关于规整贴&规整第一帖：LM311测量电路

辛昕

关于规整贴&规整第一帖：LM311测量电路 [复制链接]

    关于规整贴

  

     上周，琳子姐跟我谈了谈目前DIY的进展和一些组织的问题。

    主要是说到现在大家是按照原计划，分任务独立去做，有时候我们单独发贴，显得有点乱，另外，管理员要为我们宣传也不好宣传。这是我事先没考虑好，是我让有新进展就发新帖的。

     所以，就考虑用一个规整贴的形式，来总结一周的进展。同时，把几个独立的子任务按顺序一周一个主题做规整贴。

     我们安排的顺序是：

     第一周周一，3月14日，第一部分：LM311测量电路。

     第二周周一：3月21日，第二部分：单片机频率计数器。

     第三周周一：3月28日，第三部分：LCD1602显示部分。

     然后接下来的一周我们会解决留下的开关切换问题。并总结所有相关文档，资料，做成资料包在坛子里分享。

     活动自此结束。

 

     在规整贴的主题贴中，我们会按照上面安排的顺序，总结（上一周）该主题的完成情况和进展，以及提出的疑问或者是各种改进的意见。

     同时我会邀请小组的成员在该规整贴的回复楼层里，发新的一周里，自己的进展（不分主题），这些是当周的所有进展，已完成部分的改进调整，未完成部分的新进展情况。

     也欢迎各位坛友对我们提出各种意见，更感谢你帮助我们解决进展中遇到的问题

     因为活动是坛子的活动，为了让活动的氛围更好，我特别希望我们小组首先要积极带好头，一周至少发两到三个内容比较丰富的活动帖，告诉大家你的努力和进展！

 

PS：在边上弹一下我们活动以来的情况......

        3月2号正式启动活动，第一阶段是为时一周的报名阶段。

        这期间，加上我自己，总共有六人报名，分别领取了三个任务，第四个任务目前比较有争议，暂时放下，等主题任务完成再做定夺。

        其中，有一个领取任务三，也就是单片机频率计数部分的朋友，大概是因为考研复习，一直很少和我联系。目前正在等待他的回复。

       说说我们五个人：

       自己说不自己不太好，但是，我的进度没落下，实物图和波形图昨天就出来了。

       JAYCH，他懂Multisim,因此，仿真的活都是他干的。虽然他分析的文档写得比较简单，据他说是还不能定量分析。但是，与他邮件往来中，他对我提出的几个疑点给出的意见，启发了我们的思路，比如那个输入电容。

   

    至于zjjone，他是做LCD1602显示部分的。

    他是真正的初学者，他没接触过51.所以刚开始举步维艰，大家都懂的。有几次他说，如果落下了进度，就找另外的人做吧，他跟着做就好。

       我就跟他说，我们是一个小组的，我成了实际上的组长，我希望“我们一个也不能少”。而且在安排上，他的部分是压到第三周的，如果实在不行，呵呵，你不是一个人在战斗，我们还有四个人在你旁边呢。

     他还在上班，我们其他四个虽然还都是学生，但是，也是各有各的忙，JAYCH，鑫海，anqi90他们都大三了，功课多，而且两个还都准备考研，想到自己去年考研，我希望这事赶快完，不然对他们影响太大了。

     我自己，现在更是忙的一团糟，跑各种招聘会，下周三我还要去公司实习。连430和我自己的毕业设计都落下了。

         但是不管怎么说，在我与他们的联系谈论进度的过程中，我真切地感受到他们真的都很给力。

     坦白说，一开始其实挺担心这种松散的小组会很难按时完成，所以时不时挺罗嗦地QQ像讨债一样地问他们进度，估计都有点烦了。但是现在看来其实我多虑了，我们几个都是好样的。

     目前，我和JAYCH领取的子任务二，也是规整的第一帖，LM311测量电路，我们基本完成了分析过程，JAYCH完成了仿真，我则完成了实物焊接，经过示波器观测波形，证明切实可行。

     鑫海和anqi90那边，鑫海前几天调试最小系统折腾了不少时间，昨天下午终于搞定了，现在可以进入真正的编程了。Anqi90的进度比他快一些，他已经规划好了流程图，并且考虑用PCA来实现。估计他很快就能把程序调试出来。

      而zjjone，目前还在学习如何驱动，不过不要紧，这一部分是在第三周规整贴，在那之前，我们都会想办法帮他的。

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      因为是第一周开规整贴，有上面这些话要说，所以，主题内容：LM311测量电路将放到沙发贴。

 

辛昕

LM311测量电路分析文档

为了分析这个电路，我们简化一下这个电路。

1   首先从比较器的反相端开始。

从输出到反相端到地之间，接了一个RC网络。

在刚上电源之际，该电容两端电压为零，所以，反相端也为0，而正相端，即使不考虑后续的LC网络，尚有两个100K电阻分压，提供2.5V中点电压。所以上电之初，输出端输出高电平。

故而，该电容会被充电，直至充至2.5V。输出翻转为低电平。

这里，我们还要注意一个问题：这个RC网络的时间常数有几百毫秒，而从实例中我们知道LC测量网络的频率都在几百K，也就是说，相比于正相端引起的输出翻转，是可以被忽略的。

因此，我们可以认为，这个RC网络一直为反相端提供一个2.5V的参考电压。（LM311是一个比较器）

 

2   从电源到输出那个1K电阻，我认为它是一个上拉电阻。因为LM311的输出是开漏结构，为了使输出能到达电源的范围，它接了一个上拉电阻。在这个分析里不重要，同样简化掉。

 

3   前面提了，2个100K电阻是分压用的，所以也可以忽略它。

现在，整个电路已经变得非常简单。

 

  分析的关键在于同相端，而且只需要简单的KCL即可。

对该点用KCL。（简单说就是流进多少电流，就该溜走多少电流）

刚才分析了上电之初，输出为高电平，5V。

由虚短虚断，所以，在谐振以后，同相端也应该是2.5V。

所以，从输出端到同相端，流动着一个恒值直流电流。2.5V/100K = 25uA

同理说，流进LC网络的也25uA的直流电流。

因此，LC网络必须呈现纯阻性，也就是谐振。

因此可以简单地算出振荡频率。

3  这里特别提一下同相端，也就是LC网络的波形，同时说明翻转条件。

   LC网络的输出端也就是同相端，输出的是一个正弦波，其频率即上面所计算出来的F1.

   由比较器的翻转条件，可以画出两者的对应关系如下。

   所以输出的是同频率的方波。

 

 

5 接入待测电感，电容的等效电路。

根据图，我们可以知道，在打到电容位，断开两被测端，校准时，LC是并联的；

打到电感位，则要短接两倍测端，这时，校准时LC还是并联的。

接入电容时，该电容与LC网络的C1并联；

接入电感时，电感与L1串联，则，无论是测量电感或者电容，等效的电感值和电容值都等于被测量加上原测量网络的量。

这是为了简化和统一计算公式。

 

额，忘了补一份，我分析电路时参考的网上一个资料，是它打开了我的思路。

里面有详细的计算公式，就是在电路分析上，他跳了很多步，所以我给补充了上面这一篇文章，如果还有什么疑问，请跟帖指出，我们将尽力解答——你的问题让我们的分析更深入！

 

里头的LM311文件是参考资料。

另一份是这个回复贴的原文

[ 本帖最后由 辛昕 于 2011-3-13 10:55 编辑 ]

辛昕

LM311部分

 先将该电路各个部分分析如下：

1、  比较器电路该比较器电路主要由LM311组成。可以将其分成如下几个部分：

 

在同相相输入端由R1,R2分压对输入的信号进行偏置，具体是提升2.5V的电压。

2）  R3,C3组成反馈网络。将输出的电压反馈回输入端（同相，因此为正反馈）。

3）  R4通过将输出端的电压送至C2进行充电。为比较器电路提供一个基准电压。

4）  R5为输出信号的上拉电阻。确保能够输出稳定的高电平。

2、  LC并联谐振

LC并联谐振电路在满足谐振条件的情况下输出相应的正弦波。

 

电路启动时，5V的电压通过R1,R2分压是LM311的Up=2.5V，C2则是经过R4进行充电。此时比较器输出高电平。经过R3的正反馈作用，输出端Uo的电压逐渐增大，而LC并联谐振的端电压也逐渐增大。最后到达最大电压的时候，LC开始发生谐振。并将该信号传至比较器同相输入端，通过与反相输入端电压比较，输出相应方波。

 

以上电路图仿真如下：

我们可以自己手动计算得到。

T=1/F可得T=1/(2*pi*sqrt(L*C))=1.809us

可以看出，与上面的仿真图中的周期只相差0.81us，准确度较高。

（辛昕补充：实际上，JAYCH算错了，应该是只相差0.081us,准确度较高）

 

在测量未知电感和电容的时候，可以通过串并联求得相应的值。

不过在这求值过程中，对于单片机能够胜任这个计算比较难以把握。

 

备注：

试过了下，拿高速运放（以LM6172为例）实验的时候，LC能正常的谐振，但运放输出端不能够输出方波。不知道是不是比较器与高速运放还有些不同，这个有待讨论。

发现对于定量的话，我还是显得相当无力。没有办法对于每个元件都做相应定量分析。

[ 本帖最后由 辛昕 于 2011-3-13 10:58 编辑 ]

辛昕

先上一个全景图，注意到此时，测量端是开路的，这是在为测电容而准备的。

这是波形图，我同学的手机200万，已经是当时我能找到最好的了。

显示是506.29KHz.这个跟我去的路上粗粗心算的500k很是接近的。（具体计算公式，见 沙发贴 的资料）

这是测电感的准备，要短路被测端子。

 

发这幅图不是重复，是想让大家注意，嘿嘿，测电感和测电容时的校准频率果然是不一样的，而且相差的不是一点两点，相差有接近1个K。

在这个测量小工具里，这已经是很大的误差了。

 

这是测电容时，接上标准电容时，的频率。362.45KHz

下面，我还测了几个电容电感。

就不发波形图，只给出数据：

 

对这些数据，前晚我粗粗算了算，后来发现计算的方法出现错误。我将参考沙发贴里的资料重新计算一遍。

这个LM311的测量精度还是相当高的。

 

发完后看了看图，发现图放得太大了，有些东西看不到——正好都是一些重要的细节！！

可是我找了半天不会弄，所以，大家看的时候直接点击图片就能看到完整的图片了。

[ 本帖最后由 辛昕 于 2011-3-13 11:15 编辑 ]

辛昕

1     两个100K电阻的分压问题 从一开始我就觉得两个100K分压是不行的。

       因为反馈电阻也是100K，这样一来，在输出高电平时，相当于两个100K电阻并联再与100K电阻分压，输出低电平则相反，这样一来，直流偏置点全乱套了。

       我没把握，焊了个实物，发现100K分压确实不行。虽然也起振了，可是频率低的惊人，接个LED，居然发现那灯一下一下闪，后来我发觉那频率跟反相端的RC网络的时间常数基本一致。

       用万用表测量两个输入端，我的天，我居然发现输入端的电压在1V多到3V多之间变化，变化还不打紧，重要的是，这变化我的万用表居然看出来了！！！！

        后来我换了两个10K的电阻分压，就正常了（那些波形图都是这种情况下得到的。）

2      输入电容10u的问题。

        在我的分析里，我用KCL，着重分析了LC网络和反馈电流之间的关系，因此我认为那个输入的10u电容是不是可有可无啊？

         后来，JAYCH提醒了我一个事：电容的作用是隔直通交。我一想，如果是这样的话：那么，LC端是交流的，两个100K电阻提供了直流偏置点，而反馈，如果说输出也是一个高频信号，那很自然这个反馈电流也是交流的。

         如此说来，我上面的关于两个100K分压的分析全错了。因为反馈的电流和分压的电流是两回事，而且让电容隔开了。如此说来，用100K 分压应该是可以的。网上的DIY分享，也没听说过谁说过哪个100K分压的问题了。

         那么，为什么我做的时候，却不行呢？

[ 本帖最后由 辛昕 于 2011-3-13 11:28 编辑 ]

anqi90

顶一下，不过可能用不上PCA了，和预想的不一样

 

其实仔细一想，反应最快的并不是中断，中断的优势不在于响应快，而是在于随机性，但是这次任务并不需要这一点，相比之下直接检测IO口的效率反而最高，等我晚上总结一下发上来再讨论讨论吧

zjjone1023

我所有东西都已经准备好了，也开始写程序了，

zjjone1023

电路设计我就不太懂了，觉得C2上端要不要加一个电阻会不会好点，

辛昕

那个电阻不加，怎么产生2.5V的分压啊？呵呵。

辛昕

多试试，没啥，你们还有一个星期的时间呢。

quanzx

现在看来有两个问题，一是比较器本身质量问题，也就是我们手里的片子是山寨货。在网上我看了一下，这个电路大约是2004年发表出来的。LC表还有PIC版本和m8版本的，但是都是用的LM311。也没用什么缓冲。但是在矿石收音机论坛的帖子对LM311有讨论，结果是加缓冲后解决。二是那个1N电容的问题，因为在程序里标定了电容的容量，但是实际上我们使用的电容容量并非是1N。这样在测量时的周期就变了，在测量周期时已经有误差了。而且这个误差是因为我们无法确定容量引起的。
关于那个波形的上升沿问题，是不是加个缓冲级电路看看。这个问题在矿坛讨论时也有涉及，有波形测试，加入缓冲后波形变成方波了。
第二个问题解决起来有难度，因为电感和电容都有误差范围。在网上看电感一般是偏小的，看来只好用数字表的电容档的读数为准，把振荡电路搭好。再用我们做的LC表测试另外的电容，替换装在电路里的电容，以保证误差在尽可能小的范围内。
附件里应该是原作者的文档，请你看一下吧。

[ 本帖最后由 quanzx 于 2011-3-13 17:01 编辑 ]

鑫海宝贝

苦于手头没有信号发生器，也是今天焊接了一个555的频率发生器，嘿嘿虽然没你们快吧，但是依旧进行中，明天借老师示波器测测哈哈哈，你们别嫌我慢啊哈哈哈

tagetage

大家注意一下。

anqi90

顶一下，周五去实验室，到时候就有信号发生器用啦~~~~~

目前在想程序，预计测量频率至少1M

quanzx

等着听到好消息了。

maylove

辛昕辛苦了~

辛昕

额，这两天有点懒。可能是LM311暂时可以放下来了。
昨天就看到了大叔的回复。当时就有些想法，但是很懒，到现在才回复。
大叔说的LM311的质量问题，不知道是指那个100K分压的事情还是那个上升沿和需要缓冲的问题。
如果是100K分压，其实也没啥，就是换成10K，功耗略有上升。
如果是上升沿，额，我觉得，重点还是那个缓冲的问题，因为这个带负载能力太低是挺麻烦的，我跟anqi90一直想到用STC的高阻输入模式，但是不知道行不行.得等程序写出来试试（我的还没写完，因此暂时不能验证。）
如果只是上升沿的，问题倒不大，我一直倾向于用定时器工作在计数模式下，对下降沿计数，所以，这个应该没什么问题。

精度问题，额，暂时没啥想法。但是我当时算了算那些数值，那误差还真是比较可恶的。

辛昕

分内事，分内事。

辛昕

https://bbs.eeworld.com.cn/viewth ... #pid856725pid856725

鑫海是做51单片机频率计数器的，为了验证程序，他用555做了一个方波源。经示波器验证是可行的

嘿嘿，鑫海在制作硬件方面，动手能力很强哦，据他说，比他写程序要强。

 

[ 本帖最后由 辛昕 于 2011-3-15 11:48 编辑 ]

鑫海宝贝

你小子底掉的把我的底子都说出去了