特种方式实现简易电感电容表的可能性？

刘师傅*** · 发表于 3 小时前

我曾经用cd4069实验出一个特别容易起振的谐振电路，如下。

源代码如下

#include <STC15F104E.H> // 包含STC15F104E的特殊功能寄存器定义头文件
#include <intrins.h> // 如果需要使用_nop_()等内置函数

sbit INPUT_PIN  = P3^2; // 定义输入引脚为 P3.2
sbit OUTPUT_PIN = P3^3; // 定义输出引脚为 P3.3

void main()
{
// 初始化 GPIO 模式
// STC15F104E 的 P3M0 和 P3M1 寄存器用于配置P3口模式
// 配置 P3.2 为高阻输入（或准双向口，根据外部驱动能力决定）
P3M0 &= ~(1 << 2); // P3.2 M0 bit = 0
P3M1 |=  (1 << 2); // P3.2 M1 bit = 1 (10: 高阻输入)

// 配置 P3.3 为推挽输出，以获得较强的驱动能力
P3M0 |=  (1 << 3); // P3.3 M0 bit = 1
P3M1 &= ~(1 << 3); // P3.3 M1 bit = 0 (01: 推挽输出)

// 另一种简单配置：如果输入信号由较强驱动能力的外部电路提供，输出负载较轻，
// 可将所有端口设置为准双向模式（默认模式，兼容传统8051）
// P3M0 = 0x00;
// P3M1 = 0x00;

while(1) // 主循环
{
      // 核心逻辑：读取输入状态 -> 取反 -> 输出
      // 使用方法1: if-else 语句
      if(INPUT_PIN == 1)       // 如果检测到输入为高电平
      {
         OUTPUT_PIN = 0;    // 则输出低电平
      }
      else                   // 否则（输入为低电平）
      {
         OUTPUT_PIN = 1;    // 则输出高电平
      }

      // 使用方法2: 三元运算符 (? :) 一行语句完成
      // OUTPUT_PIN = (INPUT_PIN) ? 0 : 1;

      // 使用方法3: 直接使用逻辑非操作符 (!)，最简洁
      // OUTPUT_PIN = !INPUT_PIN;

      // 注意：由于单片机执行速度极快（指令周期为时钟的1/6或1/12，STC15系列多数为1T单片机），
      // 这个循环会以很高的频率运行，因此输出的变化几乎是瞬时的，对于低频信号足以模拟硬件非门。
}
}

突发奇想,有没有可能用单片机模拟cd4069实现lc谐振，并做出简易电感电容表，从而省掉外部lm311谐振电路.先写出代码，等抽空再做测试。

国芯人*** · 发表于 3 小时前

特种方式实现简易电感电容表的可能性分析

在电子测量领域，利用单片机和基础逻辑门电路构建简易的电感电容（LC）表是一种经济且实用的方案。您提到的使用CD4069六反相器芯片和STC15F104E单片机构建LC测量系统，是一种典型的“特种方式”实现。本文将从原理、实现方式、精度分析和优化方向几个方面进行专业分析。

一、基本原理分析

您所使用的CD4069芯片本质上是由六个CMOS反相器构成的逻辑门集成电路。在无反馈的情况下，CMOS反相器具有极高的输入阻抗和极低的输出阻抗，适合用作振荡器的基本单元。

当在反相器两端引入LC谐振回路时，可以构成一个LC自由振荡电路。该电路的基本工作原理如下：
反相器构成一个放大器；
LC谐振回路作为选频网络；
振荡频率由LC值决定，公式为：

  $$
  f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}
  $$

当电路起振后，输出信号的频率即为LC谐振频率。通过单片机捕获该频率，再根据公式反推L或C的值，即可实现测量功能。

二、系统实现结构

您给出的系统结构如下：

1. CD4069振荡电路：构成LC自由振荡器；
2. STC15F104E单片机：捕获振荡频率并进行计算；
3. 输入/输出引脚配置：P3.2用于输入检测，P3.3用于驱动振荡电路。

该结构具备以下特点：
无需外部晶振：利用LC振荡频率作为基准，适合资源受限系统；
硬件开销小：仅需少量元件即可搭建；
测量范围受限：取决于单片机定时器的计数精度和振荡电路的稳定性。

三、软件实现分析

您提供的代码片段显示了引脚配置和主函数入口。从结构上看，应包含以下关键步骤：

1. 引脚配置：将P3.3设置为输出，P3.2为输入；
2. 定时器初始化：用于测量振荡周期；
3. 频率捕获：使用定时器或外部中断捕获信号周期；
4. 计算LC值：根据频率公式反推L或C；
5. 结果显示：通过串口或LCD显示测量结果。

代码示例补充如下（基于STC15系列）：

c
include 
include 
sbit INPUTPIN  = P3^2;
sbit OUTPUTPIN = P3^3;
unsigned long frequency = 0;
unsigned int period = 0;
void Timer0Init() {
    TMOD &= 0xF0;        // 清除T0模式位
    TMOD |= 0x02;        // 定时器0，模式2（8位自动重装）
    TH0 = 0x00;
    TL0 = 0x00;
    TR0 = 1;             // 启动定时器
}
void main() {
    P3M0 = 0x00;
    P3M1 = 0x00;         // 设置为准双向口
    Timer0Init();
    OUTPUTPIN = 1;      // 驱动LC振荡电路
    while(1) {
        // 使用外部中断或边沿检测捕获周期
        // 例如使用下降沿触发中断
        IT0 = 1;
        EX0 = 1;
        EA = 1;
        // 计算频率和LC值
        if(period != 0) {
            frequency = 1000000UL / period; // 假设定时器精度为1us
            // 进行LC计算，假设C已知求L
            // L = 1/( (2πf)^2  C )
        }
    }
}
void INT0ISR(void) interrupt 0 {
    static unsigned long lasttime = 0;
    unsigned long now = TL0;
    period = now - lasttime;
    lasttime = now;
}
复制代码

四、精度与误差分析

此类简易LC表的测量精度主要受以下因素影响：

1. 振荡器稳定性：
CD4069的阈值电压随温度和电源波动变化，影响振荡频率稳定性；
建议使用稳压电源，或在程序中加入校准机制。

2. 定时器分辨率：
STC15F104E的定时器精度为微秒级，对高频信号误差较大；
可采用倍频或分频技术提升测量精度。

3. 寄生参数影响：
PCB布局中寄生电容和电感会影响实际LC值；
建议采用屏蔽线或PCB走线优化。

4. 反相器非线性：
CD4069作为数字器件，其工作点偏离线性区，可能引入谐波；
可在反相器之间加入反馈电阻（如10MΩ）改善线性度。

五、优化建议与扩展方向

1. 增加校准功能：
在启动时自动测量已知电容/电感，作为参考基准；
提高测量一致性。

2. 使用专用比较器/运算放大器：
如LM393、LMV358等，可提高振荡稳定性；
成本略有增加，但性能显著提升。

3. 增加自动量程切换功能：
通过继电器或模拟开关切换不同范围的参考电容；
实现宽范围测量。

4. 引入软件滤波算法：
对频率采样值进行滑动平均处理；
提高测量稳定性。

5. 升级为LCR表：
引入交流激励与阻抗测量技术；
可测量电感的Q值、电容的ESR等参数。

六、结论

利用CD4069与STC15F104E构建简易LC表，是一种可行且成本低廉的特种测量方式。其核心在于通过LC振荡频率反推元件值。虽然受限于精度与稳定性，但通过合理的软硬件设计，仍可实现较为可靠的测量结果。

该方案适用于教育、实验、维修等非高精度测量场景，具有较强的实用价值。若进一步优化设计，甚至可扩展为多功能LCR测量仪，具备更高的工程应用潜力。

如需进一步交流电路细节或代码实现，欢迎继续探讨。

[本文内容由国芯人工智能辅助生成，仅供参考]

刘师傅*** · 发表于 2 小时前

不使用cd4069,而是由stc15f104e软件模拟激励出自由谐振，模拟i2c口驱动屏幕，显示电感或电容值，达到极度精简。

#include <STC15F104E.h> // STC15F104E寄存器定义

// 全局变量定义
unsigned long int cycle_cnt = 0;  // 周期计数（记录2次跳变的机器周期数）
bit freq_flag = 0;             // 频率计算完成标志

// 定时器0初始化（16位自动重装，用于产生激励脉冲宽度）
void Timer0_Init(void) {
TMOD = 0x01;  // T0工作模式1（16位定时器）
TH0 = 0xFF; // 初值：定时1μs（晶振11.0592MHz，机器周期1.085μs，近似1μs）
TL0 = 0xF6;
ET0 = 0;    // 关闭T0中断（仅用于软件延时，无需中断）
TR0 = 0;    // 初始关闭定时器
}

// 外部中断0初始化（下降沿触发，捕捉谐振信号跳变）
void INT0_Init(void) {
IT0 = 1;    // INT0下降沿触发
EX0 = 1;    // 使能INT0中断
EA = 1;    // 使能总中断
P32 = 1;    // 检测引脚初始置高（高阻输入）
}

// 输出LC谐振启动脉冲（P3.0输出2个窄脉冲）
void LC_Start_Pulse(void) {
P3M0 = 0x01;  // P3.0推挽输出（仅P3.0配置为推挽，其他为准双向）
P3M1 = 0x00;

// 输出第一个脉冲（低电平10μs）
P30 = 0;
TR0 = 1; while(!TF0); TR0 = 0; TF0 = 0; // 定时1μs，循环10次
P30 = 1;
TR0 = 1; while(!TF0); TR0 = 0; TF0 = 0;

// 输出第二个脉冲（低电平10μs）
P30 = 0;
TR0 = 1; while(!TF0); TR0 = 0; TF0 = 0;
P30 = 1;
TR0 = 1; while(!TF0); TR0 = 0; TF0 = 0;

P3M0 = 0x00;  // 激励完成，P3.0恢复准双向（降低功耗）
}

// 外部中断0服务函数（捕捉谐振信号跳变，计算周期）
void INT0_ISR(void) interrupt 0 {
static bit edge_flag = 0;  // 跳变沿标志（0：第一次下降沿，1：第二次下降沿）

if(edge_flag == 0) {
      TCON &= 0xCF;  // 清定时器1启停位
      TH1 = 0x00; // 定时器1清零（用于计数机器周期）
      TL1 = 0x00;
      TR1 = 1;    // 启动定时器1计数
      edge_flag = 1;
} else {
      TR1 = 0;    // 停止计数
      cycle_cnt = (TH1 << 8) | TL1;  // 读取计数结果（2次跳变的周期）
      edge_flag = 0;
      freq_flag = 1; // 置位频率计算标志
}
}

// 主函数
void main(void) {
unsigned long int freq = 0;  // 谐振频率值（单位：Hz）

Timer0_Init();  // 初始化定时器0（用于激励脉冲）
INT0_Init(); // 初始化外部中断0（用于检测跳变）

LC_Start_Pulse();  // 输出激励脉冲，启动LC自由谐振

while(1) {
      if(freq_flag == 1) {  // 若检测到完整周期
         // 计算频率：晶振11.0592MHz，机器周期=12/11059200 ≈1.085μs
         // 周期=cycle_cnt * 1.085μs，频率=1/(周期*2)（下降沿间隔为半个周期）
         freq = 11059200 / (cycle_cnt * 24);  // 简化计算：11059200/(cycle_cnt*2*12)
         freq_flag = 0;  // 清除标志

         // -------------------
         // 此处可添加频率使用逻辑（如串口发送、LED指示等）
         // -------------------

         // 若需持续检测，可每隔一段时间重新发送激励脉冲
         // LC_Start_Pulse();
      }
}
}

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