簡(jiǎn)易電阻、電感和電容的測(cè)量?jī)x

4/23簡(jiǎn)易電阻、電感和電容的測(cè)試儀摘要：本系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)作為控制核心，由555構(gòu)成多諧振蕩電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻和電容的測(cè)量，采用電容三點(diǎn)式振蕩電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電感的測(cè)量?？刂评^電器實(shí)現(xiàn)電阻、電容測(cè)量的檔位自動(dòng)切換，使測(cè)量精度滿足指標(biāo)要求；為使單片機(jī)精確測(cè)量待測(cè)頻率，在電感測(cè)量模塊中先進(jìn)行整形和分頻，然后測(cè)量，以提高測(cè)量精度。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，操作簡(jiǎn)單，在測(cè)量范圍內(nèi)誤差很小，經(jīng)電路仿真分析可達(dá)到題目要求的指標(biāo)。關(guān)鍵詞：555多諧振蕩電路，電容三點(diǎn)式振蕩，MSP430單片機(jī)，繼電器一、系統(tǒng)方案論證1.1電阻測(cè)量模塊方案論證方案一：伏安法。如圖1-1所示，分別用電流表和電壓表測(cè)出通過(guò)電阻的電流和電阻兩端的電壓，根據(jù)公式R=U/I求得電阻。這種測(cè)量方法雖然電路簡(jiǎn)單，但要同時(shí)測(cè)出兩個(gè)模擬量，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而電壓表與電流表都存在內(nèi)阻，測(cè)量誤差大，精度不高。ARxAVV圖1-1伏安法測(cè)量原理圖1-1伏安法測(cè)量原理方案二:電阻分壓法。如圖1-2所示,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便可由公式求得。RxRGNDVccRxRGNDVccVxVx圖1-2電阻分壓電路圖1-2電阻分壓電路該方案原理簡(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,所以也不可行。方案三：RC和555定時(shí)器組成的多諧振蕩電路。很多儀表都是把較難測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測(cè)量的物理量?；诖怂悸罚覀儼央娮枳柚缔D(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，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T(mén)TL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，這種處理一方面便于使儀表實(shí)現(xiàn)智能化，另一方面也避免了由指針讀數(shù)引起的誤差。綜合比較，基于對(duì)精度要求較高，并從測(cè)量時(shí)操作的簡(jiǎn)便程度考慮，本設(shè)計(jì)采用方案三，用RC和555定時(shí)器組成的多諧振蕩電路來(lái)實(shí)現(xiàn)要求。1.2電容測(cè)量模塊方案論證方案一：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)τ=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)的電容大小。此方案下測(cè)量大電容較準(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：電橋法是另一種經(jīng)典的方法，如圖1-3所示，可利用交流電橋來(lái)測(cè)量電容。Z1Z2Z1Z2GNDGVCCGNDGVCCZnZxZnZx圖1-3直流電橋平衡電圖1-3直流電橋平衡電路電橋的平衡條件為：通過(guò)調(diào)節(jié)阻抗Z1、Z2使電橋平衡，這時(shí)電表讀數(shù)是零。根據(jù)平衡條件及一些已知的電路參數(shù)就可以求出被測(cè)參數(shù)。用這種測(cè)量方法，參數(shù)的值還要通過(guò)聯(lián)立方程求解，調(diào)節(jié)電阻值一般只能手動(dòng)，電橋平衡的判別亦難以用簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)。這樣，電橋法不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。方案三：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T(mén)TL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。綜合比較，基于對(duì)精度要求較高，并從測(cè)量時(shí)操作的簡(jiǎn)便程度考慮，本設(shè)計(jì)采用方案三，用RC和555定時(shí)器組成的多諧振蕩電路來(lái)實(shí)現(xiàn)要求。1.3電感測(cè)量模塊方案論證方案一:采用電橋法測(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，電感的大小由電阻和電橋的本征頻率求得，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，但其電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難。因?yàn)镽C振蕩的穩(wěn)定度可達(dá)1/1000，單片機(jī)測(cè)頻率最多誤差一個(gè)脈沖，所以由單片機(jī)測(cè)頻率值引起的誤差在百分之一以下。量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)在第一個(gè)頻率的記錄中發(fā)現(xiàn)頻率過(guò)小，即通過(guò)繼電器轉(zhuǎn)換量程。再測(cè)頻率，求的值。誤差分析：因?yàn)橄喈?dāng)小，在左右，遠(yuǎn)小于儀表所需要的精度，可忽略。這樣，的精度取決于，即電容的穩(wěn)定性。電路中采用了穩(wěn)定性良好的獨(dú)石電容，理論上說(shuō)，只要小于，所測(cè)電阻的精度亦能在以下。由于單片機(jī)程序中采用了多位數(shù)的浮點(diǎn)運(yùn)算，計(jì)算精度可遠(yuǎn)高于。2.2電容測(cè)量的分析與計(jì)算電容測(cè)量的原理圖也如圖2-1，同樣由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過(guò)計(jì)算振蕩輸出的頻率來(lái)計(jì)算被測(cè)電容的大小。由2.1的分析知其振蕩周期為：得出：，即：為使頻率在單片機(jī)高精度測(cè)量范圍內(nèi)，我們同樣設(shè)計(jì)了兩路電路，取值分別為：第一量程：；第二量程：；這樣的取值使電容檔的測(cè)量范圍很寬，同樣可通過(guò)繼電器轉(zhuǎn)換量程。誤差分析：同的測(cè)量，有，已知能滿足以下的精度，而精密的金屬膜電阻其阻值的變化亦能滿足左右的精度。這樣，電容的精度也可以做得很高。2.3電感測(cè)量的分析與計(jì)算電感的測(cè)量是采用電容三點(diǎn)式振蕩電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。三點(diǎn)式振蕩電路是指：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)射級(jí)相連的兩個(gè)電抗元件同為電容式的三點(diǎn)式振蕩電路，其振蕩頻率為：即：如圖3-3所示，C1和C2分別采用100nF和1uF的獨(dú)石電容，其電容值遠(yuǎn)大于晶體管的極間電容，可以把極間電容忽略，則單片機(jī)的高精度測(cè)量范圍有限，因此在測(cè)電感這一檔時(shí)，只能分頻后送單片機(jī)計(jì)數(shù)。誤差分析：由此可見(jiàn)，因?yàn)橄喈?dāng)小，的精度主要取決于電容值的穩(wěn)定性，從理論上講，只要小于，也就能達(dá)到相當(dāng)?shù)乃?。一般而言，電容的穩(wěn)定性，特別是像獨(dú)石電容一類(lèi)性能比較好的電容，能滿足小于的要求，這樣誤差精度就能保持在以內(nèi)。三、硬件電路設(shè)計(jì)3.1測(cè)量電阻電路的設(shè)計(jì)電阻的測(cè)量分為兩個(gè)量程：第一個(gè)量程，，開(kāi)關(guān)S1和S3閉合;第二個(gè)量程，，開(kāi)關(guān)S2和S4閉合。電路圖如圖3-1所示：圖3-1電阻測(cè)量電路圖3.2測(cè)量電容電路的設(shè)計(jì)電容的測(cè)量同樣設(shè)計(jì)了兩路電路，取值分別為：第一量程：，開(kāi)關(guān)S2和S4閉合；第二量程：，開(kāi)關(guān)S1和S3閉合；電路圖如圖3-2所示：圖3-2電容測(cè)量電路圖3.3測(cè)量電感電路的設(shè)計(jì)因?yàn)殡姼袦y(cè)量模塊產(chǎn)生的信號(hào)是正弦信號(hào)，所以必須先整形成方波，又由理論分析可知電路的輸出頻率很高，所以也要對(duì)輸出的信號(hào)分頻，單片機(jī)才能處理。3.3.1電感測(cè)量電路圖3-3電感測(cè)量電路整形電路圖3-4整形電路3.3.3分頻電路圖3-510分頻電路3.4繼電器的設(shè)計(jì)電阻與電容的測(cè)量電路中均需要自動(dòng)換擋，我們采用繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)。繼電器是一種電子控制器件，通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中。當(dāng)測(cè)量電路中所測(cè)頻率過(guò)低時(shí)，單片機(jī)就會(huì)控制繼電器轉(zhuǎn)換量程。如圖3-6所示為繼電器的原理圖，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，通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化。圖3-6繼電器原理圖3.5按鍵部分通道的選擇可以通過(guò)MSP430單片機(jī)上面的鍵盤(pán)控制。通道選擇見(jiàn)表3-1.表3-1按鍵通道選擇按鍵對(duì)應(yīng)測(cè)試項(xiàng)KEY1測(cè)試RKEY2測(cè)試CKEY5測(cè)試LKEY6返回四、程序設(shè)計(jì)開(kāi)始開(kāi)始時(shí)鐘、液晶屏、鍵盤(pán)初始化掃描鍵盤(pán)獲得鍵值Check_Key2電容測(cè)量3電感測(cè)量1電阻測(cè)量轉(zhuǎn)換量程f>=30Hz轉(zhuǎn)換量程C<=1nF1100低量程分頻低量程液晶顯示高量程高量程計(jì)算參數(shù)并又液晶屏輸出計(jì)算參數(shù)并又液晶屏輸出計(jì)算參數(shù)并又液晶屏輸出圖4-1主程序流程圖圖4-1主程序流程圖該系統(tǒng)以MSP430作為控制平臺(tái)，其主程序流程如圖4-1所示。程序開(kāi)始先對(duì)系統(tǒng)初始化，然后由鍵盤(pán)輸入測(cè)試項(xiàng)目（如：1電阻測(cè)量；2電容測(cè)量；3電感測(cè)量），然后采集信號(hào)頻率，在測(cè)量電阻和測(cè)量電容時(shí)要通過(guò)對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行分析來(lái)轉(zhuǎn)換電路（量程轉(zhuǎn)換），再將從新采集的信號(hào)頻率進(jìn)行計(jì)算，得到待測(cè)器件的參數(shù)，并由液晶屏輸出參數(shù)。測(cè)量完成之后系統(tǒng)返回到初始化的狀態(tài)。圖4-2按鍵程序流程圖圖4-3頻率測(cè)量流程圖五、系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析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4.1所示。表4-1測(cè)試使用的儀器設(shè)備序號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量備注1RLC電橋測(cè)量?jī)x1測(cè)量精度高2數(shù)字示波器1查看輸出波形5.2測(cè)試方法根據(jù)設(shè)計(jì)搭好好電路通過(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)提示選擇所需測(cè)量器件。然后待控制器自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)換擋完成約1~3s即會(huì)在LCD上顯示出相應(yīng)元件的類(lèi)型和測(cè)量值，此時(shí)讀出測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值作比較，計(jì)算出其測(cè)量誤差。5.3測(cè)試數(shù)據(jù)5.3.1電阻測(cè)量數(shù)據(jù)表4-2電阻測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)稱值（Ω）電橋測(cè)量（Ω）儀器測(cè)量（Ω）誤差（%）標(biāo)稱值（Ω）電橋測(cè)量（Ω）儀器測(cè)量（Ω）誤差（%）1111.1128.10100K100.4k102.9k2.491009995.43.63510K511k511.8k061.652.2M2.192M2.217M1.1416k16K16.1k0.629M8.9M8.376M5.885.3.2電容測(cè)量數(shù)據(jù)表4-3電容測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)稱值(F)電橋測(cè)量(F)儀器測(cè)量(F)誤差（%）標(biāo)稱值(F)電橋測(cè)量(F)儀器測(cè)量(F)誤差（%）10p10p10.5p5.004.7n4.9n5.1n4.08100p100p102p2.0033n35n36.3n3.711n0.98n0.94n4.08100n101n105.5n4.455.3.3電感測(cè)量數(shù)據(jù)表4-4電感測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)稱值（H）電橋測(cè)量（H）儀器測(cè)量（H）誤差（%）標(biāo)稱值（H）電橋測(cè)量（H）儀器測(cè)量（H）誤差（%）30u31.1u30.85u0.801m1.02m0.999m2.05100u100.9u102.7u1.783.2m3.298m3.217m2.45330u339.8u340.6u0.2315m15.4m16m3.895.4測(cè)試結(jié)果分析電阻模塊的測(cè)量結(jié)果顯示在基本測(cè)量范圍內(nèi)誤差均小于5%，而在拓展范圍誤差偏大。電容模塊的測(cè)量結(jié)果顯示所有測(cè)量的誤差均在5%以內(nèi)。電感模塊的測(cè)量結(jié)果顯示可以測(cè)量的范圍內(nèi)誤差均小于5%，但拓展指標(biāo)沒(méi)有做到，10uH的電感已經(jīng)測(cè)量不出來(lái)。六、小結(jié)本次課題設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本原理是電阻、電容、電感與測(cè)量電路構(gòu)成各自的震蕩電路，產(chǎn)生的相應(yīng)頻率的脈沖方波，將該頻率數(shù)據(jù)采集輸入到單片機(jī)，利用電路中其他器件已知的參數(shù)，單片機(jī)對(duì)頻率進(jìn)行運(yùn)算，可以算出待測(cè)元件的各個(gè)參數(shù)并顯示在1602液晶屏幕上。系統(tǒng)使用按鍵選擇被測(cè)元件類(lèi)型，由于不同的電容、電阻、電感值的大小對(duì)應(yīng)的諧振頻率不同，通過(guò)測(cè)量振蕩電路發(fā)出的頻率計(jì)算出相應(yīng)的電阻、電容和電感的值。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，性能基本符合題目要求指標(biāo)，在測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)量誤差很小，且操作簡(jiǎn)單，人機(jī)界面友好。通過(guò)這個(gè)儀表的設(shè)計(jì)，我們體會(huì)到了細(xì)心、認(rèn)真的重要性，更深深的認(rèn)識(shí)到軟件和硬件相結(jié)合的重要性，學(xué)到了很多。在最終的測(cè)量過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)基本指標(biāo)都可達(dá)到，拓展指標(biāo)只有一個(gè)模塊達(dá)到，這就告訴我們，以后不管做什么題目，不能只是達(dá)到基本要求就放心了，而應(yīng)該以最高的要求定位，這才能在競(jìng)賽中存在優(yōu)勢(shì)。參考文獻(xiàn)[1]高吉祥．全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)系列教程．北京：電子工業(yè)出版社，2007．[2]楊欣，王玉鳳，劉湘黔等．電子設(shè)計(jì)從零開(kāi)始．北京：清華大學(xué)出版社，2010．[3]李桂安．電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì).南京：東南大學(xué)出版社，2008.[4]申忠如，郭福田，丁暉．現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)．西安：西安交通大學(xué)出版社，2006.2．[5]付曉光．單片機(jī)原理與使用技術(shù)．北京：清華大學(xué)出版社，2008.[6]童詩(shī)白，華成英．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002

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T();}}if(K==6){_DINT();f=0;pulse=0;Value=0;TAR=0;break;}}}/*************電感計(jì)算************/elseif(K==5){P6OUT=0xC0;Init_cap();//初始化CAPTBCCTL0=~CCIE;//關(guān)閉CCR0中斷Ini_Lcd();doubleLC=9.090909;Disp_HZ(0x80,hang10,8);Disp_HZ(0x90,hang_f,8);Disp_HZ(0x88,hang11,8);Disp_HZ(0x98,hang7,8);_EINT();//打開(kāi)中斷while(1){Key_Event();Check_Key();if(key_Flag==1){key_Flag=0;K=key_val;}constucharhang_mH[]={"mH"};_EINT();//打開(kāi)中斷while(flag){_DINT();flag=0;//清楚捕捉標(biāo)志f=pulse;f=f*100;Value=(unsignedlong)(f);Disp_ShuZhi(0x92,Value);f=f/100;L=0.02535/(LC*f*f);L=L*1e+12;//if(L<80){L=L-L*0.04;}if(80<L&&L<100){L=L+L*0.15;}if(275<L&&L<300){L=L+L*0.20;}if(6000<L&&L<7000){L=L+L*0.12;}L=L*100;Value=(unsignedlong)(L);Disp_ShuZhi(0x8A,Value);Init_cap();//初始化CAP_EINT();}if(K==6){_DINT();f=0;pulse=0;Value=0;TAR=0;break;}}}}}采頻程序#pragmavector=TIMERA1_VECTOR__interruptvoidTimerA1_ISR(void){switch(TAIV){case2:break;case4:{Cap_Tar++;break;}case10:{pulse=Cap_Tar-1;Cap_Tar=0;flag=1;break;}}}鍵盤(pán)掃描、獲得鍵值程序voidCheck_Key(void){ucharrow,col,tmp1,tmp2;tmp1=0x80;for(row=0;row<2;row+