簡易電阻、電容、電感測量儀

1、簡易電阻、電容和電感測試儀,簡易電阻、電容和電感測試儀一、任務(wù)設(shè)計并制作一臺數(shù)字顯示的電阻、電容和電感參數(shù)測試儀，示意框圖如下,二、要求1．基本要求　1）測量范圍：電阻100Ω～1MΩ；電容100pF～10000pF； 電感100μH～10mH?！?）測量精度：±5% 。　3）制作4位數(shù)碼管顯示器，顯示測量數(shù)值，并用發(fā)光二極管分別指示所測元件的類型和單位。2．發(fā)

2、揮部分　1）擴大測量范圍?！?）提高測量精度。　3）測量量程自動轉(zhuǎn)換。,電阻測試模塊電路,方案一:電阻分壓法將待測電阻Rx和基準電阻R串聯(lián)在電路中。由于電阻分壓的作用，當串聯(lián)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Vx便可求得Rx。,,◆優(yōu)點：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。◆缺點：測量精度極差。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V

3、x，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(fù)雜性和成本。,方案二：RC充電原理 根據(jù)電路原理電容充電的時間常數(shù)τ=RC。通過選擇適當?shù)膮⒖茧娙?，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(yīng)的電阻阻值。,,◆缺點： ①當電阻值Rx過小時，充電時間τ很短，普通的微處理器難以測量； ②同時通過實際測試發(fā)現(xiàn)當電阻Rx太大時充

4、 電時間τ和電阻Rx的大小線性度變差，這將導(dǎo)致測量誤差增大。 這些因素導(dǎo)致電阻測量范圍較窄。,方案三：直流單臂電橋 在《電工基礎(chǔ)課》中已經(jīng)講到，根據(jù)電路平衡原理，不斷調(diào)節(jié)電位器，使得電表指針指向正中間，有以下關(guān)系式成立：,,RX= ×R4,,◆優(yōu)點：萬用表操作簡單但精度不高，直流單臂電橋的測量精度較高；◆缺點：需要測量的電阻值多，而且測量調(diào)節(jié)麻煩，不易操作

5、與數(shù)字化 。,方案四：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(xiàn)簡單，通過選擇合適的電容值即可獲得適當?shù)念l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(shù)字電路處理。,555定時器構(gòu)成多諧振蕩器,根據(jù)555定時器構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生脈沖波形，通過單片機讀取高低電平得出頻率，通過公式換算得到電阻

6、阻值。由 f=1/ [(R1+2R2)*C*In2]得到公式： R2=1/2*[1/ (f*c*Ln2)-R1],,上述四種方案從對測量精度要求而言，方案一的測量精度極差，方案二電阻測量范圍較窄，方案三需要測量的電阻值多，而且測量調(diào)節(jié)麻煩，不易操作與數(shù)字化，相比較而言，方案四還是比較符合要求的，由于是通過單片機讀取轉(zhuǎn)化，精確度會明顯的提高。故本設(shè)計選擇了方案四。,電容測試模塊,方案一：直接

7、通過串聯(lián)路原理。 通過電容換算的容抗跟已知電阻分壓，通過測量電壓值，再經(jīng)過公式換算得到電容的值。原理同電阻測量的方案一。 方案二：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。此方案下測量大電容較準，但在電容容量較小時，電容在極短的時間內(nèi)就能充滿，即充電時間較短，所以很難測準。方案三：交流電橋平衡原理,,方案四：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，

8、如果固定電阻值，該方案硬件電路實現(xiàn)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。,由f=1/ [(R5+2R7)*C*In2得到公式： Cx=1/ [c*Ln2 (R1+2*R7)],綜上所述，本設(shè)計采用方案四，用低廉的NE555構(gòu)建RC多諧振蕩電路。,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

9、知標準電阻電容組成電橋，通過單片機控制調(diào)節(jié)電阻參數(shù)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(fù)雜，實現(xiàn)起來較為困難。,方案二 諧振法測量 用阻抗法測電阻、電容、電感有兩種實現(xiàn)方法：用恒流源供電，然后測元件電用阻抗法測電壓；用恒壓源供電，然后測元件電流。由于很難實現(xiàn)理想的恒流源和恒壓源，所以它們適用的測量范圍很窄。,方案三：用555定時器和被測電感利

10、用電感儲能以及充放原理構(gòu)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(jié)構(gòu)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。,方案四: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(xiàn)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。,根據(jù)電容三點式公式,從而可得電

11、感的計算公式,綜上所述，采用方案三設(shè)計，由于誤差太大，所以最終采用方案四的電容三點式振蕩振蕩電路，把輸出的正弦波整形后再交給處理器來處理。,頻率測量模塊,方案一：直接測頻法 在確定的閘門時間內(nèi)，利用計數(shù)器記錄待測信號通過的周期數(shù)，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(nèi)的高頻標準時鐘的數(shù)量，從而計算出

12、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(yù)控門共同控制。測量精度與被測信號的頻率無關(guān)，只與基準信號的頻率和穩(wěn)定度有關(guān)，因此可以保證在整個測量頻段內(nèi)測量精度不變。但此方案的實現(xiàn)需要FPGA等專門的芯片配合單片機才能實現(xiàn)精確的測量，系統(tǒng)較為復(fù)雜，成本較高。綜上所述，本設(shè)計采用直接測頻法。,顯示模塊,方案一：采用

13、點陣式液晶顯示器（LCD）顯示方案二：采用發(fā)光二極管（LED）顯示 由于led只能顯示簡單的數(shù)字與簡單的特殊字符，若需要顯示的測量量多，而且測量的量程范圍大時，明顯led無法方便明了的顯示，所以采用的是lcd1602液晶顯示，1602具有低功耗節(jié)能的作用，而且能夠更好的顯示出我們所需要的測量顯示。,系統(tǒng)方案概述,系統(tǒng)設(shè)計總框圖,總體設(shè)計思路,本設(shè)計是基于單片機AT89S52智能處理. 根據(jù)單片機的外接按鍵控制測量電路的選擇

14、 NE555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器和電容反饋式三點式構(gòu)成的振蕩電路產(chǎn)生的一定頻率的波 單片機的I/O口對高低電平的捕獲讀出頻率 程序算法處理換算成電阻、電容、電感的值 單片機送給1602液晶顯示RLC簡易測量儀設(shè)計的關(guān)鍵問題是：如何完成RLC的測量。RLC簡易測量儀設(shè)計的核心問題是：如何產(chǎn)生轉(zhuǎn)化電路輸出頻率。,,,,,單元電路設(shè)計,電阻測量電路 電阻的測量采用“

15、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，其振蕩周期為：T=t1+t2=（ln2）（R1+Rx）*C1+（ln2）Rx*C1得出：,即：電路分為2檔: 100≤Rx<1000歐姆：IOA5設(shè)置為高電平輸出，IOA7設(shè)為低電平輸出； R2=330歐姆；C2=0.22uF； Rx=｛(6.

16、56*(1e+6))/(2* fx)-330｝/2對應(yīng)的頻率范圍為： 2.8K≤fx <16K 1000≤Rx<1M歐姆：IOA6設(shè)置為高電平輸出，IOA8設(shè)為低電平輸出。 R1=20k歐姆；C1=1000PF； Rx =(1.443*(1e+8))/(2* fx)-(1e+4),電容測量電路 電容的測量同樣采用“脈沖計數(shù)法”，如下圖所示由555電路構(gòu)成的多

17、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(shè)置R1=R2;,得出：,即：,電路分為2檔: R1＝510K歐姆：IOA10設(shè)置為高電平輸出； R4=R6； Cx= (0.94*(1e+6))/ fx; 對應(yīng)的頻率范圍為： 9.4K≤fx

18、 <0.94K R1＝100K歐姆： IOA9設(shè)置為高電平輸出； R5=R6； Cx =(4.81*(1e+6))/ fx; 對應(yīng)的頻率范圍為： 480Hz≤fx <4.8KHz,電感測量電路 電感的測量是采用電容三點式振蕩電路來實現(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

19、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。,得出：,即：,按鍵電路,按鍵和二極管分別表示不同類別的測量，如下表,按鍵電路,液晶顯示電路,軟件設(shè)計,程序流程框圖,總體實物圖,附錄,CD4052基本原理   CD4052是一個差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，有A、B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漏電流。幅值為4.5～20V的數(shù)字信號可控制峰峰值至2

20、0V的模擬信號。例如，若V DD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，則0～5V的數(shù)字信號可控制-13.5～4.5V的模擬信號，這些開關(guān)電路在整個VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關(guān)，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,CD4052引腳功能說明表,CD4052各引腳分布圖,CD4052接口電路,CD4052真值表CD