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一种基于三点式振荡电路的电感测量仪/ESP32无线LCR测量仪——硬件篇

在三大类基本器件——电阻、电容、电感中电感的测量无疑是最困难的。通常我们会利用电容和电感之间发生振荡,根据振荡的频率来计算电感值。
三点式振荡电路是非常常见的振荡电路。

如图,由C1/C2/L1为主要器件所组成的振荡电路即为三点式电容振荡电路。
三点式电容振荡电路是一种基于电容元件和电感元件构成的振荡电路。其基本构造如下图所示,其中包括两个电容元件(C1和C2)以及一个电感元件(L1)。这种电路通常用于产生频率稳定的振荡信号,常见于射频电路和通信系统中。
我们将其稍作改动。

如图所示振荡电路,比起之前的振荡器具有更高的振荡幅度以及更加稳定的波形。 并且其电压范围会控制在正电压,并不会出现经典的三点式振荡电路的负电压问题。

可以看到,其谐振峰峰值高达12V,但是这个电压太高了,不过我们可以采样C1和C2之间,可以得到一个非常好的正弦波。

可以看到其峰峰值约为5V,这就是一个非常好的电压范围。
之后我们利用一个施密特触发器/阈值比较器将正弦波转换为方波。

我们可以用一个施密特触发器(74LS14)将正弦波转换为方波,之后可以利用单片机或者数字电路计数器将频率显示出来。 电路验证

我们利用面包板搭建电路进行验证,可以看到得到了一个稳定的正弦信号。不过由于该信号幅度不够大,我在后面利用三极管进行了放大。

放大后的波形也呈现周期性,并且其范围也在NE555的触发电平范围。 之后利用555构建成施密特触发器,将该波形转换为矩形波。

不过需要注意的是,色环电感并不能进行振荡,可能由于其品质因数Q值过低。

选用高品质因数的电感是进行振荡电路设计中的关键之一。高品质因数的电感具有以下优点:

  1. 稳定性 : 高品质因数的电感能够提供更稳定的振荡频率和振幅。品质因数(Q值)越高,电感的损耗越小,振荡电路的能量损失也就越小,因此振荡的稳定性更高。

  2. 频率响应 : 高品质因数的电感在整个工作频率范围内能够提供更均匀的响应。这意味着即使在变化的工作条件下,振荡电路的频率稳定性也会更好。

  3. 抗干扰能力 : 高品质因数的电感对外部干扰更不敏感。在实际应用中,振荡电路可能会受到来自其他电路或环境的干扰,而高品质因数的电感能够减小这种干扰对振荡电路性能的影响。

例如这种工字形电感或者高频电感线圈,减少因电感损耗而导致振荡电路不能工作。
利用这个原理,配合NE555测电阻和电容的方式,我们可以制作一个LCR测量仪,利用ESP32作为主控,可以将其做成无线LCR仪。

利用IC紧锁座来固定器件,使用按钮来确定器件类型,利用多路复用器来选择测量通道。之后利用ESP32的外部中断(频率计数器)来测量频率转换阻值/容值/感值。
选择利用TFTLCD(ST7785s)来显示数据,也可以制作一款上位机APP来接受ESP32的所传输的内容。

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