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自制数字电感表

自制数字电感表

点击数:7926 次   录入时间:03-04 11:45:41   整理:http://www.55dianzi.com   经验交流
本电感表共分20μH、200μH、2mH、20mH、200mH、2H、20H7个量程,分辨力为O.01μH,所以可测量长卜2cm导线的电感。校准后的精度不低于3%,且电路简洁,体积小巧。既可做成独立的测量仪表,也可附加在普通的数字万用表上,电路见附图。
  1.工作原理
  该电感测量的基本原理是恒流源法。由于运放及外围元件组成一定频率的交流恒流源,然后测量串联在这一恒流源电路中电感两端的电压.从而得出电感的感抗,即问接测出电感的电感量。该电路由TL074和0P-37组成。
  TL074的IC1-1组成文氏电桥正弦波振荡器。该振荡器有两个振荡频率,通过开关K1同步切换电路中的两个电容来选择频率。两个频率分别是400Hz和40kHz(理论值应为398Hz和398kHz),以适应测量大小不同电感的需要。文氏电桥振荡器频率的计算公式为f=1/2πRC,这是理论公式。笔者实测其频率随电源电压而变化,在本电路的条件下,若电源电压为±5v,则f=0.955/2πRC若电源电压为+3V、-6V(普通电池供电数字万用表工作电压),则f=0.946/2πRC。电阻R3和R4为增益调整及稳幅元件。按图中元件输出振幅约7Vp—P.折合正弦波有效值约为2.48V,波形的底部略有削波,但对测量精度没有影响。若电桥元件R1、R2选用金属膜电阻,C1、C2选用聚丙烯或涤纶电容。在电源电压不变的前提下,该振荡器的频率及振幅均相当稳定。所以电感表的正负电源均应采用稳定度高的电源,以保证电感表的精度。Ic1—1输出经IC1—2跟随器隔离后,作为电感表的信号源。
  IC1—2的输出经R5~R9等5个恒流电阻(均应用金属膜电阻)转化为五挡交流恒流源,然后将Lx串入恒流电路中,由于电感感抗与电感量成正比,因而,测出了电感两端交流电压就测出了电感量。本电感表满量程时电感两端电压为20mV,不到IC1—2输出幅度的1%,目的是为了尽量减少Lx感抗、附加相移、寄生振荡对恒流源的影响。由于电阻和感抗的合成为矢量合成.当感抗为电阻的1%时,合成阻抗为原电阻的l.00005倍,由此造成的理论误差不超过十万分之五。即使感抗为电阻的10%.理论误差也不超过万分之五。由此可见。恒流源环节因待测电感造成的恒流源误差可忽略不计。同时,也可得知,本电感表的每个量程均有超量程功能,且因恒流环节造成的误差也不会超过干分之五。
  IC1-3及电阻R11、R10组成十倍同相放大器。电感两端电压经IC1-3放大后输入IC1-4组成的带通滤波器,滤除各种干扰及寄生振荡,输出理想正弦波。带通滤波器也有400Hz及40kHz两个工作频率,与IC1-1同时通过K1切换电容来改变。用示波器可以观察到,LX两端的正弦波叠加有毛刺或寄生振荡,通过滤波器就十分干净了。该滤波器对于电感测量十分重要.不可省去。
  IC2的增益带宽积达63MHz,属于高速运放(OP-37),可组成40kHz以上的线性整流器。整流器的输出接ICL7107组成的200mV数字表头或普通数字万用表200mV挡,即可指示出电感量。一般数字表均用TL062构成线性整流器,由于其增益带宽积仅为1MHz,因丽构成的线性整流器线性范围不超过1kHz,这正是数字万用表交流挡只能测几百赫芝以下频率的原因。本电感表要对40kHz以上的交流电压整流,必须用宽带运放,才能保证其线性范围满足本表的要求。即使采用了上述OP-37.其小信号线性仍不理想,这也是本电感表3%误差的主要根源。因而,若能采用较0P-37更高带宽的运放,将会进一步提高电感表的线性和精度。
  由于本电感表可测出1cm导线的电感(约0.015μH),因而在安装电路时,印刷线及接线电感均可能造成误差,所以电感Lx的插座应以最短距离接入电路。同时,为降低上述影响.电路中设置了调零电路,由R20及w组成。在20pμH挡,短路电感插座调整w使数字表头指示为零即可。当用7107构成的200mV表头制作电感表的显示器时,ICL7107的IN-端(第30脚)应与地断开,浮地输入,以保证调零电路的正常工作。
  2.电感表的校准
  调零后.在电感插座中插入标准电感,例如在20pμH挡接入18μH电感,调整电阻R5,使显示l8μH即可,然后再用同样方法校准其他各挡。由于20μH挡电流较大,约4mA,已达运放输出极限,本电阻与其他各挡电阻相比要小些。其余4挡电阻基本上为10倍率的关系。其他各挡依此类推。如频率不是准确的39.8kHz.则满度阻抗不是5Ω应重新计算,按计算后的电阻值代替LX进行校准。在40kHz频率校准各挡后,将频率降为400Hz--般不用校谁。可用400Hz各挡测几个标准电感或电阻,若误差太大,可能是频率或振幅较之40kHz挡变化太大,应检查电容c7和C8是否不准或不等。
  由于电感有直流电阻、寄生电容,本电感表测量的是总阻抗,因而当电感的寄生电容、直流电阻过大时.测量误差也会较大。为减少寄生电容影响,本表设置400Hz、40kHz两个频率作测量频率,当电感大时,寄生电容也往往较大,只能用低频测量.以减少电容造成的误差。对于直流电阻,若在测量频率下,电阻小于感抗的10%,则测量误差<0.5%;若电阻小于感抗的20%,则误差<2%:当电阻大于感抗的20%时,误差过大.不宜测量,或测量后剔除电阻造成的误差。例如用40kHz澳U收音机中波中周电感,约585μH,工作正常,若在400Hz下测量,其感抗只有1.5Ω.而直流电阻高达5Ω,测出的就只能是电阻而非电感了。
  另外。当测量带有磁芯的电感时.还要考虑磁芯导磁率的影响。磁芯导磁率不是常数,而是磁通密度的函数。当磁通密度为零时,磁芯有一个初始导磁率。当磁通密度增大时,导磁率上升,且有一个最大值,然后随磁通密度增大而减小,当磁芯达到磁饱和时,导磁率趋近于l。例如,用本电感表测16.5μH的空芯电感,在201μH挡显示16.50;在200μH挡显示16.5;在2mH挡显示16:在20mH挡显示1,误差较小。而测量带磁芯同一电感时,往往各挡读数均不一样,有的误差达百分之几十甚至几倍。这并不是电感表的误差.而是各挡工作电流不同,因而磁芯磁通密度不同,导致导磁率的不同.致使电感量不同。

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