测量电感与高频电压方法的研究

张叶

摘 要：由于当前所采用的电感与高频电压的测量仪器，其结构非常的复杂，并且精确度也无法达到实际要求，本研究将单片机与转换电路联合运用提出一种设计方案。将电感与高频电压经由系统转换为频率，再以改进之后的算法对其频率进行测量，再结合所测得的结果进行电路转换和频率大小传递关系的求解，即可获得电感与高频电压的测定结果。

关键词：测量；电感；高频电压

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.240

1 设计方案

1.1 测量电感振荡电路的设计

根据系统框图1来看，测量电感中所运用的振荡电路主要运用了放大的电路，其分别由C1、C2以及UPC1688组合成，同时选频正反馈电路，其主要由R，C，L组合而成。振荡器要稳定其主要条件为环路的增益均统一，同时环路相应位的和能够为零[1]。由于电感测量的误差以及相位之后为零时，这与其稳定条件密切相关，故这里就对其相应位和为零做出分析。将放大器的相移角度设为，而将选频正馈电路相移角度设置为。

（1）

+=0 （2）

若选频网络与上述公式（1）相符合时，其相移则为零（=0）即表示测量非常的精确。但因放大器的相移角度，故，振荡器因此产生的信号的频率也就无法设定为f，测量过程中也会存在各种误差。为此，从选频正反馈电路来实现对相移角度的计算：

（3）

根据公式1与公式3即可获得：

（4）

令，并将w作为变量，并根据公式4解得：

（5）

由于，同时当k=0时，。而可作为以及C的谐振频率。为此，在进行电路设计过程中，应将电阻R尽量的加大，确保振荡器所输出的信号，其频率能够与以及C的谐振频率相一致，从而更好的保证其精度，但因电阻R过大极易引起振荡器环路增益过低，故建议将R保持在1KΩ为宜。

1.2 高频电压和频率间关系的获取

在对高频电压进行测量时，主要是将高频电压转换为检波电压，再将检波电压转换为频率，即。基于软件的基础上，首先完成三个量的映射表格，再通过单片机结合测量和表格完成频率F查表并因此获得，结合所能够获得的查表即可获得，当数据并不在一个表格内时，即可通过周围两个点来取直线方程，通过直代曲解出相应的数据[2]。检测电压以及频率F之间的关系时，则可通过实际测量的方式对相关数据进行详细的记录，并将其写入到单片机中。因的映射表格要进行实测难度较大，但通过仿真的方式却极易获取[3]。通过电路仿真软件来进行电路的绘制设计，通过仿真软件中的信号源输入即可获得不同的信号以及采用仿真软件电压表来读取相应的电压，并完成映射表格的建立。

1.3 频率测量算法的改进

单片机主要经由时间内的外部脉冲个数和测量时间来实现频率的测量。若假设晶振在进行分频之后，其内部的脉冲个数为，其周期则设为；另将外部的脉冲个数设定为，周期设定为，其频率为。详见图2。

根据频率测量原理，通过公式即可获得，通过等价变换即可获得。但由于计数器只能够对整个脉冲个数（）来进行有效识别，而不是在相同的时间点在开始以及结束时，来进行脉冲个数（）的实际测量；使得等式并不呈现为绝对的对等，避免误差的出现。误差的大小通常表现出以下几种规律：当将所表示的脉冲作为开始以及结束计数的触发信号，即可获得不等式，而其中最大的误差为；若将所表示的脉冲作为触发的信号，那么可获得这样的不等式，即为等式的最大误差，为此，要实现对误差的减小，关键在于将小频率、大周期作为脉冲的触发信号。通常单片机的时钟往往来源于1MHz的信号，其相较于单片机的外部输入信号频率较高，为了能够实现对频率计准确度的提升，故应当采用外部脉冲来作为触发信号。而在对外部脉冲个数确定的情况下，通过内部计数器來实现对时间的记录。此外，若外部脉冲频率比内部时钟频率低时，那么时钟的频率越高其所测得的结果也就越准确。

在外部脉冲周期的变化相对较大的情况下，则建议以外部脉冲的个数来对测量时间进行确定，其会造成测量时间出现明显的长短不一，甚至在测量时会表现出明显的测量时间过长的情况[4]。而通过内部时钟来进行时间的测量时，测量的时间则相对较为一定，但内部时钟的频率较高时，其精度却会出现明显下降。通过软件算法即可将上述两种方法的优点进行结合，其算法为：（1）其定时器的启动方式主要为T0方式三；（2）首先运用外部脉冲信号来实现对中断的引发，在中断内即可对外部计数器以及内部计时器的游侠有效启动；（3）对内部计时器的检测，了解其是否能够达到规定测量时间，若能够到达发信号到外部计数器中断内；（4）外部计数器在出现中断时，其会将内部计时器以及外部脉冲计数器同时关闭；（5）在获得内部与外部的脉冲个数（）后，即可对频率进行计算获得。这样测量时间长度确定，并且由外部脉冲决定计数的开始点和结束点。

2 实验结果

运用制作成功的电感仪对色环电感进行测量，结果见表1，其误差为±（2%+8），并且无法应用于电感1μH以下的测量。通过本文研究所提出的电感仪测量方法，其误差控制在了2%以内，测量nH级别的电感即可得到有效测量。

采用制作成功的高频电压表对正弦信号源电压所获得的数据进行测量，另采用示波器对其电压数据进行测量，见表2，通常情况下，高频电压表的电路结构相对来说非常的复杂，需要运用非线性来实现电路的变换，或者运用多个运放以及AD。本文所采取的方法能够实现对非线性检波问题的有效解决，并以幅频变换来实现对AD的更换，另通过变容二极管即可对电压变化进行感应，此时即可获得高输入阻抗，同时其电路也相对更为简单。

3 结语

在测量的过程中，其可使无法直接测得的量，经由电路转变为能够进行直接测量的量，再通过电路变换以及测量即可实现对电路传递关系的逆向处理，即可获得无法直接测得的量。其中重点在于对变换电路的传递关系。无论是对实际变换电路进行改进，使其的精确度与传递关系更加相符合，亦或是在实际测量的过程中，对电路进行变换，从而更为详细地获得精确的传递关系，总而言之，通过对传递关系进行求解的方式，其能够获得与实际变换电路传递关系相一致的测得结果。

参考文献：

[1]赵振.高频电容、电感测量方法及实现[D].电子科技大学，2015.

[2]毛涛，乐健，黄银龙等.一种新型的高压直流输电系统交流侧谐波电压测量方法[J].中国电机工程学报，2015（04）：796-803.

[3]东忠阁.开关式电感测量仪的研究与设计[D].东北农业大学，2014.

[4]辛苗，欧阳斌林，果莉等.充电电流对测量电感值的影响[J].自动化技术与应用，2012（12）：73-76，85.