集成電路電阻電容電感測試儀設(shè)計

1、-電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)設(shè)計摘 要 本次設(shè)計是在參考555振蕩器根底上擬定的一套自己的設(shè)計方案。是嘗試用555振蕩器將被測參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，這里我們將RLC的測量電路產(chǎn)生的頻率送入AT89C52的計數(shù)器，通過定時并且計數(shù)可以計算出被測頻率再通過該頻率計算出各個參數(shù)。關(guān)鍵字 555振蕩器； AT89C52； 定時計數(shù)； 參數(shù)1.電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)設(shè)計1.1 電阻、電容、電感測試儀設(shè)計方案比擬電阻、電容、電感測試儀的設(shè)計可用多種方案完成，例如利用模擬電路，電阻可用比例運算器法和積分運算器法，電容可用恒流法和比擬法，電感可用時間常數(shù)發(fā)和同步別離法等、使用可編程邏輯控制器(PLC)、振蕩

2、電路與單片機結(jié)合或CPLD與EDA相結(jié)合等等來實現(xiàn)。在設(shè)計前對各種方案進展了比擬： 方案一：可編程邏輯控制器(PLC) 應(yīng)用廣泛，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對硬件進展控制，但是用PLC實現(xiàn)價格相對昂貴，因而本錢過高。方案二：采用CPLD或FPGA實現(xiàn)應(yīng)用目前廣泛應(yīng)用的VHDL硬件電路描述語言，實現(xiàn)電阻，電容，電感測試儀的設(shè)計，利用MA*PLUSII集成開發(fā)環(huán)境進展綜合、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。但相對而言規(guī)模大，構(gòu)造復(fù)雜。方案三：利用振蕩電路與單片機結(jié)合利用555多諧振蕩電路將電阻

3、，電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，而電感則是根據(jù)電容三點式電路也轉(zhuǎn)化為頻率，這樣就能夠把模擬量近似的轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而頻率f是單片機很容易處理的數(shù)字量，一方面測量精度高，另一方面便于使儀表實現(xiàn)自動化，而且單片機構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性。系統(tǒng)擴展、系統(tǒng)配置靈活。容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，且應(yīng)用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。單片機具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實現(xiàn)，而且設(shè)計時間短，本錢低，可靠性高。綜上所述，利用方案三振蕩電路與單片機結(jié)合實現(xiàn)電阻、電容、電感測試儀更為簡便可行，節(jié)約本錢。所以，本次設(shè)計選定以單片機為核心來進展。1.2 系統(tǒng)的原理框圖本設(shè)計中，考慮到單片機具有物美價廉、功能強、使

4、用方便靈活、可靠性高等特點，擬采用MCS - 51系列的單片機為核心來實現(xiàn)電阻、電容、電感測試儀的控制。系統(tǒng)分四大局部：測量電路、控制電路、通道選擇和顯示電路。通過P1.3和P1.4向模擬開關(guān)送兩位地址信號，取得相應(yīng)的振蕩頻率，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)進展處理后，得出相應(yīng)的參數(shù)值。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1-1如下所示。圖1-1 系統(tǒng)設(shè)計框圖框圖各局部說明如下：1)控制局部：本設(shè)計以單片機為核心，采用89C51單片機，利用其管腳的特殊功能以及所具備的中斷系統(tǒng)，定時/計數(shù)器和LED顯示功能等。LED燈：本設(shè)計中，設(shè)置了1盞電源指示燈，采用紅色的LED以共陽極方式來連接，直觀易懂，操

5、作也簡單。數(shù)碼管顯示：本設(shè)計中有1個74HC02、2個74LS573、1個2803驅(qū)動和6個數(shù)碼管，采用共陽極方式連接構(gòu)成動態(tài)顯示局部，降低功耗。鍵盤：本設(shè)計中有Sr，Sc，SL三個按鍵，可靈活控制不同測量參數(shù)的切換，實現(xiàn)一鍵測量。2)通道選擇：本設(shè)計通過單片機控制CD4052模擬開關(guān)來控制被測頻率的自動選擇。3)測量電路：RC震蕩電路是利用555振蕩電路實現(xiàn)被測電阻和被測電容頻率化。電容三點式振蕩電路是利用電容三點式振蕩電路實現(xiàn)被測電感參數(shù)頻率化。通過51單片機的IO口自動識別量程切換，實現(xiàn)自動測量。2.電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 MCS-51單片機電路的設(shè)計在本設(shè)計中，考慮

6、到單片機構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，且應(yīng)用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。還具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實現(xiàn)。另外，本設(shè)計還需要利用單片機的定時計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行接口等等，所以，選擇以單片機為核心進展設(shè)計具有極大的必要性。在硬件設(shè)計中，選用MS-51系列單片機，其各個I/O口分別接有按鍵、LED燈、七位數(shù)碼管等，通過軟件進展控制。 本設(shè)計中單片機的設(shè)計電路如下列圖2-1所示：圖2-1 單片機的設(shè)計電路本電路使用單片機部振蕩器，11.0592MHz的晶體諧振器直接接在單片機的時鐘端口*1和*2，電路中C2、C3為振蕩器的匹配電容。該電路簡單，工作可靠

7、 。另外本系統(tǒng)的容阻上電復(fù)位，就是利用RC電路的充電過程來給單片機復(fù)位。RC電路的時間常數(shù)計算公式：T=RC (3-1)即：T=RC=10u*10k=100ms。當需要復(fù)位時，也可以按下復(fù)位按鍵，進展復(fù)位。2.2 LED數(shù)碼管電路與鍵盤電路的設(shè)計在電阻、電容、電感測試系統(tǒng)中，用LED燈來顯示測量參數(shù)的類別和電源指示，既簡單又顯而易見。在本設(shè)計中，利用單片機的P1.0、P1.1和P1.2口直接和發(fā)光二極管相連接，控制程序放在 MCS-51單片機的ROM中。由于測試指示燈為發(fā)光二極管且陽極通過限流電阻與電源正極相接，所以為共陽極。因此 I/0口輸出低電平時，與之相連的相應(yīng)指示燈會亮；I/0口輸出高

8、電平時，相應(yīng)的指示燈會滅。發(fā)光二極管的接口電路如圖2-2所示： 圖2-2 發(fā)光二極管的接口電路發(fā)光二極管的設(shè)計中，每個二極管與單片機接口間有一個電阻，其阻值至少為180歐。按3.3V時的工作電流15mA來計算，需要讓與之串聯(lián)的電阻，分去VCC 5V電壓中的2.7V電壓，則得到R=U/I=2.7V/0.015A=180歐，且電阻的功率為P=UI=2.7V*0.015A=0.041W。另外，在本設(shè)計中，LED應(yīng)用于七位數(shù)碼管中，實現(xiàn)了被測參數(shù)的顯示，七位數(shù)碼管以共陰極的方式經(jīng)過74LS573鎖存器與單片機的P0口相連。六位數(shù)碼管顯示被測參數(shù)的示值從左到右依次代表十萬、萬、千、百、十和個位，這樣顯示

9、結(jié)果更為簡單可行。靜態(tài)方式需要大量I/O，而動態(tài)掃描顯示方式能夠節(jié)省大量的I/O口，且電路構(gòu)造也比擬簡單，顯示效果良好，因此最終采用動態(tài)掃描顯示方式。系統(tǒng)核心電路(AT89S52最小系統(tǒng))的P0口以總線方式與二片數(shù)據(jù)鎖存器(74HC573)相連接，二片74HC573的片選使能端(LE)分別連接在或非門(74HC02)的1、4管腳，三個或非門相類似，都是兩個輸入端的其中一端接在單片機的16管腳(WR)，而另一端分別接在P2.5P2.6。單片機片選電路如圖2-3所示。圖2-3 單片機片選電路或非門片選電路分析：當單片機通過P0口總線輸出數(shù)據(jù)時，16管腳(WR)為低電平“0，片選信號端P2.5P2.

10、7中，要被片選端為“0，其它為“1，這樣三個或非門中，只有需要片選中或非門的輸出為高電平“1，其它兩個或非門的輸出信號為低電平“0。另外，74HC573數(shù)據(jù)鎖存器的LE使能端為高電平有效，與之前電路結(jié)合可以實現(xiàn)片選功能。在本設(shè)計中，LED顯示接口電路如下列圖2-4所示圖2-4 LED顯示接口電路電路由6個共陰極數(shù)碼管、兩個74HC573和一個ULN2803組成。兩個74HC573分別作為段碼和位碼的數(shù)據(jù)鎖存器，它們的片選信號來自最小系統(tǒng)AT89S52的P2.5和P2.6，由此可以計算出它們的片選地址：段碼片選地址為C000HDFFFH，位碼片選地址為A000HBFFFH。ULN2803是達林頓

11、管，在電路中能起到大電流輸出和高壓輸出的作用。由于電路使用的是共陰極動態(tài)顯示方式，ULN2803在位碼數(shù)據(jù)鎖存器后連接八個數(shù)碼管的端，可以增強驅(qū)動數(shù)碼管的能力，使數(shù)碼管的顯示效果更好。本設(shè)計中設(shè)置了Sr,Sc,SL三個按鍵，利用單片機的P1.0、P1.1和P1.2口直接和按鍵相連接，控制程序放在 MCS-51單片機的ROM中用于啟動各個被測參數(shù)程序的調(diào)整。見圖2-5按鍵電路所示圖2-5 按鍵電路控制R、L、C的三個按鍵接入一個10K大小的上拉電阻，起限流保護作用。當有鍵按下時為低電平，無鍵按下時則為高電平。2.3 測量電阻、電容電路的設(shè)計2.3.1 555定時器簡介555定時器是一種模擬電路和

12、數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，它性能優(yōu)良，適用圍很廣，外部加接少量的阻容元件可以很方便地組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，以及不需外接元件就可組成施密特觸發(fā)器。因此集成555定時被廣泛應(yīng)用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制等方面。1)555定時器部構(gòu)造555定時器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路,其部構(gòu)造如圖2-6(A)局部及管腳排列如圖(B)局部所示。圖2-6 定時器部構(gòu)造它由分壓器、比擬器、根本R-S觸發(fā)器和放電三極管等局部組成。分壓器由三個5K的等值電阻串聯(lián)而成。分壓器為比擬器A1、A2提供參考電壓，比擬器A1的參考電壓為，加在同相輸入端，比擬器A2的參考電壓為，加在反相輸入

13、端。比擬器由兩個構(gòu)造一樣的集成運放A1、A2組成。高電平觸發(fā)信號加在A1的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比擬后，其結(jié)果作為根本R-S觸發(fā)器端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加在A2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比擬后，其結(jié)果作為根本R-S觸發(fā)器端的輸入信號。根本R-S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比擬器A1、A2的輸出端控制。2)多諧振蕩器工作原理由555定時器組成的多諧振蕩器如圖2-7(C)局部所示，其中R1、R2和電容C為外接元件。其工作波如圖(D)局部所示。圖2-7 震蕩器工作原理設(shè)電容的初始電壓Uc0，t0時接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端VTHVTL0，比擬器A1輸出為高電平

14、，A2輸出為低電平，即=1，=0(1表示高電位，0表示低電位)，R-S觸發(fā)器置1，定時器輸出u0=1此時，定時器部放電三極管截止，電源Vcc經(jīng)R1，R2向電容C充電，uc逐漸升高。當uc上升到時，A2輸出由0翻轉(zhuǎn)為1，這時=1，R-S觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0tt1期間，定時器輸出u0為高電平1。時刻，uc上升到，比擬器A1的輸出由1變?yōu)?，這時=0，=1，R-S觸發(fā)器復(fù)0，定時器輸出u0=0。期間，放電三極管T導(dǎo)通，電容C通過R2放電。uc按指數(shù)規(guī)律下降,當時比擬器A1輸出由0變?yōu)?，R-S觸發(fā)器的=1，Q的狀態(tài)不變，u0的狀態(tài)仍為低電平。時刻，uc下降到，比擬器A2輸出由1變?yōu)?，R-S觸

15、發(fā)器的=1，=0，觸發(fā)器處于1，定時器輸出u0=1。此時電源再次向電容C放電，重復(fù)上述過程。通過上述分析可知，電容充電時，定時器輸出u0=1，電容放電時，u0=0，電容不斷地進展充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號輸入，卻能輸出矩形波，其實質(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔堋?)振蕩周期由圖(D)可知，振蕩周期T=T1+T2。T1為電容充電時間，T2為電容放電時間。充電時間： (3-2)放電時間： (3-3)矩形波的振蕩周期： (3-4)因此改變R1、R2和電容C的值，便可改變矩形波的周期和頻率。對于矩形波，除了用幅度，周期來衡量外，還有一個參數(shù)：占空比q，q=(脈寬tw)

16、/(周期T)，tw指輸出一個周期高電平所占的時間。圖C所示電路輸出矩形波的占空比： (3-5) 測量電阻電路的設(shè)計定時器555是一種用途很廣的集成電路，只需外接少量R、C元件，就可以構(gòu)成多諧、單穩(wěn)及施密特觸發(fā)器。電阻的測量采用“脈沖計數(shù)法，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，其振蕩周期為： (3-6)得出： (3-7)即： (3-8) 電路分為2檔：1、100R*1000 ：按下電阻測試建Sr，閉合開關(guān)Srd,R2=330,C2=0.22uF： (3-9)2、1000R* 1M ：按下電阻測試建Sr，閉合開關(guān)Srg,R1=20

17、K,C3=103pF： (3-10)電阻測試電路見圖3-8所示。圖2-8 電阻測試電路 測量電容電路的設(shè)計電容的測量同樣采用“脈沖計數(shù)法，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容的大小。555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為：(3-11)我們設(shè)置 R1=R2,得出： (3-12)即： (3-13)電路分為1檔：R4=510K,R4=R6； (3-14)電容測試電路見圖3-9所示。圖2-9 電容測試電路2.4 測量電感電路的設(shè)計及仿真 測量電感電路的設(shè)計電感的測量是采用電容三點式振蕩電路來實現(xiàn)的。電容三點式振蕩電路又稱考畢茲振蕩電路，三點式振蕩電路是指：LC回路中與

18、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)射級相連的兩個電抗元件同為電容式的三點式振蕩電路，也就是射同基反的構(gòu)成原則成為電容三點式振蕩電路。其振蕩頻率為： (3-15) 即： (3-16) (3-17)電感測試電路見圖2-10所示。圖2-10 電感測試電路2.5 多路選擇開關(guān)電路的設(shè)計利用CD4052實現(xiàn)測量類別的轉(zhuǎn)換，CD4052是差分四通道數(shù)字控制模擬開關(guān)器件，有A0和A1兩個二進制控制輸入端和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止電流。當INH輸入端=“1時所有通道截止，二位二進制輸入信號選通四對通到中的一通道。中選擇了*一通道的頻率后，Y輸出頻率通過

19、T1送入單片機進展計數(shù)，通過計算得到要被測值，多路選擇開關(guān)控制如表2-1 所示。表2-1 多路選擇開關(guān)控制P1.4 P1.3 測量類別00Y0-R01Y1-C10Y2-L11*表3-1中*表示未定義此功能。多路選擇開關(guān)硬件電路如圖2-13所示。圖2-13 多路選擇開關(guān)3.電阻、電容、電感測試儀的軟件設(shè)計3.1 I/O口的分配P1.0 R測量程序的選擇P1.1 C測量程序的選擇P1.2 L測量程序的選擇P1.3-P1.4多路選擇開關(guān)控制選擇P1.0、P1.1和P1.2按鍵輸入及測量指示燈在本設(shè)計的模塊中，模塊是以單片機為核心，再通過按鍵控制測量的被測參數(shù)在數(shù)碼管顯示，按鍵主流程圖如3-1所示。開

20、場完畢初始化執(zhí)行鍵功能有無按鍵操.作.有無圖3-1按鍵主程序流程圖3.2 主程序流程圖在電阻、電容、電感測試儀的設(shè)計中，便于直觀性，在數(shù)碼管上顯示被測參數(shù)的選擇，被測參數(shù)各個燈的選擇以及具體設(shè)置。通過三個按鍵Sr,Sc,SL來進展靈活控制，具體操作流程如3-2所示。 開場初始化鍵掃描健分析，置狀態(tài)R測試狀態(tài)C測試狀態(tài)L測試狀態(tài)開中斷定時器設(shè)置通道及指示燈的設(shè)置采值并計算顯示完畢NoYes圖3-2 RLC測試儀的軟件流程圖首先插入被測元件，開關(guān)翻開以后，按下SET鍵，進展復(fù)位，然后進展按鍵選擇，選擇被測參數(shù)類別，之后單片機根據(jù)按鍵類別啟動相應(yīng)的參數(shù)測試程序，測試完畢后將結(jié)果送入數(shù)碼管顯示。3.3

21、 頻率參數(shù)計算的原理本設(shè)計頻率的計算采用單片機外部中斷 ，對外觸發(fā)電路產(chǎn)生的脈沖頻率的測量，再通過對測量數(shù)據(jù)的校正來完成。單片機對頻率測量的原理如下列圖3-3所示。圖3-3 測頻率原理圖示 說明：圖3-3中t1時刻檢測到高電平開定時器1，開場計數(shù)；t2時刻等待檢測低電平；t3時刻第二次檢測到高電平時關(guān)定時器停頓計數(shù)。利用GATE=1,TR1=1,只有 引腳輸入高電平時，T1才允許計數(shù)，利用此，將外部輸入脈沖經(jīng) 引腳上輸入，等待高電平的到來，當檢測到高電平時開定時器開場計數(shù)，然后檢測低電平，當檢測到低電平時已經(jīng)測得脈沖的脈寬，但我們測得是頻率，故在程序中藥繼續(xù)檢測等待下一個高電平的到來，此時關(guān)定

22、時器停頓計數(shù)，用此計數(shù)值乘以機器的周期數(shù)(晶振頻率)，得出觸發(fā)電路產(chǎn)生的周期，然后再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理便得到輸入信號的頻率。4.系統(tǒng)調(diào)試與系統(tǒng)測試4.1 系統(tǒng)軟件調(diào)試系統(tǒng)軟件局部主要是單片機的應(yīng)用，所以這里我主要簡述一下單片機的軟件應(yīng)用。單片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，匯編語言源程序要變?yōu)镃PU可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼，用于MCS-51單片機的匯編軟件有早期的A51，隨著單片機開發(fā)技術(shù)的不斷開展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷開展，Keil軟件

23、是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境(uVision)將這些部份組合在一起。5結(jié)論(1) 回憶起此次集成電路課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，確實，從選題到定稿，從理論到實踐，在整整兩星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以穩(wěn)固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知

24、識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會效勞，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。 (2)由于使用單片機作為中央控制器和計數(shù)器，本儀器具有功能強，性能可靠，體積小，電路簡單的特點，加上自行設(shè)計的BCD碼浮點數(shù)運算，計算頻率功能等，使它的可以方便地擴展其他功能，如頻率計等。我們設(shè)計的這種把元件參數(shù)轉(zhuǎn)化成頻率后測量的方法也有缺乏之處，主要是必須保證電路起振，并且振蕩要穩(wěn)定，否則會增加誤差。參考文獻1申忠如.MCS-51單片機原理及系統(tǒng)設(shè)計.交通大學，2021年3月第1版2申忠如現(xiàn)代測試技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計：交通大學，2006.23付家才.單片機控制工程實踐技術(shù)M.化學工業(yè)，2004 4夏繼強.單片機實驗與實踐教程.航空航天大學，20015付曉光.單片機原理與使用技術(shù).清華大學，ISBN7- 81082- 169- 5TP 6J.C.Whitaker.Thermal Design of Elektronic Equipment,CRC Press LLC.Lond on2001Resistance, Capacitance, Inductance Tester System DesignAbstractAt present, with the development of electronic industry, electroni