簡易數(shù)字式電阻、電容和電感測量儀設(shè)計(jì)

1、簡易數(shù)字式電阻、電容和電感測量儀設(shè)計(jì)報(bào)告摘要：本系統(tǒng)利用TI公司的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F149和ICL8038精密函數(shù)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)對電阻、電容和電感參數(shù)的測量。本系統(tǒng)以自制電源作為LRC數(shù)字電橋和各個(gè)主要控制芯片的輸入電源，并采用ICL8038芯片產(chǎn)生高精度的正弦波信號流經(jīng)待測的電阻、電容或者電感和標(biāo)準(zhǔn)電阻的串聯(lián)電路，通過測量電阻、電容或者電感和標(biāo)準(zhǔn)電阻各自的電壓，利用電壓比例計(jì)算的方法推算出電阻值、電容值或者電感值。利用MSP430F149單片機(jī)控制測量和計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用自校準(zhǔn)電路提高測量精度，同時(shí)用差壓法，消除了電源波動對結(jié)果的影響。測量結(jié)果采用12864液晶模塊實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)測試

2、結(jié)果表明，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量精度高。關(guān)鍵詞：LRC數(shù)字電橋、電壓比例法、液晶模塊、MSP430F149、電阻電容電感測量1、 設(shè)計(jì)內(nèi)容及功能1.1設(shè)計(jì)內(nèi)容 設(shè)計(jì)并制作一臺簡易數(shù)字式電阻、電容和電感參數(shù)測量儀，由測量對象、測量儀、LCD顯示和自制電源組成，系統(tǒng)模塊劃分如下圖所示： 1.2 具體要求 1. 測量范圍（1）基本測量范圍：電阻1001M；電容100pF10000pF；電感100H10mH。 （2）發(fā)揮測量范圍：電阻1010M；電容50pF10F；電感50H1H。 2. 測量精度（1）基本測量精度：電阻 5% ；電容 10% ；電感 5% 。 （2）發(fā)揮測量精度：電阻 2% ；電容 8

3、% ；電感 8% 。 3. 利用128*64液晶顯示器，顯示測量數(shù)值、類型和單位。 4. 自制電源5. 使用按鍵來設(shè)置測量的種類和單位1.3系統(tǒng)功能 1. 基本完成以上具體要求 2. 使用三個(gè)按鍵分別控制R、C、L的測試 3. 采用液晶顯示器顯示測量結(jié)果 二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與選擇電阻、電容、電感測試儀的設(shè)計(jì)目前有多種方案可以實(shí)現(xiàn)，例如、使用可編程邏輯控制器(PLC)、振蕩電路與單片機(jī)結(jié)合或CPLD與EDA相結(jié)合等等來實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)前本文對各種方案進(jìn)行了比較：方案一.基于模擬電路的測量儀利用模擬電路，電阻可用比例運(yùn)算器法和積分運(yùn)算器法，電容可用恒流法和比較法，電感可用時(shí)間常數(shù)發(fā)和同步分離法等，雖然避

4、免了編程的麻煩，但電路復(fù)雜，所用器件較多，靈活性差，測量精度低，現(xiàn)在已較少使用。 方案二.可編程邏輯控制器(PLC) 此方案采用PLC對硬件進(jìn)行控制，應(yīng)用較為廣泛。它能夠非常方便地集成到工業(yè)控制系統(tǒng)中。其速度快，體積小，可靠性和精度都較好，在設(shè)計(jì)中可采用PLC對硬件進(jìn)行控制，但是用PLC實(shí)現(xiàn)價(jià)格相對昂貴，因而成本過高。 方案三.采用CPLD或FPGA實(shí)現(xiàn)此方案則采用廣泛應(yīng)用的VHDL硬件電路描述語言，實(shí)現(xiàn)電阻，電容，電感測試儀的設(shè)計(jì)，利用MAXPLUSII集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行綜合、仿真，并下載到CPLD或FPGA可編程邏輯器件中，完成系統(tǒng)的控制作用。但相對而言設(shè)計(jì)規(guī)模大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。方案四.利用

5、LRC數(shù)字電橋與單片機(jī)結(jié)合利用LRC數(shù)字電橋?qū)㈦娮琛㈦娙莺碗姼袇?shù)轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號，此模擬量由高精度AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。這樣由單片機(jī)處理數(shù)字量，能夠滿足測量精度高、易于實(shí)現(xiàn)自動化測量等設(shè)計(jì)需要，而且單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性、系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置靈活，容易構(gòu)成各種規(guī)模的系統(tǒng)。通過對上述方案的比較，利用LRC數(shù)字電橋與單片機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)電阻、電容、電感測試儀更為簡便可行，節(jié)約成本。所以，本文選定以單片機(jī)為核心來實(shí)現(xiàn)對電阻、電容和電感測量的設(shè)計(jì)。三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。硬件設(shè)計(jì)主要分為七部分：第一部分采用AMS1117芯片制作的電源，輸出穩(wěn)定

6、的3.3V電壓。第二部分為ICL8038芯片產(chǎn)生正弦波。第三部分用RC和RL電路實(shí)現(xiàn)LRC數(shù)字電橋的功能。第四部分是對正弦波進(jìn)行精密濾波的功能。第五部分利用MSP430F149單片機(jī)自帶的AD實(shí)現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的功能。第六部分為MSP430F149單片機(jī)接收轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號并做相應(yīng)的處理，根據(jù)按鍵狀態(tài)控制測量的類型和單位。第七部分為測量結(jié)果顯示部分，采用的是128*64液晶顯示器。系統(tǒng)硬件總體框圖如下：100Hz/1KHz/10KHz正弦信號檔位選擇精密分壓電阻測量對象電阻、電容、電感精密濾波電路穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源3.3V鍵盤控制模塊LCD顯示模塊高精度AD轉(zhuǎn)換高精度AD轉(zhuǎn)換精密濾波電路

7、MPS430F149低功耗單片機(jī)穩(wěn)壓電源圖1 系統(tǒng)硬件總體框圖軟件由4 部分組成：(1) 控制測量程序,單片機(jī)控制測量程序不僅擔(dān)負(fù)著量程的識別與轉(zhuǎn)換,而且還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的修正和傳輸;因此主控制器的工作狀態(tài)直接決定著整個(gè)測量系統(tǒng)能否正常工作,所以控制測量程序?qū)φ麄€(gè)測量來說至關(guān)重要; (2) 按鍵處理程序，根據(jù)按鍵的狀態(tài)做相應(yīng)的功能設(shè)置; (3) 電阻電感電容計(jì)算程序,單片機(jī)根據(jù)A/ D 轉(zhuǎn)換得到的電壓值計(jì)算出電阻、電感或者電容值; (4) 液晶模塊顯示程序。本系統(tǒng)的程序框圖如圖2 所示。圖2 程序框圖3.2系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)3.2.1 電源模塊輸入的外部電源首先經(jīng)過橋式整流、濾波電路濾波，再經(jīng)過AMS11

8、17芯片穩(wěn)壓成3.3V的直流電壓，向MSP430F149主控制器供電。3.2.2 信號產(chǎn)生模塊標(biāo)準(zhǔn)正弦波是保證測量儀的重要條件，特別是在測量電抗元件電容和電感時(shí)，正弦波的失真將產(chǎn)生難以修正的錯(cuò)誤，直接影響測量精度，因此在該測量儀中為保證測量精度，采用了ICL8038芯片產(chǎn)生正弦波。ICL8038精密函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢壘二極管等先進(jìn)工藝制作成的單片集成電路芯片，電源電壓范圍寬、穩(wěn)定度高、易用等優(yōu)點(diǎn)，外部只需接入很少的元件即可工作，可產(chǎn)生多種頻率正弦波，其函數(shù)波形的頻率受內(nèi)部或外部電壓控制。3.2.3 整流濾波模塊整流濾波模塊采用LM324的集成運(yùn)放和LC電路對LRC測試模塊產(chǎn)生的信號進(jìn)行整

9、流濾波，因?yàn)闇y試模塊產(chǎn)生的信號是正弦波，而AD采樣沒辦法采集負(fù)信號，所以要通過整流濾波給后面的AD采樣。因?yàn)檎鳛V波是高阻輸入，但也不是無窮大，所以在做測試模塊時(shí)，分壓電阻最好小于100K。3.2.4 AD采樣模塊本模塊利用MSP430F149單片機(jī)自帶的AD轉(zhuǎn)換功能把整流濾波后的模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號，并傳送給處理器。3.2.5 主控制模塊本模塊采用低功耗的MSP430F149微處理器控制AD裝換，并對轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理；通過按鍵控制測量的類型和單位。3.2.6 顯示模塊通過LCD驅(qū)動程序?qū)SP430F149處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定顯示，在測試期間顯示能夠保持穩(wěn)定狀

10、態(tài)，當(dāng)離開測試能夠迅速歸零。4、 理論分析與計(jì)算本系統(tǒng)主要的功能就是電阻、電容和電感的測量，因此對電阻、電容和電感測量的原理做詳細(xì)的分析。電阻高精度測量較好的方法之一是采用與標(biāo)準(zhǔn)電阻相比較的方法。其主要原理：是在待測電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻的串聯(lián)電路中加一電流。這樣和上將得到電壓和，則測量電阻為： （1）在設(shè)計(jì)中，我們采用了與測量電阻相同的測量方法電壓相除法來測量電容和電感。由于電容和電感屬電抗元件，因此不能采用直流來產(chǎn)生測量信號，而只能采用交流信號。在角頻率為的交流信號的作用下，電容和電感獲得的電壓分別為：（2）（3）、為待測電容和電感。這樣一來，標(biāo)準(zhǔn)元件的選擇就有許多種方法。但為了提高測量精度和降低

11、成本，該測量儀采用了標(biāo)準(zhǔn)電阻，且與電阻測量公用一套標(biāo)準(zhǔn)電阻。所以有：（4）經(jīng)過計(jì)算可得：（5）（6）其中、和分別為、和的模值。由公式（5）、（6）式可見，為保證測量精度，必須保證電阻的精度和的高穩(wěn)定值。為此，我們在該設(shè)計(jì)中采用了高精度的ICL8038芯片產(chǎn)生正弦波，同時(shí)輸出緩沖器采用了運(yùn)算放大器。為保證波形精度采用了閉環(huán)深度負(fù)反饋方式。此外，本設(shè)計(jì)中還采用了運(yùn)算放大器補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)無失真AC-DC的轉(zhuǎn)換，以確保測量精度。五、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5.1 電源電路MSP430F149微處理器需要3.3V電壓供電，但是外部輸入的電壓通常不是3.3V的電壓源，所以需要設(shè)計(jì)電路把外部輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3V電壓，

12、如圖3所示，采用的是AMS1117芯片，可以輸出3.3V電壓，然后經(jīng)過濾波輸出穩(wěn)定的3.3V供給MSP430F149。圖3 穩(wěn)壓3.3V產(chǎn)生電路52 LRC測量電路如圖4所示，LRC各元件的測量是通過基本的RR電路，RL電路和RC電路來進(jìn)行的。當(dāng)探針的兩端接電阻元件時(shí)，此電路就組成的是基本的RR電路；當(dāng)探針的兩端接電容元件時(shí)，此電路就組成的是基本的RC電路；當(dāng)探針的兩端接電感元件時(shí)，此電路就組成的是基本的RL電路。輸入的正弦波可以接頻率為100HZ、1KZ和10KHZ。圖4 LRC測量電路5.3 整流濾波電路此電路采用LM324的集成運(yùn)放和LC電路對LRC測試模塊產(chǎn)生的信號進(jìn)行整流濾波。因?yàn)闇y

13、試電路產(chǎn)生的信號是正弦波，而AD采樣沒辦法采集負(fù)信號，所以要通過電路整流濾波給后面的AD采樣，電路圖如圖5所示。圖5整流濾波電路六、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)6.1 控制測量程序模塊單片機(jī)控制測量程序不僅擔(dān)負(fù)著量程的識別與轉(zhuǎn)換,而且還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的修正和傳輸;因此主控制器的工作狀態(tài)直接決定著整個(gè)測量系統(tǒng)能否正常工作,所以控制測量程序?qū)φ麄€(gè)測量來說至關(guān)重要?？刂茰y量流程圖如圖8所示。圖8 控制測量程序流程圖6.2 按鍵處理程序模塊開始結(jié)束初始化執(zhí)行鍵功能有無按鍵操？作？有無按鍵處理程序的主要功能是設(shè)置測量的類型和測量的檔位，當(dāng)有按鍵被按下時(shí)就執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能，流程如圖9所示。圖9 按鍵處理程序流程圖6.3電阻電

14、感電容計(jì)算程序單片機(jī)根據(jù)A/ D 轉(zhuǎn)換得到的電壓值計(jì)算出電阻、電感或者電容值，該程序流程圖如圖10所示。圖10電阻電感電容計(jì)算程序流程圖6.4液晶顯示程序模塊該程序模塊只有一個(gè)功能，就是對測量結(jié)果清晰正確的顯示出來，并能夠保持穩(wěn)定。程序流程圖如圖11所示。圖11液晶顯示程序模塊流程圖七、系統(tǒng)測試7.1 測試原理：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以MSP430F149單片機(jī)為核心的電阻、電容、電感測試儀，將電阻，電容，電感，使用對應(yīng)的振蕩電路轉(zhuǎn)化為電壓實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的測量。其中100HZ/1MHZ/10MHZ的正弦波是采用ICL8038芯片產(chǎn)生的，將模擬電壓信號送入AD采樣，通過AD把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再把數(shù)

15、字信號送入MSP430F149單片機(jī)處理。以IAR Embedded Workbench為仿真平臺，使用C語言編寫了系統(tǒng)應(yīng)用軟件；包括主控制模塊、顯示模塊、電阻測試模塊、電容測試模塊和電感測試模塊。7.2 測試方法：在測試時(shí)將被測參數(shù)通過本系統(tǒng)測量出來的示值與參數(shù)的標(biāo)稱值進(jìn)行對比，得到本系統(tǒng)的測量精度。7.3 測試儀器：示波器，萬用表。7.4 測試結(jié)果：通過按鍵操作，實(shí)現(xiàn)測量類型和量程的選擇，根據(jù)測量結(jié)果對設(shè)計(jì)進(jìn)一步進(jìn)行校正和對實(shí)現(xiàn)功能的可靠性的確認(rèn)。測試結(jié)果如下：1電阻測試數(shù)據(jù)如表1所示。表1電阻測試數(shù)據(jù)標(biāo)稱值()系統(tǒng)測量（）相對誤差(%)20.020.010.05200.0199.770.

16、1156000.05993.750.10450000.049926.630.147.0.0015.9502電容測試數(shù)據(jù)如表 2所示。表 2電容測試數(shù)據(jù)讀取示值（pF）標(biāo)稱值（pF）相對誤差值（%）1041004.034.1333.39.2108.03電感測試數(shù)據(jù)如表3所示。表 3電感測試數(shù)據(jù)讀取示值（mH）標(biāo)稱值（mH）相對誤差值（%）219.47218.290.5416.6816.550.780.8620.8540.937.5 測試分析：根據(jù)以上的測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)完成了文章開始所提出設(shè)計(jì)內(nèi)容和功能。本測量儀的測量范圍較寬,并且達(dá)到了很好的精度,相對誤差小于1 %。在實(shí)際測量中，由于測試環(huán)

17、境，測試儀器，測試方法等都對測試值有一定的影響，都會導(dǎo)致測量結(jié)果或多或少地偏離被測量的真值。為了減小本設(shè)計(jì)中誤差的大小，主要利用修正的方法來減小本測試儀的測量誤差。所謂修正的方法就是在測量前或測量過程中，求取某類系統(tǒng)誤差的修正值。在測量的數(shù)據(jù)處理過程中選取合適的修正值很關(guān)鍵，修正值的獲得有三種途徑。第一種途徑是從相關(guān)資料中查??；第二種途徑是通過理論推導(dǎo)求??；第三種途徑是通過實(shí)驗(yàn)求取。本測試修正值選取主要通過實(shí)驗(yàn)求取，對影響測量讀數(shù)的各種影響因素，如溫度、濕度、電源電壓等變化引起的系統(tǒng)誤差。通過對相同被測參數(shù)的多次測量結(jié)果和不同被測參數(shù)的多次測量選取平均值，最后確定被測參數(shù)公式的常數(shù)K值，從而達(dá)到減小本設(shè)計(jì)系統(tǒng)誤差的目的。由于振蕩電路外圍器件由電容電阻分立元件搭接而成，所以由振蕩電路產(chǎn)生的被測參數(shù)對應(yīng)的頻率有一定的誤差，所以只能通過多次實(shí)驗(yàn)測量，選取合適的修正值來盡可能的減少本測試系統(tǒng)的誤差。八、系統(tǒng)總結(jié)本系統(tǒng)采用單片機(jī)和LRC數(shù)字電橋結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了