RLC测试仪简易制作Word文档格式.docx
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1．3．1总体思路4
1．3．2设计方案4
第二章主要电路设计与说明5
2．1TS556芯片简介5
2．1．1芯片的顶视图及各引脚的功能5
2．1．2芯片的等效功能方框图及工作原理5
2．2CD4066芯片的简介7
2．3测的RC振荡电路7
2．3．1用556时基电路构成多谐振荡器7
2．3．2测量电阻的电路模块9
2．4测的RC振荡电路10
2．5测的电容三点式振荡电路11
第三章软件设计11
第四章系统测试12
4．1测试仪器12
4．2指标测试及误差分析12
4．2．1电阻的测量12
4．2．2电容的测量13
4．2．3电感的测量13
第五章总结13
参考文献13
附录14
附录1元器件清单14
附录2程序清单15
附录3总体电路图17
附录4印制板图18
附录5系统使用说明19
第一章系统设计
1．1设计要求
1．1．1设计任务
设计并制作一台数字显示的电阻、电容和电感参数测试仪，示意框图如下：
1．1．2技术要求
根本要求
〔1〕测量围
电阻100Ω～1MΩ
电容100pF～10000pF
电感100µ
H～10mH
〔2〕测量精度+5％
〔3〕制作4位数码管显示器，显示测量数值，并用发光二极管分别指示所测元件的类别和单位
发挥局部
〔1〕扩大测量围
〔2〕提高测量精度
〔3〕测量量程自动转换
1．2方案比拟
目前，测量电子元件集中参数R、L、C的仪表种类较多，方法也各不一样，这些方法都有其优缺点。
电阻R的测试方法最多。
最根本的就是根据R的定义式来测量。
在如图1.2.1中，分别用电流表和电压表测出通过电阻的电流和通过电阻的电压，根据公式求得电阻。
这种方法要测出两个模拟量，不易实现自动化。
而指针式万用表欧姆档是把被测电阻与电流一一对应，由此就可以读出被测电阻的阻值，如图1.2.2所示。
这种测量方法的精度变化大，假设需要较高的精度，必须要较多的量程，电路复杂。
能同时测量电器元件R、L、C的最典型的方法是电桥法〔如图1.2.3〕。
电阻R可用直流电桥测量，电感L、电容C可用交流电桥测量。
电桥的平衡条件为
通过调节阻抗、使电桥平衡，这时电表读数为零。
根据平衡条件以及一些的电路参数就可以求出被测参数。
用这种测量方法，参数的值还可以通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。
这样，电桥法不易实现自动测量。
Q表是用谐振法来测量L、C值〔如图1.2.4〕。
它可以在工作频率上进展测量，使测量的条件更接近使用情况。
但是，这种测量方法要求频率连续可调，直至谐振。
因此它对振荡器的要求较高，另外，和电桥法一样，调节和平衡判别很难实现智能化。
图1.2.4
用阻抗法测R、L、C有两种实现方法：
用恒流源供电，然后测元件电压；
用恒压源供电，然后测元件电流。
由于很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们适用的测量围很窄。
很多仪表都是把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。
基于此思想，我们把电子元件的集中参数R、L、C转换成频率信号f,然后用单片机计数后在运算求出R、L、C的值，并送显示，转换的原理分别是RC振荡和LC三点式振荡。
其实，这种转换就是把模拟量进拟地转化为数字量，频率f是单片机很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于使仪表实现智能化，另一方面也防止了由指针读数引起的误差。
1．3方案论证
1．3．1总体思路
本设计中把R、L、C转换成频率信号f，转换的原理分别是RC振荡电路和LC电容三点式振荡电路，单片机根据所选通道，向模拟开关送两路地址信号，取得振荡频率，作为单片机的时钟源，通过计数那么可以计算出被测频率，再通过该频率计算出各个参数。
然后根据所测频率判断是否转换量程，或者是把数据处理后，把R、L、C的值送数码管显示相应的参数值，利用编程实现量程自动转换。
1．3．2设计方案
该设计方案的总体方框图如图1.3.1所示。
图1.3.1设计的总体方框图
第二章主要电路设计与说明
2．1TS556芯片简介
方案选择中，利用555时基电路构成多谐振荡器来测量电阻R、电容C，为了测量两个物理量需要两块555时基电路，为节省一局部硬件空间，以一片556时基电路来代替。
2．1．1芯片的顶视图及各引脚的功能
556双时基集成是S型的，含两个一样的555时基电路，它的顶视图如下列图2.1.1所示，双列直插14脚封装。
图2.1.1555时基电路顶视图
顶视图各引脚的功能分别为：
1、13脚：
放电；
2、12脚：
阈值；
3、11脚：
控制；
4、10脚：
复位；
5、9脚：
输出；
6、8脚：
置位触发；
7脚：
GND；
14脚：
+电源Vcc。
2．1．2芯片的等效功能方框图及工作原理
芯片的等效功能方框图如下列图2.1.2所示，由于556双时基集成块含两个一样的555时基电路，它的等效功能方框图与一个555时基电路的等效功能方框图一样，在下面的分析中，可就个556芯片单独分析。
图2.1.2555时基电路等效功能方框图
芯片的工作原理
TS556的等效功能框图中包含两个S电压比拟器A和B，一个RS触发器，一个反相器，一个P沟道MOS场效应管构成的放电开关SW，三个阻值相等的分压电阻网络，以及输出缓冲级。
三个电阻组成的分压网络为上比拟器A和下比拟器B分别提供Vcc和Vcc的偏置电压。
当上比拟器A的同相输入端R高于反相输入端电位Vcc时，A输出为高电平，RS触发器翻转，输出端Vo为逻辑“0”电平。
即当VTH>
Vcc时，Vo为“0”电平，处于复位状态；
而当置位触发端的电位，即VS≤Vcc时，下比拟器B的输出为“1”，RS触发器置位，输出端Vo为“1”电平。
即当VS≤Vcc时，Vo为“1”电平，处于置位状态。
可见，该TS556的等效功能框图相当一个置位—复位触发器。
在RS触发器，还设置了一个强制复位端，即不管阈值端R和置位触发端处于何种电平，只要使=“0”，那么RS触发器的输出必为“1”，从而使输出Vo为“0”电平。
从芯片的等效功能方框图得出各功能端的真值表，如表2.1.1所示。
表2.1.1556芯片各功能端的真值表
〔强制复位〕
〔置位触发〕
R〔复位触发〕
Vo〔输出〕
×
1
保持原电平
注：
“0〞→电平≤Vcc
“1〞→电平>
Vcc
“×
〞→表示任意电平
2．2CD4066芯片的简介
在电路中采用CD4066四路模拟开关来实现不同量程的相互转换。
CD4066芯片〔全称：
四路模拟开关集成电路〕部含有A、B、C、D四路模拟开关，A路模拟开关由引脚13控制、B路模拟开关由引脚5控制、C路模拟开关由引脚6控制、D路模拟开关由引脚12控制。
所有的控制引脚由软件编程控制，当控制线由软件置“1”时，该模拟开关闭合，当控制线由软件置“0”时，该模拟开关断开，且四路模拟开关可独立使用。
CD4066的部构造图如图2.2.1所示：
图2.2.1CD4066的部构造图
2．3测的RC振荡电路
2．3．1用556时基电路构成多谐振荡器
在电路中采用RC振荡电路来测量电阻R、电容C的值，用556时基电路构成RC振荡器。
如图2.3.1〔a〕所示，将556与三个阻、容元件如图连接，便构成无稳态多谐振荡模式。
图2.3.1〔a〕电路图
图2.3.1〔b〕波形图
当加上电压时，由于上端电压不能突变，故556处于置位状态，输出端〔5/9〕呈高电平“1〞，而部的放电S管截止，通过和对其充电，6/8脚电位随上端电压的升高呈指数上升，波形如图2.3.1〔b〕所示。
当上的电压随时间增加，到达Vcc阈值电平〔2/12脚〕时，上比拟器A翻转，使RS触发器置位，经缓冲级倒相，输出呈低电平“0〞。
此时，放电管饱和导通，上的电荷经至放电管放电。
当放电使其电压降至Vcc触发电平〔6/8脚〕时，下比拟器B翻转，使RS触发器复位，经缓冲级倒相，输出呈高电平“1〞。
以上过程重复出现，形成无稳态多谐振荡。
由上面对多谐振荡过程的分析不难看出，输出脉冲的持续时间就是上的电压从Vcc充电到Vcc所需的时间，故两端电压的变化规律为
设，那么上式简化为
从上式中求得
一般简写为
电路间歇期就是两端电压从Vcc充电到Vcc所需的时间，即
从上式中求得，并设，那么
那么电路的振荡周期为
振荡频率，即
输出振荡波形的占空比为
从上面的公式推导，可以得出〔1〕振荡周期与电源电压无关，而取决于充电和放电的总时间常数，即仅、、的值有关。
〔2〕振荡波的占空比与的大小无关，而仅与、的大小比值有关。
2．3．2测量电阻的电路模块
图2.3.2是一个由556时基电路构成的多谐振荡电路，由该电路可以测出量程在100Ω～
1MΩ的电阻。
该电路的振荡周期为
其中为输出高电平的时间，为输出低电平的时间。
那么：
为了使振荡频率保持在这一段单片机计数的高精度围，需选择适宜的C和R的值。
第一个量程选择，第二个量程选择。
这样，第一个量程中，时
第二个量程中，时
因为RC振荡的稳定度可达10-3，单片机测频率最多误差一个脉冲，所以用单片机测频率引起的误差在百分之一以下。
在电路中之所以选用可调电位器是因为CD4066的阻并不清楚，在进展测量之前需要进展校准。
把标准电阻插在JP2插接口上，调节电位器，使数码管显示标称阻值。
在以后的测量过程中，便可直接测量电阻。
利用P1.0〔TR1〕、P1.1〔TR2〕口通过软件编程的方法来控制CD4066的改变，实现量程的转换
图2.3.2测量电阻的电路
2．4测的RC振荡电路
测量电容的振荡电路与测量电阻的振荡电路完全一样。
其电路图如图2.4.1所示。
假设=或者=，那么
两个量程的取值分别为
第一量程：
=510
=10
其分析过程如测量电阻的方法一样，这里就不在赘述了。
图2.4.1测量电容的电路
2．5测的电容三点式振荡电路
电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的，如图2.5.1所示。
三点式电路是指：
LC回路中与发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的，另外一个电抗元件必须为异性质的，而与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式电路，成为电容三点式电路。
在这个电容三点式振荡电路中，C4C5分别采用1000pF、2200pF的独石电容，其电容值远大于晶体管极间
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