电感品质因数测量方法及相应的电感品质因数测量电路

技术领域

本发明涉及电学领域，尤其涉及电子元件参数的测量领域，具体涉及一种电感品质因数测量方法及相应的电感品质因数测量电路。

背景技术

在电路领域，电感是一种较为常用的电子器件，而电感品质因数Q的值则是评估整个电路的一个重要参数，电感品质因数Q的值为正整数。但在当前无线充电系统或者其他电路系统中，LC振荡电路中电感品质因数——Q值(Q factor)的测量，其方法往往比较复杂，且对电路的处理时序要求较高。

现有技术中，一般测试电感的Q值往往需要一定的仪器或较为复杂的电路，比如采用电桥进行测量，而电路中Q值测量的实现一般都基于振荡电路的谐振特性，首先确认电感的谐振频率，再测量其感值、直流电阻、交流电阻等参数，通过较为复杂的计算才能得出电感的Q值。或者就是需要较为复杂繁琐的控制与测量过程，同时需要复杂的计算，如在找到振荡电路的谐振频率的基础上，通过驱动电压与谐振电压的比值来确认Q值的大小，这种电路就需要一个速度与精度较高的ADC才能实现，电路成本较为昂贵。

发明内容

本发明的目的是克服至少一个上述现有技术的缺点，提供了一种易于实现、无需复杂的电路结构及复杂的电路控制与计算过程的电感品质因数测量方法及相应的电感品质因数测量电路。

为了实现上述目的或其他目的，本发明的电感品质因数测量方法及相应的电感品质因数测量电路如下：

该电感品质因数测量方法，其主要特点是，所述的方法为：

给振荡电路一个阶跃电压，并令所述的振荡电路进行欠阻尼振荡，且通过下式得到所述的振荡电路中的所述的电感品质因数Q的值：

Q＝K×N；

其中，N为所述的振荡电路接收到所述的阶跃电压后，产生的阻尼振荡幅度大于预设基准电压的振荡周期个数；K为系统预设值，且0＜K≤1，所述的系统预设值K的具体取值与所述的预设基准电压和所述的阶跃电压的比值对应。

较佳地，所述的系统预设值K的具体取值与所述的预设基准电压和所述的阶跃电压的比值对应关系由下式确定：

其中，v

该电感品质因数测量电路，其主要特点是，所述的电感品质因数测量电路包括：

阶跃电压产生模块，用于产生阶跃电压；

振荡电路，获取所述的阶跃电压后进行欠阻尼振荡；

基准电压产生模块，用于产生预设基准电压；

电压比较模块，用于将所述的振荡电路接收到阶所述的跃电压后产生的阻尼振荡幅度与所述的预设基准电压进行比较；

计量模块，与所述的电压比较模块的输出端相连接，用于计量所述的振荡电路产生的阻尼振荡幅度大于预设基准电压的振荡周期个数N；

主控模块，与所述的阶跃电压产生模块相连接，用于触发所述的阶跃电压产生模块产生阶跃电压，且所述的主控模块还与所述的计量模块的输出端相连接；并且所述的主控模块内置公式Q＝K×N，可根据所述的计量模块计量得到的所述的振荡电路产生的阻尼振荡幅度大于预设基准电压的振荡周期个数N求出所述的振荡电路中的所述的电感品质因数Q的值，其中，K为系统预设值，且0＜K≤1，所述的系统预设值K的具体取值与所述的预设基准电压和所述的阶跃电压的比值对应。

较佳地，所述的振荡电路包括并联连接的电容与电感，所述的电容的两端分别与所述的阶跃电压产生模块的两端相连接；

并从所述的振荡电路中引出一端作为所述的振荡电压的输出端，与所述的电压比较模块相连接。

更佳地，所述的电容的两端分别与所述的阶跃电压产生模块的正、负两端对应连接，并将所述的电容中与所述的阶跃电压产生模块的正端相连接的一端作为所述的振荡电压的输出端。

较佳地，所述的阶跃电压产生模块包括第一直流电源及可控开关，所述的可控开关的第一端与所述的第一直流电源的正端相连接，所述的可控开关的第二端与所述的振荡电路的一端相连接，所述的振荡电路的另一端与所述的第一直流电源的负端相连接；

从所述的可控开关的第二端与所述的振荡电路的连接处引出一端作为所述的振荡电压的输出端，与所述的电压比较模块相连接；

所述的可控开关的控制端与所述的主控模块相连接。

更佳地，所述的基准电压产生模块包括串联后并联于所述的第一直流电源两端的第一电阻及第二电阻；

从所述的第一电阻及第二电阻的连接处引出一端作为所述的预设基准电压的输出端，与所述的电压比较模块相连接。

较佳地，所述的基准电压产生模块由第二直流电源构成，所述的第二直流电源与所述的电压比较模块相连接。

较佳地，所述的电压比较模块包括比较器，所述的比较器的两个输入端分别与所述的阶跃电压产生模块及基准电压产生模块相连接，所述的比较器的输出端与所述的计量模块相连接。

较佳地，所述的计量模块由边沿计数器构成，所述的边沿计数器的输入端与所述的电压比较模块的输出端相连接，所述的边沿计数器的输出端构成所述的计量模块的输出端。

较佳地，所述的主控模块可根据内部预设的系统预设值K与所述的预设基准电压和所述的阶跃电压的比值对应表确定当前电路对应的系统预设值K；或

根据预设于所述的主控模块内部的下述公式，确定当前电路对应的系统预设值K：

其中，v

采用本发明的电感品质因数测量方法及相应的电感品质因数测量电路，利用振荡电路中电路的衰减速度与电路中电感品质因数Q的值呈一定对应关系的特点，通过公式Q＝K×N得到所述的电感品质因数Q的值，其中，N为所述的振荡电路接收到所述的阶跃电压后，产生的阻尼振荡幅度大于预设基准电压的振荡周期个数，K为系统预设值，且0＜K≤1，所述的系统预设值K的具体取值与所述的预设基准电压和所述的阶跃电压的比值对应，从而实现无需复杂的计算过程及处理时序要求，通过简单的电路结构即可求出电感品质因数Q的值。本发明中的电感品质因数测量方法及相应的电感品质因数测量电路具备精度可调、测量方便及成本较低的特点。

附图说明

图1为本发明的一实施例中的电感品质因数测量电路的结构示意图。

图2为RLC串联电路模型图。

图3为图2中开关位于b点时的等效示意图。

图4为振荡电路振幅示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

该电感品质因数测量的方法为：

给振荡电路一个阶跃电压，并令所述的振荡电路进行欠阻尼振荡，且通过下式得到所述的振荡电路中的所述的电感品质因数Q的值：

Q＝K×N；

其中，N为所述的振荡电路接收到所述的阶跃电压后，产生的阻尼振荡幅度大于预设基准电压的振荡周期个数；K为系统预设值，且0＜K≤1，所述的系统预设值K的具体取值与所述的预设基准电压和所述的阶跃电压的比值对应。

其中，所述的系统预设值K的具体取值与所述的预设基准电压和所述的阶跃电压的比值对应关系可以根据经验得到，然后将相应的对应关系制成表格或其他形式预存于系统中；或

可由下式确定：

其中，v

根据上述公式我们可以看出虽然n是一个变量，但n与Q存在对应的比例关系K，也就是当n或者K中的一个参数确定后，另一个对应的参数也就确定下来了。由此可知，当将Q＝K×N用于一个确定的电路中时，预设基准电压和阶跃电压的比值其实就是确定下来的，是一个常数，由于e和π均是常数，由此K就是一个可以确定的值，在确定好K后，只需对电路进行测量就可知道荡电路接收到所述的阶跃电压后，产生的阻尼振荡幅度大于预设基准电压的振荡周期个数N(即电路中测到的振荡周期个数N其实是n的某些特定的取值，在电路中基准电压和阶跃电压的比值确定后，N其实也就是一个确定的定值了)，因此，可以很方便地求出电感品质因数Q的值。

阶跃电压的值是确定的，在具体测试过程中，即可先决定系统预设值K，然后通过上式推导出基准电压后，开始测量，也可先决定好基准电压的大小，然后通过上式求出系统预设值K，然后采用系统预设值K与测量得到的所述的振荡电路接收到所述的阶跃电压后，产生的阻尼振荡幅度大于预设基准电压的振荡周期个数N相乘计算得出电感品质因数Q的值。

可采用下述实施例中的电感品质因数测量电路执行上述电感品质因数测量的方法的测量过程：

如图1所示，该实施例电感品质因数测量电路包括：

阶跃电压产生模块，用于产生阶跃电压；

振荡电路，获取所述的阶跃电压后进行欠阻尼振荡；

基准电压产生模块，用于产生预设基准电压；

电压比较模块，用于将所述的振荡电路接收到所述的阶跃电压后产生的阻尼振荡幅度与所述的预设基准电压进行比较；

计量模块，与所述的电压比较模块的输出端相连接，用于计量所述的振荡电路产生的阻尼振荡幅度大于预设基准电压的振荡周期个数N；

主控模块，与所述的阶跃电压产生模块相连接，用于触发所述的阶跃电压产生模块产生阶跃电压；且所述的主控模块还与所述的计量模块的输出端相连接，并且所述的主控模块内置公式Q＝K×N，可根据所述的计量模块计量得到的所述的振荡电路产生的阻尼振荡幅度大于预设基准电压的振荡周期个数N求出所述的振荡电路中的所述的电感品质因数Q的值，其中，K为系统预设值，且0＜K≤1，所述的系统预设值K的具体取值与所述的预设基准电压和所述的阶跃电压的比值对应。

所述的主控模块可根据内部预设的系统预设值K与所述的预设基准电压和所述的阶跃电压的比值对应表确定当前电路对应的系统预设值K(其中，所述的系统预设值K与所述的预设基准电压和所述的阶跃电压的比值对应表为根据经验制定的系统预设值K与所述的预设基准电压和所述的阶跃电压的比值对应的表格)；或

根据预设于所述的主控模块内部的下述公式，确定当前电路对应的系统预设值K：

其中，v

该实施例中由主控制器Q4构成主控模块。

在该实施例中，所述的振荡电路包括并联连接的电容C与电感L，所述的电容C的两端分别与所述的阶跃电压产生模块的两端相连接；

并从所述的振荡电路中引出一端作为所述的振荡电压的输出端，与所述的电压比较模块相连接。

在该实施例中，所述的电容C的两端分别与所述的阶跃电压产生模块的正、负两端对应连接，并将所述的电容C中与所述的阶跃电压产生模块的正端相连接的一端作为所述的振荡电压的输出端。

在该实施例中，所述的阶跃电压产生模块包括第一直流电源Q1及可控开关K，所述的可控开关K的第一端与所述的第一直流电源Q1的正端相连接，所述的可控开关K的第二端与所述的振荡电路的一端相连接，所述的振荡电路的另一端与所述的第一直流电源Q1的负端相连接；

从所述的可控开关K的第二端与所述的振荡电路的连接处引出一端作为所述的振荡电压的输出端，与所述的电压比较模块相连接；

所述的可控开关K的控制端与所述的主控模块相连接。

在该实施例中，所述的基准电压产生模块包括串联后并联于所述的第一直流电源O1两端的第一电阻R1及第二电阻R2；

从所述的第一电阻R1及第二电阻R2的连接处引出一端作为所述的预设基准电压的输出端，与所述的电压比较模块相连接；

其中，由所述的第一电阻R1与第一电阻R1及第二电阻R2的和的比例关系决定所述的预设基准电压的大小。

在其他实施例中，所述的基准电压产生模块由第二直流电源构成，所述的第二直流电源与所述的电压比较模块相连接。

在该实施例中，所述的电压比较模块包括比较器Q2，所述的比较器Q2的两个输入端分别与所述的阶跃电压产生模块及基准电压产生模块相连接，所述的比较器Q2的输出端与所述的计量模块相连接。

在该实施例中，所述的计量模块由边沿计数器Q3构成，所述的计量模块由边沿计数器Q3构成，所述的边沿计数器Q3的输入端与所述的电压比较模块的输出端相连接，所述的边沿计数器Q3的输出端构成所述的计量模块的输出端。

采用上述实施例中的电感品质因数测量电路可对电路中的电感的电感品质因数Q的值进行测量，测量过程中仅需采用比较器Q2将获得阶跃电压后的振荡电路输出的振荡电压与所述的基准电压进行比较，并通过边沿计数器Q3计量所述的振荡电路接收到所述的阶跃电压后，产生的阻尼振荡幅度大于预设基准电压的振荡周期个数，即所述的振荡电路从获取所述的一个阶跃电压后的电压点振荡至所述的预设基准电压过程中经历的振荡周期个数N，具体而言就是，采用边沿计数器Q3计量比较器Q2输出的上升沿或下降沿的个数，最终由主控制器Q4将计量得到的振荡周期个数N与主控制器内置的系统预设值K相乘，即可计算得到电感品质因数Q的值。

该实施例中的电路仅用于针对电感品质因数Q的值的测量，其利用LC振荡电路电感与电容间的阻尼振荡衰减特性，其电路结构较为简单，仅需要简单的直流电源、可控开关、分压电路、比较器、计数器即可实现，参数也较为灵活，可以根据系统对电感品质因数Q的值精度的要求，调整构成基准电压产生模块中的分压电阻的比例，即可改变系统预设值K，在电路的阻尼震荡结束之后，仅需要进行一个乘法K*N即可求得Q值。因此在实际测量中，其计算量也十分的小。

为了使得本领域技术人员可以更好地理解本技术方案，下面给出本发明中提到的公式的推导过程及其原理进行说明，公式推导过程如下：

图2为RLC串联电路模型图，Us为一电压源，i(t)为电路中电流参数，图3为图2中开关位于b点时的等效示意图，根据基尔霍夫电压定律(KVL)，可知图3中的电路可由式1表示：

v

其中，v

在图3的电路中，电阻R、电感L及电容C阻尼振荡过程中的时间变化特性分别由下述式2-1、2-2、2-3表示：

v

其中，i(t)表示当前的电流值，

将式2-1至式2-3引入式1可得出下述式3，下式为阻尼振荡的微分方程：

其中，在图2中的开关K从图中的a点到b点后，由衰减因子α决定放电过程中电压与电流的衰减特性，衰减因子α可由下述式4-1求出，而电路中的角频率ω

ω

其中，为f为振荡频率。

将式4-1及式4-2代入上述式3可得：

式5的通解为：

其中s

对于阻尼振荡而言，主要有三种情况，分别为过阻尼振荡、临界阻尼振荡及欠阻尼振荡，其中，当α＞ω

为了能够计算电感品质因数Q的值，本发明中采用的谐振电路为振荡电路，即选用α＜ω

其中，A与

根据式7可以针对间隔一个振荡周期T推导出下式：

由式8可知谐振电路在经过一个振荡周期T后的前后幅值变化的比例关系。

根据式8，求出其以e为底的对数表达式：

谐振电路中，电感品质因数Q的值的计算公式为：

将衰减因子α的计算公式4-1、角频率ω

从式11的推导过程中可看出振荡电路中，电感品质因数Q的值与谐振电路的振荡幅值比例呈一定的比例关系，即振荡电路的衰减速度与电感品质因数Q呈一定的比例关系，本发明中即利用电路的这一特性，求电路中的电感品质因数Q的值。

根据式8可推导出间隔n个振荡周期T时的推导公式：

其中，n为整数，且大于等于0。

式12给出了谐振电路在经过n个振荡周期T后的前后幅值变化的比例关系。

结合式11与式12，可知，如果能够知道在n个振荡周期后，该振荡电路的前后的幅值比例关系以及在一定电压变化范围内的振荡次数，即可求出该振荡电路中电感品质因数Q的值。

而该振荡电路的前后的幅值比例关系，可通过对电路的设计而进行设置：

由式11可知

为了能够更清晰地进行说明，下面可列举几个具体数值对其进行说明：

如果我们令在振荡过程中振荡周期的次数n等于电感品质因数Q的值，即令a等于1，同时，由于

如果我们令在振荡过程中振荡周期的次数n等于电感品质因数Q的值的一半，即令K等于1/2，同时，由于

如果我们令在振荡过程中振荡周期的次数n等于电感品质因数Q的值的三分之一，即令K等于1/3，同时，由于

如果我们令在振荡过程中振荡周期的次数n等于电感品质因数Q的值的四分之一，即令K等于1/4，同时，由于

上面仅仅列举了4种不同情况下Q与n的比例取值关系，但实际计算过程中，并不局限于上述4中情况，上面几种情况下：同相位点其幅度值衰减为基准值的0.0432时(即前后幅值变化的比例关系为0.0432)，其相隔的周期数等于Q值；衰减为基准值的0.208时，其相隔的周期数等于Q值的1/2；衰减为基准值的0.351时，其相隔的周期数等于Q值的1/3，以此类推。当然，因为Q值本身为一个自然数，所以在不考虑测量误差的前提下，0.0432的比例测出的Q值最准，相应的0.208的比例测量的Q值误差为±1，0.351的比例测量的Q值误差为±2。

图4中选取了K等于1(即预设基准电压和阶跃电压的比值为0.0432)的情况进行举例说明，图4中的波浪线表示振荡电路获取一个阶跃电压后输出的振荡电压的波形，最下面的横线为0V，最上面的横线表示100％时的电平值，中间的横线表示4.32％时的电压值；从图4中可以看出，振荡电路大约经过6个周期后产生的阻尼振荡幅度小于预设基准电压，即N＝6，K＝1，此时，我们可根据Q＝K×N求出Q＝6)。

由上述推导过程，可知在设置好的振荡电路中，只需知道该电路在获得一个阶跃电压后，产生的阻尼振荡幅度大于预设基准电压的振荡周期个数N以及系统预设值K，即可得知电感品质因数Q的值。

下面结合上述工作原理对图1中的电路的测量过程进行说明：

1)主控芯片Q4控制可控开关K由闭合变为张开，向由电感L、电容C组成的振荡电路提供一个从直流源电压Q1发出的电压V1到地的阶跃信号，此时振荡电路L、C之间有一个阻尼振荡信号其电压为V2(即振荡电压)，其最大幅度值等于电压V1；

2)通过第一电阻R1、第二电阻R2对电压V1进行分压，得到基准电压V3，其中，

3)将振荡电压V2与基准电压V3连到比较器Q2，比较器Q2比较两者的大小，当V2>V3时，比较器输出高电平，当V2

4)通过边沿计数器(上升沿加1或者下降沿加1)Q3，计算阶跃之后的比较器Q2输出的方波信号其上升沿或者下降沿个数N(即所述的振荡电路接收到所述的阶跃电压后，产生的阻尼振荡幅度大于预设基准电压的振荡周期个数N)；

5)通过上述式13，我们可以得出在确定基准电压与阶跃电压比值关系的情况下，Q值与N之间的关系，从而确定Q值的大小，下面通过下表1列举几个图1中的电路中的第一电阻R1的阻值与总电阻(即第一电阻R1与第二电阻R2的电阻和)在不同的比例关系下，Q与N的比例关系：

表1

对比表1中的参数以及上述提到的几个振荡电路的前后幅值变化的比例关系，我们可以很容易的发现，其实该振荡电路的前后幅值变化的比例关系其实就等于由该电路中第一电阻R1的阻值与第一电阻R1与第二电阻R2的阻值和(R1+R2)的比值，故在该实施例中仅需设置好参考电压与总电压的比值，其实就设置好前后幅值变化的比例关系了，而比值K的取值可由式13计算得出，也根据经验得到，然后设置于系统中(如可将表1中的对应关系设置于主控模块中，在测量时直接使用)，在在电路不变的情况下，比值K值是固定的，因此，测量电感品质因数Q时只需测量出所述的振荡电路接收到所述的阶跃电压后，产生的阻尼振荡幅度大于预设基准电压的振荡周期个数N后，将N乘以系统预设值K即可计算得出电感品质因数Q的值。

6)本实施例中的第一电阻R1与第二电阻R2的阻值与比例可根据实际电路情况进行调节(即实际情况下电路的设计并不局限于以下几种)；该实施例中的第一直流电源Q1输出的电压V1的大小也可以根据实际情况进行调节，在考虑电路性价比的情况下建议提供尽量采用小一点的电压(10V以下较为合适)，如果不考虑性价比则无需考虑这一点；在该实施例中的比较器可以替换为认可具有电压比较功能的模块；在该实施例中的边沿计数器Q3可替换为任何可以进行上升沿计数或下降沿计数的电路模块；在该实施例中的主控制器可以是MCU也可以换成其他控制单元；在上述步骤1)-5)中所述为利用从第一直流电源Q1输出的电压V1到地的向下的阶跃引起的振荡信号作为源，此处也可以通过闭合开关K使电压由地向电压V1阶跃，进而产生振荡信号，此时，我们需要的比较电平即是图4中下半部分波形。

采用本发明的电感品质因数测量方法及相应的电感品质因数测量电路，利用振荡电路中电路的衰减速度与电路中电感品质因数Q的值呈一定对应关系的特点，通过公式Q＝K×N得到所述的电感品质因数Q的值，其中，N为所述的振荡电路接收到所述的阶跃电压后，产生的阻尼振荡幅度大于预设基准电压的振荡周期个数，K为系统预设值，且0＜K≤1，所述的系统预设值K的具体取值与所述的预设基准电压和所述的阶跃电压的比值对应，从而实现无需复杂的计算过程及处理时序要求，通过简单的电路结构即可求出电感品质因数Q的值。本发明中的电感品质因数测量方法及相应的电感品质因数测量电路具备精度可调、测量方便及成本较低的特点。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。