基于單片機的電阻、電感、電容測量系統(tǒng)

1、第一章 緒論科學技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是信息技術(shù)、精密工程的發(fā)展，催生了眾多的新工藝、新材料、新產(chǎn)品，給人們的生產(chǎn)生活帶來了日新月異的變化，然而所有這些新工藝、新材料、新產(chǎn)品都離不開測試測量技術(shù)和精密儀器，測試測量技術(shù)是這些產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證，而計量是為測試測量提供標準，精密儀器是其必不可少的工具。隨著被測試系統(tǒng)、產(chǎn)品的發(fā)展水平日趨提高速度越來越快、體積越來越小、應用覆蓋范圍越來越廣，人們對測試測量技術(shù)及精密儀器的要求也越來越高，促使測試測量技術(shù)和測量儀器不斷出現(xiàn)新理論、新技術(shù)和新方法。而電阻、電容、電感是電子線路中必定使用的零部件。在進行電子線路的設計的基礎上，準確地測量這些零部件的值是極其重

2、要的。測量這些零部件的值，一般使用LCR測試儀。測量電子元器件集中參數(shù)R.L.C的儀表種類較多，方法也各有不同，但都有優(yōu)缺點。一般的測量方法都存在計算復雜，不易實現(xiàn)自動測量而且很難實現(xiàn)智能化。隨著智能化儀器的發(fā)展，元器件測量也變得十分簡單，不象傳統(tǒng)的模擬萬用電橋那樣操作復雜、調(diào)試困難，而采用LCR自動測量儀。這種測量儀是以微處理器為基礎的智能儀器，可以自動測量無源元件的各項基本參數(shù)。RLC參數(shù)自動測式儀不僅能自動判斷元件的性質(zhì)，而且能將符號圖形顯示出來，并顯示出其值，還能測量Q、D、Z、Lp、Ls、Kp、Ks等參數(shù)，且顯示出等效電路圖形。這類自動測試系統(tǒng)具有極強的通用性和多功能性，對于不同的測

3、試任務，只需增減或更換掛在它上面的儀器設備，編制相應的測試軟件，而系統(tǒng)本身不變。這種自動測試系統(tǒng)特別適合于要求測試時間短而數(shù)據(jù)處理量極大的測試任務中，以及測試現(xiàn)場對操作人員有害或操作人員參與會產(chǎn)生人為誤差的測試場合。因其具有很多傳統(tǒng)儀器所不具備的優(yōu)點，故RLC自動測試儀現(xiàn)在應用越來越廣泛。第二章 方案設計與論證RLC參數(shù)的測量方法主要有電橋法.諧振法.伏安法三種。電橋法具有較高的測量精確度，因而被廣泛采用，而且電橋已派生出許多類型。但是電橋法測量需要反復進行平衡調(diào)節(jié)，測量時間長，因而很難實現(xiàn)快速的自動測量。諧振法要求有較高頻率的激勵信號，一般不容易滿足高精度測量的要求。由于測試頻率不固定，測試

4、速度也很難提高。伏安法是最經(jīng)典的方法，它的測量原理直接來自于阻抗的定義，即若已知流經(jīng)被測阻抗的矢量電流并測得被測阻抗兩端的電壓，則通過比較頻率便可得到被測阻抗的矢量。顯然，要實現(xiàn)這種方法，儀器必須能進行矢量的測量及除法運算，因而，只有運用近現(xiàn)代電路技術(shù)，特別是計算機技術(shù)才能是這一經(jīng)典方法得到發(fā)展。但是其結(jié)構(gòu)復雜，且計算量很大，需借助于計算機，因此不易實現(xiàn)。在本系統(tǒng)中我們要介紹的是把電子元件的參數(shù)R、C、L轉(zhuǎn)換成頻率信號f，然后用單片機計數(shù)后在運算求出R、C、L，并送顯示，轉(zhuǎn)換原理分別是RC振蕩和LC三點式振蕩，這樣就能夠把模擬量近似的轉(zhuǎn)換位數(shù)字量，而頻率f是單片機很容易處理的數(shù)字量，這種數(shù)字化

5、的處理一方面便于使儀表實現(xiàn)智能化。方案中用到的單片機是凌陽的16位單片機SPCE061A，由于該CPU具有豐富的I/O口和豐富的時基信號，為我們提供了極大的方便，其中可以利用I/O口置高低電平來實現(xiàn)量程的轉(zhuǎn)換，由于單片機SPCE061A的定時器可以通過外部時鐘源來計數(shù)，我們便可以將555電路或電容三點式振蕩電路產(chǎn)生的頻率作為SPCE061A的定時器的時鐘源，這樣就很容易得到被測R/C/L對應產(chǎn)生的頻率。而且SPCE061A具有語音處理功能，我們在顯示的基礎上還可以加入語音播報，使得整個測量過程更加智能化。第三章 凌陽單片機簡介隨著單片機集成化程度的不斷提高，現(xiàn)代單片機已經(jīng)具備了數(shù)字信號處理功能

6、，使語音信號處理用單片機實現(xiàn)成為可能。臺灣凌陽公司推出的一款SPCE061A就是這樣的產(chǎn)品。它不但具有微控制器功能，還具有DSP運算功能，可以用來進行數(shù)字語音信號處理。SPCE061A是以'nSP TM16位微控制器及信號處理器芯片為內(nèi)核的16位單片機，采用模塊式集成結(jié)構(gòu)，集成了2KB RAM、32KB Flash、ADC、DAC、并行I/O等，特別適合語音信號處理。3.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(1) SPCE061A結(jié)構(gòu)SPCE061A是繼mnSP系列產(chǎn)品SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一個16位結(jié)構(gòu)的微控制器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點如下：*16位'nSP TM微控制器；*工作電壓：V

7、DD為2.63.6V(CPU),VDDH為VDD5.5V（I/O）； *CPU時鐘為0.3249.152MHz；*內(nèi)置存儲器：SRAM為2KB，內(nèi)存Flash為32KB；*可編程音頻處理；*2個16位可編程定時器/計數(shù)器；*7通道10位ADC（內(nèi)置麥克風放大和自動增益控制功能）； *2個10位DAC；*32路可編程通用輸入輸出端口；*串行輸入輸出接口；*低電壓監(jiān)測/低電壓復位功能；*14個中斷源可來自定時器、外部時鐘輸入、鍵喚醒等； *內(nèi)置在線仿真電路ICE；(2) SPCE061A開發(fā)方法SPCE061A的開發(fā)是通過在線調(diào)試器PROBE實現(xiàn)的。它既是一 個編程器，又是一個實時在線調(diào)試器。PR

8、OBE工作于凌陽IDE集成開發(fā)環(huán)境軟件包下，其5芯的仿真頭直接連接到目標電路板上SPCE061A相應管腳，直接在目標電路板上的CPU-SPCE061A調(diào)試、運行用戶編制的程序。PROBE的另一頭是標準25針打印機接口，直接連接到計算機打印口與上位機通訊，在計算機IDE集成開發(fā)環(huán)境軟件包下，完成在線調(diào)試功能。下圖是計算機、PROBE、用戶目標板三者之間的連接適意圖圖3.1 用戶目標板、PROBE、計算機三者之間的連接圖(3) “61”開發(fā)板簡要介紹圖3.2 “61” 開發(fā)板內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖表3-1 61 開發(fā)板各管腳功能(4) 語音采集的硬件電路語音采集的硬件電路,MIC采用駐極體電容話筒，這種話筒

9、具有靈敏度高、無方向性、重量輕、體積小、頻率響應寬、保真度好等優(yōu)點。與PC機的串行通信用SPCE061A的UART接口，用MAX232芯片進行電平轉(zhuǎn)換，即可實現(xiàn)RS232通信。3.2 軟件設計與實現(xiàn)（1）語音信號的采集壓縮語音信號處理的基礎是對語音信號進行數(shù)字化，并采樣存儲。SRCE061A內(nèi)置專門用于語音信號采集的自動增益控制放大器（AGC）的麥克風輸入通道（MIC_IN）。語音信號經(jīng)麥克轉(zhuǎn)換成電信號，由隔離電容隔掉直流成分，然后輸入至內(nèi)部前置放大器。SPCE061A內(nèi)部自動增益控制電路AGC能隨時跟蹤、監(jiān)視前置放大器輸出的音頻信號電平，當輸入信號增器時，AGC電路自動減小放大器的增益；當輸

10、入信號減小時，AGC電路自動增大放大器的增益，以便使進入A/D的信號保持在最佳電平，又可使諧波減至最小。ADC初始化程序如下：INT OFF；R1=0x0030；P_TimerA_Ctrl=R1；/時鐘頻率為CLKA的fosc/2R1=0xfa00；P_TimerA_Data=R1；/采樣率為16kHzR1=0x003d;P_ADC_Ctrl=R1； /設置AGC功能R1=0x00A8;P_DAC_Ctrl=R1; /采用自動方式且通過MIC_IN通道輸入，通過定時器A的溢出鎖存數(shù)據(jù)，ADC為自動方式R1=0x1000;P_INT_Ctrl=R1； /開中斷IRQ1_TMINT IRQ；采樣后

11、的數(shù)字語音信號數(shù)據(jù)量非常大，且由于語音信號采樣點幅度分布的非均勻性和樣本間的相關(guān)性等原因，使語音信號中含有大量的冗余信息。因此，在實際應用中采用各種信源編碼技術(shù)來消除語音信號的冗余度。語音編碼方法主要有波形編碼、參數(shù)編碼和混合編碼。*波形編碼的基本原理是以波形逼近為原則，在時域上把幅度樣本分層量化并用代碼表示；特點是語音質(zhì)量高、抗噪性強編碼率高，適于語音及高保真音樂。*參數(shù)編碼是基于某種語音產(chǎn)生模型，在編程端分析出該模型參數(shù) 6選擇適當?shù)姆绞竭M行編碼；特點是語音質(zhì)量差、抗噪抗弱和編碼率低。*混合編碼綜合了波形和參數(shù)編碼之優(yōu)點。凌陽SPCE061A提供了壓縮算法庫SACMLIB，其處理的語音信號

12、范圍是200Hz3.4kHz的電話語音，并將A/D、編/解碼、存儲及D/A做成相應的模塊，對于每個模塊都有其應用程序接口API。（2）語音數(shù)據(jù)的傳輸SPCE061A的通用異步串口（UART）提供了一個8位全雙工標準接口，用于完成SPCE061A與外設之間的串行通信。借助于IOB口的特殊功能和UARTIRQ中斷，可以同時完成UART接口的接收與發(fā)送數(shù)據(jù)的過程。根據(jù)應用需求，把UART設置為中斷方式接收數(shù)據(jù)，以查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)。用凌陽SPCE061A處理語音信號有如下獨特之處：*硬件電路簡單，因SPCE061A是一款專門為語音信號處理設計的，麥克和喇叭可直接接入，用戶不必外接放大電路等；*軟件編程

13、容易，有相應的API函數(shù)，可直接調(diào)用。*用ICE和圖形界面編譯軟件，調(diào)試方便。第四章 系統(tǒng)硬件電路設計4.1 電路方框圖及說明系統(tǒng)分三大部分，及測量電路，通道選擇和控制電路，如下圖所示。SPCE061A根據(jù)所選通道，通過IOA4和IOA3向模擬開關(guān)送兩位地址信號，取得振蕩頻率,然后根據(jù)所測頻率判斷是否轉(zhuǎn)換量程，或者是把數(shù)據(jù)進行處理后，得出相應的參數(shù)值。圖4.1 RLC測量系統(tǒng)框圖4.2各部分電路設計(1) 電阻測量電路LM555是使用極為廣泛的一種通用集成電路。LM555/LM555C系列功能強大、使用靈活、適用范圍寬，可用來產(chǎn)生時間延遲和多種脈沖信號，被廣泛應用于各種電子中。555時基電路有

14、雙極型和CMOS型兩種。 8LM555/LM555C屬于雙極型,優(yōu)點是輸出功率強大,驅(qū)動電流達200 mA,而另一種CMOS型的優(yōu)點是功耗低，電源電壓低，輸入阻抗高，但輸出功率要小得多，輸出驅(qū)動電流只有幾毫安。LM555應用范圍：精確定時.脈沖發(fā)生、連續(xù)定時、頻率變換、脈沖寬度調(diào)制等。特性簡介：直接替換 SE555/NE555。定時時間從微秒級到小時級?？晒ぷ饔跓o穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)兩種方式?？烧{(diào)整占空比。輸出端可接收和提供 200mA 電流。輸出電壓與 TTL 電平兼容。溫度穩(wěn)定性好于 0.005%/。 表4-1 LM555各管腳功能圖4.2 LM555封裝一般可以把 LM555 電路等效成一個大放

15、電開關(guān)的 R-S 觸發(fā)器。這個特殊的觸發(fā)器有兩個輸入端：閥值端（TH）可看成是置零端 R，要求高電平；觸發(fā)端（TR）可看成是置位端 S，低電平有效。它只有一個輸出端 OUT，OUT 可等效成觸發(fā)器的 Q 端。放電端（DIS）可看成由內(nèi)部放電開關(guān)控制的一個接點，放電開關(guān)由觸發(fā)器的反 Q端控制：反 Q=1 時 DIS 端接地；反 Q=0 時 DIS 端懸空。此外這個觸發(fā)器還有復位端 R，控制電壓端 CV，電源端 VCC 和接地端 GND。這個特殊的 R-S 觸發(fā)器有兩個特點：（1）兩個輸入端的觸發(fā)電平要求一高一低：置零端 R 即閥值端 TH 要求高電平，而置位端 S 即觸發(fā)端 TR 則要求低電平。

16、（2）兩個輸入端的觸發(fā)電平，也就是使它們翻轉(zhuǎn)的閥值電壓值也不同，當 CV 端不接控制電壓是，對 TH（R） 端來講，> 2/3VCC 是高電平 1，< 2/3VCC 是低電平 0；而對 TR（S）端來講，> 1/3VCC 是高電平 1，< 1/3VCC 是低電平 0。如果在控制端 CV 加上控制電壓 VC，這時上觸發(fā)電平就變成 VC 值，而下觸發(fā)電平則變成 1/2VC。可見改變控制端的控制電壓值可以改變上下觸發(fā)電平值。在電阻的測量中采用“脈沖計數(shù)法”，如下圖所示由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計算振蕩輸出的頻率來計算被測電阻的大小。555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩

17、周期為：T=t1+t2=（ln2）（R1+Rx）*C1+（ln2）Rx*C1得出：設為低電平輸出；R2=200歐姆；C2=0.22uF；Rx=(6.56*(1e+6)/(2* fx )-330/2對應的頻率范圍為： 2.8Kfx <16K1000Rx<1M歐姆：IOA6設置為高電平輸出，IOA8設為低電平輸出。R1=20k歐姆；C1=103PF；Rx =(1.443*(1e+8)/(2* fx)-(1e+4) 即：電路分為2檔:100Rx<1000歐姆：IOA5設置為高電平輸出，IOA7圖4.3 R測試電路(2) 電容測試電路電容的測量同樣采用“脈沖計數(shù)法”，如下圖所示由55

18、5電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計算振蕩輸出的頻率來計算被測電容的大小。555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為：T=t1+t2=（ln2）（R1+R2）*CX+（ln2）R2*CX我們設置R1=R2;得出：即：電路分為2擋:R1510K歐姆：IOA10設置為高電平輸出； R4=R6；CX= (0.94*(1e+6)/ fX;對應的頻率范圍為： 9.4Kfx <0.94KR1100K歐姆： IOA9設置為高電平輸出；R5=R6；CX =(4.81*(1e+6)/ fX; 對應的頻率范圍為： 480Hzfx <4.8K圖4.4 C測試電路(3) 電感測試電路電感的測量是采用電容三點式振

19、蕩電路來實現(xiàn)的。三點式電路是指：LC回路中與發(fā)射極相連的兩個電抗元件必須是同性質(zhì)的，另外一個電抗元件必須為異性質(zhì)的，而與發(fā)射極相連的兩個電抗元件同為電容時的三點式電路，成為電容三點式電路。其原理電路如圖所示： 12圖4.5 電容三點式振蕩電路C1、C2、L并聯(lián)諧振回路構(gòu)成反饋選頻網(wǎng)絡，符合三點式振蕩電路的組成法則，滿足振蕩的相位平衡條件。由于反饋信號Uf取自C2兩端電壓，故稱為電容三點式振蕩器。因為電容對高次諧波呈現(xiàn)較小的容抗，反饋信號中高次諧波分量小，故振蕩波形較好。但當通過改變C1或C2來調(diào)節(jié)振蕩頻率時，同時會改變正反饋量的大小，因而會使輸出信號幅度發(fā)生變化，甚至會使振蕩器停振。所以改變電

20、路頻率很不方便，適用于頻率調(diào)節(jié)不大的場合。當并聯(lián)回路諧振時，振蕩電路滿足振蕩的相位平衡條件，由此可得電路的振蕩頻率f0為：即 ：Lx=(38*(1e+6)/ f02圖4.6 L測試電路(4) 多路選擇開關(guān)電路多路選擇開關(guān)利用的是CD4052實現(xiàn)測量類別的轉(zhuǎn)換,它是用數(shù)字信號控制的雙4選一的模擬開關(guān)；對于CMOS4052，控制信號為418V時，模擬量的控制可達18V峰值（VDD-VSS=3V，VDD-VEE直到13V皆可）；對于HC4052，05V的控制信號能控制±5V模擬信號傳送（VCC=5V，VEE=-5V）；禁止端INH=H時，全部開關(guān)為關(guān)態(tài)。其功能表如下：表4-2 CD4052

21、功能表當選擇了某一通道的頻率后，輸出頻率通過IOB4作為CPU定時器的時鐘源并開始計數(shù)，當計數(shù)到3秒后讀出計數(shù)器的值，除以3就得到了被測R/C/L所對應產(chǎn)生的頻率，通過計算得到要被測值。表4-3 通道選擇圖4.7 CD4052與SPCE061A連接電路圖(5) 按鍵及數(shù)碼管顯示電路按鍵和二極管分別表示不同類別的測量，如下表所示：表4-4 按鍵選擇圖4.8 按鍵電路圖4.9 數(shù)碼管顯示電路(6) 音頻輸出電路語音播報測量結(jié)果，當測試結(jié)果顯示相對較穩(wěn)定后開始播報測試結(jié)果。圖中的SPY0030也是凌陽公司的產(chǎn)品，為音頻功率放大集成電路，它的放大倍率由外接電阻進行調(diào)整，最大功放倍數(shù)為20倍。適用于凌陽

22、SPCE、SPL、SPF系列芯片。SPY0030A應用簡單，也適用于其它類產(chǎn)品芯片。性能特點：1.寬電壓工作范圍2.4V6V2.雙輸出模式3.低失真：THD+N=0.55%（For VDD5.0v，R1=8&Pout500mW）4.最低工作電流 1.0µA圖4.10 音頻輸出電路(7) 麥克錄音輸入及AGC電路凌陽的SPCE061A具有DSP功能，有很強的信息處理能力，最高時鐘可達到49M，具備運算速度高的優(yōu)勢等等，這為語音的播放、錄放、合成及辨識提供了條件。如果需要實現(xiàn)錄音功能，可采用下圖實現(xiàn)，此系統(tǒng)接入MIC電路如圖所示，MIC為錄制語音辨識命令服務。 17圖4.11 麥

23、克錄音輸入及AGC電路第五章 軟件設計5.1 I/O口的分配(1) I/OA口的分配: IOA0-IOA3:按鍵輸入；IOA3-IOA4:模擬開關(guān)通道選擇； IOA5-IOA6:R測量電路中充電電阻選擇； IOA7-IOA8:R測量電路中充放電電容選擇； IOA9-IOA10:C測量電路中充電電阻選擇； IOA12-IOA14:R/C/L測量指示燈； 具體可參見下表：表5-1 I/OA口的分配(2)I/OB口的分配如下表所示: IOB口分配情況如下： IOB2：設置為反向輸出IOB4：設置為懸浮輸入 B3、IOB4-IOB7：數(shù)碼管的位選 IOB8-IOB15：數(shù)碼管的段碼控制 具體可參見下表

24、：表5-2 I/OB口的分配主程序流程圖22 5.25.3 中斷服務程序流程第六章 系統(tǒng)測試及整機指標表6-1 系統(tǒng)測試及整機指標由此表可以看出：本系統(tǒng)的測試效果較好，測量精度在±5%以內(nèi)，計算精度較高，且硬件結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。但亦有不足之處，測量精度仍需改善。RLC參數(shù)測量儀在測量中初含有隨機誤差之外，還包括輸入端的各種雜散參數(shù)以及測試信號源中諧波分量等因素所引起的系統(tǒng)誤差。下面就講述幾種減弱各種誤差所采用的方法。1. 隨機誤差的處理根據(jù)統(tǒng)計方法的理論，隨機誤差可以通過多次重復測量的平均予以削弱。設置平均工作方式，編程使儀器對被測參數(shù)連續(xù)測量10次，然后求其算術(shù)平均值作為最后的顯

25、示結(jié)果。2. 開路校準和短路校準RLC測試儀的測量端，反饋線以及測量夾具總是存在殘余阻抗和殘余導納，這些殘余量對小電容，小電感或高電阻的測量會造成很大誤差。傳統(tǒng)測量儀在正式測量之前要進行人工的校正工作，這項工作煩瑣而且費時。而RLC自動測量儀通過軟件引入的開路校準和短路校準，簡化了修正手續(xù)，帶來了很大方便。校正的基本思想是先通過理論分析建立起誤差模型，求出誤差修正公式，然后通過簡單的開路，短路等校準技術(shù)記錄各誤差因子，最后利用修正公式和誤差因子自動計算修正結(jié)果。另外，您可以根據(jù)自己的需求更加完善：如采用標準的電阻、電容和電感進行校準，可提高測量精度等。結(jié)束語由于SPCE061A的時鐘最高可達4

26、9M，32個I/O口，而且具有一定的語音處理功能等，這些都為我們實現(xiàn)電路提供了非常便利的條件1、量程的切換，一般情況我們會采用模擬開關(guān)或繼電器來控制，我們在這里只需要幾個I/O口即可實現(xiàn)該功能不需要外加任何電路，控制簡單、節(jié)省成本；2、SPCE061A有豐富的時基中斷，我們可以采用2Hz實現(xiàn)定時一兩秒，程序簡單而且精度高；3、SPCE061A定時器可以采用外部時鐘源計數(shù)，則為我們計算振蕩電路產(chǎn)生頻率提供了便利，而且計算精度較高，控制簡單；4、SPCE061A具有語音處理功能，可以非常輕松的加入語音播報功能，使整個設計更加智能；5、SPCE061A具有“看門狗”功能，避免出現(xiàn)“死機”現(xiàn)象。該設計將也有很多不足之處，這里只是為大家提供一種思路，您可以根據(jù)自己的需求更加完善：如采用標準的電阻、電容和電感進行校準，可提高測量精度等。致 謝本文是在我的導師馮濤老師的指導下完成的，她嚴謹求實