簡易電阻電容和電感測量儀

1、競賽題目：簡易電阻、電容和電感測量儀2012年4月10日簡易電阻、電容和電感測量儀摘要：本系統(tǒng)是以STM32為控制系統(tǒng)的簡易數(shù)字式電阻、電容和電感測量儀。系統(tǒng)利用半橋測量RLC的原理，設(shè)計了由信號產(chǎn)生電路、半橋電路、信號放大電路、真有效值測量電路、相位檢測電路構(gòu)成的系統(tǒng)。電阻、電容和電感的信息通過半橋電路變成電信號，由放大電路和檢測電路變換為可測量量，由控制系統(tǒng)計算得到元器件信息。整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)電阻、電容和電感的測量。關(guān)鍵詞：RLC測量儀 半橋電路 真有效值測量 相位檢測 STM321.緒論現(xiàn)今的萬用表可以測量交流電壓，交流電流，直流電壓，直流電流，電阻，二極管正向壓降，晶體管共發(fā)射極電流放

2、大系數(shù)，有一些還能測試電容量，電導(dǎo)，溫度等，但是對于電感量卻不能直接測出，也不能夠免掉在不同測量量之間切換的麻煩。在模擬電子技術(shù)中，最基本的元器件莫過于電阻、電容和電感，如何準(zhǔn)確、快速的測出這三者各項系數(shù)對于快速選擇元器件和設(shè)計和搭建電路至關(guān)重要。本組成員通過參看國內(nèi)外萬用表數(shù)據(jù)資料，了解其工作原理，并借鑒有關(guān)RLC測量的方法，通過對比諧振法和電橋法，并根據(jù)客觀條件，選用了一種既能夠較準(zhǔn)確的測量各項參數(shù)，又符合實際條件的方法電橋法。2.方案論證2.1總體方案 題目要求系統(tǒng)能對電阻、電容、電感測量，測量范圍：電阻1001M；電感100Pf10000pF；電感100uH10mH；測量精度為10%。

3、方案一：運用諧振法，利用不同的頻率使RLC電路產(chǎn)生諧振，從而測量出R、L、C參數(shù)。利用信號源產(chǎn)生兩種不同分辨率、兩種不同頻率范圍的純正弦波信號；經(jīng)寬帶穩(wěn)壓放大電路放大，形成檢測電路需要的10V 恒壓；測試接口電路根據(jù)測試參數(shù)自動切換量程；通過A/D 轉(zhuǎn)換芯片檢測接口電路中電容兩端電壓，經(jīng)MCU 處理；MCU 根據(jù)諧振時，電容兩端電壓最大原理判斷電路是否處于諧振，在諧振時，多次重復(fù)測量相關(guān)參數(shù)以減少隨機誤差，最后將計算結(jié)果顯示?；鞠到y(tǒng)如下：MCU正弦信號發(fā)生電路穩(wěn)壓放大測試端口取樣保持A/D轉(zhuǎn)換顯示圖1缺陷：對信號源要求比較高，要發(fā)生幾Hz到幾十MHz的信號，在幾Hz的頻率下，容易有外部雜波干

4、擾，使測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，要發(fā)生MHz以上的信號時，硬件電路很難滿足要求，要切換不同頻率的信號，并且要在滿足電容兩端電壓最大的條件下才能讀取數(shù)據(jù)，使測量速度變得很慢。方案二：電橋法：利用數(shù)字半橋的原理，R、L、C的參數(shù)通過半橋電路變?yōu)榉刃盘柡拖辔徊钚盘?，通過測量電路測量信號幅度和相位差，通過計算測量幅值關(guān)系和相位關(guān)系得到電阻電容電感各項參數(shù)。系統(tǒng)框圖具體如下 正弦信號產(chǎn)生電路半橋變換電路參數(shù)測量電路控制和計算系統(tǒng)顯示圖2方案二中電阻、電容、電感測量都在半橋電路上進(jìn)行的，因此只在半橋電路上設(shè)計幾個檔位，采用阻抗有效電壓法對分立元件進(jìn)行參數(shù)測量，就可滿足題目對測量范圍和測量精度的要求綜上所述，我們選

5、擇方案二。2.2信號產(chǎn)生方案 要測量電阻、電容和電感的參數(shù)，就必須將這些參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號，因此就需要一個信號源，考慮到電容和電感的阻抗跟頻率有關(guān)，因此我們需要一個能產(chǎn)生一定幅值，一定頻率的正弦波發(fā)生器，我們考慮以下方案。方案一：利用函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生正弦波，ICL8038可以同時產(chǎn)生方波、三角波和正弦波，通過調(diào)節(jié)外部電路參數(shù)時，還可以獲得不同頻率不同占空比的波形。方案二：采用DDS的方法使用CPLD+ROM+DA的方法查表產(chǎn)生正弦波，DDS技術(shù)是一種數(shù)字化合成頻率的技術(shù)，只要改變系統(tǒng)時鐘和ROM表和相位累加字，便可不同頻率不同類型的波形。方案三：利用函數(shù)發(fā)生器MAX038產(chǎn)生正弦波，

6、MAX038可以同時產(chǎn)生方波、三角波和正弦波，通過調(diào)節(jié)外部電路參數(shù)時，還可以獲得不同頻率不同占空比的波形。方案比較：方案一產(chǎn)生測試頻點的成本有很大的優(yōu)勢，但其產(chǎn)生正弦波是由三角波折線法變換而來，波形不純粹諧波成分較多，因此測試的結(jié)果精度會被影響。方案二利用DDS技術(shù)產(chǎn)生波形有輸出相位噪聲低，對參考頻率源的相位噪聲求低，而且頻率精準(zhǔn)等優(yōu)點，但是方案二中要改變系統(tǒng)時鐘和ROM表和相位累加字，實現(xiàn)起來硬件電路較復(fù)雜，成本更高。方案三雖然只是與方案一的選用芯片不同，但是相比方案一，其外圍電路更加簡單，產(chǎn)生的信號諧波成分很少，精度很高，輸出幅值穩(wěn)定，頻率穩(wěn)定性高且可調(diào)。綜上，方案一不能滿足要求，方案二中

7、DDS方法能夠完全達(dá)到要求，而方案三已經(jīng)能夠滿足此題的要求，并且電路簡單，因此選擇方案三。2.3半橋電路方案我們利用半橋電路的原理對元件參數(shù)測量，半橋電路的種類不多，而且其效果也差不多不影響題目指標(biāo)的實現(xiàn)，因此我們選擇如下的經(jīng)典電路作為半橋電路對元件進(jìn)行測量。圖32.4參數(shù)測量電路方案參數(shù)測量電路是和半橋電路配合的，對器件相關(guān)參數(shù)進(jìn)一步測量的電路，所以電路的性能會直接影響測量的精度，我們考慮了以下方案。方案一：使用自由軸法的原理設(shè)計相敏檢波器，同時對半橋電路輸出信號的幅度和相位值的檢測，變換為電壓信號，利用微處理器強大的運算能力，計算出元件相關(guān)參數(shù)。本方法是工程上普遍使用的方法，其能達(dá)到的精度

8、也相當(dāng)不錯。可是他需要兩個相位差為嚴(yán)格90度的參考信號對信號檢測，不容易實現(xiàn)這樣的要求，并且電路也較復(fù)雜。方案二：分別對半橋電路的電壓和相位進(jìn)行測量。電壓用真有效值檢測芯片來測量，現(xiàn)在已經(jīng)有很準(zhǔn)確的有效值檢測集成電路AD637，能很好提高測量精度，且測量電路簡單，利用A/D轉(zhuǎn)換器將AD637輸出的模擬量轉(zhuǎn)化成能被處理器識別的數(shù)字量，從而通過微處理器計算出電容、電感和電阻的參數(shù)。相位測量使用微處理器的定時器計時功能測量出來，實際表明這種測量相位的方法精度滿足了要求。因此選擇方案二。2.5控制和計算系統(tǒng)方案這是一個對電阻、電感、電容進(jìn)行測量的系統(tǒng)，因此需要計算的信息量和數(shù)據(jù)處理量相對比較大，涉及到

9、大范圍時檔位的選擇切換比較復(fù)雜，而題目沒對系統(tǒng)功耗有相應(yīng)的要求，我們有如下兩種方案：方案一：用51單片機作為控制系統(tǒng)。51作為控制系統(tǒng)理論上可以滿足上述要求，但是51單片機處理速度有限，使得測量阻抗精度不高，而且片內(nèi)資源有限，要測量Us和Ux還要外接AD，增加了硬件連接的復(fù)雜性。方案二：考慮到STM32F103豐富的IO資源和出色的信號處理能力能很好的滿足要求，且其自帶有12位的A/D轉(zhuǎn)換器的片內(nèi)資源，不僅省掉了外接A/D轉(zhuǎn)換電路的麻煩，而且還能獲得一個較為精確的測量值。因此我們選擇了STM32F103為處理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)A/D轉(zhuǎn)換和整個系統(tǒng)參數(shù)測量計算及檔位選擇。如圖3所示，半橋電路的輸出信號U

10、s和基準(zhǔn)信號Ux（沒有經(jīng)過半橋電路）的關(guān)系如下：對于電阻R：R=Zx=Rs*Ux/Us 因此，只要通過有效值檢測芯片測出有效值Us和Ux，通過以上公式就能計簡便的算出電阻阻值，供電電源為+15V時，信號源輸出電壓有1V的Vpp時，輸出Vpp最多達(dá)到10V，因此設(shè)計7個檔位便能達(dá)到1W10MW（如1kW檔能有效的測量100W1kW電阻）的測量范圍。對于電感L：Zx=Rs*Ux/Us L=Zx/ (=2f)因此，方法只在電阻的測量基礎(chǔ)上除個頻率相關(guān)量便可。對于電容C；Zx=Rs*Ux/Us C=1/(Zx*)因此，用此公式便可計算出容值。2.6 顯示方案 顯示可用：方案一：數(shù)碼管顯示；方案二：LC

11、D1602顯示；方案三：LCD12864（帶中文字庫）顯示。數(shù)碼管只能顯示數(shù)字，沒有中文指示效果，且占用IO口較多，故舍棄方案一。LCD1602可以顯示通用字符和自造的漢字，但界面的顯示內(nèi)容有限，故舍棄方案二。LCD12864（帶中文字庫）使用串行方式除了可以顯示通用字符和自帶字庫里的漢字，還可以顯示自造漢字和自定義的圖片（像素128X64） ，128X64的界面可以顯示自帶字庫里的漢字或自造漢字和顯示自定義的圖片可以構(gòu)成良好的人機界面，很好的滿足了測量過程中的各種顯示需求。因此選擇方案三。最終方案系統(tǒng)框圖：正弦信號檔位選擇半橋放大電路真有效值轉(zhuǎn)換真有效值轉(zhuǎn)換12位AD轉(zhuǎn)換12位AD轉(zhuǎn)換控制和

12、計算系統(tǒng)STM32F103VE穩(wěn)壓電源3.3V鍵盤控制模塊12864液晶顯示模塊3理論分析及單元電路設(shè)計3.1信號產(chǎn)生電路設(shè)計我們是利用MAX038電路作為信號的產(chǎn)生部分。MAX038是一個高頻、高精度的能夠通過控制兩個數(shù)字門產(chǎn)生三角波、正弦波、方波的信號發(fā)生器，輸出頻率可以調(diào)節(jié)，范圍是0.1Hz到20MHz，占空比可調(diào)，輸出的峰峰值為2Vpp。電路如下:3.2半橋電路設(shè)計半橋電路形式為經(jīng)典的反向比例運算電路，電路如下：電路中Zx為被測量器件，Rs為標(biāo)準(zhǔn)電阻，這里給出了7個檔位，保證了測量精度，兩個放大器隔離了后級測量電路和半橋的路的阻抗系統(tǒng)，又一次保證了精度。半橋電路的輸出Us和Ux的關(guān)系如

13、下：對于電阻R：R=Zx=Rs*Ux/Us 因此，只要通過有效值檢測芯片測出有效值Us和Ux，通過以上公式就能計簡便的算出電阻阻值，供電電源為+15V時，信號源輸出電壓有1V的Vpp時，輸出Vpp最多達(dá)到10V，因此設(shè)計7個檔位便能達(dá)到1W10MW（如1kW檔能有效的測量100W1kW電阻）的測量范圍。對于電感L：Zx=Rs*Ux/Us L=Zx/ (=2f)因此，方法只在電阻的測量基礎(chǔ)上除個頻率相關(guān)量便可。對于電容C；Zx=Rs*Ux/Us C=1/(Zx*)因此，用此公式便可計算出容值。3.3參數(shù)測量電路設(shè)計真有效值檢測電路:AD637是真有效值檢測集成電路，而且具有較高的測量精度，且能夠

14、對精度進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)精后，對于1V的直流輸入，則輸出1V的直流量；若輸入幅值為1V的正弦信號，則輸出0.707V的直流量，其電路圖如下: 電壓跟隨器緩沖隔離了后級測量電路，進(jìn)一步保證了測量精度，其輸出直接連接到STM32控制器片內(nèi)的A/D輸入口即可方便的測量出輸出電壓。3.4相位測量電路設(shè)計由于半橋電路的輸出是正弦波，所以我們需要將正弦信號變換為方波信號，供系統(tǒng)測量，給系統(tǒng)提供Us和Ux的相位信息的兩路方波，系統(tǒng)就可以利用內(nèi)部16位精確定時器將信號相位關(guān)系測量出來，判斷處理出來的Us信號是超前還是滯后于處理后的基準(zhǔn)信號Ux，從而判斷所測的元件是電阻（無移相）、電感（超前）、電容（滯后）。將正弦信

15、號轉(zhuǎn)換成方波信號的比較電路如下： 3.5相位差的的測量方案 將基準(zhǔn)信號Ux（沒有經(jīng)過半橋電路）和半橋電路的輸出信號Us都經(jīng)過相位檢測電路，分別有通道一和通道二輸出。（1）如果所測元件為電阻，則通道一和通道二的輸出波形圖如下：此時通道二的輸出波形相對于通道一的輸出波形既沒有超前也沒有滯后。（2）如果所測元件為電感，則通道一和通道二的輸出波形圖如下：此時通道二的輸出波形超前于通道一的輸出波形（3）如果所測元件為電容，則通道一和通道二的輸出波形圖如下：此時通道二的輸出波形滯后于通道一的輸出波形。 具體方法及部分代碼：1、將通道一的輸出波形接到PE.0(E端口0管腳)將通道二的輸出波形接到PE.1(E

16、端口1管腳)2、在主函數(shù)中將PE.0、PE.1都配置成外部中斷引腳，PE.0有效檢測邊沿為上升沿，PE.1的有效檢測邊沿為下降沿有效。代碼如下：void EXTI_Configuration(void)EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;/* Connect EXTI Line and 0 to PE.0 and PE.1 */* Configure EXTI Line0 to generate an interrupt on rising edge */GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOE, GPIO_PinSo

17、urce0); EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising ;EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);/* Configure EXTI Line1 to generate an interrupt on falling edge */GPIO_

18、EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOE, GPIO_PinSource1); EXTI_InitStructure.EXTI_Line =EXTI_Line1;EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling ;EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);3、當(dāng)PE.0的有效邊沿到來時（上升沿），在中斷函

19、數(shù)EXTI0_IRQHandler中將PE.0的有效監(jiān)測邊沿改為上升沿或下降沿有效即上升沿和下降沿均可以觸發(fā)中斷。同時使能定時器TIM2、TIM3,代碼如下：void EXTI_Configuration_int(void) /在外部中斷0服務(wù)子程序中將PD.O觸發(fā)方式更改為EXTI_Trigger_Rising_FallingEXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;/* Connect EXTI Line0 and 0 to PE.0*/GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOE, GPIO_PinSource0);/*

20、Configure EXTI Line9 to generate an interrupt on rising and falling edge */ EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising_Falling ;EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;EXTI_Init(&EXTI_InitStructu

21、re);中斷服務(wù)子程序代碼：void EXTI0_IRQHandler(void)if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET)GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5);/進(jìn)入中斷指示燈LED5if(flag_exti = 0)/只讓EXTI_Configuration_int()執(zhí)行一次，提高代碼效率EXTI_Configuration_int();flag_exti = 1;if(flag_tim2 = 0)TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);/同時啟動定時器2、3TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);flag_tim3 =

22、 1;if(flag_tim2 = 1)TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);/檢測到下降沿，失能定時器counter_tim2 = TIM2 - CNT;/讀取定時器的值TIM2 - CNT = 0;/定時器清零if(+flag_tim2 = 2)flag_tim2 = 0;exti_PD0+;EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);/清除中斷標(biāo)志位void EXTI1_IRQHandler(void)if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line1) != RESET)GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_6);/進(jìn)入中斷指

23、示燈LED6TIM_Cmd(TIM3,DISABLE);counter_tim3 = TIM3 - CNT;TIM3 - CNT = 0;flag_tim3 = 0;exti_PD1+;EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);說明：在程序中給定時器TIM2、TIM3配置的時鐘為36MHZ，是兩個通道的輸出頻率10KHZ的3600倍，在兩個通道的一個周期TIM2、TIM3會計數(shù)到3600.在主函數(shù)中對PE.0的配置是為了總是在上升沿到來時啟動定時器TIM2、TIM3，只是為了選定一個起始點，如果以任意邊沿觸發(fā)則會導(dǎo)致測出來的相位差不準(zhǔn)確。在EXTI0_IRQHand

24、ler中斷中將PE.0的有效邊沿改為上升沿或下降沿是為了在通道一的下降沿到來時失能定時器TIM2，與此同時讀出TIM2-CNT，測得在一個周期內(nèi)通道一由高電平變?yōu)榈碗娖蕉〞r器TIM2所計數(shù)的值counter_tim2。而在通道二的下降沿到來時失能定時器TIM3，與此同時讀出TIM3-CNT，測得在通道一上升沿到來到通道二下降沿到來這一時間段定時器TIM3所計數(shù)的值counter_tim3。3、相位差計算。結(jié)合以上三圖：（1）若counter_tim2 - counter_tim3 0，則通道二的輸出信號超前于通道一的輸出信號，該元件為電容。相位差 = | counter_tim2 - coun

25、ter_tim3|/(2* counter_tim2) 3.5 程序流程圖設(shè)計開始 系統(tǒng)初始化判斷器件類型電阻電容電感測量幅值計算電阻計算電容計算電感顯 示結(jié)束是否按下結(jié)束按鍵是4.1簡易RLC測量儀功能說明簡易RLC測量儀功能說明：能夠自動識別元器件（電阻、電容、電感）類型并計算出其值的大小，能夠測出基準(zhǔn)信號Ux（沒有經(jīng)過半橋電路）和半橋電路的輸出信號Us的頻率，真有效值大小及相位差。4.2測試方案測試工具：萬用表DT9205簡易RLC測量儀使用說明：1、 整個測試過程通過使用操控臺上的五個獨立按鍵實現(xiàn)，五個按鍵分為：key_up,key_down,ensure,return,res_con

26、sult+。key_up：選中上一項。key_down：選中下一項。ensure：執(zhí)行選中的當(dāng)前項。return：返回到上一幕。res_consult+：更改程序中的檔位值。2、當(dāng)向系統(tǒng)版寫入程序后，進(jìn)行測量，在10左右秒之后就會執(zhí)行更新，并且12864會實時顯示更新的測量值。3、在測量之前應(yīng)將檔位調(diào)小，避免電路電流過大燒壞電路，“選中元件類型及值”之前應(yīng)先執(zhí)行“檔位檢測”以檢測所選檔位是否合適，如果不合適則進(jìn)行更換。3、系統(tǒng)能夠測試常見的電阻、電感和電容的大小，將被測元件插入到測試插座中，系統(tǒng)能夠自動識別元件類型并將元件類型顯示，也可根據(jù)元件參數(shù)大小提示撥動撥碼開關(guān)手動換擋：將檔位調(diào)大或?qū)n位調(diào)小，并且會顯示當(dāng)前程序中所選檔位值。可通過調(diào)節(jié)“Res_consult+”鍵，來改變程序中所選檔位值以此于實際電路中所選檔位值相匹配，計算出元器件的值。4.3實測記錄電阻測試：表5-1電阻測量表格序號標(biāo)準(zhǔn)值測量值精度156W57.34W2.4%2100W103.21W3.2%3750W762.89W1.7%41kW1037.02W3.7%55.1kW5297.26W3.9%610 kW10412.23W4.1%756 kW574