最新大量程电感表.docx
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最新大量程电感表
大量程电感表
超大量程电感表
许剑伟莆田第十中学
一、引言:
无线电爱好者,经常要测量电感量,他们常常测量小到零点几uH或大到上千H的电感。
除了商品数字电桥可以测量,其它仪表很难测出来。
后来,在网上看到捷克人的作品,基于LM311制作了一个小电感测量仪,国内也有很多爱好者仿制。
出于好奇,也动手仿制并做了改进,重新分析、设计电路,使得本表可以极宽范围测量,而且精度良好。
最先使用洞洞板调试,后来打样PCB板安装了数台,效果良好。
二、电路原理
本表利用LM393做为放大器,在正反馈回路加放LC选频回路,得到稳定的振荡,并由单片机测量出振荡频率F。
当F和C已知,就可以计算出L的值。
虽然LM393频响比LM311差5倍,但本表通过合理的补偿,可以消除LM393速度上的不足,大幅减小了小电感测量误差。
此外,由于采用了高阻耦合,使得本电路可以测量1000H以上的电感。
电路原理如下图。
Ca是基准电容,La是辅助谐振电感。
Rf*C1应大于Rb*C2,以免低频自激或间歇振荡。
C1、C2是隔直流电容。
C4、C5是表笔高频干扰信号吸收电容(不是工频吸收电容)。
C6是相位补偿电容(LM393无内置相位补偿)。
R1、R2、R3是1/3衰减器兼直流编置电压发生器。
Rf是高阻同相耦合器。
R4、R5是上拉电阻。
Rf1、Rf2是负反馈电阻,7.2倍放大。
R6是偏置电阻并产生数毫伏正偏压。
R7、R8是给二极管施加测试电流的电阻
那个Rf耦合电阻,在超声波范围内并不是存阻的。
当频率较高时,电阻两端的分布电容及LM393内的信号耦合是不可以忽略的。
虽然是电容耦合量很小,但在密勒效应的作用下,等效到输入端的电容会被成百倍放大,有效谐振电容变小。
当频率比较高时,谐振器的阻抗很小,所以反馈系数非常弱,这就造成密勒效应的影响严重,可影响2%以上,为此,高频率下有效谐振电容需要适当修正。
此外,LM393的延迟也会造成振荡频率变小,引起测值变大。
以上因素,结合起来,有效谐振电容还要修正k=5e-8*Rf*f,式中Rf是指反馈总电阻(单位M欧),f指频率(单位Hz)。
电感的计算公式变为:
«SkipRecordIf...»
实际上,可以理解为a就是考虑密勒效应及LM393延时后对频率修正的结果。
同理,电容计算公式则为:
«SkipRecordIf...»
La与Ca均指当前频率下的辅助电感与辅助电容量的真值。
如果事先测出Ca与La的非线性误差,则可以在程序中进行修正处理。
使用质量好的La与Ca,就无须修正。
L/C切换开关的接触电阻易造成测量误差,所以电路中电感档采用直通接入被测电感,电容档采用高阻抗(用4.7mH的)的谐振电感Lb,这样就可以大大减小接触电阻对测量的影响。
以上计算成立是有条件的,要求谐振器处于高Q状态。
Q<10,精度受到明显影响。
由于使用了高阻耦合,测量大电感时,对谐振器的Q值影响得到有效控制。
三、调试、元件及制作工艺
1、PCB板上几个失误:
把测试线接线端子放在La电感旁边。
测量时,表笔位置移动,就改变了测量回路与La电感的距离,引起0.0xuH的变化。
这对测量0.xuH电感是十分不利的。
可以把引线针折弯,使表笔软件焊接点远离La,就可以解决这个问题了。
电感放在了液晶屏铜柱子旁边,引起电感Q值严重下降。
可以改用塑料柱子解决问题。
如果要用铜柱子,可以断开左边铜柱子下的地线,使得“液晶上的导线→右铜柱→PCB地线→左铜柱”环路消失,可以减小它对旁边的La的Q值影响。
PCB板晶振位置大小不正确,晶振不易安装。
需长脚立装。
仪表用的晶振,质量要求高。
建议使用有源晶振,可靠性好些。
调试10套普通晶振的,遇到一台无故误差1%,经反复测试,发现是晶振不可靠。
原设计使用铜柱子固定LCD1602,不巧,辅助是感La放在了铜柱子旁边。
铜柱子会影响La的电感量及Q值,对小电感测量不利。
特别是,铜柱子接触不良,会引起La电感量变化,进而出现零点不稳象现。
实际上,液晶板与主板,通过两个铜柱子,形成了一个地线环。
这个环正好与La电感靠得很近,对于高频率来说,地线环会改变振荡频率。
当地线环时有时无,就造成零点不稳。
由于电路改动,所以与原先PCB也要改动。
2、本表测量精度与谐振电容Ca有关。
云母电容是低温漂的,适合仪表使用。
低频档的谐振电容是Cb=100nF,请使用CBB/630V或CBB/400V电容。
须是100nF,如果有偏差,应修改程序中的Cm2参数。
本表开机时显示Ca和Cb的标定值。
即3n3与100n电容在1kHz时的容量。
其中,3n3是电容放入电路电路板上,还要加上3pF布电容。
如,测得电容为3.001nF,则Cm应置为3.004nF
3、本表测量精度与La、Lb的线性度有一定关系。
使用电感采用Q值较高的工型电感器。
尺寸使用6mm*8mm工型磁芯即可,体积过大易受到分布参数影响。
使用0.2mm左右的漆包线,可以得到较高的Q值,使用0.04*60的李兹线绕制可以得到更高的Q值。
电感Q值高,它的线性度一般也比较好,电感量随频率变化小一些。
检测Q值时,La用200kHz测量,Lb用50kHz测量即可。
4、测量小电感La的选值影响测量精度。
振荡器的稳定度一般只在1e-4到1e-5之间。
计算电感时,先计算出谐振回路总电感然后扣除La,因频率不稳,就会产1e-4级别的短期不稳,1e-3级别的漂移。
如La=220,零漂移可达220*1e-3=0.2uH,如果La=25uH,则漂移只有25*1e-3=0.025uH。
5、被测电感的Q值影响小电感测量精度。
理论上可以证明,即使在Q值较高时,测量小电感还是有误差。
误差绝对量可以表示为ΔL=r*T0,式中r是谐振回路的串联损耗电阻,T0是振荡器的延时。
选取适当的La,可以使得T0变得,La取25uH至50uH,T0的影响基本可以消除。
下图是我改进的作品。
我把220uH电感改为50uH自绕电感,能够更好的测量10uH以下的电感。
由于没有注意绕制工艺,造成Q值只有17(@200kHz),但效果也不会太差。
因为Q值太小,引起20uH以下电感测值偏小1%左右。
可以使用矿机工艺改造这个电感。
比如,使用李兹线绕制,并在磁芯上面垫一层生料带。
下图电感采用25uH的,它是在磁芯上,内层垫上生料带,使用0.04*60多股线绕制,1.3MHz时Q值可达150以上。
因为不易买到25uH的高Q电感,DIY是倒是比较容易一些。
正因为使用了高Q线圈,小电感测量精度再次得到保证,而且零点基本不漂。
开机后20分钟内,漂了0.02uH,再往后观察,未见漂移。
此外,所以与谐振器相关的切换开关,接触电阻应小一些,以免影响谐振电路的Q值。
6、关于低频测量功能扩展
通常铁芯电感在3kHz以下频率可以取得较大的Q值,测值变得准确。
在15kHz频率Q值将下降到2以下,测量精度严重下降,而且15kHz频率往往远离铁芯电感实际应用频率。
测量200mH至10mH的铁芯电感,谐振频率可高达20kHz,铁芯电感的Q值不行,谐振不可靠,本表无法可靠测量。
如果是铁氧体电感,几乎不存在这个问题,它的Q值比铁芯电感高得多,各种电感量都可以测量。
为了解决这个问题,有必要增加一个低频测量功能。
可按电路图补接一个CBB630V/100nF的电容。
接线示意如图。
如不需要低频功能,请将P1.0接到地线上。
图中是一个扭子开关,接触电阻为2mR左右。
不要使用接触电阻为100mR以上的开关。
7、表笔制作
长度10cm就够了。
不要太长。
8、电源要求
本电路对电源质量要求高,不要使用开关电源。
开关电源干扰大,严重影响大电感测量,甚至造成无法测量。
使用“双6V铁芯铜线变压器”或“铁芯铜线变压器制造的9V直流适配器”或“锂电池”均可。
五、使用方法
1、屏上的标识及使用
第1行显示电感量。
首字是“L”或“C”,分别表示测电感和测电容,用“L/C”按键切换。
第2行显示频率。
行末还有一个“H”或“L”,分别表示高频档和低频档。
安装了那个扭子开关及100n电容,才有“H”与“L”两档。
否则,请把P1.0接地,这样只有“H”档。
低频“L”档主要用来测量10mH至1H的铁芯电感。
当谐振频率过高时,铁芯变压器Q值低。
频率降到3kHz以下,测量就可靠得多。
当Rd端子接入二极管或短路,会自动切换到Rd测量状态。
已安装了双6V变压器接口。
也有9V电池接口,它受power开关控制。
9V电池与变压器不可同时使用,否则变压器会对电池充电,电池受损。
2、清零,用CLEAR键清零
Rd档要短路清零,电感档要短路清零,电容档要开路清零。
“短路清零”就是表笔短路后,按CLEAR键。
“开路清零”就是表笔开路后按CLEAR键。
每次使用时,要先看一下零点(电感档、Rd档,看短路零点,电容档看开路)。
如果零点偏移较大,影响你的测量,则做清零。
不影响测量,则不要清零。
如果零点异常,显示有“*”号或超大零点数值(这一般是错误清零操作造成的),这时须做清零操作。
Rd档短路清零后,Rd与uT会含有“*”号是正常的。
后面显示的两个电压值,则应变为0mV
平时测量,不必频繁清零。
因为,每次清零,就会把清零数据写到EEPROM,而EEPROM的擦写寿命有限。
约几万次到百万次吧。
比如,当前测量1000uH,而零点是1.2uH,相对于1000uH来说,1.2uH是可以忽略的,所以不必清零。
再比如,测量10H,不用清零的。
因为零点的uH级或nH级漂移,根本不会影响10H电感的测量。
六、精度
我实测3个电感比对,与电桥测值基本相同,在同频率下用0.2V比对。
使用质量较好的电感比对:
LCZ1062电桥
LC-RdV1.0
4.26mH
4.27mH
179uH
181uH
56.8uH
56.8uH
672uH
669uH
虽然上表得到的测量结果还不错,但不表示所有电感都能得到这样的结果。
应注意到,不同Q值的电感,测量误差不相同。
有载Q值小于3,测量误差明显增加。
1、大电感测量,有载Q值低,选频能力差,所以测量精度下降一些。
而且,由于频率只分辨到1Hz,大电感谐振频率却只有100Hz左右,还会引入2%误差。
不过,达到5%问题不大。
当谐振频率接近于或大于变压器自谐振频率时,Q值小得可怜,测值不准,这时应切换到低频档测量。
2、特别小的电感(20uH以下),其内阻影响谐振回路的Q值,引起测量误差不可忽略。
La使用220uH,大约直流电阻每欧姆引入0.6uH的负偏差。
如果La使用25uH,这种负偏差会减小10倍。
可以接入1欧姆电阻测量,观察零点偏情况。
比如La=220uH,测量4.7uH色环电感,内阻0.8欧,负偏差0.6uH/欧,测得4.00uH,那么真值将得加上0.8欧*0.6uH/欧=0.48uH,得4+0.48=4.5uH。
如果La=25uH,就无须做此项修正。
矿机用的小电感,直流电阻很小,所以一般不用进行修正。
3、小于10H大于10uH范围内,如果被测电感Q值有保证(Q>10),实测误差一般不会超过1%
4、当被测电感远大于La时,本表测量结果是等效并联电感。
七、LM393的极限
«SkipRecordIf...»
以上推导,T0是LM393振荡器系统延迟时间,这种延迟对小电感测量是有害的。
当La=220uH时T0是负值。
La改为25uH,若Q值保持不变,那么谐振阻抗变小约3倍,反馈信号则变小3倍。
而小信号时,LM393延迟量增加,这样一来T0就接近于0。
已上公式表明,如果T0为1微秒,谐振串联内阻1欧,将引入r*T0=1uH电感计算误差。
不少几uH的小电感,内阻在零点几欧姆级别,显然,引入的误差不可低估。
因此,尽量减小T0才可以提升小电感测量的精度。
也许有人会问,清零时不就把T0引入的误差消除了吗?
其实,清零是扣除了辅助电感的测值。
总误差量是(r+r被测)T0,r*T0误差是清零了,但r被测*T0误差清不了的。
关于LM393延迟量τ的测定,可以采取如下方法。
Rf短路,C1换为10uF,La=25uH高Q(且La不随信号帐度而变化),这样C0*Rf可以忽略。
然后表笔短路起振清零。
接入1欧电阻测得0.31uH,所以τ=ΔL/r=0.31微秒。
此时谐振器上的电压约为Vpp=0.35伏
关于正反馈超前响应C0*Rf的测定。
换一个La=220uH高Q感,且不随信号幅度变化的电感。
清零后,测得1欧电阻为-0.6uH示值,所以T0=(τ-C0*Rf)=-0.6us,因为τ=0.3us,所以C0*Rf=0.9us。
关于小信号时的τ测定。
换一个La=25uH高Q电感,清零后,测得1欧电阻为-0.0xuH示值,可以忽略。
说明此时τ≈C0*Rf=0.9us,经时谐振电压为Vpp=0.12伏
综上,当接入25uH左右电感,本电路正反馈超前响应与LM393滞后响应相互补偿,使得LM393引入的误差最小,当被测电感的内阻较大,并不会影响测量精度。
这部分计算表明,接入25uH电感后,工作频率为500kHz左右的补偿效果,测量小于10uH的电感,频率基本上就在500kHz左右。
但这并不是说程序设计时,密勒效应的补偿可以取消。
«SkipRecordIf...»
从上式看出,当Q值恒定,相对误差随频率增加而线性增加。
当频率达到300kHz,Q=30至70所需的补偿量约为2%,频率继续升高,振幅变小,LM393的延时τ增加,与超前补偿相互抵消,所需补偿量减小。
程序中,补偿算法采用简单的线性补偿,即补偿量随频率线性增加。
如果300kHz时的补偿量控制在1.5%,那么小于300kHz轻微补偿不足,300kHz以上轻微补偿过剩,整体误差均衡,实测误差约为正负0.5%
八、负反馈电路对测量的影响
大电感谐振阻抗高,可以得到与耦合端基本相等的电压。
A0是输出方波幅值,A是谐振器上电压峰值,A0/A理论值是3π/4。
由于电感损耗,A会变小一些,所以A0/A约为2.7左右。
负反馈输入电压相当于进行了90度移相(是个三角波),那么,谐振器电压也必须有等值的90度电压分量,这样才满足振荡的相位条件。
谐振频率上,正弦波在三角波峰过后才能过零点,而三角波峰对应输出方波零点,所以谐振器上的正弦波相对输出方波是滞后的,实际振荡频率将变小,引起测量误差。
设R是谐振器并联电阻,x是谐振器残余电抗,负反馈阻容为Rg和Cg,起振的相位条件是:
«SkipRecordIf...»
代入本表的参数得电感测量误差
«SkipRecordIf...»
以上计算表明,随着有载Q下降,误差会变大。
当被测电感为1000H时,谐振电路的Q值是1.5左右,误差为正编大0.037/(1.5^2)=1.6%
因为大电感测量,谐振电压比较大,约为0.9V,与电桥比对时,应把电压设置为0.9V方可比对。
由于测量1000H大电感,谐振频率只有90Hz左右,所以1Hz数字误差(本表只分辨到1Hz)将引入2*(1/90)=2%左右的电感误差。
因此,大电感测量最终可高达2%+1.6%=3.6%正偏大误差。
如果注意技巧,当数字有跳变时,只取小的那一次电感读数,这样实读误差将减少为2.5%以内。
九、直流耦合电容C1对测量的影响
设LC谐振的并联电阻为R,在谐振频率上,相当于C1与R串联后接入LM393,转换为并联模式,则电容量变为
«SkipRecordIf...»
本电路实际参数代入得
«SkipRecordIf...»
式中Q为LC谐振器的Q值(不是有载Q)
由于C1可以等效为谐振器的并联电容,所以频率下降,引起L测值偏大。
谐振器的Q值通常比较大,由公式看出,C1引入的测量误差可以忽略不计的。
但是,在低频档,这个问题就不可以忽略了。
低频档对应的Ca是100nF,C1是330nF,所以«SkipRecordIf...»,显然,当Q=3,误差可达4%左右。
如果希望低频档精度更好一些,可以把C1换为660nF的。
实测也是如此,C1增加一倍,低频档误差减半。
当然,C1也不宜过大,否则响应速度变慢,而且大容量C1不好找。
十、电感分布电容的影响
电感分布电容的存在,将影响电感测量。
这种分布电容通常可以看作集中参数来简化,它的存在,相当于有效谐振电容增加了,谐振频率下降,换算出来的电感量变大。
在HP4342Q表的使用手册“3-9”页把这种换算出来的电感称为“EFFECTIVELL”,即有效电感的意思。
消除分布电容影响测得的电感量,称之为“TRUEL”,即“真电感”
当我们希望得到“TRUEL”就必须注意分布电容的问题,就以多抽头电感测量的问题分析:
1、电感量最大的抽头,测值总是接近于真电感的。
因为,不管是高频线圈,还是音频线圈,分布电容总是在几pF到几十pF之间,是远小于3300pF主谐振电容的,分布电容占次要地位。
也就是说,测量电感量最大的端子,不必担心测不到“真电感”
2、测量多抽头的次级,就可能出问题。
因为初级分布电容换算到次级,是按匝数比的平方换算的。
比如,线圈分总布电容50pF,初、次级匝数比是10,那么换算到次级,分布电容是50*10^2=5000pF,比主谐振电容还大,这时就测不到真电感了。
比如,测量T725的1和8脚电感,真电感是4H,而使用高频H档测得10H(F=800Hz),他表示800Hz下的利用电抗换算的电感量。
要是8到14脚之间没有绕线,那么,用H档依然可以得到真电感的4H。
因为,1到8脚自身分布电容一定是几十pF,对测量无明显影响。
3、铁心电感,要注意测量频率,如果频率高于3kHz,应切换到低频档。
铁心电感在高频率下,Q值太低,测不准。
铁氧体磁心电感,频响好,高、低频都可以测量。
十一、弛张振荡问题
为了防止出现弛张振荡或间歇振荡,应使得3Rf*C1+100k*C1>>Rb*C2