電感、電容還有小信號的頻率,為了方便,今天我給大家介紹一個利用單片機STC89C52/AT89S52為主控的,集合以上三種功能的神器。以下是詳細制作過程。

我初步給這個產(chǎn)品劃定的測量范圍是:

電感測量范圍: 0.1μH--------1H

小電容測量范圍: 1pF-------2.2μF(非電解電容)

頻率測量范圍: 50Hz------400KHz(可測小信號)

電解電容測量范圍: 0.5μF--12000μF(電解電容、非電解電容均可)

在開始制作之前,先給大家講解一下測量原理:

1、小電容、電感測量原理:

電路是一個由LM393(U3A)組成的LC振蕩器。由單片機測量LC震蕩回路的頻率F1,然后根據(jù)標準電容C1【原理圖中的Cref】出電感L1的值。
原理圖中的Cref
這里電容器C1的容量的精確程度,基本上決定了整個測量過程的精度。應該選用穩(wěn)定性好精度高的電容器,網(wǎng)上一般推薦使用云母電容器,買不到的話,獨石或CBB的也都可以將就用。

電容Cx、電感Lx的值,分別用下列式子計算:
2
其中,F(xiàn)1是固有頻率,F(xiàn)2是接入測試電容、電感后的頻率。

2、電解電容測量原理:

電解電容的測量是基于對RC電路的時間常數(shù)的計算,電容的充電速度與R和C的大小有關,R與C的乘積越大,充電時間就越長。這個RC的乘積就叫做RC電路的時間常數(shù)τ,即τ=R?C。若R的單位用歐姆,C的單位用法拉,則τ的單位為秒。

3

圖示曲線可以得到充電過程的一般規(guī)律:Uc是按指數(shù)規(guī)律上升的,Uc開始變化較快,以后逐漸減慢,并緩慢地趨近其最終值,當t=τ時,Uc=0.632E (E為電源電壓);本測量儀就是利用單片機測量Uc=0到0.632E這段時間,用下列式子計算計算被測電容值:
用下列式子計算計算被測電容值
電路由比較器U1B,放電晶體管Q1、Q2等組成。設定比較器正輸入端為Uc,(Uc=0.632E,調(diào)節(jié)Rref獲得),反向輸入端接被測電容CEx,當單片機P15引腳為低電平時,電容放電。注意51單片機引腳的拉電流很小,不能直接驅(qū)動Q1,否則放電時間會很長。當單片機P15引腳為高電平時,電容充電,當充電到Uc時,比較器翻轉(zhuǎn),觸發(fā)單片機外部中斷0,通過測得的充電時間和充電電阻的大小可以計算出電容大小。

原理圖如下圖所示:

原理圖如下圖所示

上圖中,Btn1是單片機復位按鈕;Btn2是校準按鈕,在測量小電容時候可以隨時按下清零顯示;Btn3是功能切換按鈕,用來在測量LCF(頻率、小電容、電感)和測量電解電容之間切換。

圖中的三個雙刀雙擲開關用來切換測量,S1在L、C(小電容)之間切換,S2在頻率與LC之間切換,S3在大電解和小電解之間切換;單片機能夠根據(jù)開關的狀態(tài)和按鈕Btn3自動判斷測量的類型。

另外,F(xiàn)x、Cx、Lx共用了一個GND端子,電路板上四個端子緊挨在一起,也可以多加GND端子,不共用,布線時可以根據(jù)實際情況靈活處理。
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制作所需的元器件如下圖所示:

制作所需的元器件如下圖所示;

焊接完工

正面飛線主要是數(shù)字電源和數(shù)字地線,因為數(shù)字電源與模擬電源做了嚴格隔離,所以飛線比較亂。不隔離很多地方可以直接連一起,板子可以做的比較漂亮。

焊接完工

背面的飛線主要是按鍵線、信號檢測線、ISP串口下載線等,模擬部分盡量避免了飛線,或者使用了短飛線。

DIY集電容、電感和頻率為一體的測量儀器

3、裝芯片及1602

裝芯片及1602

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4、裝有機玻璃板

裝有機玻璃板

以下是成品展示圖:

比較器周邊元器件比較多,布線可能不太方便,給大家提供一個LM393周邊元器件位置的參考,這樣的布局飛線不會太多。我電路板上的飛線多是因為模擬電源和數(shù)字電源進行了比較嚴格的隔離,實際上并沒有太大必要,但是LC振蕩電路附近的電源和地一定要注意隔離,否則可能小電容讀數(shù)很不穩(wěn)定!

標準電容Cref最好使用2200pF云母電容,該電容的精確程度直接決定了小電容和電感的測量精度?。ú贿^不會影響頻率和電解電容測量精度。)

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Rref調(diào)試方法,上文原理中已經(jīng)講到,比較器同相輸入端電壓Uc=0.632E(電源電壓)。

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使用方法

測小電容、電感、頻率是一組功能,具體測哪個由S1/S2的狀態(tài)決定,單片機能根據(jù)S1/S2的狀態(tài)自動識別測量哪一種。測大電解電容和小電解電容是一組,具體測大電解還是小電解由S3狀態(tài)決定,單片機能根據(jù)S3的狀態(tài)自動識別測量大電解還是小電解。在這兩組功能之間需要功能切換按鈕(原理圖中Btn3)來切換。

1、上電開機界面

顯示網(wǎng)站網(wǎng)址和大道必成會員號。

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2、開機小電容和電感檔未校準前

此時S1/S2/S3均處在彈起狀態(tài),S1/S2處在其它狀態(tài)時則自動顯示其它測量界面(頻率Fx或者電感Lx的測量界面)。

圖中的3.7pF是未經(jīng)校準的誤差,一般這個值會比較大,必須校準后才能測小電容和電感。頻率檔和電解電容測量檔不需要校準,校準僅僅針對小電容和電感測量。

DIY集電容、電感和頻率為一體的測量儀器

3、小電容、電感檔校準

校準只需在小電容檔(圖中界面),不接入測量電容時,按一下校準(清零)按鈕(原理圖中Btn2)即可,Cx會自動清零(下圖所示)。

在電感檔校準需要將測電感的端子Lx與GND短接,然后按一下校準按鈕,因為不方便,所以不提倡在電感檔校準。在小電容檔和電感檔校準是等效的,在小電容檔校準后,按下S1測電感即可,不需要重復校準。

DIY集電容、電感和頻率為一體的測量儀器

4、測小電容

S1/S2均在彈起狀態(tài),單片機會自動顯示測小電容界面,除非按下功能切換按鈕(原理圖Btn3)切換到電解電容檔。

校準后,直接將小電容接在Cx與GND之間即可,下圖所示。第一行顯示測得的電容值,第二行顯示的是當前LC振蕩電路的頻率。

DIY集電容、電感和頻率為一體的測量儀器
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小電容實際測試:

1000pF

DIY集電容、電感和頻率為一體的測量儀器

150nF

DIY集電容、電感和頻率為一體的測量儀器

5、測電感

S1按下、S2彈起狀態(tài),單片機會自動顯示測電感界面,除非按下功能切換按鈕(原理圖Btn3)切換到電解電容檔。

將電感接在Lx與GND之間即可,下圖所示。第一行顯示測得的電感值,第二行顯示的是當前LC振蕩電路的頻率。

所測電感與電路板上焊的是同一種,標稱100uH的電感。

DIY集電容、電感和頻率為一體的測量儀器

電感實際測試

標稱220uH

DIY集電容、電感和頻率為一體的測量儀器
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6、測頻率

按下S2(S1何種狀態(tài)無關), 單片機會自動顯示測頻率界面,除非按下功能切換按鈕(原理圖Btn3)切換到電解電容檔。

本測量儀可以測幅值比較小的信號,頻率測量范圍50Hz到400KHz,測量精度在0.2%以內(nèi)。

這是測20KHz信號的界面。

DIY集電容、電感和頻率為一體的測量儀器

7、測小電解電容

在測小電容、電感、頻率的任何一個狀態(tài),按一次功能切換按鈕(原理圖中Btn3)都會切換到測電解電容的狀態(tài),然后根據(jù)S3彈起還是按下的狀態(tài)自動識別測大電解還是測小電解電容。再次按下功能切換按鈕(原理圖中Btn3)會返回到測小電容、電感、頻率的狀態(tài)。這就是功能切換按鈕的作用。除此之外,其它測量檔位單片機能根據(jù)S1、S2、S3按下還是彈起自動識別,無需人為干預。

S3彈起時為測小電解檔,第一行顯示測量范圍,第二行顯示測得的電容值。拍完照片后程序又略有改動,顯示的測量范圍會略有差異。

DIY集電容、電感和頻率為一體的測量儀器

8、測大電解電容

功能切換在測電解電容狀態(tài),S3按下時,自動進入大電容測量界面。

拍完照片后程序又略有改動,測量范圍已經(jīng)增大到12000uF。

DIY集電容、電感和頻率為一體的測量儀器

電解電容實際測試

0.47uF,雖然叫電解檔,其實電解非電解電容都可以測:

470uF

DIY集電容、電感和頻率為一體的測量儀器

1000uF

DIY集電容、電感和頻率為一體的測量儀器

至此,整個DIY已經(jīng)完成了,是不是很強大?趕緊自己動手吧!

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