基于自适应振荡器的电感批量测试仪_田富铭.pdf

78ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.3$测试测量电子产品世界Design设计应用&Application基于自适应振荡器的电感批量测试仪*Design of high precision inductance tester based on adaptive oscillator田富铭，李明揆，王志凯，金永镐（延边大学工学院，吉林延吉133002）摘 要：为了实现快速批量检测电感的多种参数，设计了一种基于自适应振荡器的电感批量测试仪。该检测仪由自适应电感型振荡器、双向程控电压源、饱和电流检测器、恒流型负载和单片机组成。实验表明，该测试仪在（10 1 000）H范围内可快速测试各种电感,而且具有电路简单、工作稳定特点，因此在企业的实际生产中具有很好的应用价值。关键词：测试仪；电感参数；自适应振荡器；合格率*本论文中论述的相关的技术内容已经获得了国家专利，专利号：ZL2021 2 1822955.7电感器是一种将电能转化为磁能的储能元件,其主要功能是在电路中实现振荡、调谐、耦合、储能、滤波、延迟、偏转等作用1。目前,检测电感的方法主要为交流电桥法。该方法具有测量精度高、功耗较小的优点,但存在如下问题：只能测量出电感值和损耗值等基本参数,且测量时间较长（约为 0.51 s）,因此不便于快速批量检测；由于检测电流较小,因此无法检测出电感的虚焊状态、匝间短路、饱和电流值 IS、电感的耐压等其他特性2。利用电感组装产品的电路板时电感的基本参数和其他特性同时影响产品的质量,因此必须进行全面地“体检”,从而保证产品的一致性和 100%的合格率。因此本文从 2 个方面提出全新的电感测试方法。在测量基本参数方面：设计了自适应振荡器,把电感值转换成脉冲周期后通过计算得到电感值,这种方法无需高精度的正弦波源,具有电路简单、工作稳定、抗干扰能力强等优点。在测试电感其他特性方面：为了测试电感工作在额定状态下的特性,先测量出饱和电流 IS后,使电感工作在小于 IS但接近 IS的安全状态,并把电感电压设定在接近该电感实际工作电压,然后测试电感的其他特性,从而更真实地测试出电感的品质。这种方法填补了现在无综合测试电感特性装置的空白。1 系统的整体框图图 1 为本文设计的电感批量测试仪的整体框图。控制部分使用 STC15W402AS 单片机,测试的顺序为：首先,单片机通过控制双向程控电压源和电感电压检测器测试电感的等效电阻 RX；然后,单片机通过控制双向程控电压源和电感型自适应振荡器测试电感值 LX最 后,单片机通过控制双向程控电压源和饱和电流检测器测试饱和电流 IS、匝间短路、耐压特性、虚焊状态等其他特性。LxLo自适应电感型振荡器单片机恒流型负载显示器电感电压检测器饱和电流检测器双向程控电压源继电器图1 整体框图 2023.3电子产品世界设计应用测试测量Design&Application2 测试仪的设计2.1 自适应电感型振荡器的设计本文设计的自适应电感型振荡器如图 2 所示。UsR15100k5VUwUp+-U3BHA1735856784UoxK15VUrJ2SP8M367523418D2D1D2G1S2G2S1D1自适应电感型振荡器UccR20100kD5SR160L2Lo+-U5ATLV350272185R22200UoL1LX电感电压检测器R1810kUkR162.3kCON1Rs2R1710k图2 自适应电感型振荡器电路图UK为继电器的控制端,当 UK为 5 V 时继电器吸合,把电感连接到饱和电流检测器,开始测量电感的饱和电流值 IS。UW连接到饱和电流检测器 Q3 的漏极。UP连接到单片机的 I/O 口。CON1 连接到单片机的 I/O 口,当 CON1 为 5 V 的高电平时,此时 D5 导通,J 2 的上场效应管饱和导通,下场效应管截止,输出 UP=5 V 的电压,开始测量电感的等效内阻 RX；当 CON1 为 0 V 的低电平时,此时 D5 截止,振荡器工作,开始测量电感值 LX。UOX、UO和 US连接到控制器的 ADC 输入口,使模拟量转换为数字量,从而可以计算出电感的等效内阻 RX。同时 UO也为双向程控电压源的输出端,用于提供工作电压。高速功率型施密特比较器由高速比较器 TLV3502和双场效应管 SP8M3 组成。其中：TLV3502 的工作电压为（2.75.5）V,工作电流为 5 mA,工作频率可达到 90 MHz3；SP8M3 的最大漏源电压为 30 V,最大栅源电压为 20 V,最大漏极电流为 5 A4。高速功率型施密特比较器U5A工作电压UCC=5 V,比较电压 Ur由式（1）决定,式中 K=R22/（R16+R22）=2/25。U=U+K UUrOPO()（1）当 UO=0.5 UCC、UP=UCC时,Ur提供上比较电压UH。由式（1）计算可得,此时 UH=2.7 V。当 UP=0 V时,Ur提供下比较电压 UL。由式（1）计算可得,此时UL=2.3 V。系统工作时,单片机会使 UK为低电平,此时继电器断开,标准电感 LO和待测电感 LX通过常闭触点串联,同时单片机控制双向程控电压源输出 UO=0.5 UCC。当比较器 U5A 的 7 脚输出为低电平时,J2 的上场效应管导通下场效应管截止,因此 UP=UCC,串联的LX、LO、RS支路两端电压 UPO=UP-UO=0.5 UCC。当比较器 U5A 的 7 脚输出为高电平时,J2 的上场效应管截止,下场效应管导通,因此 UP=0 V 串联的 LX、LO、RS支路两端电压 UPO=UP-UO=-0.5 UCC。图3为自适应电感型振荡器工作时UP、US、iL波形图。UP=5 V 的工作过程：假设通电时 7 脚输出低电平,则 UP=UCC=5 V、UPO=0.5 UCC,串联的 LX、LO的电流iL开始增加,iL在 RS两端产生压降则 US=UO+iLRS。UP=0 V 的工作过程：当 iL增加到 IH并满足 USUH条件时比较器 U5A 的 7 脚输出高电平,则 UP=0 V、UPO=-0.5 UCC,则串联的 LX、LO的电流 iL开始减少,当 iL减少到 IL并满足 USUL时 7 脚输出低电平,重复上述过程形成振荡。tiLULILIH5VUP2.5VUOUHTXUS图3 振荡器工作波形图利用 RL 电路的三要素法,求得 TX与电感量 L 之80ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.3$测试测量电子产品世界Design设计应用&Application间的关系,根据电路的三要素法式（2）成立。f=f+ff()()()()tS()et（2）待测电感 LX内阻为 RX,标准电感 LO的内阻为 RO,式中=L/R、R=RS+RX+RO、L=LX+LO。当 US=UH时提供 IH,从而可得 IH=0.5 UCCK/RS,当 US=UL时提供 IL,从而可得 IL=-0.5 UCCK/RS。当串联的 LX、LO、RS支路两端电压 UPO=0.5 UCC时 iL在tR时间内从IL上升到IH,因此稳态电流fUR()=PO 0.5URCC。把f()、IH、IL和起始电流fI()SL=代入式（2）后得到式（3）。t=lnRRRKRLR+KRSS（3）同理可求,当 UPO=-0.5 UCC时 iL从 IH下降到 IL的时间 tF,此时稳态时电流 fUR()=0.5CC,起始电流fI()SH=,代入式（2）后得到与式（3）同样的结果。因此 iL的上升时间 tR和下降时间 tF相同,则周期TX=2tR代入式（3）后整理可得式（4）,可见 L 与电源电压 UCC无关,式中 L=LX+LO。L=2ln()/()R+KRRKRSSRTX（4）因此检测方波的周期 TX,可得到电感值 LX,串联标准电感 LO的目的是：当 LX值比较小时 TX很小,这时振荡电路中硬件的延迟时间会影响 TX。串联标准电感 LO后防止 TX过小,从而提高检测精度。同时为了进一步提高检测精度,采用累计 N 个脉冲的方法。实验表明当 LX值为（101 000）H 时 LO取 100 H,则可得检测误差低于 5%的效果。2.2 双向程控电压源的设计本文设计的双向程控电压源如图 4 所示,主要由10 位 DAC 芯片 TLC5615C、双运放 HA17358、三极管Q2、Q5 组成。其工作方式为：当单片机利用 DATA、CLK、CS1发送出 000H 到 3FFH 的 3 位 16 进制数时,J1 在 7 脚输出（15）V 的参考电压 UZ提供给 U1B 的同相端 5 脚。同时把输出电压UO提供给反相端6脚形成电压负反馈,因此根据运放 2 个输入端虚短路的概念可得 UO UZ,从而使输出 UO跟踪 UZ。Q2TIP41CLK5V10VCS1+-U1BHA1735856784Q5TIP42C2100uFUoUzDATAJ1TLC5615C12348765DINSCLKCSDOUTVddOUTVrefAGND5V图4 双向程控电压源电路图自适应电感型振荡器工作时,对 UO的要求为具有流出和流进电流的能力,当 UO UZ时电流从负载流进 UO端,此时 Q5 工作控制流进的电流。U1B 的 7 脚输出电压经过 Q2、Q5 提高电流驱动能力后提供 UO,因此具有 3 A 的驱动能力。由于 Q5 的BE 结有 0.6 V 的压降,加上 U1B 输出的 0.1 V 左右的饱和电压,因此 UO的输出电压范围设定为（15）V。2.3 等效内阻RX检测原理等效内阻 RX检测在双向程控电压源和电感电压检测器的作用下进行见图 2。电感电压检测器由运放 HA17358 组成的减法器来实现,HA17358 的工作电压为（336）V,工作电流为 2 mA,工作频率为1 Hz1 MHz5。单片机 STC15W402AS 内有 10 为 ADC 和 2 个 CCP 模块,可高速检测脉宽。检测时单片机控制 CON1提供 5 V 的高电平,则 U5A 的 7 脚输出低电平因此UP=5 V。同时单片机控制双向程控电压源改变 UO,从而改变串联的 LX、LO、RS支路中产生的检测电流 I,I取决于式（6）,可见改变 UO时 I 也改变。I=RRRSXOUU+PO（6）功率电感 RX比较小（小于 1）,因此 RX两端的电压 IRX也小,经过 U3B 组成的减法器中放大 K1倍后得到式（7）,UY为运放的零漂移电压,放大倍数K1=R15/R17=10。UK IRUOXXY=1+（7）把采样电阻 RS的电流 I=(US-UO)/RS,代入式（7） 2023.3电子产品世界设计应用测试测量Design&Application整理后得到式（8）。RUUK RUU（）（）SOXYXSO=1（8）为了消除 UY的影响采用差值方法测量 RX。单片机先输出 UO=U1则根据式（8）可得到式（9）,然后单片机输出 UO=U2时可得到（10）。RUUK RUU（）（）SOXYXSO1111=（9）RUUK RUU（）（）SOXYXSO2122=（10）为了消除 UY,将式（10）减去式（9）即可,并整理后可得（11）。R=XKUU1()RUSOXSO（11）可见 RX值只与 UO、US、UOX的改变量有关与工作电压精度、运放的零漂移电压无关,从而提高了测量精度。2.4 饱和电流检测器的设计饱和电流检测器,主要由场效应管驱动器 NCP5181和比较器 LM339 组成,如图 5 所示。NCP5181 内有 2 个驱动器,工作电压为（820）V,工作电流约为 0.35 mA6。驱动器的输入端具有施密特输入特性,输入超过上触发电压UH=2 V时输出高电平,低于下触发电压 UL=1 V 时输出低电平。检测 IS时单片机控制 CON2=5 V 则 Q4 饱和导通D2 起限幅作用,控制 CON3=0 V 则 Q1 截止恒流型负载不工作,控制 CON1=5 V 则 UP=5 V,并控制 UK使继电