文中針對電容和電感的測量，簡單介紹了關(guān)于LC振蕩電路測量電容和電感的設(shè)計(jì)原理。同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)證明該方案能進(jìn)行高頻電感和電容的測量。測量的能達(dá)到應(yīng)有要求。

　　1 LC振蕩電路物理模型的滿足條件

　?、僬麄€(gè)電路的電阻R=0（包括線圈、導(dǎo)線），從能量角度看沒有其它形式的能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化，即熱損耗為零。   ②電感線圈L集中了全部電路的電感，電容器C集中了全部電路的電容，無潛布電容存在。

　?、跮C振蕩電路在發(fā)生電磁振蕩時(shí)不向外界空間輻射電磁波，是嚴(yán)格意義上的閉合電路，LC電路內(nèi)部只發(fā)生線圈磁場能與電容器電場能之間的相互轉(zhuǎn)化，即便是電容器內(nèi)產(chǎn)生的變化電場，線圈內(nèi)產(chǎn)生的變化磁場也沒有按麥克斯韋的電磁場理論激發(fā)相應(yīng)的磁場和電場，向周圍空間輻射電磁波。

　　能產(chǎn)生大小和方向都隨周期發(fā)生變化的電流叫振蕩電流。能產(chǎn)生振蕩電流的電路叫振蕩電路。其中簡單的振蕩電路叫LC回路。

　　振蕩電流是一種交變電流，是一種頻率很高的交變電流，它無法用線圈在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生，只能是由振蕩電路產(chǎn)生。   充電完畢（放電開始）：電場能達(dá)到，磁場能為零，回路中感應(yīng)電流i=0.   放電完畢（充電開始）：電場能為零，磁場能達(dá)到，回路中感應(yīng)電流達(dá)到。

　　充電過程：電場能在增加，磁場能在減小，回路中電流在減小，電容器上電量在增加。從能量看：磁場能在向電場能轉(zhuǎn)化。

　　放電過程：電場能在減少，磁場能在增加，回路中電流在增加，電容器上的電量在減少。從能量看：電場能在向磁場能轉(zhuǎn)化。

　　在振蕩電路中產(chǎn)生振蕩電流的過程中，電容器極板上的電荷，通過線圈的電流，以及跟電流和電荷相聯(lián)系的磁場和電場都發(fā)生周期性變化，這種現(xiàn)象叫電磁振蕩。

　　2 測量原理

　　采用LC振蕩器的振蕩原理，LC振蕩器選擇L或是C參數(shù)為固定值。通過LC的組合，振蕩器起振，當(dāng)測量電容時(shí)電感固定，測量電感時(shí)電容固定。通過LC振蕩器的頻率計(jì)算公式

　　其中，

　　可以計(jì)算出待測的電容或電感數(shù)值。

　　3 電路工作原理

　　3.1 電路框圖設(shè)計(jì)

　　如圖1所示?？驁D包括輸入切換部分、振蕩部分、分頻部分、單片機(jī)部分、顯示部分和鍵盤部分。此系統(tǒng)由STC89C51單片機(jī)作為控制，輸入切換部分采用雙刀雙擲繼電器完成待測電容或電感的線路切換，振蕩電路工作在放大諧振狀態(tài)，頻率有高頻管9018的集電極輸出，把分頻端級聯(lián)實(shí)現(xiàn)100分頻，終信號進(jìn)入單片機(jī)，由單片機(jī)計(jì)算出頻率，經(jīng)過算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)未知電容或電感參數(shù)的測定。圖1給出了系統(tǒng)的總體框架圖。

　　圖1 電路圖總體框圖設(shè)計(jì)

　　3.2 輸入切換電路

　　輸入切換電路使用雙刀雙擲繼電器實(shí)現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)電容和電感的輸入切換，當(dāng)連接上電容時(shí)系統(tǒng)通過繼電器K2,如圖2所示。兩個(gè)IO都為0 V.由此得出沒有短路在一起時(shí)，單片機(jī)判斷為電容，從而選擇測量電容的方法，此時(shí)通過單片機(jī)對IO1腳的設(shè)置把另一個(gè)雙刀雙擲開關(guān)K1,開關(guān)撥到上，上為與電容C2并聯(lián)，如圖2所示。而短路在一起時(shí)，單片機(jī)判斷為電感，單片機(jī)選擇測量電感的方法，此時(shí)通過單片機(jī)對IO1腳的設(shè)置把另一個(gè)雙刀雙擲開關(guān)K1開關(guān)撥到下，即與電感L并聯(lián)。

　　3.3 振蕩電路原理

　　振蕩電路采用LC振蕩電路，振蕩的頻率由L和C確定。振蕩管采用9018,Rb1和Rb2為基極偏置，Rc為限流電阻，電容C1、C2和電感L構(gòu)成正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)，反饋信號取自電容C2兩端。該電路也稱為電容3點(diǎn)式振蕩電路。在測量過程中，當(dāng)測量電感時(shí)，輸入電路自動(dòng)把待測電感Lx并聯(lián)到L的兩端。當(dāng)測量電容時(shí)，輸入電路自動(dòng)把要測量的電容Cx并聯(lián)到C1的兩端。

　　3.4 分頻電路原理

　　分頻電路采用74LS393數(shù)字分頻芯片，分頻端級聯(lián)實(shí)現(xiàn)100分頻，高頻管9018的集電極輸出振蕩信號，之后把振蕩器輸出的信號100分頻，頻率將降到單片機(jī)測量的范圍之內(nèi)。

　　3.5 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電容和電感的計(jì)算

　　當(dāng)把待測的電容或電感接入時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果確定算法。當(dāng)判斷到是電容時(shí)，系統(tǒng)計(jì)入電容的計(jì)算方式，電容的計(jì)算方式采用公式

　　根據(jù)測量得到頻率和已知的L和C2，從而計(jì)算出Cx的值。當(dāng)判斷為電感時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入電感的計(jì)算方式，電感的計(jì)算方式采用公式

　　根據(jù)測量到的頻率和已知的C1、C2、L計(jì)算出Lx的值。

　　4 算法設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)上電初始化并且清屏，單片機(jī)初始化完成后，進(jìn)入鍵盤掃描程序，當(dāng)要進(jìn)行電容或電感測量時(shí)，選擇測量按鍵，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)判斷并進(jìn)行電容或電感的測量。當(dāng)判斷為電容時(shí)，系統(tǒng)選擇電容的計(jì)算方法。當(dāng)判斷為電感時(shí)，系統(tǒng)選擇電感的計(jì)算方法。下面是具體的程序流程圖，如圖3所示。

　　5 實(shí)際測量數(shù)據(jù)及其分析

　　5.1 提高測量的方法

　　采用該系統(tǒng)進(jìn)行電容和電感的測量，由于元器的熱穩(wěn)定性和外界對電路的干擾影響，測量的結(jié)果會有所跳動(dòng)，是因?yàn)槿龢O管的結(jié)電容隨著溫度的變化而變化，從而影響測量結(jié)果，這也是電容三點(diǎn)式振蕩電路不穩(wěn)定的關(guān)鍵原因?；谝陨显?，在測量過程中可以采用多次測量求平均值的方法提高測量。

　　5.2 實(shí)際測量

　　電路的固定參數(shù)如下：Rb1=10 kΩ，Rb2=10 kΩ，Rc=4 kΩ，Re=4.7 kΩ，Cb=1μF,Ce=0.1μF,選擇不同的電容分別測試3次，得到表1.選擇不同的電感分別測試3次，得到表2.由表得出測量值與標(biāo)稱值幾乎接近，表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的正確性，滿足一般的實(shí)驗(yàn)室和工程設(shè)計(jì)用到的電子元器件參數(shù)測試要求。

　　6 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)采用單片機(jī)和振蕩器起振的組合，計(jì)算電容和電感值。系統(tǒng)擁有比較智能的測量方法和簡易的操作方法。然后進(jìn)行頻率的測量和測量結(jié)果的計(jì)算，終計(jì)算出被測對象的真實(shí)值。該系統(tǒng)通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和實(shí)際的測量，能準(zhǔn)確地測量電容和電感的數(shù)值，測量范圍為0.001~22μF和0.01~100 mH,測量在5%以內(nèi)。