便携式智能LCF测量仪的设计

王林生 席东河



便携式智能LCF测量仪的设计

王林生 席东河

（河南工业职业技术学院 河南南阳473009）

针对电子线路在焊接、调试过程中经常需要测量电感电容值以及信号频率，专门的仪器由于体积庞大设备昂贵等造成测量困难，利用单片机设计一款便于携带、低成本的测量电感电容值以及信号频率的测量仪，经过测试，满足需求的精度，达到作为测量仪器的要求。

电容 电感 信号频率测量 单片机

电子线路在焊接、调试过程中经常需要测量电感电容值以及信号频率，专门的测量仪器由于测量单一、体积庞大、设备昂贵等造成测量困难，从事电子技术人员迫切需要一款携带方便、低成本的测量电感电容值以及信号频率的测量仪器。因此，我们通过对电感电容的本身特性以及信号频率的原理的研究，以单片机作为计算、控制和数据处理的核心部件，辅助以相应的功能操作开关和液晶显示器，设计了一款便携式的电感电容及信号频率测量仪。

1 设计原理

1.1 频率测量原理

电路图开关S1和S2置于上方，被测信号频率输入到LM393进行放大，然后接入单片机的T1口，由定时器/计数器T1进数脉冲计数，同时由定时器/计数器T0进行计时[1]。得出Tx时间内的脉冲个数Nx，则可求得f = N / T。如图1所示，

1.2 电感、小电容测量原理

电路图如图1所示，测量电路由电感、电容等组成的LC振荡器[2-4]，运算关系如式（1）所示：

开关S1置于上方，S2置于下方，由单片机测量由电感L、电容C组成的L震荡回路的频率f，然后开关1置于下方，单片机测量由待测电容C或电感、电感1、电容8组成的L震荡回路频率f2，然后分别用式（2）、式（3）计算：

其中，f1是固有频率，f2是接入测试电容、电感后的频率，本测量仪测量小电容测量范围：1pF~2.2 μF，测量电感测量范围：0.1 μH~1 H。

1.3 电解电容测量原理：

电解电容的测量是基于对RC电路的时间常数的计算，电容的充电速度与R和C的大小有关，R与C的乘积越大，充电时间就越长。这个RC的乘积就叫做RC电路的时间常数，即=R*C，若R的单位用欧姆，C的单位用法拉，则τ的单位为秒，具体的充电过程如图2所示。

图2 LC充电过程

U是按指数规律上升的，U开始变化较快，以后逐渐减慢，并缓慢地趋近其最终值，当=时，U=0.632 E（E为电源电压）；本测量仪就是利用单片机测量U=0到0.632 E这段时间，用式(4)计算计算被测电容值：

测量电路[5-8]如图3所示，电路由比较器LM393，放电晶体管Q1、Q2等组成。设定比较器正输入端为Uc，（Uc=0.632 E，调节RJ2获得），反向输入端接被测电容Cx，当单片机P15引脚为低电平时，电容放电。当单片机P15引脚为高电平时，电容充电，当充电到Uc时，比较器翻转，触发单片机外部中断0，通过测得的充电时间和充电电阻的大小可以计算出电容大小。本测量仪器测量电解电容测量范围为：0.5 μF~2 000 μF。

2 软件设计

在频率、电容、电感测试仪的设计中，便于直观性，在液晶显示器上显示被测参数的选择，被测参数各个灯的选择以及具体设置。通过三个按键S4,S5,S6来进行灵活控制，具体流程图[9]如图4所示。

3 测试

1） 测试方法：

在测试时将被测参数通过本系统测量出来的示值与参数的标称值进行对比，进而可以知道本系统的测试精度。

2） 测试仪器：

示波器、万用表、稳压电源、计算机。

3） 测试结果：

通过按键，实现其按键所对应的功能，并观察测试结果，对设计进一步的进行校正和对实现功能的可靠性的确认，并记录观察结果。

图4 测量流程图

测试结果如下：

① 电容测试数据如表1所示。

表1 电容测试数据

②电感测试数据如表2所示。

表2 电感测试数据

③电解电容测试数据如表3所示。

表3 电解电容测试数据

④频率测试数据如表4所示。

表4 频率测试数据

4）测试分析：

在实际测量中，由于测试环境，测试仪器，测试方法等都对测试值有一定的影响，都会导致测量结果偏离被测量的真值。为了减小本设计中误差的大小，主要利用修正的方法来减小测试仪的测量误差。对影响测量读数的各种影响因素，如温度、湿度、电源电压等变化引起的系统误差，通过对相同被测参数的多次测量结果和不同被测参数的多次测量选取平均值，最后确定被测参数公式的常数值，从而达到减小本设计系统误差的目的。

4 结语

该测量仪利用元器件本身的特性设计测量电路和测量控制程序，实现了对小电容、电感、电解电容、频率的测量，测量范围涵盖常用电容和电感元器件及信号范围。一机多用，体积小重量轻，便于携带。由于该测量仪电路所含元器件少，并且均为常用元器件，制作工艺简单，制作成本低，在大多数情况下可以替代电感测量仪、电容测试仪、频率检测仪等设备，具有很好的发展前景。

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