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基于51单片机的电容、电感、频率测量仪（LCF表） 【精华】（一）

zhuwei0710
高工
2013-11-12 13:00:09     打赏
本帖最后由 大道必成 于 2012-8-10 07:41 编辑

基于STC89C52/AT89S52的电感、电容、频率测量表

大体测量范围

电感测量范围：     0.1μH--------1H
小电容测量范围：   1pF-------2.2μF（非电解电容）
频率测量范围：     50Hz------400KHz（可测小信号）
电解电容测量范围： 0.5μF--12000μF（电解电容、非电解电容均可）

一、测量原理
1、小电容、电感测量原理：
    电路是一个由LM393（U3A）组成的LC振荡器。由单片机测量LC震荡回路的频率F1，然后根据标准电容C1【原理图中的Cref】出电感L1的值。
原理1.png 
    这里电容器C1的容量的精确程度，基本上决定了整个测量过程的精度。应该选用稳定性好精度高的电容器，网上一般推荐使用云母电容器，买不到的话，独石或CBB的也都可以将就用。
    电容Cx、电感Lx的值，分别用下列式子计算：
原理2.png 
    其中，F1是固有频率，F2是接入测试电容、电感后的频率。
2、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τ，即τ=R∙C。若R的单位用欧姆，C的单位用法拉，则τ的单位为秒。
电容原理3.png 
      图示曲线可以得到充电过程的一般规律：Uc是按指数规律上升的，Uc开始变化较快，以后逐渐减慢，并缓慢地趋近其最终值，当t=τ时，Uc=0.632E (E为电源电压)；本测量仪就是利用单片机测量Uc=0到0.632E这段时间，用下列式子计算计算被测电容值：
电容原理4.png 
     电路由比较器U1B,放电晶体管Q1、Q2等组成。设定比较器正输入端为Uc，（Uc=0.632E，调节Rref获得），反向输入端接被测电容CEx，当单片机P15引脚为低电平时,电容放电。注意51单片机引脚的拉电流很小，不能直接驱动Q1，否则放电时间会很长。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。

二、原理图
电路原理图.png 
    上图中（请参照PDF原理图），Btn1是单片机复位按钮；Btn2是校准按钮，在测量小电容时候可以随时按下清零显示；Btn3是功能切换按钮，用来在测量LCF(频率、小电容、电感)和测量电解电容之间切换。
    图中的三个双刀双掷开关用来切换测量，S1在L、C（小电容）之间切换，S2在频率与LC之间切换，S3在大电解和小电解之间切换；单片机能够根据开关的状态和按钮Btn3自动判断测量的类型。
    另外，Fx、Cx、Lx共用了一个GND端子，电路板上四个端子紧挨在一起，也可以多加GND端子，不共用，布线时可以根据实际情况灵活处理。

三、电路板
    比较器周边元器件比较多，布线可能不太方便，给大家提供一个LM393周边元器件位置的参考，这样的布局飞线不会太多。我电路板上的飞线多是因为模拟电源和数字电源进行了比较严格的隔离，实际上并没有太大必要，但是LC振荡电路附近的电源和地一定要注意隔离，否则可能小电容读数很不稳定！
    标准电容Cref最好使用2200pF云母电容，该电容的精确程度直接决定了小电容和电感的测量精度！（不过不会影响频率和电解电容测量精度。）
电路连接.JPG          
    Rref调试方法，上文原理中已经讲到，比较器同相输入端电压Uc=0.632E（电源电压）。

四、使用方法
    测小电容、电感、频率是一组功能，具体测哪个由S1/S2的状态决定，单片机能根据S1/S2的状态自动识别测量哪一种。测大电解电容和小电解电容是一组，具体测大电解还是小电解由S3状态决定，单片机能根据S3的状态自动识别测量大电解还是小电解。在这两组功能之间需要功能切换按钮(原理图中Btn3)来切换。
1、上电开机界面
    显示中国电子DIY之家网址和大道必成会员号。
开机界面.JPG 
2、开机小电容和电感档未校准前
    此时S1/S2/S3均处在弹起状态，S1/S2处在其它状态时则自动显示其它测量界面（频率Fx或者电感Lx的测量界面）。
    图中的3.7pF是未经校准的误差，一般这个值会比较大，必须校准后才能测小电容和电感。频率档和电解电容测量档不需要校准，校准仅仅针对小电容和电感测量。
开机校准前.JPG 
3、小电容、电感档校准
    校准只需在小电容档（图中界面），不接入测量电容时，按一下校准（清零）按钮（原理图中Btn2）即可，Cx会自动清零（下图所示）。
    在电感档校准需要将测电感的端子Lx与GND短接，然后按一下校准按钮，因为不方便，所以不提倡在电感档校准。在小电容档和电感档校准是等效的，在小电容档校准后，按下S1测电感即可，不需要重复校准。
开机校准后.JPG 

4、测小电容
    S1/S2均在弹起状态，单片机会自动显示测小电容界面，除非按下功能切换按钮（原理图Btn3）切换到电解电容档。
    校准后，直接将小电容接在Cx与GND之间即可，下图所示。第一行显示测得的电容值，第二行显示的是当前LC振荡电路的频率。
27pF.JPG 
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