簡易電阻、電容、電感測量儀

1、簡易電阻、電容和電感測試儀 簡易電阻、電容和電感測試儀簡易電阻、電容和電感測試儀一、任務(wù)一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一臺數(shù)字顯示的電阻、電容和電感參數(shù)測試儀，示意框圖如下二、要求二、要求1基本要求1）測量范圍：電阻1001M；電容100pF10000pF； 電感100H10mH。2）測量精度：5% 。3）制作4位數(shù)碼管顯示器，顯示測量數(shù)值，并用發(fā)光二極管分別指示所測元件的類型和單位。2發(fā)揮部分1）擴(kuò)大測量范圍。2）提高測量精度。3）測量量程自動轉(zhuǎn)換。電阻測試模塊電路電阻測試模塊電路 方案一:電阻分壓法將待測電阻Rx和基準(zhǔn)電阻R串聯(lián)在電路中。由于電阻分壓的作用，當(dāng)串聯(lián)到電路上的電阻Rx的值不同時其Rx上分

2、的壓降也不同。通過測量Vx便可求得Rx。)(XXXVVCCRVR優(yōu)點(diǎn)：原理簡單，理論上只要參考電阻精確，就可以測量任何阻值的電阻。缺點(diǎn)：測量精度極差。實(shí)際上由于AD的分辨率有限，當(dāng)待測電阻的很大或是很小時就很難測出Rx上的壓降Vx，從而使測量范圍縮小，要提高測量范圍和精度就需要對電阻分檔測試和提高AD的分辨率。這無疑會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。 方案二：RC充電原理 根據(jù)電路原理電容充電的時間常數(shù)=RC。通過選擇適當(dāng)?shù)膮⒖茧娙荩ㄟ^測量充電到一個固定電壓時所需的時間即可以測量出相應(yīng)的電阻阻值。 缺點(diǎn)： 當(dāng)電阻值Rx過小時，充電時間很短，普通的微處理器難以測量； 同時通過實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)當(dāng)電阻Rx太大

3、時充 電時間和電阻Rx的大小線性度變差，這將導(dǎo)致測量誤差增大。 這些因素導(dǎo)致電阻測量范圍較窄。這些因素導(dǎo)致電阻測量范圍較窄。 方案三：直流單臂電橋 在電工基礎(chǔ)課中已經(jīng)講到，根據(jù)電路平衡原理，不斷調(diào)節(jié)電位器，使得電表指針指向正中間，有以下關(guān)系式成立：123456ABCD654321DCBATitleN u m b e rR e v isio nS iz eBD a te :2 5 -M a r-2 0 0 3S h e e t o f F ile :C :y p b .d d bD ra w n B y :R x R 2 R 3 R 4 ES 圖 直 流 單 臂 電 橋 原 理 圖R 1 R 2

4、 R 3 R n R 4 R R x R 0 C n 1P n 1C n 2P n 2C 2P 2C 1P 1ES圖 直 流 雙 臂 電 橋 電 路 圖 R x E U REF +UIN +IN -C O M REF -圖 數(shù) 字 毫 歐 表 工 作 原 理 圖 R 2R 1 R x GLE G1 2+- I1 I2圖 兆 歐 表 原 理 圖 C A V圖 伏 特 安 培 法 測 電 容RX= R432RR優(yōu)點(diǎn)：萬用表操作簡單但精度不高，直流單臂電橋的測量精度較高；缺點(diǎn)：需要測量的電阻值多，而且測量調(diào)節(jié)麻煩，不易操作與數(shù)字化 。 方案四：RC和555定時器組成的多諧振蕩電路 通過測量輸出振蕩頻

5、率的大小即可求得電阻的大小，如果固定電阻值，該方案硬件電路實(shí)現(xiàn)簡單，通過選擇合適的電容值即可獲得適當(dāng)?shù)念l率范圍，同時輸出波形為TTL電平的方波信號所以不需要再對信號做電平變換。即可直接供數(shù)字電路處理。 555定時器構(gòu)成多諧振蕩器定時器構(gòu)成多諧振蕩器 根據(jù)555定時器構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生脈沖波形，通過單片機(jī)讀取高低電平得出頻率，通過公式換算得到電阻阻值。由 f=1/ (R1+2R2)*C*In2得到公式： R2=1/2*1/ (f*c*Ln2)-R1 上述四種方案從對測量精度要求而言，方案一的測量精度極差，方案二電阻測量范圍較窄，方案三需要測量的電阻值多，而且測量調(diào)節(jié)麻煩，不易操作與數(shù)字化，相比

6、較而言，方案四還是比較符合要求的，由于是通過單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)化，精確度會明顯的提高。故本設(shè)計(jì)選擇了方案四。電容測試模塊電容測試模塊 方案一：直接通過串聯(lián)路原理。 通過電容換算的容抗跟已知電阻分壓，通過測量電壓值，再經(jīng)過公式換算得到電容的值。原理同電阻測量的方案一。 方案二：同電阻測試方案二，利用RC充電原理。通過測量充電時間來測量電容大小。此方案下測量大電容較準(zhǔn)，但在電容容量較小時，電容在極短的時間內(nèi)就能充滿，即充電時間較短，所以很難測準(zhǔn)。 方案三：交流電橋平衡原理 )(2)(21221xjxjeZZeZZ 方案四：同樣利用RC和555定時器組成的多諧振蕩電路，通過測量輸出振蕩頻率的大小即可求得電

7、容的大小，如果固定電阻值，該方案硬件電路實(shí)現(xiàn)簡單，能測出較寬的電容范圍，完全滿足題目的要求。同時輸出波形為TTL電平的方波信號所以不需要再對信號做電平變換。即可直接輸入單片機(jī)處理。由由f=1/ (R5+2R7)*C*In2得到公式：得到公式： Cx=1/ c*Ln2 (R1+2*R7) 綜上所述，本設(shè)計(jì)采用方案四，用低廉的NE555構(gòu)建RC多諧振蕩電路。電感測試模塊電感測試模塊 方案一：采用平衡電橋法測量電感 將待測電感和已知標(biāo)準(zhǔn)電阻電容組成電橋，通過單片機(jī)控制調(diào)節(jié)電阻參數(shù)使電橋平衡，此時，電感的大小由電阻和電橋的本征頻率即可求得，該方案測量精準(zhǔn)，同時可以測量電容和電阻的大小，但其電路電路復(fù)雜

8、，實(shí)現(xiàn)起來較為困難。 方案二 諧振法測量 用阻抗法測電阻、電容、電感有兩種實(shí)現(xiàn)方法：用恒流源供電，然后測元件電用阻抗法測電壓；用恒壓源供電，然后測元件電流。由于很難實(shí)現(xiàn)理想的恒流源和恒壓源，所以它們適用的測量范圍很窄。 方案三：用555定時器和被測電感利用電感儲能以及充放原理構(gòu)成多諧振蕩器 通過測頻率值確定被測電感的值。該方案電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出波形為TTL電平的方波信號，簡單分頻后可獲得較為理想的測試頻率范圍，方便單片機(jī)精確測量。 方案四:采用LC配合三極管組成三點(diǎn)式震蕩振蕩電路 通過測輸出頻率大小的方法來實(shí)現(xiàn)對電感值測量。該方案成本最低，但其輸出波形為正弦波，需要將其波形整形后才能交給處理器

9、處理，成本稍微高了。 LCC*21C2*C1210f21C2*C1212CCfL根據(jù)電容三點(diǎn)式公式根據(jù)電容三點(diǎn)式公式 從而可得電感的計(jì)算公式從而可得電感的計(jì)算公式 綜上所述，采用方案三設(shè)計(jì)，由于誤差太大，所以最終采用方案四的電容三點(diǎn)式振蕩振蕩電路，把輸出的正弦波整形后再交給處理器來處理。頻率測量頻率測量模塊 方案一：直接測頻法 在確定的閘門時間內(nèi)，利用計(jì)數(shù)器記錄待測信號通過的周期數(shù)，從而計(jì)算出待測信號的頻率。此方案對低頻此方案對低頻信號的測量精度很低，較適合于高頻信號的測量。信號的測量精度很低，較適合于高頻信號的測量。 方案二：測周法 以待測信號為門限，記錄在此門限內(nèi)的高頻標(biāo)準(zhǔn)時鐘的數(shù)量，從而

10、計(jì)算出待測信號的頻率。但被測信號頻率過高時，由于測量時間不足存在測量精度不夠的問題。此方此方案適合于低頻信號的測量。案適合于低頻信號的測量。 方案三：等精度測量法 其精確門限由被測信號和預(yù)控門共同控制。測量精度與被測信號的頻率無關(guān)，只與基準(zhǔn)信號的頻率和穩(wěn)定度有關(guān)，因此可以保證在整個測量頻段內(nèi)測量精度不變。但此方案的實(shí)現(xiàn)需要FPGA等專門的芯片配合單片機(jī)才能實(shí)現(xiàn)精確的測量，系統(tǒng)較為復(fù)雜，成本較高。 綜上所述，本設(shè)計(jì)采用直接測頻法。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用直接測頻法。顯示模塊 方案一：采用點(diǎn)陣式液晶顯示器（LCD）顯示 方案二：采用發(fā)光二極管（LED）顯示 由于led只能顯示簡單的數(shù)字與簡單的特殊字符

11、，若需要顯示的測量量多，而且測量的量程范圍大時，明顯led無法方便明了的顯示，所以采用的是lcd1602液晶顯示，1602具有低功耗節(jié)能的作用，而且能夠更好的顯示出我們所需要的測量顯示。系統(tǒng)方案概述系統(tǒng)方案概述 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖 總體設(shè)計(jì)思路總體設(shè)計(jì)思路 本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)AT89S52智能處理. 根據(jù)單片機(jī)的外接按鍵控制測量電路的選擇 NE555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器和電容反饋式三點(diǎn)式構(gòu)成的振蕩電路產(chǎn)生的一定頻率的波 單片機(jī)的I/O口對高低電平的捕獲讀出頻率 程序算法處理換算成電阻、電容、電感的值 單片機(jī)送給1602液晶顯示 RLC簡易測量儀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是：如何完成簡易測量儀設(shè)

12、計(jì)的關(guān)鍵問題是：如何完成RLC的測量。的測量。 RLC簡易測量儀設(shè)計(jì)的核心問題是：如何產(chǎn)生轉(zhuǎn)簡易測量儀設(shè)計(jì)的核心問題是：如何產(chǎn)生轉(zhuǎn)化電路輸出頻率?；娐份敵鲱l率。單元電路設(shè)計(jì) 電阻測量電路電阻測量電路 電阻的測量采用“脈沖計(jì)數(shù)法”，如下圖所示由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計(jì)算振蕩輸出的頻率來計(jì)算被測電阻的大小。 555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為：T=t1+t2=（ln2）（R1+Rx）*C1+（ln2）Rx*C1 得出： 即：電路分為2檔: 100Rx1000歐姆：IOA5設(shè)置為高電平輸出，IOA7設(shè)為低電平輸出； R2=330歐姆；C2=0.22uF； Rx=(6.56*(1e

13、+6)/(2* fx)-330/2對應(yīng)的頻率范圍為： 2.8Kfx 16K 1000Rx1M歐姆：IOA6設(shè)置為高電平輸出，IOA8設(shè)為低電平輸出。 R1=20k歐姆；C1=1000PF； Rx =(1.443*(1e+8)/(2* fx)-(1e+4) 電容測量電路電容測量電路 電容的測量同樣采用“脈沖計(jì)數(shù)法”，如下圖所示由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計(jì)算振蕩輸出的頻率來計(jì)算被測電容的大小。 555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為：T=t1+t2=（ln2）（R1+R2）*Cx+（ln2）R2*Cx我們設(shè)置R1=R2; 得出： 即： 電路分為2檔: R1510K歐姆：IOA10設(shè)置為

14、高電平輸出； R4=R6； Cx= (0.94*(1e+6)/ fx; 對應(yīng)的頻率范圍為： 9.4Kfx 0.94K R1100K歐姆： IOA9設(shè)置為高電平輸出； R5=R6； Cx =(4.81*(1e+6)/ fx; 對應(yīng)的頻率范圍為： 480Hzfx 4.8KHz 電感測量電路電感測量電路 電感的測量是采用電容三點(diǎn)式振蕩電路來實(shí)現(xiàn)的。三點(diǎn)式電路是指：LC回路中與發(fā)射極相連的兩個電抗元件必須是同性質(zhì)的，另外一個電抗元件必須為異性質(zhì)的，而與發(fā)射極相連的兩個電抗元件同為電容時的三點(diǎn)式電路，成為電容三點(diǎn)式電路。 得出： 即： 按鍵電路按鍵電路 按鍵和二極管分別表示不同類別的測量，如下表 按鍵按

15、鍵二極管二極管對應(yīng)測試項(xiàng)對應(yīng)測試項(xiàng)KEY1L1測試低電阻KEY2L2測試高電阻KEY3L3測試CKEY4L3測試L按鍵電路按鍵電路 液晶顯示電路 軟件設(shè)計(jì) 程序流程框圖 總體實(shí)物圖附錄 CD4052基本原理基本原理 CD4052是一個差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，有A、B兩個二進(jìn)制控制輸入端和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.520V的數(shù)字信號可控制峰峰值至20V的模擬信號。例如，若V DD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，則05V的數(shù)字信號可控制-13.54.5V的模擬信號，這些開關(guān)電路在整個VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關(guān)，當(dāng)INH輸入端=“1”時，所有通道截止。二位二進(jìn)制輸入信號選通4對通道中的一通道，可連接該輸入至輸出CD4052CD4052引腳功能說明引腳功能說明引腳號引腳號符號符號功能功能1 2 4 51 2 4 5IN/OUTIN/OUTY Y 通道輸入通道輸入/ /輸出端輸出端11 12 14 1511 12 14 15IN/OUTIN/OUTX X 通道輸入通道輸入/ /輸出端輸出端9 109 10A BA B