簡(jiǎn)易數(shù)字式電阻、電容和電感測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

1、簡(jiǎn)易數(shù)字式電阻、電容和電感測(cè)量?jī)x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(duì)電阻、電容和電感參數(shù)的測(cè)量。本系統(tǒng)以自制電源作為L(zhǎng)RC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(hào)流經(jīng)待測(cè)的電阻、電容或者電感和標(biāo)準(zhǔn)電阻的串聯(lián)電路，通過(guò)測(cè)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(cè)量和計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用自校準(zhǔn)電路提高測(cè)量精度，同時(shí)用差壓法，消除了電源波動(dòng)對(duì)結(jié)果的影響。測(cè)量結(jié)果采用12864液晶模塊實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2、結(jié)果表明，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測(cè)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(cè)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(tái)簡(jiǎn)易數(shù)字式電阻、電容和電感參數(shù)測(cè)量?jī)x，由測(cè)量對(duì)象、測(cè)量?jī)x、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(cè)量范圍（1）基本測(cè)量范圍：電阻1001M；電容100pF10000pF；電感100H10mH。 （2）發(fā)揮測(cè)量范圍：電阻1010M；電容50pF10F；電感50H1H。 2. 測(cè)量精度（1）基本測(cè)量精度：電阻 5% ；電容 10% ；電感 5% 。 （2）發(fā)揮測(cè)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(cè)量數(shù)值、類型和單位。 4. 自制電源5. 使用按鍵來(lái)設(shè)置測(cè)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(cè)試 3. 采用液晶顯示器顯示測(cè)量結(jié)果 二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與選擇電阻、電容、電感測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)前本文對(duì)各種方案進(jìn)行了比較：方案一.基于模擬電路的測(cè)量?jī)x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(cè)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(duì)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(duì)硬件進(jìn)行控制，但是用PLC實(shí)現(xiàn)價(jià)格相對(duì)昂貴，因而成本過(guò)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(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)電阻，電容，電感測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，利用MAXPLUSII集成開(kāi)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(duì)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?、電容和電感參?shù)轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號(hào)，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(cè)量精度高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)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(guò)對(duì)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(cè)試儀更為簡(jiǎn)便可行，節(jié)約成本。所以，本文選定以單片機(jī)為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻、電容和電感測(cè)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(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(hào)并做相應(yīng)的處理，根據(jù)按鍵狀態(tài)控制測(cè)量的類型和單位。第七部分為測(cè)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(hào)檔位選擇精密分壓電阻測(cè)量對(duì)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(pán)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(cè)量程序,單片機(jī)控制測(cè)量程序不僅擔(dān)負(fù)著量程的識(shí)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(cè)量系統(tǒng)能否正常工作,所以控制測(cè)量程序?qū)φ麄€(gè)測(cè)量來(lái)說(shuō)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(guò)橋式整流、濾波電路濾波，再經(jīng)過(guò)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(hào)產(chǎn)生模塊標(biāo)準(zhǔn)正弦波是保證測(cè)量?jī)x的重要條件，特別是在測(cè)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(cè)量精度，因此在該測(cè)量?jī)x中為保證測(cè)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(shì)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(duì)LRC測(cè)試模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行整

9、流濾波，因?yàn)闇y(cè)試模塊產(chǎn)生的信號(hào)是正弦波，而AD采樣沒(méi)辦法采集負(fù)信號(hào)，所以要通過(guò)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(wú)窮大，所以在做測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，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(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理；通過(guò)按鍵控制測(cè)量的類型和單位。3.2.6 顯示模塊通過(guò)LCD驅(qū)動(dòng)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(cè)試期間顯示能夠保持穩(wěn)定狀

10、態(tài)，當(dāng)離開(kāi)測(cè)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(cè)量，因此對(duì)電阻、電容和電感測(cè)量的原理做詳細(xì)的分析。電阻高精度測(cè)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(cè)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(cè)量電阻為： （1）在設(shè)計(jì)中，我們采用了與測(cè)量電阻相同的測(cè)量方法電壓相除法來(lái)測(cè)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(lái)產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)，而只能采用交流信號(hào)。在角頻率為的交流信號(hào)的作用下，電容和電感獲得的電壓分別為：（2）（3）、為待測(cè)電容和電感。這樣一來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)元件的選擇就有許多種方法。但為了提高測(cè)量精度和降低

11、成本，該測(cè)量?jī)x采用了標(biāo)準(zhǔn)電阻，且與電阻測(cè)量公用一套標(biāo)準(zhǔn)電阻。所以有：（4）經(jīng)過(guò)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(jiàn)，為保證測(cè)量精度，必須保證電阻的精度和的高穩(wěn)定值。為此，我們?cè)谠撛O(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(wú)失真AC-DC的轉(zhuǎn)換，以確保測(cè)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(guò)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(cè)量電路如圖4所示，LRC各元件的測(cè)量是通過(guò)基本的RR電路，RL電路和RC電路來(lái)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(cè)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(duì)LRC測(cè)試模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行整流濾波。因?yàn)闇y(cè)

13、試電路產(chǎn)生的信號(hào)是正弦波，而AD采樣沒(méi)辦法采集負(fù)信號(hào)，所以要通過(guò)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(cè)量程序模塊單片機(jī)控制測(cè)量程序不僅擔(dān)負(fù)著量程的識(shí)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(cè)量系統(tǒng)能否正常工作,所以控制測(cè)量程序?qū)φ麄€(gè)測(cè)量來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。控制測(cè)量流程圖如圖8所示。圖8 控制測(cè)量程序流程圖6.2 按鍵處理程序模塊開(kāi)始結(jié)束初始化執(zhí)行鍵功能有無(wú)按鍵操？作？有無(wú)按鍵處理程序的主要功能是設(shè)置測(cè)量的類型和測(cè)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(duì)測(cè)量結(jié)果清晰正確的顯示出來(lái)，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(cè)試7.1 測(cè)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(cè)試儀，將電阻，電容，電感，使用對(duì)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(cè)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(hào)送入AD采樣，通過(guò)AD把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再把數(shù)

15、字信號(hào)送入MSP430F149單片機(jī)處理。以IAR Embedded Workbench為仿真平臺(tái)，使用C語(yǔ)言編寫(xiě)了系統(tǒng)應(yīng)用軟件；包括主控制模塊、顯示模塊、電阻測(cè)試模塊、電容測(cè)試模塊和電感測(cè)試模塊。7.2 測(cè)試方法：在測(cè)試時(shí)將被測(cè)參數(shù)通過(guò)本系統(tǒng)測(cè)量出來(lái)的示值與參數(shù)的標(biāo)稱值進(jìn)行對(duì)比，得到本系統(tǒng)的測(cè)量精度。7.3 測(cè)試儀器：示波器，萬(wàn)用表。7.4 測(cè)試結(jié)果：通過(guò)按鍵操作，實(shí)現(xiàn)測(cè)量類型和量程的選擇，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)一步進(jìn)行校正和對(duì)實(shí)現(xiàn)功能的可靠性的確認(rèn)。測(cè)試結(jié)果如下：1電阻測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。表1電阻測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)稱值()系統(tǒng)測(cè)量（）相對(duì)誤差(%)20.020.010.05200.0199.770.

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

17、境，測(cè)試儀器，測(cè)試方法等都對(duì)測(cè)試值有一定的影響，都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果或多或少地偏離被測(cè)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(lái)減小本測(cè)試儀的測(cè)量誤差。所謂修正的方法就是在測(cè)量前或測(cè)量過(guò)程中，求取某類系統(tǒng)誤差的修正值。在測(cè)量的數(shù)據(jù)處理過(guò)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?。坏诙N途徑是通過(guò)理論推導(dǎo)求??；第三種途徑是通過(guò)實(shí)驗(yàn)求取。本測(cè)試修正值選取主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)求取，對(duì)影響測(cè)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(guò)對(duì)相同被測(cè)參數(shù)的多次測(cè)量結(jié)果和不同被測(cè)參數(shù)的多次測(cè)量選取平均值，最后確定被測(cè)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(cè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率有一定的誤差，所以只能通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量，選取合適的修正值來(lái)盡可能的減少本測(cè)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