嵌入式RLC 參數測量系統的設計

梁貴謙，張 旭，李雨微，趙君垚，于明軍，韓 錚

（赤峰學院 物理與智能制造工程學院，內蒙古 赤峰 024000）

0 引言

對電阻、電容及電感參數的測量，關系到工程研究的許多方面?，F在國內外對此的研究主要集中在某些特定系統、場景情況下對元件參數的測量，具體有：由這些元器件構成的各種類型傳感器中元件參數的測量，如微電感傳感器電感測量、MEMS 電容薄膜真空計微電容測量等［1-2］；特定場景下電阻、電容和電感參數的測量，如共面波導傳輸線電容準確測量，多導體靜電獨立系統中電容的測量等［3］；使用不同技術手段增大測量范圍和提升測量精度的研究，如高動態范圍的電容測量，基于Network Analyzer 技術、基于BP 神經網絡技術的高精度電容測量等［4-5］。大量的工程實踐中，對電阻、電容、電感等元器件的參數測量要求并不高。從日常應用來看，多數情況下只需進行驗證性測量即可。因此，快速、便捷的測量變得很重要。隨著微處理器性價比的不斷提高，傳統測量方法逐漸向低功耗、高性能、應用簡單的嵌入式測量技術方向發展。通過頻率法進行R，L，C參數值測量，能夠很好地將測量系統數字化，可以讓測量操作非常迅速?；诖?，本文以stm32f103c8t6 單片機為控制核心，設計了一個能夠對R，L，C參數值進行快速測量的系統。

1 方案整體設計框架

本設計由4個部分組成，分別是測量電路部分、通道選擇部分、控制電路部分以及人機接口部分。設計總體框圖如圖1 所示。其中，測量電路是以電容、電阻、電感為測量對象，由555 定時器組成的振蕩電路。將待測元件的參數值轉換為振蕩電路的頻率值進行輸出，如圖1 中的Fc，Fr，Fl為三路頻率信號；為了對不同測量電路進行切換，通道選擇模塊由CD4501B 多路選擇器構成，在測量電容、電阻和電感時進行軟件控制切換，方便測量；控制電路主要由stm32f103c8t6 單片機最小系統構成，它是一款低功耗、高性能的32 位可在線編程的單片機，有較強的信號實時捕獲能力，可實時進行參數值的計算［6］，同時與人機接口部分進行交互；人機接口模塊由LCD1602 顯示器和3 個按鍵組成，系統工作時，分別用于顯示輸出測量結果和選擇測量電路通道。

圖1 總體設計框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 電阻測試電路設計

電阻測試電路如圖2 所示。該電路由555 定時器、電阻元件及電容元件組成多諧振蕩電路。其中，除待測電阻外，其余各部分元件參數已經確定。根據不同的待測電阻值，振蕩電路將輸出不同頻率的FR信號。該信號通過控制部分的單片機進行脈沖計數，最后利用推導公式（1）計算得出所測電阻的值。

圖2 電阻測試電路

根據多諧振蕩電路的振蕩周期，可推導得出待測電阻的計算公式［7］：

2.2 電感測量電路的設計

電感測量電路使用電容三點式振蕩電路，如圖3 所示。該電路能進行高頻的電感測量，其振蕩頻率為

圖3 電感測試電路

則有：

式中：C是C4和C12的并聯值。

2.3 電容測量電路

電容的測量同樣采用由555 定時器、電阻元件及電容元件組成的振蕩電路，如圖4 所示。通過測量振蕩電路的頻率，間接測量電容值。使用“脈沖計數法”，得到振蕩電路的頻率后，通過式（4）計算得出所測電容的值。多諧振蕩電路的振蕩周期公式推導出：

圖4 電容測試電路

式中：R8=1 kΩ，R12=10 kΩ。

3 軟件設計

在主程序設計中，通過對按鍵S1，S2，S3 的操作來設置按鍵值，選擇對應的電阻、電感、電容測量的電路通道。在單片機stm32f103c8t6 中具體設置計算參數，最后由LCD 進行數據顯示。具體操作流程如圖5 所示。當被測元件接入電路，按下復位鍵進行復位，通過按鍵掃描，進行按鍵分析，判斷被測元件的類型。判斷出具體類型之后，根據對應類型的測量方法進行測量和計算，在更新LCD 液晶屏顯示之后再次進行鍵盤掃描，如此往復循環執行。

圖5 程序主流程圖

設計中使用到兩個中斷，分別是外部中斷和定時器中斷。外部中斷用于計數，定時器中斷用于計時。當測試電路輸出頻率進入到單片機中，當前頻率是方波信號，下降沿觸發中斷，計數變量加一；在定時器中斷程序中，每隔200 ms 采集一次頻率。最后通過計數變量的值和定時器的值算出最終結果。

4 實驗與結果

根據以上設計完成了實物樣機的制作與調試，對系統進行了實驗測試。實物如圖6 所示。

圖6 系統實物圖

測試過程中，選用了常見阻值的7 種電阻、6種電感和6 種電容，分別進行10 次測量。各種元器件在測試時，每次手動對系統進行斷電重啟后，記錄測試結果并保留1 位小數。對測量結果進行了統計分析，統計出均值、標準差和均值真值之間的誤差百分比。測量結果如表1、表2、表3 所示。

表1 電阻測試結果

表2 電感測試結果

表3 電容測試結果

可見，對以上元件的測量結果中，電阻測量的結果誤差約在2%～9%，電感測量誤差在2%～12%，電容的測量結果誤差在4%～10%?？傮w來說，測量結果精度誤差都在10%左右，滿足鑒別元器件參數值的要求。本實驗設計的系統綜合考慮成本與測量精度，使用成本較低的方案進行系統設計，可滿足日常實驗需要。

5 結語

針對電子電路實驗中經常需要對元器件參數進行鑒別測定的問題，本文利用振蕩電路將待測元器件的參數值測量轉換為振蕩電路輸出信號的頻率測量，設計了以單片機為核心的檢測系統，能夠快速、準確地完成參數的測量工作。如果想進一步降低測量誤差，擴大測量范圍，得到更精確的測量結果，可從兩個方面進行改進：其一，選擇主頻更高的單片機，能夠使頻率的測量更精確；其二，進行更多的測量分析，使用軟件方法進行數據矯正，能夠提高測量精度。