数字式电感电容测量仪的设计
摘 要：在测量电感电容值时，传统的测量大都采用交流电桥法和谐振法。然而这些方法通常采用刻度读数，读数不够直观。着眼于对传统测量方式的改进，基于LC振荡电路原理，结合以AT89S51单片机为核心的频率测量电路，设计一种数字式电感电容测量仪,给出详细的电路原理和程序流程，对测量原理做了较详细的阐述。基于LC振荡电路原理测量LC是本设计的创新之处。
关键词：电感电容；LC振荡电路；AT89S51；频率测量电路
中图分类号：TP216文献标识码：B
文章编号：1004373X(2008)2202002
Design of Digital Inductance Capacitance Measuring Apparatus
HE Fuyun,LUO Xiaoshu
(Physics & Electronic Engineering College,Guangxi Normal University,Guilin,541004,China)
Abstract：Measuring the value of the inductance capacitance in traditional measuring mostly utilizes AC bridge and resonance.But these methods often read the value by scale meter,so the display isn′t intuitive.Compared with the traditional method,the design of digital inductance capacitance measuring apparatus is based on the principle of LC oscillation circuit and the frequency measuring circuit which uses AT89S51 as the core.Detailed circuit principle and program diagram are given.The measuring principle is also expatiated in detail.The innovation of the design is measuring LC based on the principle of LC oscillation circuit.
Keywords：inductance capacitance;LC oscillation circuit;AT89S51;frequency measuring circuit
1 测量原理
整个测量仪原理框图如图1所示，其测量原理为。
图1 测量仪原理框图
LC振荡电路不接入待测电感或电容，自由振荡产生一频率为F1的正弦波，由LC振荡电路原理有：
该正弦波经分频器100分频后，变为一幅度为5 V的方波，该方波从单片机AT89S51的P3.4脚引入，由定时器T1产生200 μs的闸门时间，在定时器T1定时1 s期间内由计数器T0对外部脉冲进行计数，所获得的计数值m即为被测脉冲信号的频率。这时测得的频率F1为后续的数据处理作准备。当AT89S51完成对自由振荡期振荡频率F1的测量后，校准电容Cb自动接入LC振荡电路，这时产生一新的振荡频率Fb。
当待测电感或电容通过选择开关接入LC振荡电路，振荡频率将会发生变化。如果一待测电感Lx接入电路，和已知电感值的L1是串联的，因而电路中总的电感为L1+Lx，这导致振荡频率变为：
同理如果一待测电容Cx接入电路，但和已知电容值的C1是并联的，因而电路中总的电感为C1+Cx，这导致振荡频率变为：
从上述关系可以看出，基准电容Cb的精确度是整个系统测量精确度的关键，因此Cb选用精度高的精密电容，从而整体上提高了整个测量仪的测量精确度。
2 电路的设计与实现
2.1 AT89S51单片机介绍
单片机是整个测量仪的核心。根据测量的要求和单片机的总体性能,如运算速度、抗干扰能力、I/O端口、中断源、存贮容量、性价比等,采用性能优越的AT89S51作为处理器。AT89S51是一款低功耗,高性能的8位可在线编程的CMOS型单片机。它带有4 kB可编程和擦除的读写存储器,128 B RAM，4个8 b的并行I/O口,2个16 b定时器/计数器,6个中断源，1个全双工串行口。AT89S51的应用范围广，既可以用于简单的测控系统，又可以用于复杂的逻辑控制,而且应用系统组成灵活、方便、性能稳定。图2为AT89S51的引脚图。
图2 AT89S51引脚图
2.2 100分频电路
因为单片机所能测出的频率有一定的上限值，而由LC振荡电路振荡出来的频率为0.4~3 MHz，经100分频后，变为频率范围为4~30 kHz，落在单片机所能测出频率的范围内。74HC390是二-五进制计数器，可以接成100进制的计数器。100分频电路如图3所示。
图3 100分频电路
2.3 LCD显示电路
点阵字符型液晶显示器专门用于显示数字、字母、图形符号及少量自定义符号的显示器。这类显示器把LCD控制器/点阵驱动器/字符存贮器全做在一块印刷板。这里采用日立公司的HD44780液晶显示模块来显示测量结果。HD44780具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动/闪烁等功能。与MCU的传输可采用8位并行传输或4位并行传输2种方式。LCD显示电路如图4所示。
图4 LCD显示电路
2.4 LC振荡电路
LC振荡电路采用电容三点式的电容反馈式振荡器。该振荡电路的主要特点是容易起振、频率稳定度高、频带宽。频带的宽窄，直接影响着所能测试的电感和电容的范围。因此，如何尽最大可能扩大LC振荡电路的工作频带，成为影响整个测量仪性能的关键因素之一。该电路原理如图5所示。
图5 LC振荡电路
3 程序设计
由于采用单片机测量频率和处理相关的运算，其涉及到浮点数的运算，如果采用汇编语言来编写浮点数的运算，工作量将很繁重。因而选择C51来编写程序，使得浮点数运算的程序编写量大大简化。并且整个程序设计结构采用标准的函数模块方式，使整个程序的结构清晰。整个测量程序的流程图如图6所示。
图6 测量程序流程图
4 结 语
该电感电容测试仪采用单片机智能控制，数字显示、操作简单、使用方便。其所能测量的电容，电感的范围及测量精度，都能满足一般应用场合的需要。
参考文献
［1］何立民.单片机高级教程应用与设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社,1999.
［2］曾兴雯,刘乃安,陈键.高频电路原理与分析［M］.3版.西安:西安电子科技大学出版社,2001.
［3］王建校,杨建国,宁改娣,等.51系列单片机及C51程序设计［M］.北京:科学出版社,2002.
［4］刘大茂.智能仪器(单片机应用系统设计)［M］.北京:机械工业出版社,1998.
［5］林秋华,王兢,刘志远.LCR自动测试系统［J］.计算机应用 2001(1):31-33.
［6］徐玓,张银玲.基于虚拟仪器技术的LCR测试仪的设计［J］.广西轻工业,2008(1):59-60,87.
［7］周生景.高精度LCR测量系统的设计研究［J］.电子测量与仪器学报,2003,17(3):1-5.
［8］李念强,刘亚,经亚枝.一种新型RLC数字电桥的研究［J］.南京航空航天大学学报,2001,33(5):490-494.
［9］郑景华,刘忠民.电流负反馈电容三点式振荡电路［J］.河南大学学报:自然科学版,1995(9):84-86.
［10］张静,赵世平,胥尚昆.用于调频式电感传感器的高稳定性LC振荡电路［J］.工具技术,1997(1):38-40.
［11］叶树亮,李东升.改进型高稳定度LC振荡电路的研究［J］.中国计量学院学报,2003,14(3):174-177.
作者简介
何富运 男，1982年出生，广西陆川人，硕士研究生。主要从事自动化测量与控制方面的研究。
罗晓曙 男，1961年出生，湖北应城人，教授,博士。
