范文一:电容电感测试仪的设计
2010年第 23卷第 11期
E l ec tron i c Sci 1&T ech 1/Nov 115, 2010
电子 #电路
电容电感测试仪的设计
王明娟 1
, 曾繁政 2
, 曲 艺
1
(1. 钦州学院 物电系 , 广西 钦州 535000;
2. 贺州学院 物电系 , 广西 贺州 542800)
摘 要 介绍了电容电感测 试仪的测量原理和电路设计方法 , 采用 S T C89C51单片机作为计算核心 , 以 LC 三点式 振荡电路作为测量电路 , 采用固 定的电感和电容组成 LC 振荡 电路 。 单片 机负责 控制频 率的测量 , 并利用 单片机设 计 频率计测量得到分频后 的频率 , 运用谐振频 率公式 , 间接得 到待 测的 电容值 或电 感值 。 该 方案 进行电 容和 电感的 测 试 , 具有电路原理简单 、 体积较小的优点 。
关键词 电容测量 ; 电感测 量 ; 单片 机 ; LC 振荡电路
中图分类号 T M 93412 文献标识码 A 文 章编号 1007-7820(2010) 11-035-03
D esign of a Capac itance and Induct ance M easur i n g Tester
W ang M i n gjuan 1
, Zeng Fanzheng 2
, Qu Y i
1
(1. D e part m ent of Physical E lectr on i cs , Q inzhou U niversity , Q i nzhou 535000, Chi na ; 2. D epart m ent of Physical Electronics , H ezhou U ni versity , H ezhou 542800, Ch i na)
Abstract This article descri bes the m easuri ng pri nci ple of the capacitance and i nductancem easure m e nt i nstr u -m e nt and the c i rc u it desi gnm ethod usi ng the STC89C51m i cr ocontroller as the co mput i ng core , LC oscillating circ u it -level as t he measuri ng circuit . F i xe d i nductors and capacitors are used to c o m pose the LC oscill ating circuit . T he M icr ocontroller controls the m easure ment o f frequency . The di v i ded frequency ism easured by a frequency tester de -signed w ith a si ng le chip . The resonant freque ncy for mula is used to co mpute the unkno wn capacitance or i nductance value i ndirectly . The sc he m e of capacitance a nd i nductance testi ng has t he adva ntages of sm i ple circuit a nd s mall si ze .
K ey words capacitance measure m ent ;
i nductance measure m e nt ; m i crocontroller ; LC oscill ator circ u it
收稿日期 :2010-05-10
作者简介 :王 明 娟 (1982-) , 女 , 硕 士 研究 生 , 讲 师 。 研 究 方向 :仪器仪表检测 , 嵌入式应用 。
文中针对电容和 电感的测量 , 简单介绍了关 于 LC 振荡电路测量电容和电感的设计原理。同时通过 实验证明该方案能进行高频电感和电容的测量。测量
的精度能达到应有要求。
1 测量原理
采用 LC 振荡器的振荡原理 , LC 振荡器选择 L 或 是 C 参数为固定值。通过 LC 的组合 , 振荡器起振 , 当测量电容时电感固定 , 测量电感时电容固定。通过 LC 振荡器的频率计算公式
[1]
f 0=
2P (1)
其中 , C =C 1C 2
C 1+C 2
, 可 以计算 出待 测的 电容 或电 感 数值。
2 电路工作原理
211 电路框图设计
如图 1所示。框图包 括输入切 换部分、振荡部 分、分频部分、单片机部分、显示部分和键盘部分。 此系统由 STC89C51单片机作为控制核心 , 输入切换 部分采用双刀双掷继电器完成待测电容或电感的线路 切换 , 振荡电路工作在放大谐振状态 , 频率有高频管 9018的集电极输出 , 由于频率较高 , 所以需经过信 号分频 , 再者由于输出的电压幅度大 , 此处无需再加 一级驱动 , 以 74LS393数字分频芯片 , 把分频端级联 实现 100分频 , 最终信号进入单片机 , 由单片机计算 出频率 , 经过算法设计 , 实现未知电容或电感参数的 测定。图 1给出了系统的总体框架图 [2]
。
212 输入切换电路
输入切换电路使用双刀双掷继电器实现 , 主要负
责电容和电感的输入切换 , 当连接上电容时系统通过 继电器 K 2, 如图 2所示。连接单片机 , K 2的 固定端 直接连接单片机的引脚 I O 3和 I O 4, 常开节点连接待
35
图 1 电路总体框图设 计
测电容或电感的引脚两端 , 并且初始设 置两个引脚 一个为逻辑高电平 5V, 一个为逻辑低电平 0V, 当 给 K 2通电 , 固定端和常闭 端连接 , 由于 I O 3和 I O 4分别为 5V 和 0V 。电容对直流是开路 , 所以 I O 3和 I O 4电平维持 原来的 状态。若为 电感 , 由于电 感对 直流相当于导线 , 那么 5V 的 I O 会被 0V 的 拉低。 两个 I O 都为 0V 。由此得出没有短路在一起 时 , 单 片机判断为电容 , 从而选择测量 电容的方法 , 此时 通过单片机对 I O 1脚的设置把 另一个双刀双 掷开关 K 1, 开关拨到上 , 上为与电容 C 2并联 , 如图 2所示。 而短路在一起时 , 单片机判断为电感 , 单片机选择测 量电感的方法 , 此时通过单片机对 I O 1脚的设置把另 一个双 刀 双 掷 开 关 K 1开 关 拨 到 下 , 即 与 电 感 L 并联 [3]
。
213 振荡电路原理
振荡电路采用 LC 振荡电路 , 振荡的频率由 L 和 C 确定。振荡管采用 9018, R b 1和 R b 2为基极偏置 , R c 为限流电阻 , 电容 C 1、 C 2和电感 L 构成正反馈选频 网络 , 反馈信号取自电容 C 2两端。该电路也称为 电 容 3点式振荡电路
[4]
。输入信号和反馈信号同相。在
测量过程中 , 当测量电感时 , 输入电路自动把待测电 感 L x 并联到 L 的两端。当测量电容时 , 输入电路自 动把要测量的电容 C x 并联到 C 1
的两端。
图 2 振荡电路
214 分频电路原理
分频电路采用 74LS393数字分频芯片 , 分频端级 联实现 100分频 , 高频管 9018的集电极输出振荡信 号 , 之后把振荡器输出的信号 100分频 , 频率将降到 单片机测量的范围之内。
215 单片机实现电容和电感的计算
当把待测的电容或电感接入时 , 系统自动进行判 断 , 根据判断结果确定算法。当判断到是电容时 , 系 统计入电容的计算方式 , 电容的计算方式采用公式
f =1/2P x 21(2)
根据测量得到频率和已知的 L 和 C 2, 从而计算 出 C x 的值。当判断为电感时 , 系统进入电感的计算 方式 , 电感的计算方式采用公式
f =1/2P
(1/(1/L+1/Lx ) (1/(1/C1+1/C2) )
(3)
根据测量到的频率和已知的 C 1、 C 2、 L 计算出 L x
的值
[3-4]
。
3 算法设计
系统上电初始化 并且清屏 , 单片机初 始化完成 后 ,
进入键 盘扫描程序 , 当要进行电容或 电感测量 时 , 选择测量按键 , 系统进行自动判断并进行电容或 电感的测量。当判断为电容时 , 系统选择电容的计算 方法。当判断为电感时 , 系统选择电感的计算方法。 计算完成后在液晶屏上显示测量结果。下面是具体的 程序流程图 , 如图 3所示。
图 3 程序流程图
4 实际测量数据及其分析
411 提高测量精度的方法
采用该系统进行电 容和电感的测 量 , 由 于元器 件的热稳定性和外界对电路的干扰 影响 , 测量的结 果会有所跳动 , 是因为三极 管的结电容随 着温度的
36
变化而变化 , 从而影响测量结果 , 这也 是电容三点 式振荡电路不稳定的关键 原因。基于以上原因 , 在 测量过程中可以采用多次测量求平均值 的方法提高 测量精度 [5]。
412实际测量
电路 的 固 定 参 数 如 下 :R b 1=10k 8, R b 2= 10k 8, R c =4k 8, R e =417k 8, C b =1L F, C e = 011L F , 选择不 同 的 电 容 分 别测 试 3次 , 得 到 表 1。选择不同的电 感分 别 测试 3次 , 得 到表 2。 由 表得出测 量 值与 标 称值 几 乎接 近 , 表 明 系统 设 计 方案的正 确 性 , 满 足一 般 的实 验 室和 工 程设 计 用 到的电子元器件参数 测试精度要求。
表 1电容测量
实际值 /L F 0101000110000147002120003130004170001010000
测量值 /L F 010150011200014600213000313000417600918000 0101400110000148002150003122004190001015000 010150011100014400212000313000415000918000
平均值 0101470111000146002133333127334172001010333误差 010047010100010100011333010267010200010333表 2电感测量
实际值 /mH01001001100021200010100003310000471000010010000
测量值 /mH 010010011100212500919000331800044180009610000 0100100109602130001010000341500048120009810000 0100120113002128009170003312000471400010410000
平均值 010011011120212767918667331833346180009913333误差 010001010120010767011333018333012000016667
5结束语
本系统采用 单片机和振荡器 起振的组合 , 计算 电容和电感值。系统拥有比较智能的测 量方法和简 易的操作方 法。单 片机进 行全 自动的 判断 和测 量 , 通过单片机的 I O 口判断来确认所要测量的对象。然 后进行频率的测量和测量结果的 计算 , 最终计算出 被测对象的真实值。该系统通过相应的 实验和实际 的测量 , 能准确地测量电容和电 感的数值 , 测量范 围为 01001~22L F 和 0101~100mH, 测量精度在 5%以内。 参考文献
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[2]刘军 , 李智 . 基于单片机的高精度电容电感测量仪 [J].国外电子测量技术 , 2007, 26(6):48-51.
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[4]牛百齐 . 基于单 片机的 电容测 量仪设 计 [J].仪器仪 表 用户 , 2005, 12(4):29-30.
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范文二:智能电阻_电容_电感测试仪设计
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科技资讯
科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
2009 NO.08
动力与电气工程
目前市面上测量电子元器件参数 R、C 和 L 的仪表种类较多,方法和优缺点也各有不 同。一般的测量方法都存在计算复杂、不易 实现自动测量而且很难实现智能化等缺点。 在本设计中我们着重介绍一种把电子元件的 参数 R、C 和 L 转换成频率信号 f,然后用单片 机计数后再运算求出 R、C 和 L 并用 LCD 显示 的方法。转换原理分别是 RC 振荡和 LC 三点 式振荡,这样就能够把模拟量近似转换为数字 量,而频率 f 是单片机很容易处理的数字量, 这种数字化的处理一方面使测量精度提高了, 另一方面也便于使仪表实现智能化。
1 系统硬件设计
1. 1电路方框图及说明
系统分三大部分,即测量电路、通道选 择和控制电路,系统电路方框图如图 1所示。 1. 2各部分测试电路
1. 2. 1电 阻 测 量 电 路
电 阻 的 测 量 采 用 “ 脉 冲 计 数 法 ” , 由 555电路构成的多谐振荡电路,555接成多 谐 振 荡 器 的 形 式 [1], 其 振
荡 周 期
为 :
得 出
, 即
。
1. 2. 2电 容 测 量 电 路
电容的测量同样采用“脉冲计数法” , 由 555电路构成的多谐振荡电路,通过计算
振荡输出的频率来计算被测电容的大小
[1]。 555接成多谐振荡器的形式,其振荡周期为
。
我们设置 R 1=R 2,得出
,
即
。
1. 2. 3电 感 测 量 电 路
电感的测量是采用电容三点式振荡电路 来实现的。LC 回路中与发射极相连的两个电
抗元件是同性质的,另外一个电抗元件为异性 质的,而与发射极相连的两个电抗元件同为电 容时的三点式电路,成为电容三点式电路 [2]。
得出
,即
。 2 系统软件设计
2. 1主程序流程图
本系统是通过定时器定时并在定时期 间对 RLC 电路所产生的脉冲进行统计,通 过内部程序计算出相应的值并在 LCD 上显
示。主程序流程图如图 2所示。 2. 2中断服务程序流程
我们这里采用 Timer 的 T0接口,T0定 时 3s 时间,3s 时间到则产生中断 [3],具体中 断服务程序如图 3所示。
3 系统测量误差分析
电阻、电容、电感测量数据对照如表
智能电阻、电容、电感测试仪设计 ①
黄川 于海涛 王宇浩 李跃鹏
(乐山师范学院物理与电子信息科学系 四川乐山 614900)
摘 要 :本设计是利用 51单片机测量电阻、电容和电感对应振荡电路所产生的频率, 从而实现各个参数的测量。一方面测量精度较高, 另一方面便于使仪表实现智能化。
关键词 :单片机 多谐振荡电路 电容三点式振荡
中图分类号 :TP2 文献标识码 :A 文章编号 :1672-3791(2009)03(b)-0119-01
①基金项目:乐山师范学院 2007年科研启动项目 项目编号:207057
图 1 系统电路方框图
图 2 主程序流程图
图 3 中断服务程序流程图
表 1 电阻误差对照表
表 2 电容误差对照表
表
3
电感误差对照表
1、表 2、表 3所示。
4 结语
51单片机是很常用的单片机,其功能满 足我们设计的需要,其 32路 I/O 口为我们硬 件设计提供了便利的条件,其常用性为我们 设计过程中查阅资料提供了很大的方便,加 之其价格便宜为我们的设计减少了元器件 上的开销。LCD 更直观的查看和切换模式, 使现代化的测试工具更加智能化。
参考文献
[1]阎石. 数字电子技术基础(第 5版)[M].
高 等 教 育 出 版 社,2006.
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[3]闫 玉 德 , 等 . M C S :51单 片 机 原 理 与 应
用 :C 语 言 版 [M ]. 机 械 工 业 出 版 社 , 2004.
范文三:电阻电容电感测试仪的设计
分 类 号:TP213
单位代码:10452
临沂大学理学院 毕业论文(设计) 电阻电容电感测试仪的设计 姓 名 王 金 全 学 号 200807840119 年 级 2008 专 业 电子信息科学与技术 系 (院) 理学院 指导教师 刘 怀 强 2012年03月15日
摘 要
本设计是一种基于单片机(89C51)的高精度电阻电感电容测量仪器的设计.本设计采用MAX038单片压控函数发生器产生高精度的正弦波信号流经待测的电容或者电感和标准电阻的串连电路,利用电压比例计算的方法推算出电容值或者电感值,利用51单片机控制测量和计算结果,采用1602液晶模块实时显示数值,可以手动调节量程,正弦信号发生器可以实现幅值和频率的调整,为了提高精度,我们把被测的交流电压先通过ICL7650来消除因为AD637输入电阻较低产生的误差.实验测试结果表明,本设计性能稳定,测量精度高.
关键词:电压比例法 89C51 AD637 1602液晶
ABSTRACT
The design is the design of a high-precision instrument for RLC measurement based on microcontroller(89C51).This design adopted MAX038 monolithic voltage-controlled function generator to produce high accuracy sine wave signal,which passed through the series circuit of the capacity or inductance and standard resistance,and then measured the respective voltage of the capacity or the inductance and the standard resistance.Using the voltage proportion method calculated the capacitance values or inductance values.The design used 51 microcontroller to control the measurement and calculation results,used 1602 LCD to show the result. The range can be adjusted manually, sine signal generator can adjust amplitude and frequency to improve accuracy, we measured the AC voltage through the ICL7650 to eliminate the error caused by the lower input resistance of AD637. Experimental results show that the performance of this design is stable and of high measurement accuracy.
Key words: Voltage proportion method; 89C51; AD637; 1602 LCD;
目 录
1 引言 .................................................................. 1
2 电压比例法测量原理 .................................................... 1
3 系统方案 .............................................................. 2
3.1系统总体方案设计与结构框图 .......................................... 2
3.2方案设计与论证 ...................................................... 3
4 硬件电路 .............................................................. 5
4.1稳压电源模块 ........................................................ 5
4.2正弦信号发生器 ...................................................... 5
4.3采样电路 ............................................................ 6
4.3液晶显示模块 ........................................................ 7
5 系统软件设计 .......................................................... 8
5.1控制测量程序模块 .................................................... 8
5.2 按键处理程序模块 .................................................... 9
5.3电阻电感电容计算程序 ................................................ 9
5.4液晶显示程序模块 ................................................... 10
6 系统测试与结果分析 ................................................... 10
6.1对正弦信号源的测试 ................................................. 10
6.2对电阻电容电感的测量 ............................................... 11
6.3误差分析 ........................................................... 12
7 总结 ................................................................. 13
参 考 文 献 ............................................................ 14
致 谢 ................................................................. 15
1 引言
现代电子产品正以前所未有的速度,向着多功能化、体积最小化、功耗最低化的方向发展,机电产品广泛应用于家电、通信、一般工业乃至航空航天和军事领域.无论是日常生活还是高端科技领域,电子技术的应用均日益深入.掌握必备的电子技术基础设计制作基础知识和基本技能,能够满足我国目前产业结构对广大技术工人、工程技术人员基本素质的要求,而且能为从事高端电子系统开发培养能力和素质,适应信息时代的需要.
目前市面上测量电子元器件参数R、C和L的仪表种类较多,方法和优缺点也各有不同.一般的测量方法都存在计算复杂,不易实现自动测量而且很难实现智能化等缺点.
电阻电容电感测量方法较多(谐振法,电桥法,电压比例法等)但因为对于测量仪器来说精度越高越好,所以本设计选择精度比较高的电压比较法做电阻电感电容测试仪,它的原理是将一定频率的交流信号经过串联分压电路转化为电压信号,然后经过电路处理变成频率信号经过单片机进行比例运算,最后将计算出的测量值输送给显示模块并显示各参量对应的量纲.
2电压比例法测量原理
电阻高精度测量较好的方法之一是采用与标准电阻相比较的方法.其主要原理:是在待测电阻Rx与标准电阻R1的串联电路中加一直流电压V,AD采样得到Rx上电压VX,则测量电阻为:
Rx=VxR (1) V-VX
设计中我们采用了与测量电阻一样的方法——电压比例法[1-2]来测量电感和电容;因为电感与电容是电抗元件,所以应采用交流信号来产生测量信号;在角频率为w的交流信号的作用下电容电感获得的容抗和感抗:
XC=1 (2) jwc
XL=jwL (3)
C、L为待测电容和电感.这样一来,标准元件的选择就有许多种方法.但为了提高测量精度和降低成本,该测量仪采用了标准电阻,且与电阻测量共用一套标准电阻.所以有电感:
L=ULX?R
...jw(U-ULX)
.UCXjwC=. (5) R+UjwC
电容: (4)
U
C=.CX
jwR.-1 (6)
测量Q值时,加入交流信号测量出电感Q值
Z1=RS+jw1L (7)
Z2=RS+jw2L (8)
两个方程联立,求得电感
L=-1
22222W1-W2 (9)
Rs=Z1-jw-1
22222W1-W2 (10)
jwLQ=RS (11)
Z1为电感在电路中角频率为w1的等效阻抗,Z2为电感在电路中角频率为w2的等效阻抗,L为电感量,RS为电感的等效电阻.
为保证测量精度,必须保证电阻的精度和w的高稳定值.为此,我们在该设计中采用MAX038单片压控函数发生器[3-4]产生高精度的正弦波信号,同时输出缓冲器采用了运算放大器,为保证波形精度采用了闭环深度负反馈方式,无失真的放大正弦信号.
3.系统方案
3.1系统总体方案设计与结构框图
本电路由电源模块、正弦信号发生器、标准电阻和电感或电容串联分压电路、多路开关、电压跟随器、高精度交流/有效值转换、A/D转换、单片机、液晶显示、键盘等模块组成.系统主要模块流程图如图1所示:
图1系统流程图
3.2方案设计与论证
3.2.1电阻电感电容测试采样模块
电阻电感电容测试采样模块的设计方案有很多,例如利用纯模拟电路来实现、电阻可用比例运算器法、电容可用恒流法和比较法、电感可用时间常数法和同步分离法等.
方案一 利用纯模拟电路
虽然避免了编程的麻烦,但是电路复杂,所用的元器件较多,制作较麻烦并且测量精度低,调试困难,现已很少使用.
方案二 可编程序控制器(PLC)
应用广泛,它能够非常方便的集成到工业控制系统中.可编程控制器速度快,体积小,可靠性和精度都比较好,在此系统中可以使用PLC对硬件进行控制,但是PLC的价格相当昂贵,因而成本过高,应用于要求比较高的场合.
方案三 利用震荡电路与单片机结合
利用555多谐振荡电路将电阻、电容转化为频率,而电感则是根据电容三点式电路也转化为频率,这样就把模拟量近似转化为数字量了,而频率是单片机很容易处理的数字量,该方案测量精度较高,易于实现仪表的自动化,而且单片机构成的系统可靠性高,硬件的描述完全可用软件来实现,成本低.但由于必须采用大量地倍频、分频、混频和滤波环节,导致结构复杂、体积大、成本高并且难以达到较高的频谱纯度而使测量误差加大,外围电路非常复杂.且不符合需要一个独立信号发生器的要求.
方案四 电压比例法
采用与标准电阻相比较的的方法,其原理是在待测原件与标准原件的串联电路中加以电流I,这样被测元件与标准元件上得到的电压分别为Vx与Vi;通过计算得出被测值,此方法精度高,需要一个具有输出频率稳定的信号源来提供激励.本设计采用此方案.
3.2.2正弦信号发生器模块
正弦信号源发生器模块是决定系统误差的重要部分,要求有稳定的频率,另外为了测试系统的可靠性还要求正弦信号发生器的频率和电压具有可调性,
本系统要求频率范
围1HZ~1MHZ,电压大于5V.
方案一 555信号发生器
采用555信号发生器制作的发生器,其外围电路较复杂.
这种方法能实现快速频率变换,具有低噪声以及所有方法中最高的工作频率.但由于必须采用大量地倍频、分频、混频和滤波环节,导致结构复杂、体积大、成本高并且难以达到较高的频谱纯度而使测量误差加大.
方案二 单片机信号发生器[5]
使用单片机编程实现正弦波的产生简单易行.可以在外围电路不变的情况下通过程序来改变输出电压的幅值和频率.由于输出的是数字信号,可以做得很高,产生的信号精度及其性价比比较高,集成度也高并且需求电压低,功耗低.
方案三 DDS信号发生器[6]
利用直接合成DDS芯片的函数发生器,能产生任意波形并能达到很高的频率并且频率的稳定性比较好.但成本较高,主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益与灵敏度等.按不同的性能与用途分为低频信号发生器、高频信号发生器、频率合成式信号发生器等.
方案四 MAX038信号发生器
MAX038是MAXIM公司生产的一个只需要很少外部元件的精密高频波形产生器,他能产生准确的高频正弦波、三角波、方波。输出频率和占空比可以通过调整电流、电压或电阻来分别地控制.MAX038引脚排列如图2所示.
图2 MAX038引脚排列
所需的输出波形可由地址A0和A1的输入数据进行设置,如表1所示。波形切换可通过程序控制在任意时刻进行,而不必考虑输出信号当时的相位.其中X表示任意状态,1为高电平,0为低电平.
表1 输出波形控制
采用MAX038单片压控函数信号发生器产生正弦波,改变外接电阻或电容值就可改变输出频率的值,其频率范围从0.1Hz到20MHz,最高可达40MHz,输出频率稳定.各种波形的输出幅度均为2V,幅值经过一个放大器就可以调节.占空比的调节范围宽,占空比和频率均可进行单独调节,互不影响.占空比最大调节范围10%~90%.波形失真小.正弦波失真度小于0.75%.因为不用编程可以节省较多的时间.本设计采用此方案.
3.2.3显示模块
方案一 采用LED数码管显示.数码管显示具有亮度高、夜视效果好等优点,但显示信息量小,且自身功耗较大.
方案二 LCD液晶显示器[7]可轻松实现字母、汉字的显示,控制简单,能耗小,可以中文输出便于人际交流显示内容丰富.所以本设计采用此方案.
4 硬件电路
4.1稳压电源模块
图3 稳压电源
4.2正弦信号发生器
该电路的核心器件为MAX038,具有输出频率范围宽、波形稳定、失真小、使用方便等特点
.
图4正弦信号发生器
4.3采样电路
ICL7650是斩波稳零式高精度运算放大器[8],它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点.
ICL7650采用14脚双列直插式和8脚金属壳两种封装形式,图1所示是最常用的14脚双列直插式封装的引脚排列图.
图5 ICL7650引脚排列图
ICL7650的工作原理如图6所示
图6 ICL7650的工作原理
如图7所示,高精度的正弦波信号流过串联的标准电阻和待测元件,待测元件一端接地.仪器通过继电器转换分别从标准电阻的两端测量电压.由于AD637的输入电阻较低,为了降低其分压产生的误差,被测的交流电压先通过精密运算放大器ICL7650构成的电压跟随器,然后才通过高精度交流/有效值转换芯片AD637[9]转换成有效值,进过ADC转换成数字信号,在单片机中完成比例运算,得到电容电感数值.测量不同数值电感电容时,可以选择相应的标准电阻和改变MAX038输出信号的频率来分压,这通过单片机控制继电器切换电路和编程来实现.
图7采样电路
4.3液晶显示模块
本设计采用常用的2行16个字的1602液晶显示器来显示电阻电感电容值.图8是1602液晶模块与51单片机的连接图
.
图8 1602液晶模块与51单片机的连接图
单片机的P1口与1602液晶模块的数据口连接传输数据,P2口分别控制RS、RW和使能端E.RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器,低电平时选择指令寄存器.RW为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作.当RW和RS同时为低时,可以写入指令或显示地址;当RS为低,RW为高时,可以读忙信号;当RS为高RW为低时,可以写入数据.E端为使能端,当E端有高电平跳变到低电平时,液晶模块执行命令.D0-D7为8位双向数据线.V0为液晶显示器对比度调节端,接正电源时对比度弱,接地是对比度高,使用时要通过一个10KΩ的电位器调整对比度.
5系统软件设计 5.1控制测量程序模块
单片机控制测量程序不仅担负着量程的识别与转换,而且还负责数据的修正和传输;因此主控制器的工作状态直接决定着整个测量系统能否正常工作,所以控制测量程序对整个测量来说至关重要.控制测量流程图如图9所示.
图9 控制测量程序流程图
5.2 按键处理程序模块
按键处理程序的主要功能是设置测量的类型和测量的档位,当有按键被按下时就执行相应的按键功能,流程如图10所示.
图10 按键处理程序流程图
5.3电阻电感电容计算程序
单片机根据A/D 转换得到的电压值计算出电阻、电感或者电容值,该程序流程图如图11所示.
图11电阻电感电容计算程序流程图
5.4液晶显示程序模块
该程序模块只有一个功能,就是对测量结果清晰正确的显示出来,并能够保持稳定.程序流程图如图
12所示.
图12液晶显示程序模块流程图
6 系统测试与结果分析
测试仪器:双踪示波器和数字万用表.
6.1对正弦信号源的测试
我们使用示波器对信号源进行测试,发现波形和频率显示平稳,并得到了一些数据.由测量数据经我们分析计算得出此信号发生器输出电压幅值大于等于5∨,并且大小可以调节.自制信号源的测试结果如表2所示.
表2 自制信号源测试结果
6.2对电阻电容电感的测量
我们对于各种性质的元件(电阻电容电感)分别找了足够量的元件;用高精度数字万用表测量出其阻值(容值或感值)取多个相同电阻的平均值作为参考量;然后用我们自制的仪表进行测量,测量多个阻值不同的电阻,算出其误差,最后求平均误差.电容和电感
的测量同理.
表3 电阻测试结果
表4 电容测试结果
表5 电感测试结果
6.3误差分析
本测量仪的测量范围较宽,并且达到了很好的精度,
信号源测试结果分析:由于示波器精度所限,频率低于10Hz示波器无法识别信号.经计算自制信号源最大相对误差为0.4%,我们的信号源范围更宽.
电阻测试结果分析:测量电阻阻值误差较小,最大误差为2%,用16位AD采样直流分压信号极为精确.
电容测试结果分析:电容测试最大误差为3%. 电感测试结果分析:电感测试最大误差小于4%.
在实际测量中,由于测试环境,测试仪器,测试方法等都对测试值有一定的影响,都会导致测量结果或多或少地偏离被测量的真值,为了减小本设计中误差的大小,主要利用修正[15]的方法来减小本测试仪的测量误差.所谓修正的方法就是在测量前或测量过程中,求取某类系统误差的修正值.在测量的数据处理过程中选取合适的修正值很关键,修正值的获得有三种途径.第一种途径是从相关资料中查取;第二种途径是通过理论推导求取;第三种途径是通过实验求取.本测试修正值选取主要通过实验求取,对影响测量读
数的各种影响因素,如温度,电源电压等变化引起的系统误差.通过对相同被测参数的多次测量结果和不同被测参数的多次测量选取平均值,最后确定被测参数公式的常数K值,从而达到减小本设计系统误差的目的.由于振荡电路外围器件由电容电阻分立元件搭接而成,所以由振荡电路产生的被测参数对应的频率有一定的误差,所以只能通过多次实验测量,选取合适的修正值来尽可能的减少本测试系统的误差.
7 总结
毕业论文是一次非常好的将理论与实际相结合的机会,通过对电阻、电容、电感测试仪的课题设计,锻炼了我的实际动手能力,增强了我解决实际工程问题的能力,同时也提高我查阅文献资料、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平.
本设计的硬件电路图简单,成本低;采用单片机可以提高系统的可靠性和稳定性,缩小系统体积,调试与维护方便,而且以51单片机最小系统为核心的控制系统能满足整个系统的要求,经过测试系统工作正常,完成了设计任务的全部要求.
当然本系统还存在着许多需要改进的地方,比如还可以继续提高测量的精度和加大测量的范围.因为是采用单片机实现的,利用其可以编程的特性,使测量的值结合一些数据处理方式使测量更加接近真实值.
本系统也还有许多可以扩展的功能,可以增加语音功能,每次测量值稳定的时候就通过语音报告出来;也可以增加在线测量的功能,这样就更能够测量出元件工作时的正常值,而不仅仅是静态时的值.
参 考 文 献
[1] 高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程-电子仪器仪表设计.电子工业出版
社,2007.
[2] 康华光.电子技术基础模拟部分(第四版).高等教育出版社,1999. [3] 高艳.采用MAX038的信号发生器的设计,芜湖职业技术学院学报,2010.
[4] MAXIM.MAX038High—FrequencyWaveformGeneratorRev5,2004. [5] 张毅刚.MCS-51单片机应用系统.哈尔滨工业大学出版社,1997.
[6] AnalogDevices.Inc.DataSheet.CMOS,125MHzcompleteDDSsynthesizer AD9850.1999. [7] 李桂安.电子技术实验及课程设计.东南大学出版社,2008.
[8] 吴祖国. ICL7650斩波稳零运算放大器的原理及应用,国外电子元器件,2004. [9] 夏继强.单片机实验与实践教程.北京航空航天大学出版社,2001.
[10] J.C.Whitaker.Thermal Design of Electronic Equipment,CRC Press LLC.Lond on2001. [11] 陈立万.数学式电容测量仪.重庆三峡学院学报.
[12] 刘守义.单片机应用技术[M],西安:西安电子科技大学出版社,2003. [13] 邱关源.电路[M],高等教育出版社,2003.
[14] 谢自美.电子电路设计[M],武汉:华中理工大学出版社,2000. [15] 陈尚松,雷加.电子测量与仪器[M].北京:电子工业出版社,2005.
[16] 张迎新.单片机初级教程-单片机基础(第二版).北京航空航天大学出版社. [17] 申忠如,申淼,谭亚丽.MCS-51单片机原理及系统设计.西安交通大学出版社,2008. [18] 肖洪兵.跟我学用单片机.北京航空航天大学出版社,2002.
致 谢
本文是作者在临沂大学大学理学院做毕业设计期间学习的总结,是在导师刘怀强老师指导下完成的.
在这几个月毕业设计的学习和工作中,导师的精心指导和培养使我在各个方面都受益非浅.在分析问题、解决问题及独立工作的能力有了很大的提高.此前在做本设计时,李岩老师提出了很多有益的建议并给予我很大帮助.在此谨向李岩老师表示衷心的感谢.
在理学院这个学习氛围活跃、团结友爱的集体里,大家互相帮助,彼此讨论问题,共同提高.在此也要感谢我的各位同学,有了大家的支持和帮助使得论文研究工作得以顺利的进行.
最后,再次向刘怀强老师以及帮助过我的同学们表示最真诚的谢意!
2012年3月15日
范文四:智能化电感测试仪的设计
1.1 设计要求 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1.1.1 设计任务 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1.1.2 技术要求 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1.2 方案比较 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1.3 方案论证 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2
1.3.1 总体思路 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2
1.3.2 设计方案 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2
2.1 TS556芯片简介 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 3
2.2 CD4066芯片的简介 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 5
2.3测R的RC振荡电路 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 5 X
2.4 测C的RC振荡电路 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8 X
2.5 测L的电容三点式振荡电路 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9 X
2. 6 多路选择开关电路 ???????????????????????? 10
2.7 按键及数码管显示电路??????????????????????? 11
4.1 测试仪器 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 12
4.2 指标测试及误差分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 12
4.2.1 电阻的测量 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 12
4.2.2 电容的测量 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 13
4.2.3 电感的测量 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 13
附录1 元器件清单 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 14
附录2 程序清单 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 15 附录3 总体电路图 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 17
附录4 印制板图 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 18 附录5 系统使用说明 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 19
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设计任务
设计并制作一台数字显示的电阻、电容和电感参数测试仪,示意框图如下:
技术要求
基本要求
(1)测量范围
电阻 100Ω~1MΩ
电容 100 pF~10000 pF
电感 100 μH~10 mH
(2)测量精度+5%
(3)制作6位数码管显示器,显示测量数值,并用发光二极管分别指示所测元件的类
别和单位
发挥部分
(1)扩大测量范围
(2)提高测量精度
(3)测量量程自动转换
目前,测量电子元件集中参数R、L、C的仪表种类较多,方法也各不相同,这些方法
都有其优缺点。
电阻R的测试方法最多。最基本的就是根据R的定义式来测量。在如图1.2.1中,分别
用电流表和电压表测出通过电阻的电流和通过电阻的电压,根据公式
RUI,/求得电阻。
这种方法要测出两个模拟量,不易实现自动化。而指针式万用表欧姆档是把被测电阻与电流
一一对应,由此就可以读出被测电阻的阻值,如图1.2.2所示。这种测量方法的精度变化大,若需要较高的精度,必须要较多的量程,电路复杂。
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能同时测量电器元件R、L、C的最典型的方法是电桥法(如图1.2.3 )。电阻R可用直流电桥测量,电感L、电容C可用交流电桥测量。电桥的平衡条件为
jj,,,,()(),,,,12nxZZeZZe,,,,, 12nx
通过调节阻抗、Z使电桥平衡,这时电表读数为零。根据平衡条件以及一些已知的Z21
电路参数就可以求出被测参数。用这种测量方法,参数的值还可以通过联立方程求解,调节
电阻值一般只能手动,电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。这样,电桥法不易实现自动测
量。
Q表是用谐振法来测量L、C值(如图1.2.4)。它可以在工作频率上进行测量,使测量
的条件更接近使用情况。但是,这种测量方法要求频率连续可调,直至谐振。因此它对振荡
器的要求较高,另外,和电桥法一样,调节和平衡判别很难实现智能化。
图 1.2.4
用阻抗法测R、L、C有两种实现方法:用恒流源供电,然后测元件电压;用恒压源供
电,然后测元件电流。由于很难实现理想的恒流源和恒压源,所以它们适用的测量范围很窄。
很多仪表都是把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。基于此思
想,我们把电子元件的集中参数R、L、C转换成频率信号f,然后用单片机计数后在运算求出R、L、C的值,并送显示,转换的原理分别是RC振荡和LC三点式振荡。其实,这种转换就是把模拟量进拟地转化为数字量,频率f是单片机很容易处理的数字量,这种数字化
处理一方面便于使仪表实现智能化,另一方面也避免了由指针读数引起的误差。
总体思路
本设计中把R、L、C转换成频率信号f,转换的原理分别是RC振荡电路和LC电容三点式振荡电路,单片机根据所选通道,向模拟开关送两路地址信号,取得振荡频率,作为单
片机的时钟源,通过计数则可以计算出被测频率,再通过该频率计算出各个参数。然后根据
所测频率判断是否转换量程,或者是把数据处理后,把R、L、C的值送数码管显示相应的参数值,利用编程实现量程自动转换。
设计方案
该设计方案的总体方框图如图1.3.1所示。
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自动量程转换
RC振荡被 二极 器(555) 测 管 电 多路选指示 阻 单片机 择开关 RC振荡 被add4051 器(555) 测 r 自动量程转换 数 电 字 容 显电容三分被 示 点式振频测 按键选荡器 电电 择 路 感 显自动量程转换 示
图1.3.1 设计的总体方框图
方案选择中,利用555时基电路构成多谐振荡器来测量电阻R、电容C,为了测量两个物理量需要两块555时基电路,为节省一部分硬件空间,以一片556时基电路来代替。
芯片的顶视图及各引脚的功能
556双时基集成是COMS型的,内含两个相同的555时基电路,它的顶视图如下图2.1.1所示,双列直插14脚封装。
图2.1.1 555时基电路顶视图
顶视图各引脚的功能分别为:1、13脚:放电;2、12脚:阈值;3、11脚:控制;4、10脚:复位;5、9脚:输出;6、8脚:置位触发;7脚:GND;14脚:+电源Vcc。
芯片的等效功能方框图及工作原理
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芯片的等效功能方框图如下图2.1.2所示,由于556双时基集成块内含两个相同的555时基电路,它的等效功能方框图与一个555时基电路的等效功能方框图相同,在下面的分析
1中,可就个556芯片单独分析。 2
图2.1.2 555时基电路等效功能方框图
1TS556的等效功能框图中包含两个COMS电压比较器A和B,一个RS触发器,一2
个反相器,一个P沟道MOS场效应管构成的放电开关SW,三个阻值相等的分压电阻网络,
2以及输出缓冲级。三个电阻组成的分压网络为上比较器A和下比较器B分别提供Vcc和312Vcc的偏置电压。当上比较器A的同相输入端R高于反相输入端电位Vcc时,A输出33
2为高电平,RS触发器翻转,输出端V为逻辑“0”电平。即当V>Vcc时,V为 “0”oTHo3
1电平,处于复位状态;而当置位触发端S的电位,即V?Vcc时,下比较器B的输出为S3
1“1”,RS触发器置位,输出端V为“1”电平。即当V?Vcc时,V为 “1”电平,处oSo3
1于置位状态。可见,该TS556的等效功能框图相当一个置位—复位触发器。在RS触发器2
内,还设置了一个强制复位端S,即不管阈值端R和置位触发端处于何种电平,只要MR
使=“0”,则RS触发器的输出必为“1”,从而使输出V为“0”电平。从芯片的等效MRo
功能方框图得出各功能端的真值表,如表2.1.1所示。
表2.1.1 556芯片各功能端的真值表
(复位触发) V(输出) R(强制复位) MRS(置位触发) o
0 × × 0
1 0 × 1
1 1 1 0
1 1 0 保持原电平
1注:“0”? 电平?Vcc 3
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2“1”? 电平 >Vcc 3
“×”?表示任意电平
CD4066芯片的简介
在电路中采用CD4066四路模拟开关来实现不同量程的相互转换。
CD4066芯片(全称:四路模拟开关集成电路)内部含有A、B、C、D四路模拟开关,A路模拟开关由引脚13控制、B路模拟开关由引脚5控制、C路模拟开关由引脚6控制、D路模拟开关由引脚12控制。所有的控制引脚由软件编程控制,当控制线由软件置“1”时,该模拟开关闭合,当控制线由软件置“0”时,该模拟开关断开,且四路模拟开关可独立使
用。CD4066的内部结构图如图2.2.1所示:
图2.2.1 CD4066的内部结构图
RX
2.3.1 用556时基电路构成多谐振荡器
在电路中采用RC振荡电路来测量电阻R、电容C的值,用556时基电路构成RC振荡
1器。如图2.3.1(a)所示,将556与三个阻、容元件如图连接,便构成无稳态多谐振荡模2
式。
图2.3.1(a) 电路图
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图2.3.1(b) 波形图
1V当加上电压时,由于上端电压不能突变,故556处于置位状态,输出端(5/9)CCC2呈高电平“1”,而内部的放电COMS管截止,通过R和R对其充电,6/8脚电位随上CCAB端电压的升高呈指数上升,波形如图2.3.1(b)所示。
2当上的电压随时间增加,达到Vcc阈值电平(2/12脚)时,上比较器A翻转,使C3
RS触发器置位,经缓冲级倒相,输出V呈低电平“0”。此时,放电管饱和导通,上的电CO
1荷经R至放电管放电。当放电使其电压降至Vcc触发电平(6/8脚)时,下比较器BCB3翻转,使RS触发器复位,经缓冲级倒相,输出V呈高电平“1”。以上过程重复出现,形O成无稳态多谐振荡。
由上面对多谐振荡过程的分析不难看出,输出脉冲的持续时间t就是上的电压从C1
12Vcc充电到Vcc所需的时间,故C两端电压的变化规律为 33
1,,,,tRRCtRRC/()/()ABABUtVeVe,,,()(1) CCCCC3设,,,()RRC,则上式简化为 1AB
2,t/,1UtVe()(1),, CCC3从上式中求得
1t,,,,,ln0.6932 1112
一般简写为
tRRC,,0.6932() 1AB
21电路间歇期tC就是两端电压从Vcc充电到Vcc所需的时间,即 233
2,tRC/BUtVe(), CCC3
从上式中求得t,,RC,并设,则 22B
1t,,,,,ln0.693 2222
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湖南工学院 一般简写为
tRC,0.6932B那么电路的振荡周期为 T
TttRRC,,,,,,0.693()0.693(2),,1212AB振荡频率,即 fT,1/
fRRCHz,,1.443/(2)() AB输出振荡波形的占空比为
DtTRRRR,,,,/()/(2) 1ABAB从上面的公式推导,可以得出(1)振荡周期与电源电压无关,而取决于充电和放电的总时
间常数,即仅、R、R的值有关。(2)振荡波的占空比与的大小无关,而仅与R、CCABA
R的大小比值有关。 B
测量电阻的电路模块
1图2.3.2是一个由556时基电路构成的多谐振荡电路,由该电路可以测出量程在100Ω~ 2
1MΩ的电阻。该电路的振荡周期为
TttInRRCInRCInRRC,,,,,,,(2)()(2)(2)(2) 12xxx
其中tt为输出高电平的时间,为输出低电平的时间。则: 21
12RR,, x(2)InCf为了使振荡频率保持在这一段单片机计数的高精度范围内,需选择合适的C10100kHz
和R的值。第一个量程选择,第二个量程选择RCuF,,,200,0.22
R,,100RkCpF,,,20,1000。这样,第一个量程中,时 X
1f, (2)(2)InCRR,X
1.443,,60.2210(200200),,,
,16.4kHZ
第二个量程中,RM,,1时 X
1f, (2)(2)InCRR,X
1.443,,936110(2010210),,,,,
,714kHZ
-3因为RC振荡的稳定度可达10,单片机测频率最多误差一个脉冲,所以用单片机测频
率引起的误差在百分之一以下。
在电路中之所以选用可调电位器是因为CD4066的内阻并不清楚,在进行测量之前需要进行校准。把标准电阻插在JP2插接口上,调节电位器,使数码管显示标称阻值。在以后的
测量过程中,便可直接测量电阻。利用P1.0(TR1)、P1.1(TR2)口通过软件编程的方法来
控制CD4066的改变,实现量程的转换
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图2.3.2 测量电阻的电路
CX
测量电容的振荡电路与测量电阻的振荡电路完全一样。其电路图如图2.4.1所示。
1若RR=或者 R= R,则 f,242825293(ln2)RCX两个量程的取值分别为
第一量程:RR,=510 K,2428
第一量程:RR,=10 K,2529
其分析过程如测量电阻的方法一样,这里就不在赘述了。
图2.4.1 测量电容的电路
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测的电容三点式振荡电路 LX
电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的,如图2.5.1所示。三点式电路是指:LC回路中与发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的,另外一个电抗元件必须为异性质
的,而与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式电路,成为电容三点式电路。 在
这个电容三点式振荡电路中,C C分别采用1000pF、2200pF的独石电容,其电容值远大于45
晶体管极间电容,可以把极间电容忽略。
振荡公式:
1CC45,其中 ,fC,CC,,2LC45则电感的感抗为
1 L,224fC,
在测量电感的时候,发现电感起振频率非常的高,大致到达3MHz左右,而单片机的最大计数频率大约为500KHz,在频率方面达不到测量电感频率,于是我们把测电感的电容
三点式电路得出的频率经过由两片74LS160组成八位计数器作为分频电路对该频率进行分
8频,有3000000211719,,满足单片机计数要求。
图2.5.1 测量电感的电路 2.6
利用CD4052实现测量类别的转换,CD4052是双4选一的模拟开关选择器件。当选择了某一通道的频率后,输出频率通过通过IOB4作为CPU定时器的时钟源并开始计数,当计数到3秒后读出计数器的值,除以3就得到了被测R/C/L所对应产生的频率,通过计算得到要被测值。
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测量类别 IOA4 IOA3
0 0 Y0-R 0 1 Y1-C 1 0 Y2-L 1 1 *
2.7
按键和二极管分别表示不同类别的测量,如下表所示: 按键 二极管 对应测试项
测试R KEY1 L1
测试C KEY2 L2
测试L KEY3 L3
数码管显示显示内容如下图所示:
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在开始工作的时候,初始化系统,LED显示0000。
本系统软件设计的主流程图如图3.1所示。对系统初始化之后,判断是否有按键按下。
以测电阻为例,测量的电阻经RC振荡电路转换为频率f,根据测电阻的换算公式,利用单片机软件编程,测量出其阻值并送显示。如果量程不够大,按下量程转换键转换为大量程,
进行测量。
图3.1 软件设计的主流程图
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4.1测试仪器
测试仪器如下表4.1.1。
表4.1.1
序号 名称、型号、规格 数量 备注 1 DT—9205A数字万用表(3位半) 1
4.2指标测试及误差分析
4.2.1 电阻的测量
电阻的一组测量数据如下表4.2.1所示:
表4.2.1
电阻标值 万用表读数 本仪表读数 相对误差?
330Ω 325Ω 317Ω 2.46
2.4 KΩ 2.36 KΩ 2.32 KΩ 1.69
47 KΩ 47.3 KΩ 46.8 KΩ 1.05
100KΩ 97.9 KΩ 96 KΩ 1.94
220 KΩ 217 KΩ 213 KΩ 1.84
1MΩ 0.993 MΩ 0.965 MΩ 2.81 误差分析:
RR,万仪相对误差计算公式 ,100% R万
从上面的一组数据上来看,在测量低于1 KΩ阻值和接近1MΩ阻值的电阻时,相对误差会大一些。造成这个现象的主要原因是在设计中采用的CD4066(四路模拟开关)的内阻
较大,经测量其内阻达到了180Ω左右,这样在测量电阻值小的电阻时,它的内阻就不能忽
略,造成测量误差的增大。
4.2.2 电容的测量
电容的一组测量数据如下表4.2.2所示:
表4.2.2
电容标值 万用表读数 本仪表读数 相对误差%
33nF 28.3nf 28.8nF 1.76
100nf 101.4nf 99.0nf 2.36
680nF 621nF 585nf 5.79
30Pf 31pF 29pF 6.45 误差分析:
RR,万仪相对误差计算公式 ,100% R万
从上面的数据可以看出,电容的标称值与用万用表测出的容值有较大的误差,其可
能性原因:一是万用表本身存在着一定误差,二是元件本身也存在一定误差。受所用仪
器,元期间的限制,测量精度并没有做的很高。
注意:由于建立RC稳定振荡的时间较长,在测量电阻和电容时,应在显示稳定后再读
出数值。
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4.2.3 电感的测量
电感的一组测量数据如下表4.2.3所示:
表4.2.3
电感标值 本仪表读数
22mH 25mH
1mH 0.9mH
本设计完成题目所给的设计任务,制作了一台数字显示的电阻器、电容器和电感器参数
测试仪,满足题目的基本要求和一部分发挥要求。运用单片机作为中央控制器和计算核心,
使仪表有性能可靠、体积小、电路简单的特点。但是这种把元件参数转换成频率后测量的方
法也有不足之处,主要是必须保证电路起振,并且振荡要稳定,否则会增加误差。总体来说,
本次设计是成功的。
[1] 何小艇编著,电子系统设计[M],杭州:浙江大学出版社,2000.10;
[2] 谢自美主编,电子电路设计[M],武汉:华中理工大学出版社,2000;
[3] 徐爱钧编著,智能化测量控制仪表原理与设计[M],北京:北京航空航
天大学出版社,2004.9;
[4] 何立民编著,MCS-51 系列单片机应用系统设计 系统配置与接口技术
[M],北京:北京航空航天大学出版社,1990.1;
[5] 刘守义主编,单片机应用技术[M],西安:西安电子科技大学出版社,
2003.1
[6] 马忠梅,单片机的C语言Windows环境编程宝典[M], 北京:北京航空
航天大学出版社,2003.6;
[7] 李光飞,单片机C程序设计指导[M],北京:北京航空航天大学出版社,
2003.01 ;
[8] 赵茂泰主编,智能仪器原理及应用[M],北京:电子工业出版社,2004.7;
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序号 元件 数量 序号 元件 数量
1 74HC373 1 14 电位器502 2
2 AT89S52 1 15 电位器503 3
3 74AHC138 1 16 电容103 1
4 CD4066BCJ 3 17 电容104 7
5 TS556MN 1 18 电容30pF
6 74LS160 2 19 电解电容22uF 2
7 发光二极管 4 20 电容0.1uF 1
8 晶振12M 1 21 电阻1K 2
9 9014 2 22 电阻2K 2
10 9012 8 23 电阻10K 2
11 共阳四位一体数码管 2 24 电阻100K 2
12 轻触开关 4 25 插接件 3
13 电位器103 1 26 电源插接件 2 -------------------------------------------------------------------------------
本设计程序由C语言编写
主程序名: RLCTest.h
程序实现的主要功能:把R、L、C转换的频率,通过编程求出其值,送LED显示 -------------------------------------------------------------------------------
#include void init(void)
#include"RLCTest.h" {
union count stateR=0;testR=1;
{ stateC=1;testC=0;
struct clockTwo stateL=1;testL=0;
{ largeR=1;smallR=0;
unsigned char clockH; largeC=1;smallC=0;
unsigned char clockL; }
}clockTwo; void delay4us(unsigned int time)
unsigned int clock; {
}count; //定义频率字 while(--time);
unsigned char code }
disdata[16]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99void delay2us(unsigned char time)
,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0 {
xc6,0xa1,0x86,0x8e}; while(--time);
unsigned char data dismem[8]; }
//定义LED显示频段 void inittime(void)
------------------------------------- {
----系统初始化 TMOD=0x15;//C/T 0 为计数器,用于频率------------------------------------- 计数。C/T 1 为定时器。用于动态显
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示 }
TH1=0xF8;//timer1=2ms while(keyC==0);
TL1=0x2f; }
ET1=1; else if (keyL==0)
EA=1; {
TR1=1; delay2us(20);
TR0=1; if (keyL==0)
ET0=1; {
///timer 2 stateR=1;testR=0;
T2CON=0x04; stateL=0;testL=1;
T2MOD=0x00; stateC=1;testC=0;
TH2=0x3C; Tstate=1;
TL2=0xB0; }
RCAP2H=0x3C; while(keyL==0);
RCAP2L=0xB0; }
TR2=1; else if (keyT==0)
ET2=1; {
} delay2us(20); ------------------------------------ if (keyT==0) 按键处理 Tstate=~Tstate; ------------------------------------ while(keyT==0); void keyprocess(void) } { }
if (keyR==0) ------------------------------------- { 主函数 delay2us(20); ------------------------------------- if (keyR==0) void main() { {
stateR=0;testR=1; unsigned int freq;
stateL=1;testL=0; inittime();
stateC=1;testC=0; init();
Tstate=1; do
} {
while(keyR==0); keyprocess();
} delay4us(65535);
else if (keyC==0) freq=count.clock;
{ //(clockH*256)+clockL;
delay2us(20); if (stateC==0)
if (keyC==0) {
{ freq=48000/freq;
stateR=1;testR=0; }
stateL=1;testL=0; dismem[0]=freq/10000;
stateC=0;testC=1; freq=freq%10000;
Tstate=1; dismem[1]=freq/1000;
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freq=freq%1000; [5]];break;
dismem[2]=freq/100; case
freq=freq%100; 7:ledbitA=0;ledbitB=1;ledbitC=1;ledbi
dismem[3]=freq/10; tCS=0;ledseg=disdata[dismem//timer=2m
freq=freq%10; s [6]];break;
dismem[4]=freq; default :ledbitA=1;ledbitB=1;led
bitC=1;ledbitCS=0;ledseg=disdata
}while(1); [dismem[7]];inittime =0;break;
}
} ET1=1; //动态显示 TR1=1; void tim1timer(void) interrupt 3 inittime++; //占用定时器1 } { void timer2timer(void) interrupt 5 static unsigned char inittime=1; { //中段次数计数 EA=0; ET1=0; TF2=0;//定时器2须由软件清中断标
TH1=0xF8; 志位 TL1=0x2f; TR0=0; switch (inittime) TR2=0; { count.clockTwo.clockH=TH0; case count.clockTwo.clockL=TL0;
1:ledbitA=0;ledbitB=0;ledbitC=0; TH0=0;
ledbitCS=0;ledseg=disdata[dismem TL0=0;
[0]];break; TR2=1;
case TR0=1;
2:ledbitA=1;ledbitB=0;ledbitC=0; P1_7=~P1_7;
ledbitCS=0;ledseg=disdata[dismem EA=1;
[1]];break; }
case
3:ledbitA=0;ledbitB=1;ledbitC=0;
ledbitCS=0;ledseg=disdata[dismem
[2]];break;
case
4:ledbitA=1;ledbitB=1;ledbitC=0;
ledbitCS=0;ledseg=disdata[dismem
[3]];break;
case
5:ledbitA=0;ledbitB=0;ledbitC=1;
ledbitCS=0;ledseg=disdata[dismem
[4]];break;
case
6:ledbitA=1;ledbitB=0;ledbitC=1;
ledbitCS=0;ledseg=disdata[dismem
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在测试系统时,用标准电阻、电容、电感调节电位器的值,校准各参数的值。 在测试电阻,按下测电阻的按键,若量程不够,LED数码管上有数值溢出显示,按下量程切换键,切换到大量程。测电容、电感类似。
- - 19
范文五:电容电感测试仪的设计
丧a叶技20lo年第23卷第1l期
Electr;0nicSci.&Tech./Nov.15.2010
电容电感测试仪的设计
王明娟1,曾繁政2,曲
艺1
(1.钦州学院物电系,广西钦州535000;2.贺州学院物电系,广西贺州542800)
摘要介绍了电容电感测试仪的测量原理和电路设计方法,采用sTC89C5l单片机作为计算核心,以∞三点式振荡电路作为测量电路,采用固定的电感和电容组成配振荡电路。单片机负责控制频率的测量,并利用单片机设计
频率计测量得到分频后的频率,运用谐振频率公式,间接得到待测的电容值或电感值。该方案进行电容和电感的测试,具有电路原理简单、体积较小的优点。
关键词
电容测量;电感测量;单片机;配振荡电路
文献标识码A
a
中图分类号TM934.2文章编号1007—7820(2010)11—035—03
DesignofCapacitanceandIIlductanceWangMin西uanl,ZengFanzhen92,
Measuring
Qu
Yil
Tester
(1.DepartmentofPhysicalElectmnics,QinzhouUniVersity,Qinzhou535000,China;
2.DepartmentofPhysicalElectronics,HezhouUniVersity,Hezhou542800,China)
Abstract
Thisanicledescribesthemeasuringprincipleofthec印acitanceandinductancemeasurementinstm—
core,
memandthecircuitdesignmethodusingtheS7I℃89C51microcontroller髂theputing—level
as
£Coscillatingcircuit
themeasuringcircuit.Fixedinductorsandcapacitors
are
used
to
pose
the£Coscillatingcircuit.7rhe
a
Micmcontmllercontmlsthemeasurementoffbquency.ThediVidedf诧quencyismeasuredbysignedwith
a
fhquency
or
tester
de—
sinde
chip.The
resonant
fkquency
fo瑚ula
isused
to
pute
theunknowncapacitance
inductance
valueindirectly.
size.
Theschemeofcapacitallceandinductancetestinghastheadvantages0fsimplecircuit肌dsmall
Keywordscapacitancemeasurement;
inductancemeasurement;microcontmller;£Coscillatorcircuit
文中针对电容和电感的测量,简单介绍了关于£c振荡电路测量电容和电感的设计原理。同时通过实验证明该方案能进行高频电感和电容的测量。测量的精度能达到应有要求。
1
2电路工作原理
2.1
电路框图设计
如图1所示。框图包括输入切换部分、振荡部
测量原理
采用£c振荡器的振荡原理,£c振荡器选择£或
分:分频部分、单片机部分、显示部分和键盘部分。此系统由STC89C51单片机作为控制核心,输入切换部分采用双刀双掷继电器完成待测电容或电感的线路切换,振荡电路工作在放大谐振状态,频率有高频管9018的集电极输出,由于频率较高,所以需经过信号分频,再者由于输出的电压幅度大,此处无需再加
o)
一级驱动,以74Ls393数字分频芯片,把分频端级联实现100分频,最终信号进入单片机,由单片机计算出频率,经过算法设计,实现未知电容或电感参数的测定。图1给出了系统的总体框架图【2J。2.2输入切换电路
输入切换电路使用双刀双掷继电器实现,主要负
是c参数为固定值。通过£c的组合,振荡器起振,当测量电容时电感固定,测量电感时电容固定。通过己C振荡器的频率计算公式…
二2i高
数值。
其中,c=考{若,可以计算出待测的电容或电感
收稿日期:2010-05?10
作者简介:王明娟(1982一),女,硕士研究生,讲师。研究方向:仪器仪表检测,嵌入式应用。
责电容和电感的输入切换,当连接上电容时系统通过继电器恐,如图2所示。连接单片机,K的固定端直接连接单片机的引脚IO,和IO。,常开节点连接待
万方数据
图l
电路总体框图设计
测电容或电感的引脚两端,并且初始设置两个引脚一个为逻辑高电平5V,一个为逻辑低电平0V,当给恐通电,固定端和常闭端连接,由于IO。和IO。分别为5V和0V。电容对直流是开路,所以10,和IO。电平维持原来的状态。若为电感,由于电感对直流相当于导线,那么5V的IO会被0V的拉低。两个IO都为0V。由此得出没有短路在一起时,单片机判断为电容,从而选择测量电容的方法,此时通过单片机对IO,脚的设置把另一个双刀双掷开关K。,开关拨到上,上为与电容C:并联,如图2所示。而短路在一起时,单片机判断为电感,单片机选择测量电感的方法,此时通过单片机对IO。脚的设置把另一个双刀双掷开关K。开关拨到下,即与电感L并联‘31。
2.3振荡电路原理
振荡电路采用£c振荡电路,振荡的频率由L和C确定。振荡管采用9018,民。和尺把为基极偏置,尺。为限流电阻,电容C,、C:和电感£构成正反馈选频网络,反馈信号取自电容Q两端。该电路也称为电容3点式振荡电路H1。输入信号和反馈信号同相。在测量过程中,当测量电感时,输入电路自动把待测电感£,并联到L的两端。当测量电容时,输入电路自动把要测量的电容C。并联到C。的两端。
图2振荡电路
2?4分频电路原理
分频电路采用74LS393数字分频芯片,分频端级联实现100分频,高频管9018的集电极输出振荡信
36
万方数据
王明娟,等:电容电感测试仪的设计
号,之后把振荡器输出的信号100分频,频率将降到单片机测量的范围之内。
2.5
单片机实现电容和电感的计算
当把待测的电容或电感接入时,系统自动进行判
断,根据判断结果确定算法。当判断到是电容时,系
统计入电容的计算方式,电容的计算方式采用公式
/=1/21T ̄/£(1/(1/(c。+c2)+1/cI))
(2)
根据测量得到频率和已知的£和C:,从而计算出c,的值。当判断为电感时,系统进入电感的计算方式,电感的计算方式采用公式
厂=1/21T ̄/(1/(1/£+l/L,)(1/(1/cl+1/c2))
(3)
根据测量到的频率和已知的C。、C:、£计算出£;的值¨。4j。
3
算法设计
系统上电初始化并且清屏,单片机初始化完成
后,进入键盘扫描程序,当要进行电容或电感测量时,选择测量按键,系统进行自动判断并进行电容或电感的测量。当判断为电容时,系统选择电容的计算方法。当判断为电感时,系统选择电感的计算方法。计算完成后在液晶屏上显示测量结果。下面是具体的程序流程图,如图3所示。
图3程序流程图
4
实际测量数据及其分析
4.1
提高测量精度的方法
采用该系统进行电容和电感的测量,由于元器
件的热稳定性和外界对电路的干扰影响,测量的结果会有所跳动,是因为三极管的结电容随着温度的
王明娟,等:电容电感测试仪的设计
10kQ,R。=4kQ,尺。=4.7
变化而变化,从而影响测量结果,这也是电容三点式振荡电路不稳定的关键原因。基于以上原因,在测量过程中可以采用多次测量求平均值的方法提高测量精度[5]。
4.2
kQ,C6=1仙F,C。=
0.1斗F,选择不同的电容分别测试3次,得到表l。选择不同的电感分别测试3次,得到表2。由表得出测量值与标称值几乎接近,表明系统设计方案的正确性,满足一般的实验室和工程设计用到的电子元器件参数测试精度要求。
实际测量
电路的固定参数如下:R。。=10
kQ,R砣=
表l电容测量
5
结束语
本系统采用单片机和振荡器起振的组合,计算
参考文献
[1][2]
刘明亮.振荡器的原理和应用[M].北京:高等教育出版社,1983.
刘军,李智.基于单片机的高精度电容电感测量仪[J].国外电子测量技术,2007,26(6):48—51.
[3]AlDlltcher.使用少量元件的廉价易用电感测试仪[J].
电子设计技术,2007(7):108—111.[4][5]
牛百齐.基于单片机的电容测量仪设计[J].仪器仪表用户,2005,12(4):29—30.
陈江华,杨霓清,梁村梅.一种实用的电容、电感和电阻自动测量仪[J].计量与测试技术,2002,29(1):
2l一26.
电容和电感值。系统拥有比较智能的测量方法和简易的操作方法。单片机进行全自动的判断和测量,通过单片机的IO口判断来确认所要测量的对象。然后进行频率的测量和测量结果的计算,最终计算出被测对象的真实值。该系统通过相应的实验和实际的测量,能准确地测量电容和电感的数值,测量范围为0.ool一22斗F和0.01~100mH,测量精度在5%以内。
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万方数据
电容电感测试仪的设计
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
王明娟, 曾繁政, 曲艺, Wang Mingjuan, Zeng Fanzheng, Qu Yi
王明娟,曲艺,Wang Mingjuan,Qu Yi(钦州学院,物电系,广西,钦州,535000), 曾繁政,ZengFanzheng(贺州学院,物电系,广西,贺州,542800)电子科技
ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY2010,23(11)0次
参考文献(5条)
1.刘明亮.振荡器的原理和应用[M].北京:高等教育出版社,1983.
2.刘军,李智.基于单片机的高精度电容电感测量仪[J].国外电子测量技术,2007,26 (6):48-51.3.Al Dutcher.使用少量元件的廉价易用电感测试仪[J].电子设计技术,2007(7):108-111.4.牛百齐.基于单片机的电容测量仪设计[J].仪器仪表用户,2005,12(4):29-30.
5.陈江华,杨霓清,梁村梅.一种实用的电容、电感和电阻自动测量仪[J].计量与测试技术,2002,29(1):21-26.
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授权使用:西安交通大学(xajtdx),授权号:b3e0df41-ee65-431f-b08c-9e9400bd7cd6
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