RCL测量仪报告焦凯

1、 . . . RCL测量仪报告摘要：综观现在的电阻，电容和电感测试仪，一般是和专门的函数信号发生器捆绑在一起，大多价格昂贵，体积较大，不适宜用于需要移动测量的场合和野外作业。本文主要介绍了高精度智能RCL测试仪的一种系统设计方案。以AT89C51单片机为核心，利用555定时器与三点振荡电路产生测量电阻，电容和电感的振荡信号，利用单片机卓越的记数功能测量所产生的频率量，再利用编程设计将其转换为要测量的物理量，从而得到三种元件的实际值大小，最后通过键盘和LED实现数字显示。整个系统采用单片机智能控制，进行数据的分析处理和运算，能够对数据做出快速正确的处理，并且有利于其他功能的扩展和实现。它成本低廉

2、，体积小，便于携带，几乎能满足大多数的应用场合。 关键词：  频率   单片机  测量   振荡。目录引言21方案的比较和选择31.1电桥法31.2谐振法31.3伏安法42 系统硬件电路设计52.1系统设计方案52.2单元电路设计方案52.2.1测量电阻Rx的RC振荡电路52.2.2测量电容Cx的RC振荡电路72.2.3测量电感Lx的电容三点式振荡电路72.2.4滤波电路82.3系统整体电路104 系统软件设计114.1频率的测量方法和误差分析114.2软件设计134.3仿真结果144.4 PCB设计165总结176参考文献

3、3 / 20引言随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，软件技术的高度发展与其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以与新的仪器结构不断出现，产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势，设备的性能，价格，发展空间等备受人们的关注，尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。纵览目前国外的RLC测试仪，硬件电路往往比较复杂，体积比较庞大，不便携带，而且价格比较昂贵。例如传统的用阻抗法、Q表、电桥平衡法等测试RLC的过程中不够智能而且体积笨重，价格昂贵，需要外围环境优越，测试操作过程中需要调

4、试很多参数，对初学者来说很不方便，当今社会，对RLC的测试虽然已经很成熟了，但是价格和操作简单特别是智能方面有待发展，价格便宜和操作简单、智能化的仪表开发和应用存在巨大的发展空间。研制出一种价格便宜和操作简单、自动转换量程、体积更小、功能强大、便于携带的RLC测试仪，充分利用现代单片机技术，研究了基于单片机的智能RLC测试仪，人机界面友好、操作方便的智能RLC测试仪，具有十分重要的意义。本次设计是通过STC89C52单片机测量出电阻，电容，电感值的电路。其主要功能：由555时基电路构成多谐振荡器，电容三点式振荡电路将R,C,L值转换成频率，再由单片机通过开关是否按下的情况来确定CD4052四选

5、一开关的断开与闭合确定是测量电阻，电容，电感的频率。再由单片机算出其值，送显示电路将值显示出来。1方案的比较和选择RLC参数的测量方法主要有电桥法、谐振法、伏安法和振荡法。通过对不同方案的比较，得出适合方法，最后选择了振荡法。1.1电桥法电桥法是能同时测量电器元件R、L、C最典型的方法，如图1所示。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。电桥平衡的条件为GZ1Z2ZxZn图1 RLC测量电桥通过调节阻抗Z1、Z2使电桥平衡，这时电表读数为零。根据平衡条件与一些已知的电路参数就可以求出被测参数。用这种测量方法，参数的值还要通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥平衡的判别亦

6、难以用简单的电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。1.2谐振法谐振法可以用来测量L、C值，如图2所示。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，这种测量方法要求的频率连续可调，直至谐振。因此它对震荡器要求较高，另外，和电桥法一样，调节和平衡判断很难实现智能化。图2 谐振法测量L、C原理图1.3伏安法伏安法是测量电阻的最基本方法，如图3所示。分别用电流表和电压表测出通过电阻的电流和电压，根据公式R=U/I求得电阻。这种测量方法要同时测出两个模拟量，不易实现自动化。而指针式万用表欧姆挡是把被测电阻与标准电阻与电池串联，用电流表测出电流，由于被测电阻与电流一一对应，由此就可读出

7、被测电阻阻值，如图4所示。这种测量的方法的精度变化大，若要较高的精度，必须较多的量程，电路复杂。AVRx图3 伏安法测量电阻原理图 图4 万用表测量电阻原理图以上各种方法都难以实现智能化，因此没有被本仪表采用。很多仪表都是把较难测量的物理量转变精度较高且较容易测量的物理量。基于此思路，我们把电子元件的集中参数R、C、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、L的值 ，并显示，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近似地转化为数字量，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。2 系统硬件电路设计2.1系统设计方案系统原理框图如图5所示，测量电阻和电容的原理

8、采用RC振荡将测量参数R、C转换成频率信号f，进而将测量模拟量转换成数字量；采用类似的方法，测量电感的原理采用电容三点式振荡来实现对电感的测量。经过振荡部分得到的数字参数f再由单片机处理，最后将处理结果在显示器上显示。此方案实现的精度高，容易实现自动测量，电路相对简单。单片机模拟开关Addr频率功能选择按键LCD显示器RC振荡器RC振荡器电容三点式振荡器被测电阻被测电容被测电感图5 系统原理框图2.2单元电路设计方案根据选择的系统方案，可以清楚的知道，主要的电路设计是振荡模块，其设计与整个系统的精确度有密切联系。测量电阻和电容的振荡电路很类似，而测量电感的三点式振荡电路则不同。2.2.1测量电

9、阻Rx的RC振荡电路图6是一由555电路构成的多谐振荡电路。它的振荡周期为即 (1)式中,。为了避免直接采用式(1)来计算时由于某种原因引起的非线性误差,本仪表引入了直线插值算法,做法如下：用本仪表去测量标准电阻R0、R1Rn，记下测得相应的周期T0、T1Tn，得到基准点（R0，T0）、（R1，T1）（Rn，Tn），则有(i=0,1,n)测量未知电阻Rx时，测得的周期为T，若,则联立以上三式，得 （2）用式（2）计算Rx时，结果与电路中的元件参数无关，这样可以避免电路元件带来的误差。通过选用高精度的基准电阻和增加基准点的个数，便可使测量结果的误差在允许的围。图6 测电阻Rx的RC振荡电路2.2

10、.2测量电容Cx的RC振荡电路如图7所示，测量Cx的RC振荡电路与测Rx的振荡电路完全一样。取R1=R2，则式中与测量电阻的过程相似，通过标准电容的测量可以得到基准点，当测量未知电容得到相应的脉冲周期为T时，有 （3）图7 测量电容Cx的RC振荡电路2.2.3测量电感Lx的电容三点式振荡电路如图8所示，在电容三点振荡电路中，C1、C2分别采用1000pF和2200pF的独石电容，其电容值远大于晶体管极间电容，可以把极间电容忽略。这样根据振荡频率公式: (4)其中对于10uH的电感由于单片采用12MHz晶振,最快只能计几百kHz的频率,因此在测电感这一档时,应分频后再送单片机计数。由式(4)得,

11、其中通过对一些标准电感的测量,可得到一些基准点,，当测量未知电感得到相应的脉冲周期的平方为时，由直线插值法可得 （5）图8 测量电感Lx的电容三点式振荡电路2.2.4滤波电路要使振荡器输出的频率绝对不变是很难做到的，这将会使在测量的过程中读数不停地跳动而影响读数，待别是在某个整数附近跳动时（比如在5000跳动时，读数就会在4999至5001中不停地跳动，每一位数字都是在变化的）读数就更难看清楚了，因此很有需要去使读数稳定下来。在模拟电路中，用RC低通滤波电路可以使输出信号的波动减小，若用软件的方法模拟RC低通滤波电路，同样可以使输出的数值变得稳定一些，这就是数字惯性滤波法。RC低通电路如图9所

12、示，为输入信号，为输出信号。建立图9的微分方程得，将上式离散化，得 图9 RC低通滤波电路或令得 (15)由上式可知，越大，就越平稳，但响应时间会增大。图10 稳定读数子程序流程图在本仪表中，若采用式(15)进行稳定读数，仍会存在一些问题。为了使读数足够稳定，应选择较大的值，这必然会增大了读数的时间。为了克服这个问题，可将式(15)进行如下改进 (16)式(16)用流程图描述如图10所示。2.3系统整体电路系统整体电路图如下图11所示，主要包括如下电路部分：（1） 复位电路如图中选择的芯片型号为89C52，其引脚分布和89C51是一样的，可以兼容使用。芯片的复位脚为引脚9，当复位引脚RST出现

13、5ms以上的高电平时，单片机就完成了复位操作。图11 系统硬件电路图（2） 时钟电路芯片的引脚18 XTAL2和引脚19 XTAL1，外部要接晶体整荡器，电路图如上面图中示，晶振选择的为12MHZ，电容C1，C2起稳定振荡频率，快速起振的作用，选择值为30pf。这种电路得到的时钟信号比较稳定，电路实用。（3） 数码管显示电路通过单片机控制显示所测的电阻，电容，电感的数值。此数码管为共阳极类型，这是我们在编程必须要考虑到的。（4）图11中芯片引脚31，此引脚接高电平时，表示单片机访问部程序存储器；此引脚接低电平时，表示单片机只访问外部程序存储器。（5）图中主要电路是下方的三个电路模块，分别是测量

14、电阻，电容的555振荡电路模块和测量电感LC振荡电路模块。4 系统软件设计通过对系统的误差分析，选择不同的频率测量方法以尽量减小测量误差，然后根据不同的测量方法设计软件实现系统功能。4.1频率的测量方法和误差分析设在时间t检测到n个脉冲，则脉冲周期 (6) T对t和n的全微分 (7) T的相对误差 (8) 测量脉冲周期的测量，有定时计数和定数计时两种方法，利用AT89S51单片机里的T0和T1两个定时器/计数器可以实现，下面分别讨论这两种方法的测量精度。定时计数法 定时计数法的具体做法是：a. 将T0设为定时器，T1设为计数器。b. 设定T0的定时中断时间t并允许中断，将T1清0。c. 同时启

15、动T0和T1，等待T0中断。d. 在T0的中断服务子程序中读出T1的计数值n。e. 将t和n代入式(6)求出脉冲周期T。采用定时计数法时，计时误差t可忽略，可认为dt=0,最大计数误差为一个脉冲，即，代入式(8)得， (9)若要保证其相对误差不超过0.1%，即，则有或 (10)若T0设为50ms中断，则由式(6)得或 (11)上式表明，定时计数法宜用在被测频率较高的场合。定数计时法a. 将T0设为定时器，T1设为计数器。b. 设定T1的计数中断次数n并允许中断，将T0清0。c. 同时启动T0和T1，等待T1中断。d. 在T1的中断服务子程序中读出T0的计时值t。e. 将t和n代入式(6)求出脉

16、冲周期T。采用定数计时法时，计数误差dn=0,最大计时误差为一个机器周期，本系统采用了12M晶振，机器周期为1us，故us，代入式(8)得， (12)若要保证其相对误差不超过0.1%，即，则有或us=1ms (13)由式(6)得(ms)或(KHz) (14)上式表明，定数计时法宜用在被测频率较低的场合。为了增大本仪表的测量围，应尽量增大频率的测量围，本系统将频率测量围定在1Hz-200KHz。为保证测量精度和缩短测量时间，应将频率测量围进行分量程，在不同的量程采用不同的测量方法。根据式(11)和式(14)，可将频率测量的围分为以下几量程：量程1：1Hz-1KHz，采用1次定数计时法测量量程2：

17、1KHz-20KHz,采用20次次定数计时法测量量程3：20KHz-200KHz，采用50ms定时计数法测量频率的测量主要由T0中断和T1中断来完成，其流程图分别如图12和图13所示。量程自动转换原理：单片机在某次测量频率后，若发现频率不在本次测量的量程，就根据所测量到的频率所在的围选择相应的测量方法，达到自动转换量程的目的。图12 T0中断子程序流程图 图13 T1中断子程序流程图4.2软件设计主程序流程图如图14所示。不管是电阻、电容还是电感，都是转为频率后再测量的，因此频率或周期的测量是本软件的核心，其精度会直接影响到本仪表的精度。频率或周期的测量可以利用单片的计时和计数功能来实现。图1

18、4 主程序流程图4.3仿真结果通过用Protues对设计的程序进行调试，虽然测量结果存在一点误差，但基本实现了对电阻，电容，电感参数的测量。如下仿真图是测量2200pF电容的结果。图15 电容仿真图如下图16是测量5000欧电阻的结果，可以看出测量结果存在误差，但基本功能已实现。图16 电阻仿真图如下图17所示是2000uH电感的测量值，如图可知测量存在一定误差，但基本功能已实现。图17 电感仿真图4.4 PCB设计这次使用Protel软件完成电路图和PCB的设计，主要还是一个学习的过程，亲身经历电子设计这样一个完整的过程。打开Protel软件，在File>New中新建一个名为数据库文件

19、，并将其设置合适的保存位置；双击Documents文件夹，再次选择File>New菜单，打开New Document对话框。双击其中的Schematic Document图标，新建一个分别为Sheet1.Sch的原理图文件。 双击原理图子文档，启动原理图编辑器。选择Design>Options菜单，打开Document Options对话框。选择图纸的规格，然后单击OK；然后就可以按照原理图绘制了。原理图绘制完后，加上元件的封闭，电气规则检查，没有错误，更新PCB，自动布线，得到如图18所示的PCB图。图18 系统PCB图5总结这个阶段首先是对单片机开发板的学习，然后查找RCL测量

20、仪资料，设计实现RCL测量仪的基本功能。以前对单片机进行理论方面的学习，学习效果可以说是非常不好，所以在这一阶段已开始，我就通过在单片机开发板上做实验，对单片机有了一个更具体的认识，这对后面的RCL测量仪的设计必不可少的。另外，就是对单片机语言（也可以说是C语言）的更深的理解，因为以前单纯的学C语言感觉也是很抽象的。我想以后在别的编程语言的时候也可以使用这种方法，效果应该会更好。当然，经过这个阶段的学习更加熟悉KEIL,PROTUES,PROTEL软件的使用。本次设计是用振荡电路把RLC的参数转换成频率，再用单片机计算频率，然后对其值进行出来后再显示RLC的值，报告中主要讲述了测量频率从而实现

21、电阻、电容和电感测量的方法，和具体硬件电路的搭建以与程序代码的编写。最后，基本实现了RCL测量仪的测量功能。但存在的很多不足是RCL测量量程有限，这也是以后可以深入设计的方向。在焊接电路的过程中，因为不是使用的腐蚀板或PCB板，所以先要画出焊接电路或者心里大致有布线布局，这样既可以慢慢养成一种好的习惯，焊接出的电路与美观也便于出错时修改。这个过程也出现了很多错误，比如单片机复位脚复位前没有完全接地，致使单片机不工作等等。所以说只有自己亲手做过，才能体会到这种学习的过程。6 参考文献1.   康华光,邹寿彬.电子技术基础（数字部分.高等教育. 2000年6月 .2. 

22、;       康光华,大钦. 电子技术基础(模拟部分).  高等教育. 1999年6月3.        曾兴雯,乃安,健. 高频电路原理分析. 电子科技大学. 2001年8月4.        东剑,永左.单片机软硬件设计与工程.中国商业.2002年6月.5.   何立民. 单片机高级教程应用与设计. 航空航天大学. 1999年12月6.        翁桂荣,邹新丽.单片微型计算机接口技术.大学.2002年4月.7.     &