单片机实例分享，自制电感和电容测量仪

电子爱好者进行制作时经常需要绕制电感，而一般的数字万用表通常又没有电感测量挡，所以无法测量绕好的电感的电感量。本文介绍一种用单片机制作的电感和电容测量仪(见图23.1)，可以有效地解决这一问题。

测量原理

本测量仪采用谐振法测量电感和电容，其方法是用谐振回路的谐振特性来进行测量，其测量原理可用如图23.2所示的电路进行说明。

图23.1 电感和电容测量仪

测量电感Lx时，配用标准电容C1，用Lx和C1组成谐振回路，测量出回路的谐振频率f即可计算出Lx的电感量;测量电容Cx时，配用标准电感L1，用L1和Cx组成谐振回路，测量出回路的谐振频率f即可计算出Cx的电容量。

上述测量方法也有一个缺陷：当Lx或Cx很小时，谐振频率f会很大，测量比较困难，为此我们可以采用如图23.2所示的改进型电路，分别用L1和C1作“垫底”，降低了测量时的谐振频率。

假设由 L1和C1 组成的谐振回路谐振频率为f1，测量Lx时，Lx和L1串联，测得(L1+Lx)和C1组成的谐振回路谐振频率为f2，则根据下式可计算出Lx的电感量：

Lx=[(f1/f2)2-1]L1

测量Cx时，Cx和C1并联，测得L1和(C1+Cx)组成的谐振回路谐振频率为f2，则可根据下式可计算出Cx的电容量：

Cx=[(f1/f2)2-1]C1

硬件电路

测量仪电路如图23.2所示。电路由LC振荡电路、单片机电路、显示电路等部分组成。

CD4069是6非门CMOS集成电路，其中非门F1、F2和C2、R1、R2等组成两级放大电路。第一级放大电路中，R2是负反馈偏置电阻，将F1输出端的直流电位钳制在VCC/2，使F1工作在线性放大区域。第二级放大电路没有加反馈电阻，直接用第一级放大电路输出的直流电压作偏置电压，以提高放大器的增益。放大电路通过正反馈回路R3、C3与L1、C1谐振电路一起组成正弦波振荡电路，非门F3用于信号整形，把F2输出的正弦波转换成矩形波输入到单片机ATmega8的T1脚，由单片机进行脉冲计数，从而测出LC回路的谐振频率。通过单片机对数据进行计算处理后，由LCD1602液晶屏显示测量结果。

图23.2 测量仪电路原理图

S1为测量转换开关，当S1转向L时测量电感，转向C时测量电容。S2是归0按钮。

LCD1602采用4线制传递数据，只使用了数据端口D4～D7。

当开关S1在电容挡但没有测量电容Cx，或在电感挡并且用短路线代替Lx时，电路的振荡频率约为503kHz，我们把这个频率称为基准频率。测试电容或电感时，被测试元件的电容量或电感量越大，对应的振荡频率越低。当被测电容的电容量为10μF(或电感的电感量为1H)时，对应的振荡频率约为5.03kHz。

电阻R5的阻值控制LCD1602液晶屏的对比度，R5阻值越小，液晶屏对比度越大。LED和LED+是液晶屏背光发光二极管的供电端口。

程序设计

测量仪的电路比较简单，而功能的实现更重要地依赖于程序的设计。程序的设计和优化需要花费更多的精力。

程序由频率测量、测试数据的计算处理、LCD1602液晶屏驱动显示三大部分组成。频率测量部分用定时器T/C1作脉冲计数，定时器T/C2产生测量脉冲频率的闸门时间。这里闸门时间选择0.5s，定时器T/C1累计的脉冲数乘以2即得脉冲频率。闸门时间选择0.5s是为了提高LCD1602显示数据刷新速度，如果闸门时间选1s，则刷新速度偏慢。

测试数据的计算处理部分主要利用前面给的两个公式计算出测量结果，并经过数据预处理后，输出到显示电路显示读数。

LCD1602的数据传输采用4线制，8位数据分两次传送，先传高4位，后传低4位，因为传递的数据量不大，所以你感觉不到4线制速度传输和8线制有什么区别。

安装调试

制作所需元器件的清单见表23.1。

C1、L1要选用精度比较高的元件，有条件的可用万能电桥进行筛选。L1如买不到成品电感也可自制，磁芯用Φ8×10的工字磁芯，用Φ0.42的漆包线绕55.5圈。

安装前先将程序的目标文件写入单片机ATmega8L，熔丝位的设置如图23.3所示。

图23.3 熔丝位的设置

电路板的装配图如图23.4所示。LCD1602的接口排座焊接在电路板上，排针焊接在LCD1602模块上如图23.5所示。

表23.1 元器件清单

图23.4 电路板装配图

安装完成后，用一根USB线将电源接口连到电脑USB插座上，接通测量仪的电源，将S1置于电容挡，测量端不接电容，这时LCD1602第二行显示的是基准频率f1，如图23.6所示。基准频率如果超出503kHz±5kHz的范围，说明L1、C1中有元件误差较大，需进行相应的调整。如果L1是自绕的，出现误差的可能性相对较大，可适当增减其圈数，直至满足要求。

接通电源后，以电容挡为例，虽然我们在测试端并没有接任何电容，但LCD1602第一行显示的电容量读数并不为零，如图23.6所示，我们称其为初始值，这是由基准频率略有漂移造成的。这时如果测量小容量的电容，误差就比较大，当初始值后有“-”号时，测量值是实际值减去了初始值，即读数比实际容量小了。反之，测量值是实际值加上了初始值，即读数比实际容量大了。

对于上述问题，我在程序中也作了考虑，只要在不接测试电容的情况下按一下S2就可以归0了，其实质就是基准频率作了修正，并把修正结果存入EEPROM，掉电后不会丢失。归0后的显示数据如图23.7所示。

电容挡归0后，电感挡就不需要归0了，因为电容挡归0就相当于在电感挡测试端接了一个短路线，等同于电感挡归0(在S1置于电感挡，S2归0时其测试端必须接短路线)，分析一下电路就明白了。

图23.5 排针的焊接

如果使用中发现测量误差较大，可通过程序进行修正，具体做法如下：找一个精度高的1000pF电容进行测量，假设读数为950pF，则计算1000/950≈1.05，我们将其称为修正系数，将计算公式Cx=[(f1/f2)2-1]C1改为Cx=[(f1/f2)2-1]C1×1.05，用这个公式计算就能减小测量误差了。为了简化程序中的计算，我采取把程序中的语句“unsigned int C1=1000”改为“unsigned int C1=1050”的方法，效果是一样的。

再找一个精度高的100μH电感进行测量，假设读数为94，则计算100/94≈1.06，把程序中的语句“unsigned char L1=100”改为“unsigned char L1=106”，同样也能减小测量误差。

把重新编译好的目标文件烧写到ATmega8L，再进行测量，精度就提高了。

用本测试仪测量电容的实例如图23.8所示(测量对象分别为240pF云母电容和0.47μF安规电容)，测量电感的实例如图23.9所示(测量对象分别为10μH电感和电子节能灯的电感线圈)。

当测量值超过量程时，读数显示“OVE”，测电感时电感测试端不接电感(相当于电感量为无穷大)，读数也显示“OVE”。

图23.6 基准频率的测量结果

图23.7 按S2归0后的显示数据

使用这个电感和电容测量仪时有一个问题需要注意，即电感或电容的参数会受测试频率的影响。例如，具有磁芯的电感，由于受磁芯的频率特性影响，不同的测试频率，其结果可能有所不同，用这个测量仪测的数据和用信号源频率为1000Hz的万能电桥测的数据可能会不一致。笔者认为，用更接近实际工作频率的测试频率可以得到比较符合实际的测试结果。由于本测试仪工作频率比较高，不适合测量电解电容器。笔者测量一个10μF的电解电容器，对应测试频率为6.5kHz，读数为6.26μF，误差很大。

图23.8 电容的测量结果

图23.9 电感的测量结果

更快更省更强性能!市面自主架构SoC一览

一、什么是SoC架构？

System on Chip，简称Soc，也即片上系统。从狭义角度讲，它是信息系统核心的芯片集成,是将系统关键部件集成在一块芯片上；从广义角度讲,，SoC是一个微小型系统，如果说中央处理器(CPU)是大脑，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。国内外学术界一般倾向将SoC定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上，它通常是客户定制的，或是面向特定用途的标准产品。

SoC有两个显著的特点：一是硬件规模庞大，通常基于IP设计模式；二是软件比重大，需要进行软硬件协同设计。城市相比农村的优势很明显，SoC也有类似城市的特点：配套齐全、交通便利、效率高。

二、市面上自主架构SoC一览

1.苹果A系列处理器：

苹果早年也是采用的ARM公版处理器，但是从苹果A6开始就自行设计SoC架构。苹果A6是属于苹果自己定制的第一个SOC，它不属于常规的cortex a系列架构，严格的说，他不属于A9，更不是A15，而是苹果全新自主开发的架构，当然这个架构还是基于ARM开发，苹果将这个架构取名为Swift，他甚至使用的不是常规的ARMv7指令集，而是基于ARMv7修改得来，苹果同样命名为ARMv7s，此款SoC参数上看起来跟普通的ARMv7没什么区别，但是苹果自己设计的Swift却有超越众多A9高频4核的性能。

目前苹果最新的SoC是搭载在iPhone 6上的苹果A8。Apple A8是苹果公司设计的第二代64位系统单片机（SoC）。在2014年9月9日发布，用于iPhone 6及iPhone 6 Plus。苹果公司宣称它比上代Apple A7在CPU性能高25%，绘图性能高50%，能源效益高50%。

苹果称，A8处理器集成了20亿个晶体管，相比于A7足足翻了一番，但是核心面积反而还小了13％，也就是大约89平方毫米。CPU部分为自家定制的“改良版Cyclone”，上代A7则是“Cyclone”，仍然维持双核心设计，但仍然能够有相当强悍的性能，这让现在动辄四核、八核的Android阵营感到羞愧。

2.高通骁龙系列处理器：

高通早年一直以自主架构闻名，最开始是基于ARMv7的Scorpion架构，随后在骁龙S4系列处理器中开始启用Krait架构。在近两年市场竞争激烈的情况下，高通也开始尝试公版的ARM架构，但是目前又传出消息称高通下一代的Kyro架构也在研发当中，并且将首次应用于骁龙820处理器。

高通在2015年世界移动通信大会（MWC 2015）上利用 Zeroth平台，预演下一代移动体验。Zeroth是高通Technologies的首个认知计算平台，旨在增强终端用户体验，为下一代顶级芯片高通820的处理器提供优化。骁龙820处理器基于领先的FinFET制程工艺，并将采用高通自主定制的64位CPU架构Kryo，预计将于2015年下半年开始出样。

高通的骁龙平台有着与其他处理器供应商与众不同的特点，高通骁龙具备集成通信技术SoC，这大幅度的降低了OEM厂商设计产品的复杂度和成本。从骁龙S4平台问世开始，绝大部分的S4 SoCs皆集成Wi-Fi、GPS/GLONASS和Bluetooth连接能力。此外，骁龙也受惠于先进半导体制造工艺，例如采用28nm制程的S4平台相较于其他使用旧制程的处理器，在电路设计配置、性能和耗能上都获取相当优势。

3.三星Exynos系列处理器：

三星此系列产品线一直都是采用的公版ARM架构，但是目前三星已经开始研发基于ARM v8架构的Morrgens新架构，目前样片已经流出。据悉这款自主架构SoC的代号为“Mongoose”。目前该款SoC已经在KitGuru开发网站、开发库工具GNU Binutils、编译器工具GNU Compiler Collection中均可以查到，这就意味着该款SoC或许已经接近研发完成，并且已经有了样品供软件开发人员进行测试。

三星自主架构“Mongoose”问世

Mongoose在英文中的原意为猫鼬，与我们熟知的高通自主架构Krait（金环蛇）正好是天敌。Mongoose的第一代产品被称为“Exynos M1”，与苹果的Cyclone一样也是基于ARMv8-A指令集修改而来。从初步的测试结果来看，Exynos M1的单核性能较最新的Exynos 7420提升了45%左右，可以说是非常大的性能提升了。如果不出意外，相信明年我们就能够见到。

四、总结

CPU热潮正在衰退，SoC相比CPU有太多的优点，相信最终SoC会越来越流行，所以我们也相信在此之后市面上也会出现更多的SoC。

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