簡易電阻、電容、電感測量儀_圖文

1、簡易電阻、電容和電感測試儀的設計一、任務設計并制作一個簡易電阻、電容和電感測試儀系統(tǒng)，包括測量、控制與顯示三部分。其中測量電路包括：被測電阻，被測電容，被測電感，其中包括模擬快關、整形、分頻等部分；顯示電路包括：二極管的顯示、數字顯示；控制電路括：按鍵的選擇測量電路與單片機的控制部分。二、要求1、基本要求（1）測量范圍：電阻1001M ；電容100pF 10000pF ；電感100H 10mH 。（2）測量精度：5% 。（3）制作4位數碼管顯示器，顯示測量數值。 示意框圖2發(fā)揮部分（1）擴大測量范圍；（2）提高測量精度；（3）測量量程自動轉化。3 評分標準 摘要：本文先對設計功能及要求進行了闡

2、述，然后提出要完成該功能的設計方案，最后綜合考慮之后選定方法，再對電阻，電容，電感的測量電路進行設計。本設計是利用單片機來實現測試的，其中電阻和電容是采用555多諧振蕩電路產生的，而電感則是根據電容三點式產生的，從而實現各個參數的測量。在電阻的測量電路中，我們把它分為兩檔來進行測量，并用單片機來驅動繼電器以實現，這樣，一方面測量精度較高，另一方面便于使儀表實現智能、自動化。關鍵詞：單片機 555多諧振蕩 電容三點式 繼電器In this article, the function and the requirement of design were introduced, and then p

3、uts forward to want to complete the function, the design of the last comprehensive consideration selection methods, and then a resistor, capacitor, inductor measurement circuit design. This design is to realize the test using single chip computer, of which the resistor and capacitor is used more tha

4、n 555 resonance swing circuitry, and inductance is produced according to the capacitance SanDianShi, so as to realize the measurement of each parameter. In the resistance and capacitance measurement circuit, we put it into two files to make the measurement, and single chip microcomputer to drive the

5、 relay to realize, so that, on the one hand, has high accuracy, on the other hand to make intelligent instrument and automation. Key words: more than 555 single chip microcomputer chip oscillation capacitance SanDianShi relay一、系統(tǒng)方案論證1.1 電阻測試模塊電路方案一:電阻分壓法。如下圖： 電阻分壓電路將待測電阻Rx 和基準電阻R 串聯在電路中。由于電阻分壓的作用，當串

6、聯到電路上的電阻Rx 的值不同時其Rx 上分的壓降也不同。通過測量上Vx 便可求得Rx 。 (X X X V VCC R V R -=該方案原理簡單，理論上只要參考電阻精確，就可以測量任何阻值的電阻，但實際上由于AD 的分辨率有限，當待測電阻的很大或是很小時就很難測出Rx 上的壓降Vx ，從而使測量范圍縮小，要提高測量范圍和精度就需要對電阻分檔測試和提高AD 的分辨率。這無疑會增加系統(tǒng)的復雜性和成本。方案二：利用RC 充電原理，根據電路原理電容充電的時間常數=RC。通過選擇適當的參考電容，通過測量充電到一個固定電壓時所需的時間即可以測量出相應的電阻阻值。此方案中當電阻值過小時，充電時間很短，普

7、通的微處理器難以測量，同時通過實際測試發(fā)現當電阻太大時充電時間和電阻的大小線性度變差，這將導致測量誤差增大。這些因素導致電阻測量范圍較窄。方案三：利用RC 和555定時器組成的多諧振蕩電路，通過測量輸出振蕩頻率的大小即可求得電阻的大小，如果固定電阻值，該方案硬件電路實現簡單，通過選擇合適的電容值即可獲得適當的頻率范圍，同時輸出波形為TTL 電平的方波信號所以不需要再對信號做電平變換。即可直接供數字電路處理。綜上所述，本設計采用方案三，用低廉的NE555構建RC 多諧振蕩電路來設計電路。1.2 電容測試模塊方案一：同電阻測試方案二，利用RC充電原理，通過測量充電時間來測量電容大小。此方案下測量大

8、電容較準，但在電容容量較小時，電容在極短的時間內就能充滿，即充電時間較短，所以很難測準。方案二：同樣利用RC 和555定時器組成的多諧振蕩電路，通過測量輸出振蕩頻率的大小即可求得電容的大小，如果固定電阻值，該方案硬件電路實現簡單，能測出較寬的電容范圍，完全滿足題目的要求。同時輸出波形為TTL 電平的方波信號所以不需要再對信號做電平變換。即可直接輸入單片機處理。綜上所述，本設計采用方案二，用低廉的NE555構建RC 多諧振蕩電路。1.3電感測試模塊方案一:采用平衡電橋法測量電感。將待測電感和已知標準電阻電容組成電橋，通過單片機控制調節(jié)電阻參數使電橋平衡，此時，電感的大小由電阻和電橋的本征頻率即可

9、求得，該方案測量精準，同時可以測量電容和電阻的大小，但其電路電路復雜，實現起來較為困難。方案二:采用LC 配合三極管組成三點式震蕩振蕩電路，通過測輸出頻率大小的方法來實現對電感值測量。該方案成本最低，但其輸出波形為正弦波，需要將其波形整形后才能交給處理器處理，成本稍微高了。方案三：用555定時器和被測電感利用電感儲能以及充放原理構成多諧振蕩器，通過測頻率值確定被測電感的值。該方案電路結構簡單，輸出波形為TTL 電平的方波信號，簡單分頻后可獲得較為理想的測試頻率范圍，方便單片機精確測量。綜上所述，原本采用方案三設計，由于誤差太大，所以我們最終采用了方案二的三點式震蕩振蕩電路，把輸出的正弦波整形后

10、再交給處理器來處理。1.4 頻率測量方案一：直接測頻法。在確定的閘門時間內，利用計數器記錄待測信號通過的周期數，從而計算出待測信號的頻率。此方案對低頻信號的測量精度很低，較適合于高頻信號的測量。方案二：測周法。以待測信號為門限，記錄在此門限內的高頻標準時鐘的數量，從而計算出待測信號的頻率。但被測信號頻率過高時，由于測量時間不足存在測量精度不夠的問題。此方案適合于低頻信號的測量。方案三：等精度測量法。其精確門限由被測信號和預控門共同控制。測量精度與被測信號的頻率無關，只與基準信號的頻率和穩(wěn)定度有關，因此可以保證在整個測量頻段內測量精度不變。但此方案的實現需要FPGA 等專門的芯片配合單片機才能實

11、現精確的測量，系統(tǒng)較為復雜，成本較高。綜上所述，本設計采用直接測頻法。1.5 系統(tǒng)方案概述 本設計將電阻、電容和電感測量模塊產生的不同頻率的方波信號經整形和分頻電路分別送至通道選擇模塊，根據測試的元件類型，單片機通過按鍵的輸入選擇相應的測試電路，并自動檢測出待測元件的值所對應的頻率范圍，控制通道選擇模塊選通相應的輸入通道，來自動選擇分頻的倍數，實現對元件測量的自動換擋。同時單片機通過一定的計算后向液晶發(fā)出測量結果并在液晶上顯示出測量元圖1：系統(tǒng)設計總框圖二、 理論分析與計算2.1 電阻和電容測量理論分析本設計中電阻、電容測量是由555定時器和R1、R2、C1組成多諧振蕩電路。電路振蕩產生的頻率

12、由R1、R2、C1確定。其公式如下：電容C1的充電所需的時間，即脈沖維持時間：2ln (1x 11C R R t +=放電所用時間，即脈沖低電平時間：2ln 12C R t x =所以脈沖周期時間為：2(2ln 1121z R R C t t t +=+=輸出脈沖頻率為： 2(2ln 111x R R C f +=RX =1/2(ln2C1F-1/2R1所以只要已知R1、R X 、C1中的其中兩項的參數再通過單片機測出振蕩頻率的大小就可以計算出剩下第三項的參數。本設計中通過固定R1和C1的參數將待測量的電阻作為R2接入電路中的方法來測量電阻，通過固定R1和R2的參數將待測量的電容作為C1接入電

13、路中的方法來測量電容。電阻測量共分為兩檔選擇合適的C 和R 的值，使震蕩頻率在10Hz 50KHz 這一段單片機計數范圍內，同時不使電阻功耗不過高，第一量程選RA=1K,C=1uf;第二量程RA=20k,C=10nf。這樣在第一個量程中：R X =100歐時（下限）F=1/(ln2C(R1+2*RX =1.443/1*10-6*(1000+200=1202.5hz第二檔中R X =10M時（上限）F=1/(ln2C(R1+2*RX =1.443/1*10-8*(20000+10000000=14.4 hz經測量第一檔選擇測量范圍為10020k; 第二檔測量范圍為20K 10M 。量程自動切換原

14、理：通過單片機顯示屏提示，通過按鍵選擇測量電阻檔數，在通過測量頻率計算出待測電阻值。2.2電容測量理論分析本設計中電容測量是由555定時器和R1、R2、C X 組成多諧振蕩電路。電路振蕩產生的頻率由R1、R2、C1確定。其公式如下：取R1=R2=100K, 震蕩頻率為1x 2ln 31R C f =CX =1/ 3ln2FR1對于C=100pF頻率為 f=1/3*ln2*CX *R=48.1Khz 對于C=100nF頻率為 f=1/3*ln2*CX *R=48.1hz頻率在單片機可測范圍內。所以可通過單片機顯示提醒選擇測量電容。2.3 電感測量理論分析電感的測量是采用電容三點式振蕩電路來實現的

15、。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的，另外一個電抗元件必須為異性質的，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。 得出：即：其中C=(C1*C2/(C1+C2 C1和C2均取100nf 對于10uh 的電感有 F=1/2*3.1415*sqt(10-5*0.5*10-7=225.07KHz 對于10MHF=1/2*3.1415*sqt(10-2*0.5*10-7=7.12KHz采用msp430單片機可以測量這一頻率范圍內的值，經整形電路后無需分頻可直接送入單片機進行處理。整形電路由雙電壓比較器LM393集成電路。LM393是高增益

16、, 寬頻帶器件，其整形頻率隔高達1M 。整形電路采用加一偏置2.5v 電壓的電壓比較器。在輸入端加一隔直電容，將前級震蕩中的直成分濾除，可以有效對輸出波形整形。三、 硬件電路測量3.1 電阻測量的電路圖 圖2 電阻測量電路3.2 電容測量的電路圖 圖3：電容測量電路圖3.3電感部分3.3.1 測量電路圖 圖4：電容震蕩電路3.3.2 整形部分 圖5：整形電路3.4 繼電器的制作3.4.1繼電器的工作原理當輸入量(如電壓、電流、溫度等 達到規(guī)定值時，使被控制的輸出電路導通或斷開的電器?？煞譃殡姎饬?如電流、電壓、頻率、功率等 繼電器及非電量(如溫度、壓力、速度等 繼電器兩大類。具有動作快、工作穩(wěn)

17、定、使用壽命長、體積小等優(yōu)點。廣泛應用于電力保護、自動化、運動、遙控、測量和通信等裝置中。它是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。所以，在電阻測量電路的分檔時，我們都采用單片機提醒通過按鍵選擇來驅動繼電器進行自動換擋，以實現自動化 3.4.2 繼電器的設計其中，二極管是對其有保護作用，三極管有放大電流的作用。在具體電路中，繼電器是1伏和3伏換擋，這個我們是用單片機來實現的，以實現其自動化。繼電器驅動電路 圖6：繼電器驅動電

18、路3.5 模擬開關3.5.1 CD4052基本原理CD4052是一個差分4通道數字控制模擬開關，有A 、B 兩個二進制控制輸入端和INH輸入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.520V 的數字信號可控制峰峰值至20V 的模擬信號。例如，若V DD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，則05V 的數字信號可控制-13.54.5V 的模擬信號，這些開關電路在整個VDD-VSS 和VDD-VEE 電源范圍內具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關，當INH 輸入端=“1”時，所有通道截止。二位二進制輸入信號選通4對通道中的一通道，可連接該輸入至輸出 圖7：CD4052各引腳分布圖

19、 3.5.2 引腳功能說明表1 CD4052引腳功能說明表 3.5.3 真值表CD4052是一個雙4選一的多路模擬選擇開關，其使用真值表如表2所示表2 CD4052真值表 3.5.4電路圖的實際接法類似于下面圖形 圖8 CD4052接口圖3.6 按鍵部分3.6.1按鍵和二極管分別表示不同類別的測量，如下表3所示： 3.6.2 按鍵電路圖的設計 圖9按鍵電路 四、 程序設計部分本設計的控制器為MSP430F149，其主要任務是選擇測量元件的種類，為測量電路，控制繼電器和模擬開關實現測量時的自動換擋，同時測量頻率計算出對應元件的值，并控制LCD12864顯示測量元件的類型以及相應的測量值。軟件流程

20、圖如下： 按鍵程序流程圖： 頻率測量流程圖： 圖10 軟件程序流程圖軟件編寫總結：本程序使用了兩個捕獲脈沖頻率的中斷服務程序，一個低頻率捕獲范圍為1Hz 到19KHz ，第二個是16Hz 到1MHz 。電感的振蕩頻率都比較高，最高的超過了260K 歐姆，所以捕獲頻率時選擇了第二個中斷程序。而在電容測量中，低電容的振蕩頻率比較高，最高的超過了3KHz ，所以為了提高測量精度和擴大測量范圍，計算電容時，程序中又嵌套了一個捕獲頻率的中斷程序。電阻的振蕩頻率都未超過16KHz 所以只用一個低頻捕獲的中斷程序即可，電阻測量分了兩個檔位，由于低電阻和高電阻的兩檔的振蕩頻率有很多交叉之處，所以我們通過外部按

21、鍵來實現兩個測量量程的切換。五、 數據展示 5.1測試使用的儀器設備測試使用的儀器設備如表4所示 5.2測試方法根據設計設計搭好好電路通過通過撥碼選擇給個部分模塊供電，再測量前用電橋測量儀測出所需測量電阻電容與電感的實際值，再根據單片機提示選擇選擇所需測量器件。測量順序按電阻，電容，電感的順序。器件按由小到大依次測量，再根據單片機實測值與電橋測量儀所測值計算出測量誤差。5.3.1 電阻測量數據 5.3.2 5.3.2 電容測量數據 3. 電阻 R= 標稱電阻 標稱電阻 測量電容電橋 R1+2*R2 單片機測量 nf R1 歐 R2 歐 nf 歐 99314 100700 300714 0.09

22、68 0.09556 99314 100700 300714 0.2298 0.22806 99314 100700 300714 0.506 0.48766 99314 100700 300714 0.892 0.87386 99314 100700 300714 9.77 9.63 99314 100700 300714 100.64 99.97 99314 100700 300714 210.5 218.11 5.3.3 5.3.3 電感測量數據 電容 C1 電容 C2 測量 電容 測量值 電感實測值 值(F C=C1*C2/(C1+C2 (F 9.9E-08 0.000000099 4

23、.95E-08 0.0000114 9.9E-08 0.000000099 4.95E-08 0.0000416 9.9E-08 0.000000099 4.95E-08 0.000141 9.9E-08 0.000000099 4.95E-08 0.0002192 9.9E-08 0.000000099 4.95E-08 0.0102 9.9E-08 0.000000099 4.95E-08 0.001021 9.9E-08 0.000000099 4.95E-08 0.015846 5.4 測試結果分析 5.4 5.41 電阻、電容測試結果分析 測量誤 差% -1.28099 -0.757

24、18 -3.62451 -2.03363 -1.43296 -0.66574 3.615202 單片機讀數 誤差 100% 電感 0.00001161 1.842105263 0.00004 -3.846153846 0.00013963 -0.971631206 0.00021708 -0.967153285 0.01023831 0.375588235 0.00103031 0.911851126 0.01585703 0.069607472 電阻測量共分兩檔，大電阻測量范圍為 20K-10M,測量誤差均在 3%之內，小電阻測量 范圍在：100-20k,測量誤差均在 5%之內。 電容僅為一

25、檔：由上表可的實測范圍為：100PF-220NF。誤差均在 5%之內 誤差分析：因為 RC 震蕩頻率穩(wěn)定度可達 0.001，單片機測測頻率最多一個脈沖誤差， 所以單片機的誤差在 1%以下。 電阻測量中因為 R1+2*RX=1/(ln2CF 所以 2*RX=F/(ln2CF - C/(ln2C F 2 2 |RX/(R1+2*RX|= |F/F|+| C/C| 因為|F/F|很小遠小于儀表所需的精度要求，可以忽略不計，這樣電阻的測量精度取 決于電容的穩(wěn)定性，電路中采用穩(wěn)定性較好的獨石電容。 電容測量中電阻測量中因為 CX=1/(ln2 (R1+2*R2F記 R=(R1+2*R2 CX/CX=|F/F|+| R/R| 因為|F/F|很小