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电赛（RCL测量仪）.doc

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.23M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    RCL 测试仪 摘要:本设计中，电阻和电容的波形是采用 NE555 定时器构成的多谐振荡 电路产生的，电感的波形是根据电容三点式振荡电路产生的，再利用 TI 公司的 16 位低功耗单片机 MSP430F149 测量频率，然后计算出结果，再用 128*64 液晶模块实时显示，从而实现各个元件的测量与显示。其中在电 阻的测量电路中，分为两档，并用单片机驱动继电器实现量程自动转换。 最终做出一个大范围，高精度的电阻、电容和电感测量仪。 一、系统方案论证 1 电阻测试模块方案论证 方案一:电阻分压法。将待测电阻 Rx 和基准电阻 R 串联在电路中，当 串联到电路上的电阻 Rx 的值不同时其 Rx 上分的压降也不同。通过测量出  。该方案理论上的实现虽然简单， Vx 便可求得 Rx，即 V R VCC V R  ( ) X X X 但实际上由于 AD 的分辨率有限，当待测电阻的很大或是很小时就很难测 出 Rx 上的压降 Vx，从而导致测量范围有限。要提高测量范围和精度就需 要提高 AD 的分辨率和分档测量，这会增加系统的复杂性和成本。 方案二：交流电桥测量法。在交流电桥中，电源使用交流电，此电桥 属于四臂的交流桥，阻抗分别为 Z1、Z2、Z3、Z4，因此电桥平衡的条件 z   。此方案中当电阻值过小时，充电时间很短，普通的微 为 1 处理器难以测量，当电阻太大时充电时间和电阻的大小线性度变差，这将 z 2 z 4 z 3  导致测量误差偏大和测量范围有限。 方案三：本方案中电阻测量是由 555 定时器和 R1、R2、C1 组成的多 谐振荡电路实现的，振荡产生的频率由 R1、R2、C1 确定，其输出频率为 。因此可通过固定 R1 和 C1 的参数，将待测的电阻 f 作为 R2 接入电路中的方法来测量电阻，此方案实现较简单。 1 ln 2 ( C R 2 ) R    1 1 2 为了满足本次设计的基础与发挥部分，我们选用两个档位来实现。在 方案三中，理论计算可得出两个档位的频率没有交叉，容易实现量程的自 动转换。因此本设计采用方案三，用 NE555 定时器构建 RC 多谐振荡电路 来实现电阻的测量，并用单片机驱动继电器实现量程的自动转换。 2 电容测试模块方案论证 方案一：由 LM311 组成的 LC 振荡器。本方案的核心电路是一个由 LM311 组成的 LC 震荡器。由 LC 震荡电路产生一个波形，再测量其频率， 然后依据公式 1 2 计算出对应的电容值。用这种方案时，电容值 过大或者过小时无法产生很好的波形，影响测量结果。 LC F
    方案二：利用RC充电原理，通过测量充电时间来测量电容大小。用此 方案时，测量大电容较准，在电容容量较小时，电容在极短的时间内就能 充满，即充电时间较短，所以很难对电容准确的进行测量。 方案三：利用 RC 和 555 定时器组成的多谐振荡电路，通过测量输出 振荡频率的值，即可通过公式 f  1 ln 2  ( C R 1 1  2 ) R 2 求得电容的值。该方 案硬件电路实现简单，能测出较宽的电容范围，完全能满足测量要求，并 且能同时输出波形为 TTL 电平的方波信号，所以不需要再对信号做电平变 换。即可直接输入单片机处理。 综上所述，本设计采用方案三，即用低廉的 NE555 定时器构建 RC 多 谐振荡电路来完成电容的测量。 3 电感测试模块方案论证 方案一:平衡电桥法。将待测电感和已知标准电阻电容组成电桥，通 过单片机控制调节电阻参数使电桥平衡，此时，电感的大小由电阻和电桥 的本征频率即可求得。该方案测量精准，同时可以测量电容和电阻的大小， 但其电路复杂，实现起来较为困难。 方案二: 用 555 定时器和被测电感利用电感储能以及充放原理构成 多谐振荡器，通过测频率值确定被测电感的值。该方案电路结构简单，输 出波形为 TTL 电平的方波信号，简单分频后可获得较为理想的测试频率范 围，方便单片机精确测量。但是，由于 555 定时器本身的性质导致测量范 围有限。 方案三：LC 配合三极管组成电容三点式振荡电路，通过测量输出频 率值来实现对电感值测量。该方案测量效果好，但其输出波形为正弦波， 需要将其波形整形后再输给单片机处理。 综上所述，我们采用了方案三的电容三点式振荡电路作为电感的测量 电路，把得到的正弦波经整形后送入单片机。 4 频率测量 方案一：测周法。以待测信号为门限，记录在此门限内的高频标准时 钟的数量，从而计算出待测信号的频率。但被测信号频率过高时，由于测 量时间不足导致测量精度不高。此方案适合于低频信号的测量。 方案二：等精度测量法。其精确门限由被测信号和预控门共同控制。 测量精度与被测信号的频率无关，只与基准信号的频率和稳定度有关，因 此可以保证在整个测量频段内测量精度不变。但此方案的实现需要专门的 芯片配合单片机才能实现精确的测量，系统较为复杂，成本较高。 2
    方案三：直接测频法。在确定的闸门时间内，利用计数器记录待测信 号通过的周期数，从而计算出待测信号的频率。此方案测量简单，但是对 低频信号的测量精度较低，很适合于高频信号的测量。 由于本次测量的频率范围都较高，综合考虑之后，本设计决定采用直 接测频法。 5 系统方案概述 本设计通过按键控制单片机选择电阻，电容，电感频率的输入。在电 阻测量模块中，通过单片机驱动继电器实现量程自动转换。同时单片机通 过计算后发出测量结果并在液晶显示屏上显示出测量元件的类型和测量 值。系统设计框图如图 1.1 所示。 图 1.1 系统设计框图 二、 测量电路的理论分析与计算 1 电阻电路的设计及计算 在由 555 定时器和 R1、R2 和 C 组成的多谐振荡电路中，振荡电路产  。在电路 ) ln 2 R R C 1 生的频率由 R1、R2 和 C 共同确定，即： ( C R ( t  接通后，电容 C 充电所需的时间，即脉冲维持时间： 1 t 放电所用时间，即脉冲低电平时间： 2 t 。所以脉冲周期时间为：  R C ln 2 f ，输出脉冲频率为 2 ) R  1 ln 2 1 ln 2 ln 2 ； 。   2      f 2 1 1 2 ( C R 1 2 R 2 ) 2   t 1 t 2 C R 1 ( R 2 ) 本设计中通过固定 R1 和 C 的参数，将待测电阻作为 R2 接入电路中 ，电路的测量原理图如 ln 2   C  （1 1 2  f - R 1 ) R 的方法来测量电阻，即 2 图 2.1 所示:。 3
    图 2.1 电阻的测量原理图 2 电容电路的设计及计算 R 本设计中，电容测量电路由 555 定时器和 R1、R2、Cx（ 1 R ）构 成的多谐振荡电路组成。电路振荡产生的频率由 R1、R2、Cx 确定，即 f C 。所以通过测量输出频率即可计算出待测电容值，即  。测量原理图如图 2.2 所示。 1 3ln 2   1 3ln 2  C R x 1 R  1 f x 2 图 2.2 电容的测量原理图 3 电感电路的设计及计算 （1）电感的测量 电感测量电路是采用电容三点式振荡电路来实现的。在电容三点式电  。 f C C C C C ，由公式有: LC 2 C f 1 4 其中   ( 路中 x =1 2 L x 2 x  1 2 1 ) 2 4
    故通过测量输出频率即可求出待测电感值，电路如图 2.3 所示。 （2）整形部分 图 2.3 电感的测量原理图 由于采用电容三点式振荡电路产生的波形是正弦波，所以需要先对其 进行整形成方波才能输入单片机处理。整形电路由双电压比较器 LM393 集成电路构成，在整形电路的输入端加一隔直电容，将前级震荡中的 直流成分滤除，这样可以有效的对输出波形整形，电路图如图 2.4 所 示。 图 2.4 电感整形电路 三、其他模块电路的设计 1 电源模块 5
    在电源的设计中，我们采用的是将 220V 的市电经过变压与整流 得到正负 17V 直流电压，分别通过 LM7812，LM7912 芯片得到正负 12V 电压，再通过 LM7805，LM7905 芯片得到正负 5V 电压。电路图 如图 3.1 所示。 图 3.1 电源电路原理图 2 模拟开关模块 为了选择电阻，电容，电感电路所得到的三种频率的输入，我们 用到了双向 4 选 1 模拟开关 CD4052，电路如图 3.2 所示。 图3.2 CD4052接线图 4 继电器模块 由于电阻的测量中，我们有两个档位，且继电器可以在 1 伏和 3 伏时换挡，所以我们用单片机来驱动继电器实现量程的自动转换，电 路图如图 3.3 所示。 6
    图3.3 继电器驱动电路 5 按键模块 （1）由于所测元器件有电阻、电容和电感三类，所以我们用按 键来实现各元件电路的选择，同时用发光二极管来显示电路的选择。 具体搭配如表 3 所示。 按键 KEY1 KEY2 表3 按键通道选择 二极管 L1 L2 KEY3 L3 （2）按键电路图如图3.3所示。 对应测试项 测试电阻 测试电容 测试电感 图3.3 按键电路 四、 程序设计部分 本设计的控制器为 MSP430F149，其主要任务是测量出电路的输 出频率以计算出相应元件的值，同时控制继电器以实现测量电阻时的 量程的自动换挡，再有就是通过控制模拟开关 CD4052 选择电阻、电 容和电感频率的输入，并控制 LCD12864 显示测量元件的类型以及相 应的测量值。软件流程图如图 4.1 所示。 7
    图 4.1 软件流程图 五、 数据展示 1 测试使用的仪器设备 测试使用的仪器设备如表 4 所示。 表 4 测试使用的仪器设备 序号 1 2 名称 RLC 电桥测量仪 数字示波器 数量 1 1 备注 测量精度高 查看输出波形 2 测试方法 接通电源，首先在测量前用电桥测量仪测出所需测量电阻、电容 和电感的实际值即标准值；其次通过按键选择接通电阻、电容和电感 的测量电路，其中，在测量电阻时，本设计采用单片机驱动继电器实 现档位的自动转换；最后再根据单片机测量值与电桥测量仪所测标准 值按公式 （测量值 标准值）标准值 k    100% 计算出测量误差 k。 3 测试数据展示 (1) 电阻测量数据如表 5 所示。 8
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