低端 Arduino 用 74HCU04 振荡器把 LC 阻抗测量转为频率计数

声明： Turning Impedance into Frequency: An LC Experiment 是一个开源项目，作者为 nobcha（Hackaday 项目页）。本文是阅读该项目源码与文档后整理的学习笔记，用于理解「阻抗转频率」式 LC 测量的工程实现方式。本文作者不是该项目的开发者，未参与该项目的任何代码贡献。 文中工程细节均来自对开源代码的分析，不代表本文作者的设计决策。

性能很弱的 MCU 也能完成 L/C 测量。这个项目给出的做法是：根本不用 MCU 去做采样或信号生成。待测电感或电容被放进 LC 谐振槽，由 74HCU04 反相器构成 Franklin 振荡器，输出频率由 f = 1/(2π√(LC)) 决定。MCU 只负责数这个频率。阻抗到频率的映射全部发生在模拟物理层面，代码里没有任何 ADC 或相位解调。

谐振频率映射阻抗的物理机制

传统阻抗测量（例如 VNA）需要注入扫频信号、同步采样电压与电流、再解算复阻抗。这个项目的做法绕开了整条链路：把待测件接入谐振槽，让振荡器自发工作在由槽路参数决定的频率上。

关键点在分工：74HCU04 加 LC 槽是真正的模拟前端，承担阻抗到频率的全部转换；ATmega328P 不参与波形生成，也不做任何模拟采集。复杂度下沉到电路，MCU 退化为一个计数器。

MCU 闸门计数与共振方程

ATmega328P 通过 FreqCount 库，在 1 秒闸门内对 Pin 5 的上升沿计数，直接得到整数频率。固件做两件事：

• 校准：DPDT 开关把 1000 pF 参考电容切入槽路，测两次频率 F1（无 Cref）与 F2（有 Cref），由 C0 = Cref / (ratio² − 1) 和 L0 = 1 / ((2π·F1)² · C0) 解出槽路等效参数。
• 测量：把待测件接入槽路后测频率 f，由 L = 1 / ((2π·f)² · C0) − L0 反推未知量。

全文检索不到 analogRead、analogWrite、tone 或任何 ADC、同步采样调用。MCU 的全部负担是数脉冲加几行浮点除法。

复阻抗塌缩为标量频率的测量边界

振荡器只输出一个频率 f，它只反映槽路的净电抗。这一简化带来四个硬性边界：

• 一次只能解一个未知量（L 或 C），且必须已知槽路拓扑。
• 测不到电阻、ESR、Q 值、D 因子与相位，标量频率无法分离实部与虚部。
• 待测件必须物理接入谐振槽，属于侵入式测量，不能在板在线测量。
• 单频单点，无法刻画组件随频率变化的特性。

适用边界与设计取舍

优势是硬件极简、电路透明，下限可到约 0.1 μH 小电感，成本远低于 VNA。

取舍同样明确：作者以结构清晰为目标，不追求绝对精度；每次上电或温度显著变化需重新校准，量程被固定 1–2 MHz 的槽路锁死，且 f 对 L 的映射是非线性的。

选型建议：只关心单个 L/C 的数值、且希望用最廉价 MCU 完成时，这套方案合适。需要复阻抗矢量、Q 值或在板测量时，仍应使用 VNA。