基于单片机的电阻、电感、电容测量系统

1第一章绪论科学技术的飞速发展，特别是信息技术、精密工程的发展，催生了众多的新工艺、新材料、新产品，给人们的生产生活带来了日新月异的变化，然而所有这些新工艺、新材料、新产品都离不开测试测量技术和精密仪器，测试测量技术是这些产品质量的重要保证，而计量是为测试测量提供标准，精密仪器是其必不可少的工具。随着被测试系统、产品的发展水平日趋提高速度越来越快、体积越来越小、应用覆盖范围越来越广，人们对测试测量技术及精密仪器的要求也越来越高，促使测试测量技术和测量仪器不断出现新理论、新技术和新方法。而电阻、电容、电感是电子线路中必定使用的零部件。在进行电子线路的设计的基础上，准确地测量这些零部件的值是极其重要的。测量这些零部件的值，一般使用LCR测试仪。测量电子元器件集中参数RLC的仪表种类较多，方法也各有不同，但都有优缺点。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。随着智能化仪器的发展，元器件测量也变得十分简单，不象传统的模拟万用电桥那样操作复杂、调试困难，而采用LCR自动测量仪。这种测量仪是以微处理器为基础的智能仪器，可以自动测量无源元件的各项基本参数。RLC参数自动测式仪不仅能自动判断元件的性质，而且能将符号图形显示出来，并显示出其值，还能测量Q、D、Z、LP、LS、KP、KS等参数，且显示出等效电路图形。这类自动测试系统具有极强的通用性和多功能性，对于不同的测试任务，只需增减或更换挂在它上面的仪器设备，编制相应的测试软件，而系统本身不变。这种自动测试系统特别适合于要求测试时间短而数据处理量极大的测试任务中，以及测试现场对操作人员有害或操作人员参与会产生人为误差的测试场合。因其具有很多传统仪器所不具备的优点，故RLC自动测试仪现在应用越来越广泛。2第二章方案设计与论证RLC参数的测量方法主要有电桥法谐振法伏安法三种。电桥法具有较高的测量精确度，因而被广泛采用，而且电桥已派生出许多类型。但是电桥法测量需要反复进行平衡调节，测量时间长，因而很难实现快速的自动测量。谐振法要求有较高频率的激励信号，一般不容易满足高精度测量的要求。由于测试频率不固定，测试速度也很难提高。伏安法是最经典的方法，它的测量原理直接来自于阻抗的定义，即若已知流经被测阻抗的矢量电流并测得被测阻抗两端的电压，则通过比较频率便可得到被测阻抗的矢量。显然，要实现这种方法，仪器必须能进行矢量的测量及除法运算，因而，只有运用近现代电路技术，特别是计算机技术才能是这一经典方法得到发展。但是其结构复杂，且计算量很大，需借助于计算机，因此不易实现。在本系统中我们要介绍的是把电子元件的参数R、C、L转换成频率信号F，然后用单片机计数后在运算求出R、C、L，并送显示，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的转换位数字量，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便于使仪表实现智能化。方案中用到的单片机是凌阳的16位单片机SPCE061A，由于该CPU具有丰富的I/O口和丰富的时基信号，为我们提供了极大的方便，其中可以利用I/O口置高低电平来实现量程的转换，由于单片机SPCE061A的定时器可以通过外部时钟源来计数，我们便可以将555电路或电容三点式振荡电路产生的频率作为SPCE061A的定时器的时钟源，这样就很容易得到被测R/C/L对应产生的频率。而且SPCE061A具有语音处理功能，我们在显示的基础上还可以加入语音播报，使得整个测量过程更加智能化。3第三章凌阳单片机简介随着单片机集成化程度的不断提高，现代单片机已经具备了数字信号处理功能，使语音信号处理用单片机实现成为可能。台湾凌阳公司推出的一款SPCE061A就是这样的产品。它不但具有微控制器功能，还具有DSP运算功能，可以用来进行数字语音信号处理。SPCE061A是以NSPTM16位微控制器及信号处理器芯片为内核的16位单片机，采用模块式集成结构，集成了2KBRAM、32KBFLASH、ADC、DAC、并行I/O等，特别适合语音信号处理。31硬件系统结构1SPCE061A结构SPCE061A是继MNSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。其内部结构特点如下16位NSPTM微控制器；工作电压VDD为2636VCPU,VDDH为VDD55V（I/O）；CPU时钟为03249152MHZ；内置存储器SRAM为2KB，内存FLASH为32KB；可编程音频处理；2个16位可编程定时器/计数器；7通道10位ADC（内置麦克风放大和自动增益控制功能）；2个10位DAC；32路可编程通用输入输出端口；串行输入输出接口；低电压监测/低电压复位功能；14个中断源可来自定时器、外部时钟输入、键唤醒等；内置在线仿真电路ICE；2SPCE061A开发方法4SPCE061A的开发是通过在线调试器PROBE实现的。它既是一个编程器，又是一个实时在线调试器。PROBE工作于凌阳IDE集成开发环境软件包下，其5芯的仿真头直接连接到目标电路板上SPCE061A相应管脚，直接在目标电路板上的CPUSPCE061A调试、运行用户编制的程序。PROBE的另一头是标准25针打印机接口，直接连接到计算机打印口与上位机通讯，在计算机IDE集成开发环境软件包下，完成在线调试功能。下图是计算机、PROBE、用户目标板三者之间的连接适意图图31用户目标板、PROBE、计算机三者之间的连接图3“61”开发板简要介绍5图32“61”开发板内部结构框图表3161开发板各管脚功能POWER5V或3V供电电路PLL锁相环外部电路POWER电源指示灯SLEEP睡眠指示灯RESET复位电路K4复位按键PROBE在线调试器串行5PIN接口DAC一路音频输出电路，采用SPY0030集成音频放大器MIC麦克风输入电路OSC32768晶振电路VREFA/D转换外部参考电压输入借口R/C芯片及其他外围电阻电容电路K1K2K3扩展的按键接IOA0IOA2SPCE061A61板核心16位处理器PORTA32个I/O口4语音采集的硬件电路语音采集的硬件电路,MIC采用驻极体电容话筒，这种话筒具有灵敏度高、无方向性、重量轻、体积小、频率响应宽、保真度好等优点。与PC机的串行通信用SPCE061A的UART接口，用MAX232芯片进行电平转换，即可实现RS232通信。32软件设计与实现（1）语音信号的采集压缩语音信号处理的基础是对语音信号进行数字化，并采样存储。6SRCE061A内置专门用于语音信号采集的自动增益控制放大器（AGC）的麦克风输入通道（MIC_IN）。语音信号经麦克转换成电信号，由隔离电容隔掉直流成分，然后输入至内部前置放大器。SPCE061A内部自动增益控制电路AGC能随时跟踪、监视前置放大器输出的音频信号电平，当输入信号增器时，AGC电路自动减小放大器的增益；当输入信号减小时，AGC电路自动增大放大器的增益，以便使进入A/D的信号保持在最佳电平，又可使谐波减至最小。ADC初始化程序如下INTOFF；R10X0030；P_TIMERA_CTRLR1；/时钟频率为CLKA的FOSC/2R10XFA00；P_TIMERA_DATAR1；/采样率为16KHZR10X003DP_ADC_CTRLR1；/设置AGC功能R10X00A8P_DAC_CTRLR1/采用自动方式且通过MIC_IN通道输入，通过定时器A的溢出锁存数据，ADC为自动方式R10X1000P_INT_CTRLR1；/开中断IRQ1_TMINTIRQ；采样后的数字语音信号数据量非常大，且由于语音信号采样点幅度分布的非均匀性和样本间的相关性等原因，使语音信号中含有大量的冗余信息。因此，在实际应用中采用各种信源编码技术来消除语音信号的冗余度。语音编码方法主要有波形编码、参数编码和混合编码。波形编码的基本原理是以波形逼近为原则，在时域上把幅度样本分层量化并用代码表示；特点是语音质量高、抗噪性强编码率高，适7于语音及高保真音乐。参数编码是基于某种语音产生模型，在编程端分析出该模型参数选择适当的方式进行编码；特点是语音质量差、抗噪抗弱和编码率低。混合编码综合了波形和参数编码之优点。凌阳SPCE061A提供了压缩算法库SACMLIB，其处理的语音信号范围是200HZ34KHZ的电话语音，并将A/D、编/解码、存储及D/A做成相应的模块，对于每个模块都有其应用程序接口API。（2）语音数据的传输SPCE061A的通用异步串口（UART）提供了一个8位全双工标准接口，用于完成SPCE061A与外设之间的串行通信。借助于IOB口的特殊功能和UARTIRQ中断，可以同时完成UART接口的接收与发送数据的过程。根据应用需求，把UART设置为中断方式接收数据，以查询方式发送数据。用凌阳SPCE061A处理语音信号有如下独特之处硬件电路简单，因SPCE061A是一款专门为语音信号处理设计的，麦克和喇叭可直接接入，用户不必外接放大电路等；软件编程容易，有相应的API函数，可直接调用。用ICE和图形界面编译软件，调试方便。8第四章系统硬件电路设计41电路方框图及说明系统分三大部分，及测量电路，通道选择和控制电路，如下图所示。SPCE061A根据所选通道，通过IOA4和IOA3向模拟开关送两位地址信号，取得振荡频率,然后根据所测频率判断是否转换量程，或者是把数据进行处理后，得出相应的参数值。图41RLC测量系统框图942各部分电路设计1电阻测量电路LM555是使用极为广泛的一种通用集成电路。LM555/LM555C系列功能强大、使用灵活、适用范围宽，可用来产生时间延迟和多种脉冲信号，被广泛应用于各种电子中。555时基电路有双极型和CMOS型两种。LM555/LM555C属于双极型,优点是输出功率强大,驱动电流达200MA,而另一种CMOS型的优点是功耗低，电源电压低，输入阻抗高，但输出功率要小得多，输出驱动电流只有几毫安。LM555应用范围精确定时脉冲发生、连续定时、频率变换、脉冲宽度调制等。特性简介直接替换SE555/NE555。定时时间从微秒级到小时级。可工作于无稳态和单稳态两种方式。可调整占空比。输出端可接收和提供200MA电流。输出电压与TTL电平兼容。温度稳定性好于0005/。表41LM555各管脚功能图42LM555封装引脚编号符号功能说明1GND地线2TR触发3OUT输出4RES复位5CV控制电压6TH阀值7DIS放电8VCC电源10一般可以把LM555电路等效成一个大放电开关的RS触发器。这个特殊的触发器有两个输入端阀值端（TH）可看成是置零端R，要求高电平；触发端（TR）可看成是置位端S，低电平有效。它只有一个输出端OUT，OUT可等效成触发器的Q端。放电端（DIS）可看成由内部放电开关控制的一个接点，放电开关由触发器的反Q端控制反Q1时DIS端接地；反Q0时DIS端悬空。此外这个触发器还有复位端R，控制电压端CV，电源端VCC和接地端GND。这个特殊的RS触发器有两个特点（1）两个输入端的触发电平要求一高一低置零端R即阀值端TH要求高电平，而置位端S即触发端TR则要求低电平。（2）两个输入端的触发电平，也就是使它们翻转的阀值电压值也不同，当CV端不接控制电压是，对TH（R）端来讲，2/3VCC是高电平1，1/3VCC是高电平1，1/3VCC是低电平0。如果在控制端CV加上控制电压VC，这时上触发电平就变成VC值，而下触发电平则变成1/2VC。可见改变控制端的控制电压值可以改变上下触发电平值。在电阻的测量中采用“脉冲计数法”，如下图所示由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阻的大小。555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为TT1T2（LN2）（R1RX）C1（LN2）RXC1得出即电路分为2档100RX1000欧姆IOA5设置为高电平输出，IOA7设为低电平输出；R2200欧姆；C2022UF；RX6561E6/2FX330/2对应的频率范围为28KFX16K1000RX1M欧姆IOA6设置为高电平输出，IOA8设为低电平输出。R120K欧姆；C1103PF；11RX14431E8/2FX1E4图43R测试电路2电容测试电路电容的测量同样采用“脉冲计数法”，如下图所示由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。555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为TT1T2（LN2）（R1R2）CX（LN2）R2CX我们设置R1R2得出即电路分为2挡R1510K欧姆IOA10设置为高电平输出；R4R6；CX0941E6/FX对应的频率范围为94KFX094KR1100K欧姆IOA9设置为高电平输出；R5R6；CX4811E6/FX对应的频率范围为480HZFX48K12图44C测试电路3电感测试电路电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的。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。其原理电路如图所示13图45电容三点式振荡电路C1、C2、L并联谐振回路构成反馈选频网络，符合三点式振荡电路的组成法则，满足振荡的相位平衡条件。由于反馈信号UF取自C2两端电压，故称为电容三点式振荡器。因为电容对高次谐波呈现较小的容抗，反馈信号中高次谐波分量小，故振荡波形较好。但当通过改变C1或C2来调节振荡频率时，同时会改变正反馈量的大小，因而会使输出信号幅度发生变化，甚至会使振荡器停振。所以改变电路频率很不方便，适用于频率调节不大的场合。当并联回路谐振时，振荡电路满足振荡的相位平衡条件，由此可得电路的振荡频率F0为即LX381E6/F0214图46L测试电路4多路选择开关电路多路选择开关利用的是CD4052实现测量类别的转换,它是用数字信号控制的双4选一的模拟开关；对于CMOS4052，控制信号为418V时，模拟量的控制可达18V峰值（VDDVSS3V，VDDVEE直到13V皆可）；对于HC4052，05V的控制信号能控制5V模拟信号传送（VCC5V，VEE5V）；禁止端INHH时，全部开关为关态。其功能表如下表42CD4052功能表输入开关通道INHBAXYLLLX0Y0LLHX1Y1LHLX2Y2LHHX3Y315HXX当选择了某一通道的频率后，输出频率通过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。表43通道选择IOA4IOA3测量类别00Y0R01Y1C10Y2L11图47CD4052与SPCE061A连接电路图5按键及数码管显示电路按键和二极管分别表示不同类别的测量，如下表所示表44按键选择按键二极管对应测试项KEY1L1测试RKEY2L2测试CKEY3L3测试L16图48按键电路图49数码管显示电路176音频输出电路语音播报测量结果，当测试结果显示相对较稳定后开始播报测试结果。图中的SPY0030也是凌阳公司的产品，为音频功率放大集成电路，它的放大倍率由外接电阻进行调整，最大功放倍数为20倍。适用于凌阳SPCE、SPL、SPF系列芯片。SPY0030A应用简单，也适用于其它类产品芯片。性能特点1宽电压工作范围24V6V2双输出模式3低失真THDN055（FORVDD50V，R18POUT500MW）4最低工作电流10A图410音频输出电路7麦克录音输入及AGC电路凌阳的SPCE061A具有DSP功能，有很强的信息处理能力，最高时钟可达到49M，具备运算速度高的优势等等，这为语音的播放、录放、合成及辨识提供了条件。如果需要实现录音功能，可采用下图实现，此系统接入MIC电路如图所示，MIC为录制语音辨识命令服务。18图411麦克录音输入及AGC电路19第五章软件设计51I/O口的分配1I/OA口的分配IOA0IOA3按键输入；IOA3IOA4模拟开关通道选择；IOA5IOA6R测量电路中充电电阻选择；IOA7IOA8R测量电路中充放电电容选择；IOA9IOA10C测量电路中充电电阻选择；IOA12IOA14R/C/L测量指示灯；具体可参见下表表51I/OA口的分配IOA15IOA12IOA11IOA8IOA7IOA4IOA3IOA0A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0二极管R100C010L000“1”有效“0”有效“1”有效通道选择R00C01L1011KEYR001C010L1002I/OB口的分配如下表所示IOB口分配情况如下IOB2设置为反向输出IOB4设置为悬浮输入20B3、IOB4IOB7数码管的位选IOB8IOB15数码管的段码控制具体可参见下表表52I/OB口的分配IOB15IOB12IOB11IOB8IOB7IOB4IOB3IOB0B7B6B5B4B3B2B1B0数码管段码数码管位选悬浮输入位选反相输出2152主程序流程图2253中断服务程序流程23第六章系统测试及整机指标表61系统测试及整机指标由此表可以看出本系统的测试效果较好，测量精度在5以内，计算精度较高，且硬件结构简单，容易实现。但亦有不足之处，测量精度仍需改善。RLC参数测量仪在测量中初含有随机误差之外，还包括输入端的各种杂散参数以及测试信号源中谐波分量等因素所引起的系统误差。下面就讲述几种减弱各种误差所采用的方法。1随机误差的处理根据统计方法的理论，随机误差可以通过多次重复测量的平均予以削弱。设置平均工作方式，编程使仪器对被测参数连续测量10次，然后求其算术平均值作为最后的显示结果。2开路校准和短路校准RLC测试仪的测量端，反馈线以及测量夹具总是存在残余阻抗和残余导纳，这些残余量对小电容，小电感或高电阻的测量会造成很大误差。传统测量仪在正式测量之前要进行人工的校正工作，这项工作烦琐而且费时。而RLC自动测量仪通过软件引入的开路校准和短路校准，简化了修正手续，带来了很大方便。校正的基本思想是先通过理论分析建立起误差模型，求出误差修正公式，然后通过简单的开路，短路等校准技术记录各误差因子，最后利用修正公式和误差因子自动计算修正结果。电阻表值万用表值本仪表读数200欧姆19741961K欧姆991106K20K欧姆198K208K10K欧姆988K104K100K欧姆998K104K510K欧姆516K515K24另外，您可以根据自己的需求更加完善如采用标准的电阻、电容和电感进行校准，可提高测量精度等。结束语由于SPCE061A的时钟最高可达49M，32个I/O口，而且具有一定的语音处理功能等，这些都为我们实现电路提供了非常便利的条件1、量程的切换，一般情况我们会采用模拟开关或继电器来控制，我们在这里只需要几个I/O口即可实现该功能不需要外加任何电路，控制简单、节省成本；2、SPCE061A有丰富的时基中断，我们可以采用2HZ实现定时一两秒，程序简单而且精度高；3、SPCE061A定时器可以采用外部时钟源计数，则为我们计算振荡电路产生频率提供了便利，而且计算精度较高，控制简单；4、SPCE061A具有语音处理功能，可以非常轻松的加入语音播报功能，使整个设计更加智能；5、SPCE061A具有“看门狗”功能，避免出现“死机”现象。该设计将也有很多不足之处，这里只是为大家提供一种思路，您可以根据自己的需求更加完善如采用标准的电阻、电容和电感进行校准，可提高测量精度等。25致谢本文是在我的导师冯涛老师的指导下完成的，她严谨求实的治学态度、一丝不苟的工作作风、诲人不倦的学者风范极大的影响了我，使我受益匪浅。在繁忙的工作中，从论文选题、编程实现到撰写论文，导