數(shù)字式電感測試儀

1、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)生器實現(xiàn)對電感參數(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)待測的電感和標(biāo)準(zhǔn)電阻的串聯(lián)電路，通過測量電感和標(biāo)準(zhǔn)電阻各自的電壓，利用電壓比例計算的方法推算出電感值。利用MSP430F149單片機(jī)控制測量和計算結(jié)果，運(yùn)用自校準(zhǔn)電路提高測量精度，同時用差壓法，消除了電源波動對結(jié)果的影響。測量結(jié)果采用12864液晶模塊實時顯示。實驗測試結(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、MSP430F

2、149、電感測量- 19 -目錄1、課程設(shè)計目的- 1 -2、課程設(shè)計內(nèi)容和要求 - 4 - 2.1、設(shè)計內(nèi)容- 4 -2.2、設(shè)計要求- 4 -3、 設(shè)計方案- 6 -3.1、設(shè)計思路- 6 -3.2、工作原理及硬件框圖- 9 -3.3、硬件電路原理圖- 12 -3.4、PCB版圖設(shè)計- 12 -3.5、電器檢驗結(jié)果如下- 13 -4、課程設(shè)計總結(jié)- 15 -5、參考文獻(xiàn)- 18 -1、課程設(shè)計目的和意義1.1、設(shè)計目的  掌握電子電路的一般設(shè)計方法和設(shè)計流程； 學(xué)習(xí)使用PROTEL軟件繪制電路原理圖及印刷板圖； 掌握應(yīng)用EWB對所設(shè)計的電路進(jìn)行仿真，通過仿真結(jié)果驗證設(shè)計

3、的正確性。1.2、電感測試儀的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 當(dāng)今電子測試領(lǐng)域，電感的測量已經(jīng)在測量技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)中應(yīng)用的十分廣泛。電感測試發(fā)展已經(jīng)很久，方法眾多，常用測量方法如下。電感測量可依據(jù)交流電橋法，這種測量方法雖然能較準(zhǔn)確的測量電感但交流電橋的平衡過程復(fù)雜，而且通過測量Q值確定電感的方法誤差較大，所以電感的數(shù)字化測量常采用時間常數(shù)發(fā)和同步分離法。在我國1997年05月21日中國航空工業(yè)總公司研究出一種電感在線測量方法及裝置等電位隔離方法，用于對在線的電感元件實行等電位隔離。中國本土測量儀器設(shè)備發(fā)展的主要瓶頸。盡管本土測試測量產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，但客觀地說中國開發(fā)測試測量儀器還普遍比較落

4、后。每當(dāng)提起中國測試儀器落后的原因，就會有許多不同的說法，諸如精度不高，外觀不好，可靠性差等。實際上，這些都還是表面現(xiàn)象，真正影響中國測量儀器發(fā)展的瓶頸為： 1.測試在整個產(chǎn)品流程中的地位偏低。由于人們的傳統(tǒng)觀念的影響，在產(chǎn)品的制造流程中，研發(fā)始終處于核心位置，而測試則處于從屬和輔助位置。關(guān)于這一點，在幾乎所有的研究機(jī)構(gòu)部門配置上即可窺其一斑。這種錯誤觀念上的原因，造成整個社會對測試的重視度不夠，從而造成測試儀器方面人才的嚴(yán)重匱乏，造成相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)研究比較薄弱，這是中國測量儀器發(fā)展的一個主要瓶頸。實際上，即便是研發(fā)隊伍本身，對測試的重視度以及對儀器本身的研究也明顯不夠。 

5、2.面向應(yīng)用和現(xiàn)代市場營銷模式還沒有真正建立起來。本土儀器設(shè)備廠商只是重研發(fā)，重視生產(chǎn)，重視狹義的市場，還沒有建立起一套完整的現(xiàn)代營銷體系和面向應(yīng)用的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的營銷模式在計劃經(jīng)濟(jì)年代里發(fā)揮過很大作用，但無法滿足目前整體解方案流行年代的需求。所以，為了快速縮小與國外先進(jìn)公司之間的差距，國內(nèi)儀器研發(fā)企業(yè)應(yīng)加速實現(xiàn)從面向仿制的研發(fā)向面向應(yīng)用的研發(fā)的過渡。特別是隨著國內(nèi)應(yīng)用需求的快速增長，為一過渡提供了根本動力，應(yīng)該利用這些動力，跟蹤應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展。 3.缺乏標(biāo)準(zhǔn)件的材料配套體系。由于歷史的原因，中國儀器配套行業(yè)的企業(yè)多為良莠不齊的小型企業(yè)，標(biāo)準(zhǔn)化的研究也沒有跟上需求的快速發(fā)展，從

6、而導(dǎo)致儀器的材料配套行業(yè)的技術(shù)水平較低。雖然目前已有較大的改觀，但距離整個產(chǎn)業(yè)的要求還有一定距離。所以，還應(yīng)把標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的研究放到重要的位置。還有，在技術(shù)水平?jīng)]有達(dá)到的條件下，一味地追求精度或追求高指標(biāo)，而沒有處理好與穩(wěn)定性之間的關(guān)系。上述這些都是制約本土儀器發(fā)展的因素。 近年來我國測量儀器的可靠性和穩(wěn)定性問題得到了很多方面的重視，狀況有了很大改觀。測試儀器行業(yè)目前已經(jīng)越過低谷階段，重新回到了快速發(fā)展的軌道，尤其最近幾年，中國本土儀器取得了長足的進(jìn)步，特別是通用電子測量設(shè)備研發(fā)方面，與國外先進(jìn)產(chǎn)品的差距正在快速縮小，對國外電子儀器巨頭的壟斷造成了一定的沖擊。隨著模塊化和虛擬技術(shù)的

7、發(fā)展，為中國的測試測量儀器行業(yè)帶來了新的契機(jī)，加上各級政府日益重視，以及中國自主應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)研究的快速進(jìn)展，都在為該產(chǎn)業(yè)提供前所未有的動力和機(jī)遇。從中國電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計年鑒中可以看出，中國的測試測量儀器每年都以超過30%以上的速度在快速增長。在此快速增長的過程中，無疑催生出了許多測試行業(yè)新創(chuàng)企業(yè)，也催生出了一批批可靠性和穩(wěn)定性較高的產(chǎn)品。2、課程設(shè)計內(nèi)容和要求2.1、設(shè)計內(nèi)容設(shè)計一數(shù)字顯示的電感測量儀，測量范圍為10uH10mH。2.2、設(shè)計要求（1）、采用單片機(jī)或FPGA/CPLD作為控制芯片；（2）、整理設(shè)計內(nèi)容，編寫設(shè)計說明書。（3）、資料收集，寫出綜述，電路原理分析； （4）、寫

8、出測量的數(shù)據(jù)，并對所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。頻率電感器測試與顯示直流電源 （5）、能獨立完成課程設(shè)計（論文）課題所規(guī)定的各項任務(wù)，具有一定的綜合分析問題和解決問題的能力，在課程設(shè)計（論文）成果中能表現(xiàn)出某些自己的見解。 （6）、課程設(shè)計（論文）說明書齊備，內(nèi)容正確，概念清楚，條理分明，文章通順，書寫工整，圖紙齊全，符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。 3、 設(shè)計方案3.1、設(shè)計思路此數(shù)字電感測量儀的設(shè)計流程圖如圖所示：測量信號產(chǎn)生電路 （正弦波） 待測元件與基準(zhǔn)電阻分壓電路儀用差分式放大電路（增益可控）25V的電位提升電 路PIC單片機(jī)控制系 統(tǒng)輸出圖3.111. 測量范圍基

9、本測量范圍：電感100H10mH。發(fā)揮測量范圍：電感50H1H。2. 測量精度基本測量精度：電感 ±5% 。發(fā)揮測量精度：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  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)計與電感測試儀的設(shè)計目前有多種方案可以實現(xiàn)，例如、使用可編程邏輯控制器(PLC)、振蕩電路與

10、單片機(jī)結(jié)合或CPLD與EDA相結(jié)合等等來實現(xiàn)。在設(shè)計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，電感可用時間常數(shù)發(fā)和同步分離法等，雖然避免了編程的麻煩，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)計中可采用PLC對硬件進(jìn)行控制，但是用PLC實現(xiàn)價格相對昂貴，因而成本過高。方案三.采用CPLD或FPGA實現(xiàn)此方案則采用廣泛應(yīng)用的VHDL硬件電路描述語言，實現(xiàn)電感測試儀的設(shè)計，利用MAXPLUS

11、II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)計規(guī)模大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。方案四.利用LRC數(shù)字電橋與單片機(jī)結(jié)合利用LRC數(shù)字電橋?qū)㈦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、易于實現(xiàn)自動化測量等設(shè)計需要，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)合實現(xiàn)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)為核心來實現(xiàn)對電感測量的設(shè)計。方案五.利用電容三點式振蕩與單片機(jī)結(jié)

12、合 利用電容三點式振蕩電路產(chǎn)生振蕩波形然后通過施密特觸發(fā)器講 其波形轉(zhuǎn)換為矩形波，這樣又單片機(jī)處理數(shù)字量，能夠滿足測量精度高、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)，易于實現(xiàn)自動化測量等設(shè)計需要，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)設(shè)計 系統(tǒng)總體設(shè)計本系統(tǒng)包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分內(nèi)容。硬件設(shè)計主要分為七部分：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實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的

13、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：圖3.12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)直接決定著整個測量系統(tǒng)能否正常工作,所以控制測量程序?qū)φ麄€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)  電感計算程序,單片機(jī)根據(jù)A/

14、60;D 轉(zhuǎn)換得到的電壓值計算出電感;(4) 液晶模塊顯示程序。本系統(tǒng)的程序框圖如圖2 所示。圖3.13 系統(tǒng)模塊設(shè)計  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AMS1117芯片穩(wěn)壓成3.3V的直流電壓，向MSP430F149主控制器供電。  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感時，正弦波的失真將產(chǎn)生難以修正的錯誤，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

15、電壓范圍寬、穩(wěn)定度高、易用等優(yōu)點，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。 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)行整流濾波，因為測試模塊產(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。因為整流濾波是高阻輸入，但也不是無窮大，所以在做測試模塊時，分壓電阻最好小于100K。  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。主控制模塊本模塊采用低功耗的MS

16、P430F149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。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)定狀態(tài)，當(dāng)離開測試能夠迅速歸零。3.2、工作原理及硬件框圖數(shù)字電感測量儀工作原理：通過采用正交采樣算法，并由單片機(jī)控制實現(xiàn)在線測量、智能識別等多種功能，可大大提高測量儀的測量速度跟精度，擴(kuò)大測量范圍由于PIC單片機(jī)只能正確采集05V之間的電壓，而輸入的信號是正弦波信號，因此在將此正弦信號送入單片機(jī)之前需對其進(jìn)行電位提升，使整個正弦信號任意時刻的電位均大于或等于0。另外本測量儀具有量程自動轉(zhuǎn)換和增

17、益自動可控的特點，實現(xiàn)電路如原理圖所示。原理圖中4051是一個單刀八擲的模擬開關(guān)，用以完成量程電阻擋位的轉(zhuǎn)換；4052是一個雙刀四擲的模擬開關(guān)，用來選擇待測元件或基準(zhǔn)電阻信號；3個741與4052共同組成一個增益可以控制的儀用差分式放大電路，其中4052是用來切換增益倍數(shù)的；74ALS273是一個鎖存器，用于將由單片機(jī)發(fā)出的控制信號鎖存并傳輸給4051、4052實現(xiàn)程控；由于4051、4052開關(guān)切換的驅(qū)動電壓要求達(dá)到5V以上，而單片機(jī)的高電平僅為35V，達(dá)不到驅(qū)動電壓，所以要采用一個集電極開路的驅(qū)動器（74ALS07）才能實現(xiàn)由單片機(jī)控制的開關(guān)切換（R7R11為74ALS07的輸出端上拉電阻

18、）。這樣通過程序控制單片機(jī)與74ALS273相接端口的高低電位，就可以控制模擬開關(guān)選擇不同的通道，從而實現(xiàn)自動的量程擋位轉(zhuǎn)換和增益控制。本測量儀的測量原理是以正交采樣為基礎(chǔ)。首先選用頻率恒定的正弦信號作為標(biāo)準(zhǔn)測量信號，然后用待測元件和基準(zhǔn)電阻串聯(lián)對測量信號進(jìn)行分壓，最后由單片機(jī)分別對待測元件和基準(zhǔn)電阻分壓后所得的信號進(jìn)行正交采樣處理。由于流過電感的電流與其兩端的電壓存在90度的相位差，因此只需在任一時刻采樣得到交流信號瞬時值V1，然后相移90度，再采樣得到瞬時值V2，就可用V1和V2表示完整的交流信號：V=V1+jV2.以據(jù)電感的特點，三點式振蕩電路把電感值轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的頻率值。 在此處這個三

19、點式振蕩電路中，C1、C2釆用10000皮法的獨石電容，, 通過對一些標(biāo)準(zhǔn)電感的測量可得到的一些基準(zhǔn)點(),，(Ln，Tn2)，當(dāng)測量未知電容L得到相應(yīng)的脈沖周期的平方為時，由直線插值法可得L=Li+(T2-T2)因其電容值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶體管極間電容值，所以可把極間電容值 忽略。這樣根據(jù)振蕩頻率公式可以確定電感值。誤差分析：因為 L=l/4*3. 14*3. 14*f*f*c 所以 | L/ L = 2f/f | + | C/C由此可見，因為|2f/f|相當(dāng)小，|L/L |的精度主要取決 于電容值的穩(wěn)定性，從理論上講，只要| C/C|小于1%，AL/L 也就能達(dá)到相應(yīng)的水平。一般而言，電容的穩(wěn)定性

20、，特別是像 獨石電容一類性能比較好的電容，C/C 都可以滿足小于5%的要求，這樣誤差精度就能保持在_1%+1%以內(nèi)。3.3、硬件電路原理圖圖3.313.4、PCB版圖設(shè)計元件清單如下：圖3.413.5、電器檢驗結(jié)果如下： 圖3.51PCB版圖如下： 圖3.614、課程設(shè)計總結(jié)實驗結(jié)論： 該測量儀是一種基于單片機(jī)的智能測量儀，它能夠智能地識別出待測元件電 感；能精確的測量出電感的參數(shù)值；當(dāng)測量正弦信號的幅度過小時，可以自動實現(xiàn)增益放大，從而不影響精度。通過采用正交采樣算法，并由單片機(jī)控制實現(xiàn)在線測量、智能識別等多種功能，可大大提高測量儀的測量速度跟精度，擴(kuò)大測量范圍。在試驗過程中，無論從原始的理

21、論計算，到后來的數(shù)值測量都存在一 定的誤差，通過實驗所用器材根據(jù)電容三點式振蕩電路得到的電感計 算公式計算到所測電感72. 38 f=l/ (2*pi*)sqrt(LC);c=cl*c2/(cl+c2)=10nf*10nf/(lOnf+lOnf) =5nf;L=lmH; f=72. 38KHZ;心得體會：通過本次課程設(shè)計，令我感觸最深的是用protel99SE軟件畫電路圖及PCB版圖的生成。由于對protel99SE軟件的不熟悉，作出版圖費(fèi)了不少工夫。但從中真正學(xué)會了不少東西，不僅熟悉了軟件，而且對設(shè)計電路的流程有了更深刻的了解。本次設(shè)計先從設(shè)計原理出發(fā)，在圖書館和網(wǎng)上找到了相關(guān)內(nèi)容，而且學(xué)習(xí)

22、了一些數(shù)字電感儀基本的工作原理，還簡單學(xué)習(xí)了protel99SE軟件的基本使用方法。之后連電路生成PCB版圖，從中深刻體會到了理論必須與實踐相結(jié)合的道理，因為這過程中出現(xiàn)了很多大大小小的問題，所以做出來真是相當(dāng)不容易。雖然此次設(shè)計由于使用了74ALS273，4051和4052芯片而不需要仿真，但是我還是對EWB仿真軟件有了一定的了解和掌握。設(shè)計中發(fā)現(xiàn)自己對專業(yè)知識掌握的還不夠，比如數(shù)電摸電的知識掌握的都不是很扎實，不會靈活應(yīng)用，所以在以后的學(xué)習(xí)專業(yè)課時應(yīng)該更認(rèn)真一點了。 在試驗過程中無論從原始的理論計算到后的數(shù)值測量都存在一定的誤差通過實驗所用器材根據(jù)電容三點式振蕩電路得到的電感計算公式計算到所測電感72