簡(jiǎn)易電阻、電容、電感測(cè)量?jī)x_圖文

1、簡(jiǎn)易電阻、電容和電感測(cè)試儀的設(shè)計(jì)一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)簡(jiǎn)易電阻、電容和電感測(cè)試儀系統(tǒng)，包括測(cè)量、控制與顯示三部分。其中測(cè)量電路包括：被測(cè)電阻，被測(cè)電容，被測(cè)電感，其中包括模擬快關(guān)、整形、分頻等部分；顯示電路包括：二極管的顯示、數(shù)字顯示；控制電路括：按鍵的選擇測(cè)量電路與單片機(jī)的控制部分。二、要求1、基本要求（1）測(cè)量范圍：電阻1001M ；電容100pF 10000pF ；電感100H 10mH 。（2）測(cè)量精度：5% 。（3）制作4位數(shù)碼管顯示器，顯示測(cè)量數(shù)值。 示意框圖2發(fā)揮部分（1）擴(kuò)大測(cè)量范圍；（2）提高測(cè)量精度；（3）測(cè)量量程自動(dòng)轉(zhuǎn)化。3 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn) 摘要：本文先對(duì)設(shè)計(jì)功能及要求進(jìn)行了闡

2、述，然后提出要完成該功能的設(shè)計(jì)方案，最后綜合考慮之后選定方法，再對(duì)電阻，電容，電感的測(cè)量電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)是利用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試的，其中電阻和電容是采用555多諧振蕩電路產(chǎn)生的，而電感則是根據(jù)電容三點(diǎn)式產(chǎn)生的，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的測(cè)量。在電阻的測(cè)量電路中，我們把它分為兩檔來(lái)進(jìn)行測(cè)量，并用單片機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器以實(shí)現(xiàn)，這樣，一方面測(cè)量精度較高，另一方面便于使儀表實(shí)現(xiàn)智能、自動(dòng)化。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 555多諧振蕩 電容三點(diǎn)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(cè)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(cè)電阻Rx 和基準(zhǔn)電阻R 串聯(lián)在電路中。由于電阻分壓的作用，當(dāng)串

6、聯(lián)到電路上的電阻Rx 的值不同時(shí)其Rx 上分的壓降也不同。通過(guò)測(cè)量上Vx 便可求得Rx 。 (X X X V VCC R V R -=該方案原理簡(jiǎn)單，理論上只要參考電阻精確，就可以測(cè)量任何阻值的電阻，但實(shí)際上由于AD 的分辨率有限，當(dāng)待測(cè)電阻的很大或是很小時(shí)就很難測(cè)出Rx 上的壓降Vx ，從而使測(cè)量范圍縮小，要提高測(cè)量范圍和精度就需要對(duì)電阻分檔測(cè)試和提高AD 的分辨率。這無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。方案二：利用RC 充電原理，根據(jù)電路原理電容充電的時(shí)間常數(shù)=RC。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膮⒖茧娙荩ㄟ^(guò)測(cè)量充電到一個(gè)固定電壓時(shí)所需的時(shí)間即可以測(cè)量出相應(yīng)的電阻阻值。此方案中當(dāng)電阻值過(guò)小時(shí)，充電時(shí)間很短，普

7、通的微處理器難以測(cè)量，同時(shí)通過(guò)實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)電阻太大時(shí)充電時(shí)間和電阻的大小線性度變差，這將導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。這些因素導(dǎo)致電阻測(cè)量范圍較窄。方案三：利用RC 和555定時(shí)器組成的多諧振蕩電路，通過(guò)測(cè)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，通過(guò)選擇合適的電容值即可獲得適當(dāng)?shù)念l率范圍，同時(shí)輸出波形為TTL 電平的方波信號(hào)所以不需要再對(duì)信號(hào)做電平變換。即可直接供數(shù)字電路處理。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用方案三，用低廉的NE555構(gòu)建RC 多諧振蕩電路來(lái)設(shè)計(jì)電路。1.2 電容測(cè)試模塊方案一：同電阻測(cè)試方案二，利用RC充電原理，通過(guò)測(cè)量充電時(shí)間來(lái)測(cè)量電容大小。此方案下測(cè)量大

8、電容較準(zhǔn)，但在電容容量較小時(shí)，電容在極短的時(shí)間內(nèi)就能充滿，即充電時(shí)間較短，所以很難測(cè)準(zhǔn)。方案二：同樣利用RC 和555定時(shí)器組成的多諧振蕩電路，通過(guò)測(cè)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，能測(cè)出較寬的電容范圍，完全滿足題目的要求。同時(shí)輸出波形為TTL 電平的方波信號(hào)所以不需要再對(duì)信號(hào)做電平變換。即可直接輸入單片機(jī)處理。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用方案二，用低廉的NE555構(gòu)建RC 多諧振蕩電路。1.3電感測(cè)試模塊方案一:采用平衡電橋法測(cè)量電感。將待測(cè)電感和已知標(biāo)準(zhǔn)電阻電容組成電橋，通過(guò)單片機(jī)控制調(diào)節(jié)電阻參數(shù)使電橋平衡，此時(shí)，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(cè)量精準(zhǔn)，同時(shí)可以測(cè)量電容和電阻的大小，但其電路電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難。方案二:采用LC 配合三極管組成三點(diǎn)式震蕩振蕩電路，通過(guò)測(cè)輸出頻率大小的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電感值測(cè)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(shí)器和被測(cè)電感利用電感儲(chǔ)能以及充放原理構(gòu)成多諧振蕩器，通過(guò)測(cè)頻率值確定被測(cè)電感的值。該方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出波形為TTL 電平的方波信號(hào)，簡(jiǎn)單分頻后可獲得較為理想的測(cè)試頻率范圍，方便單片機(jī)精確測(cè)量。綜上所述，原本采用方案三設(shè)計(jì)，由于誤差太大，所以我們最終采用了方案二的三點(diǎn)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(lái)處理。1.4 頻率測(cè)量方案一：直接測(cè)頻法。在確定的閘門時(shí)間內(nèi)，利用計(jì)數(shù)器記錄待測(cè)信號(hào)通過(guò)的周期數(shù)，從而計(jì)算出待測(cè)信號(hào)的頻率。此方案對(duì)低頻信號(hào)的測(cè)量精度很低，較適合于高頻信號(hào)的測(cè)量。方案二：測(cè)周法。以待測(cè)信號(hào)為門限，記錄在此門限內(nèi)的高頻標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的數(shù)量，從而計(jì)算出待測(cè)信號(hào)的頻率。但被測(cè)信號(hào)頻率過(guò)高時(shí)，由于測(cè)量時(shí)間不足存在測(cè)量精度不夠的問(wèn)題。此方案適合于低頻信號(hào)的測(cè)量。方案三：等精度測(cè)量法。其精確門限由被測(cè)信號(hào)和預(yù)控門共同控制。測(cè)量精度與被測(cè)信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)，只與基準(zhǔn)信號(hào)的頻率和穩(wěn)定度有關(guān)，因此可以保證在整個(gè)測(cè)量頻段內(nèi)測(cè)量精度不變。但此方案的實(shí)現(xiàn)需要FPGA 等專門的芯片配合單片機(jī)才能實(shí)

11、現(xiàn)精確的測(cè)量，系統(tǒng)較為復(fù)雜，成本較高。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用直接測(cè)頻法。1.5 系統(tǒng)方案概述 本設(shè)計(jì)將電阻、電容和電感測(cè)量模塊產(chǎn)生的不同頻率的方波信號(hào)經(jīng)整形和分頻電路分別送至通道選擇模塊，根據(jù)測(cè)試的元件類型，單片機(jī)通過(guò)按鍵的輸入選擇相應(yīng)的測(cè)試電路，并自動(dòng)檢測(cè)出待測(cè)元件的值所對(duì)應(yīng)的頻率范圍，控制通道選擇模塊選通相應(yīng)的輸入通道，來(lái)自動(dòng)選擇分頻的倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)元件測(cè)量的自動(dòng)換擋。同時(shí)單片機(jī)通過(guò)一定的計(jì)算后向液晶發(fā)出測(cè)量結(jié)果并在液晶上顯示出測(cè)量元圖1：系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖二、 理論分析與計(jì)算2.1 電阻和電容測(cè)量理論分析本設(shè)計(jì)中電阻、電容測(cè)量是由555定時(shí)器和R1、R2、C1組成多諧振蕩電路。電路振蕩產(chǎn)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(shí)間，即脈沖維持時(shí)間：2ln (1x 11C R R t +=放電所用時(shí)間，即脈沖低電平時(shí)間：2ln 12C R t x =所以脈沖周期時(shí)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(xiàng)的參數(shù)再通過(guò)單片機(jī)測(cè)出振蕩頻率的大小就可以計(jì)算出剩下第三項(xiàng)的參數(shù)。本設(shè)計(jì)中通過(guò)固定R1和C1的參數(shù)將待測(cè)量的電阻作為R2接入電路中的方法來(lái)測(cè)量電阻，通過(guò)固定R1和R2的參數(shù)將待測(cè)量的電容作為C1接入電

13、路中的方法來(lái)測(cè)量電容。電阻測(cè)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(jī)計(jì)數(shù)范圍內(nèi)，同時(shí)不使電阻功耗不過(guò)高，第一量程選RA=1K,C=1uf;第二量程RA=20k,C=10nf。這樣在第一個(gè)量程中：R X =100歐時(shí)（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(shí)（上限）F=1/(ln2C(R1+2*RX =1.443/1*10-8*(20000+10000000=14.4 hz經(jīng)測(cè)量第一檔選擇測(cè)量范圍為10020k; 第二檔測(cè)量范圍為20K 10M 。量程自動(dòng)切換原

14、理：通過(guò)單片機(jī)顯示屏提示，通過(guò)按鍵選擇測(cè)量電阻檔數(shù)，在通過(guò)測(cè)量頻率計(jì)算出待測(cè)電阻值。2.2電容測(cè)量理論分析本設(shè)計(jì)中電容測(cè)量是由555定時(shí)器和R1、R2、C X 組成多諧振蕩電路。電路振蕩產(chǎn)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(duì)于C=100pF頻率為 f=1/3*ln2*CX *R=48.1Khz 對(duì)于C=100nF頻率為 f=1/3*ln2*CX *R=48.1hz頻率在單片機(jī)可測(cè)范圍內(nèi)。所以可通過(guò)單片機(jī)顯示提醒選擇測(cè)量電容。2.3 電感測(cè)量理論分析電感的測(cè)量是采用電容三點(diǎn)式振蕩電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的

15、。三點(diǎn)式電路是指：LC 回路中與發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件必須是同性質(zhì)的，另外一個(gè)電抗元件必須為異性質(zhì)的，而與發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件同為電容時(shí)的三點(diǎn)式電路，成為電容三點(diǎn)式電路。 得出：即：其中C=(C1*C2/(C1+C2 C1和C2均取100nf 對(duì)于10uh 的電感有 F=1/2*3.1415*sqt(10-5*0.5*10-7=225.07KHz 對(duì)于10MHF=1/2*3.1415*sqt(10-2*0.5*10-7=7.12KHz采用msp430單片機(jī)可以測(cè)量這一頻率范圍內(nèi)的值，經(jīng)整形電路后無(wú)需分頻可直接送入單片機(jī)進(jìn)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(dá)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(jí)震蕩中的直成分濾除，可以有效對(duì)輸出波形整形。三、 硬件電路測(cè)量3.1 電阻測(cè)量的電路圖 圖2 電阻測(cè)量電路3.2 電容測(cè)量的電路圖 圖3：電容測(cè)量電路圖3.3電感部分3.3.1 測(cè)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(dāng)輸入量(如電壓、電流、溫度等 達(dá)到規(guī)定值時(shí)，使被控制的輸出電路導(dǎo)通或斷開的電器。可分為電氣量(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(dòng)作快、工作穩(wěn)

17、定、使用壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于電力保護(hù)、自動(dòng)化、運(yùn)動(dòng)、遙控、測(cè)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(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。所以，在電阻測(cè)量電路的分檔時(shí)，我們都采用單片機(jī)提醒通過(guò)按鍵選擇來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器進(jìn)行自動(dòng)換擋，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 3.4.2 繼電器的設(shè)計(jì)其中，二極管是對(duì)其有保護(hù)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(gè)我們是用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化。繼電器驅(qū)動(dòng)電路 圖6：繼電器驅(qū)動(dòng)電

18、路3.5 模擬開關(guān)3.5.1 CD4052基本原理CD4052是一個(gè)差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，有A 、B 兩個(gè)二進(jìn)制控制輸入端和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.520V 的數(shù)字信號(hào)可控制峰峰值至20V 的模擬信號(hào)。例如，若V DD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，則05V 的數(shù)字信號(hào)可控制-13.54.5V 的模擬信號(hào)，這些開關(guān)電路在整個(gè)VDD-VSS 和VDD-VEE 電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)無(wú)關(guān)，當(dāng)INH 輸入端=“1”時(shí)，所有通道截止。二位二進(jìn)制輸入信號(hào)選通4對(duì)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(shuō)明表1 CD4052引腳功能說(shuō)明表 3.5.3 真值表CD4052是一個(gè)雙4選一的多路模擬選擇開關(guān)，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(shí)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(cè)量，如下表3所示： 3.6.2 按鍵電路圖的設(shè)計(jì) 圖9按鍵電路 四、 程序設(shè)計(jì)部分本設(shè)計(jì)的控制器為MSP430F149，其主要任務(wù)是選擇測(cè)量元件的種類，為測(cè)量電路，控制繼電器和模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)測(cè)量時(shí)的自動(dòng)換擋，同時(shí)測(cè)量頻率計(jì)算出對(duì)應(yīng)元件的值，并控制LCD12864顯示測(cè)量元件的類型以及相應(yīng)的測(cè)量值。軟件流程

20、圖如下： 按鍵程序流程圖： 頻率測(cè)量流程圖： 圖10 軟件程序流程圖軟件編寫總結(jié)：本程序使用了兩個(gè)捕獲脈沖頻率的中斷服務(wù)程序，一個(gè)低頻率捕獲范圍為1Hz 到19KHz ，第二個(gè)是16Hz 到1MHz 。電感的振蕩頻率都比較高，最高的超過(guò)了260K 歐姆，所以捕獲頻率時(shí)選擇了第二個(gè)中斷程序。而在電容測(cè)量中，低電容的振蕩頻率比較高，最高的超過(guò)了3KHz ，所以為了提高測(cè)量精度和擴(kuò)大測(cè)量范圍，計(jì)算電容時(shí)，程序中又嵌套了一個(gè)捕獲頻率的中斷程序。電阻的振蕩頻率都未超過(guò)16KHz 所以只用一個(gè)低頻捕獲的中斷程序即可，電阻測(cè)量分了兩個(gè)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(guò)外部按

21、鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)測(cè)量量程的切換。五、 數(shù)據(jù)展示 5.1測(cè)試使用的儀器設(shè)備測(cè)試使用的儀器設(shè)備如表4所示 5.2測(cè)試方法根據(jù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)搭好好電路通過(guò)通過(guò)撥碼選擇給個(gè)部分模塊供電，再測(cè)量前用電橋測(cè)量?jī)x測(cè)出所需測(cè)量電阻電容與電感的實(shí)際值，再根據(jù)單片機(jī)提示選擇選擇所需測(cè)量器件。測(cè)量順序按電阻，電容，電感的順序。器件按由小到大依次測(cè)量，再根據(jù)單片機(jī)實(shí)測(cè)值與電橋測(cè)量?jī)x所測(cè)值計(jì)算出測(cè)量誤差。5.3.1 電阻測(cè)量數(shù)據(jù) 5.3.2 5.3.2 電容測(cè)量數(shù)據(jù) 3. 電阻 R= 標(biāo)稱電阻 標(biāo)稱電阻 測(cè)量電容電橋 R1+2*R2 單片機(jī)測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù) 電容 C1 電容 C2 測(cè)量 電容 測(cè)量值 電感實(shí)測(cè)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(cè)試結(jié)果分析 5.4 5.41 電阻、電容測(cè)試結(jié)果分析 測(cè)量誤 差% -1.28099 -0.757

24、18 -3.62451 -2.03363 -1.43296 -0.66574 3.615202 單片機(jī)讀數(shù) 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(cè)量共分兩檔，大電阻測(cè)量范圍為 20K-10M,測(cè)量誤差均在 3%之內(nèi)，小電阻測(cè)量 范圍在：100-20k,測(cè)量誤差均在 5%之內(nèi)。 電容僅為一

25、檔：由上表可的實(shí)測(cè)范圍為：100PF-220NF。誤差均在 5%之內(nèi) 誤差分析：因?yàn)?RC 震蕩頻率穩(wěn)定度可達(dá) 0.001，單片機(jī)測(cè)測(cè)頻率最多一個(gè)脈沖誤差， 所以單片機(jī)的誤差在 1%以下。 電阻測(cè)量中因?yàn)?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?yàn)閨F/F|很小遠(yuǎn)小于儀表所需的精度要求，可以忽略不計(jì)，這樣電阻的測(cè)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(dú)石電容。 電容測(cè)量中電阻測(cè)量中因?yàn)?CX=1/(ln2 (R1+2*R2F記 R=(R1+2*R2 CX/CX=|F/F|+| R/R| 因?yàn)閨F/F|很小