2012电子设计大赛论文 简易LCR测量仪

E题：简易LCR测量仪（本科） 参赛学校： 学院： 指导教师： 参赛队员： 【摘要】 本设计以TI公司的高精度运算放大器TLC070和TLV2461为主要检测电路，辅之以STC8052及AD高精度芯片ICL2453和，从而形成了简易LRC自动测量系统。本设计的电路构造简单，元件较少，以差分放大电路和电压跟随器为主体，达到了低功耗，低成本的效果。经多次测试得出，此系统的测量精度已达到实用要求，且操作简单。另外，不同元件，不同阻值换挡，实现手动测量。因此，本设计有较好的实用价值和较光明的市场前景。【关键字】 精密运算放大器 STC8052 ICL2453 拨码开关 低功耗 低成本 目 录1 系统方案3 1.1信号发生系统的论证与选择3 1.2测量系统方案的论证与选择3 1.3控制系统方案的论证与选择42测量系统的分析与计算4 2.1自由轴法的分析与计算5 2.2测量结果与AD之间的转换73电路与仿真设计8 3.1电路的设计8 3.1.1系统总体框图9 3.1.2 直流电源的设计及其原理图10 3.1.3信号发生器设计及其原理图10 3.1.4测量系统设计及其原理图12 3.1.5控制系统设计及其原理图13 3.2 LCR测量仪的仿真实现174 测试方案与测试结果17 4.1测试方案与仪器 4.2测试结果分析与结论参考文献 简易LCR测量仪1 系统方案 根据设计任务的要求，整个系统组成的框图如下图（1.1）所示：信号发生系统 测量系统液晶显 示 控制系统 图（1.1）1.1信号发生系统的分析与计算 方法一：RC振荡法 该方法利用电阻与电感在特殊条件下产生正弦信号为理论基础而产生的。但是，它所产生的正弦波易失真，且不易改变频率。 方法二：方波转正弦波 该方法利用单片机编程而产生方波，然后经过滤波而产生正弦波。但是，该方法失真度很高，在体积上也不占优势。 方法三：芯片产生法 该方法利用ICL8038加之以外部电路，从而产生正弦信号。该方法电路简洁，信号频率易调节，而且失真度较小。 经思考，我们选择方案三为信号发生系统的最终方案。1.2测量系统方案的论证与选择方案一：电桥法（图1.2.1） 此方法具有较高的测量精度，因而成为测量LRC的经典方法。但是，稳定性差，需反复调节平衡，如若实现自动化，用这个方法会用很多的原件且不易控制。 图1.2.1方案二：谐振法 此方法操作较简单，但是一般需要很高频率的激励信号，所以，很难把握，精度要达到要求必定不容易。并且，此方法只能实现测量电容与电感，而对电阻的测量，则需另建电路，而实现自动化，更是复杂。方案三：伏安法（图1.2.2） 此方法可延伸出两种方法，即标准轴法和自由轴法。他们的测量精度都很高，但是，相比之下标准轴法要求硬件方面较高，而自由轴法控制起来较为方便，且更好地达到了低功耗，低成本的效果。 图1.2.2综上考虑，我们选择方案三中的自由轴法为最终设计方案。1.3控制系统方案的论证与选择方案一：以TI公司的MSP430F194为控制核心，因为此芯片IO端口多，且可重复利用，因此被广泛使用。 但是对于初学单片机的人来说，它虽功能强大，但却不容易在短时间内掌握。方案二：以TI公司的LM3S3748为控制系统的核心，此芯片功能比MSP430F194还要强大，但成本较高且不适合初学者使用。方案三：以西门子公司的STC80C52为主要控制核心，此单片机成本低，效果好，应用广泛，由于它仅有40个引脚，且每个引脚都有其固定作用，对于初学单片机的人来说，操作简单，易于控制。经上述考虑，我们选择了西门子公司的STC8052为控制系统的核心。分析总结过后，我们最终的系统概框图如图（1.2）液晶显示自由轴法测量系统ICL8038信号发生系统STC80C52控制系统 图1.22.1测量系统的分析与计算 在测量系统中，我们运用了伏安法中的自由轴法，而与之输出连接的是AD芯片，而测量值的精准度就在于此系统计算的准确性，因此，它的重要性可想而知。2.1自由轴法的分析与计算 采用分压法，即这里是将一个标准阻抗 与被测阻抗 串联，如图2.1.1所示，则可得到 ，如下图所示： 图2.1这样，对阻抗 的测量变成了两个电压相量之比的测量。完成两个电压相量的测量方法通常是，用一台电压表通过开关转换分时进行测量。实现两个相量除法运算有固定轴法和自由轴法，将相量除法转换成标量除法。早期产品采用的固定轴法，因难在于保证两个相量相位严格一致，使硬件电路复杂，调试困难，可靠性低。现代产品中大多采用了自由轴法，如图2.1.2所示。自由轴法不是把复数阻抗坐标固定在某一指定的电压相量的方向上，坐标轴的选择可以是任意的，参考电压可以不与任何一个被测电压的方向相同，但应与被测电压之一保持固定的相位关系，且在整个测量过程中保持不变。由此可得Z值。计算时，用标准电阻 代替 ，显然，只要知道每个相量在直角坐标轴上的两个投影值，经过四则运算，即可求出结果。（自由轴原理摘自百度文库） 图2.22.2测量结果与AD之间的转化 测量系统测出的结果是一些模拟信号，并不能直接显示出来，所以，必须要通过AD来采集信号，然后经过转化计算，从而得出可以传给控制系统的数字信号。它们的转化如下式： 最终求得的数字信号如下式：3电路与仿真设计 前面的一些东西，只能大概说出我们所应用的理论，以及部分思路。下面的内容则可以将我们的整体思路，所应用的具体原理和所得到仿真结果体现出来。3.1电路的设计 每一个设计在设计过程中，必不可少的就是电路的设计，而且，电路的设计就好像建造高楼大厦的图纸一样，任何高大坚固的高楼都始于一张张完美的图纸，同样，电路设计也是一样。3.1.1系统总体框图（3.1）手控 系 统手控 系 统电源 系 统测 量系 统信号发生系统AD转换程控系 统液晶显示 图3.13.1.2直流电源的设计与其原理图 要驱动设计的前提需要有一个电压平稳的直流电源。设计原理：交流电网220V的电压通过电源变压器将变为需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还是会随电网电压波动、负载和温度等的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还须接稳压电路，保证输出的直流电压稳定。 如下图整体电路图所示，220V交流电经变压器产生低压交流电，D1、D2、D3、D4和C构成整流滤波电路， Rw调整输出电压大小，从而得到所需电压值。 图3.23.1.3信号发生器设计及其原理图 能构成信号发生器的方法有很多，经过我们多方面考虑，最终选用以ICL8038（内部结构如图3.3）为核心，加之以外部电路，从而构成本设计的信号发生系统。它的原理如下：（摘自百度文库） 图3.3 由上图可知外接电容C由两个恒流源充电和放电，振荡电容C由外部接入，它是由内部两个恒流源来完成充电放电过程。恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C连续充电，增加电容电压，从而改变比较器的输入电平，比较器的状态改变，带动触发器翻转来连续控制的。当触发器的状态使恒流源2处于关闭状态，电容电压达到比较器1输入电压规定值的23倍时，比较器1状态改变，使触发器工作状态发生翻转，将模拟开关K由B点接到A点。由于恒流源2的工作电流值为2I，是恒流源1的2倍，电容器处于放电状态，在单位时间内电容器端电压将线性下降，当电容电压下降到比较器2的输入电压规定值的13倍时，比较器2状态改变，使触发器又翻转回到原来的状态，这样周期性的循环，完成振荡过程。在以上基本电路中很容易获得4种函数信号，假如电容器在充电过程和在放电过程的时间常数相等，而且在电容器充放电时，电容电压就是三角波函数，三角波信号由此获得。正弦函数信号由三角波函数信号过非线性变换而获得。利用二极管的非线性特性，可以将三角波信号的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。电路图如图（3.4） 图3.43.1.4测量系统设计及其原理图 测量系统方案选取的成败，决定着设计的成与败。因此，我们选用了伏安法中的自由轴法。它所应用的原理在上面有论述，这里不再讨论。设计原理如下： 前端测量电路的作用是分别测出流经被测件的电压 及代表恒定电流大小的电压 。一个典型的RLC测试仪的前端电路如图（3.4）所示，它由差分放大器(A )、I/V转换器(A )和输入放大器(A )三部分组成。测量时，先通过程控使开关 置1端，使差分放大器测量 流过 上的电压 。为测出电流 的大小，需先将其由I/V转换器转换为电压，其中标准电阻 , , 用来改变量程.这样，当通过程控使开关 置2端时，差分放大器 便可测出代表流过被测件上电流大小的电压，然后将其送入AD中。 （注：图3.5画错了，应将 的反相输入端和同相输入端对调）。 图3.53.1.5控制系统设计及其原理图 控制系统的选择，我们是依据自身的情况而选的。我们是以STC80C52为核心构建起来的。虽然，应用的单片机可能不是特别先进，但是，它易学习，易操作便成为我们最终的选择方案。 STC80C52引脚图如图（3.6） 图3.6控制系统的主要功能是控制输入信号的频率，测量系统的自动换挡，AD信号的采样与计算，以及液晶屏的显示。它的一系列工作原理都需要有个完美的程序。例：驱动AD的程序如下： #include sbit cs=P00; sbit CLOCK=P01; sbit DIN=P02; sbit DOUT=P03; #define uchar unsigned char #define uint unsigned int void t100() uchar i; for(i=0;i100;i+) uint read2453(uchar port) uint data ad; uchar data i; uchar data al=0,ah=0; CLOCK=0; cs=0; port=4; for(i=0;i4;i+) DIN=(bit)(port&0x80); CLOCK=1; CLOCK=0; port=1; DIN=0; for(i=0;i8;i+) CLOCK=1; CLOCK=0; cs=1; t100(); cs=0; for(i=0;i4;i+) DOUT=1; CLOCK=1; al=1; if(DOUT)ah=0x01; CLOCK=0; for(i=0;i8;i+) DOUT=1; CLOCK=1; al=1; if(DOUT)al=0x01; CLOCK=0; cs=1; ad=(uint)ah; ad=8; ad=al; return(ad); 3.2 LCR测量仪的仿真实现 好的设计都应该经过如下几个步骤：（1）了解设计所需了解的原理 （2）构思电路图 （3）分部分仿真 （4）搭建电路 （5）焊接成品。上面我们已将前两步完成，接下来就应该有个模块化的仿真电路。如下图（3.7-）： 前端测量电路的仿真图： 图3.7 产生波形如下图： 图（3.8） 经前测量电路输出后，再将信号传给AD之前应先通过一个半波整形，仿真图如下： 图3.9输出波形如下图： 图3.104测试方案与测试结果4.1测试方案及仪器 测试的方案可分为两部分。第一部分：用DS1102E数字模拟示波器，DG1022数字信号发生器，4.2测试结果分析与结论 参考文献1 杨素行，模拟电子技术简明教程，北京：高等教育出版社，1985.2