B甲电阻电容电感测试仪.docx
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B甲电阻电容电感测试仪
电阻电容电感测试仪
摘要：
该系统以STC12C5A60S2单片机为控制核心，以DDSAD9850自制信号源和LRC测试电路为主要模块，实现了对L、R、C的精确测量，自制信号源频率可达0.5HZ-10MHZ。
采样电路使用16位的模数转换芯片AD7705对L、R、C分压有效值进行实时采样，从而得到高精度测量值，其中电阻档相对误差在2%以内。
电容、电感测试误差在4%以内，均超出了题目要求。
该系统能进行全自动量程切换，具有自动校准功能；通过24C04实现数据智能化存储；用DS1302提供准确时间系统；用高亮度12864液晶显示数据，读取直观方便，很好的完成了题目基本与发挥部分的各项指标。
关键字:
STC12C5A60S2DDSAD9850LRC高精度测量自动档位切换
Abstract:
ThissystemtaketheSTC12C5A60S2monolithicintegratedcircuitasthecontrolcoreandtakeDDSAD9850self-restraintsupplyoscillatorandtheLRCtestcircuitasthemainmodule,therealizationvoltammetrytoL、R、Cprecisionmeasuring.signalfrequencyspeed0.5HZ-10MHZ.Thesamplingelectriccircuituses16ADconversionchipAD7705forL、R、Cdifferentialpressureeffectivevaluecarriesonthereal-timesampling,thusobtainsthehighaccuracyobservedvalue.Thissystemcancarryonthecompletelyautomaticswitchrange,hasthefunctionofautomaticcalibration;Using24C04realizeddataintellectualizationmemory;ProvidestheaccuratetimesystemwithDS1302;Withhighluminance12864liquidcrystaldisplaydata,readdirect-viewingconvenient.goodcompletedthetopicofbasicandplayapartofeachindex
KeyWords:
STC12C5A60S2DDSAD9850LCRprecisionmeasuringAutomaticswitchgear
1.系统方案
1．1系统总体方案设计与结构框图
根据题目要求，本电路由电源模块、控制器模块、DDS信号源产生模块、信号放大模块、档位选择模块、精密整流模块、AD采样模块、时钟模块、数据存储及液晶显示等模块组成。
系统结构图如图1所示：
1．2方案设计与论证
1.2.1控制器模块
方案一：
采用凌阳公司的SPCE061作为控制核心，该芯片是16位单片机资源丰富，很多模块用不到，在该系统中性价比较低。
方案二：
采用STC12C5A60S2作为控制核心，加密性强，超强抗干扰，超低功耗，I/0驱动能力更强，内部集成可靠复位电路。
综合考虑，我们采用方案二。
1.2.2信号源模块
方案一：
用MAX038产生1Hz到1MHz正弦波信号，信号频率通过键盘设定所需电路复杂。
方案二：
用AD9850DDS直接数字频率合成器，利用采样定理，通过查表法产生波形。
输出频率可从1Hz到40MHz,AD9850具有功耗低、体积小、重量轻、可靠性高、易于程控、使用相当灵活，因此性价比极高。
因为我们所要实现步进连续可调，我们采用方案二。
1.2.3RLC测量模块
方案一：
谐振法，采用LC组成谐振回路，将被测电感串入电路或将电容并入回路中进行测量。
谐但振法要求较高频率的激励信号，一般不容易满足高精度的要求。
由于测试频率不固定，测试速度也很难提高。
方案二：
电桥法具有较高的测量精度，被广泛采用，现已派生出许多类型。
但电桥法测量需要反复进行平衡调节，测量时间长，很难实现快速的自动测量。
方案三：
伏安法测量RLC,它的测量原理来源于阻抗的定义。
即若已知流经被测阻抗的电流相量并测得被测阻抗两端的电压，则通过比率便可得到被测阻抗的相量。
综上所述，伏安法实现较为容易，我们采用伏安法进行对R、L、C的测量。
1.2.4精密整流滤波模块
方案一：
利用二极管单向导电性，把交流信号变成直流，但电路存在非线性误差，二极管正向压降随温度的变化而变化。
方案二：
采用双运放精密整流全波电路，电路内部二极管采用肖特基二极管，能克服普通二极管整流电路的缺陷。
综上所述，我们选择方案二。
1.2.5AD采样模块
方案一：
采用STC12C5A60S2单片机内部AD进行实时采样，单片机本身AD只有10位，分辨率太低。
方案二：
采用AD公司的16位AD7705,AD7705具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良抗噪声性能、以及低电压低功耗等特点。
非常适合仪表测量和工业控制。
为满足精度要求，我们选择方案二。
1.2.6显示模块
方案一:
采用LED数码管显示。
数码管显示具有亮度高、夜视效果好等优点，但显示信息量小，且自身功耗较大。
方案二：
128X64点阵LCD液晶显示。
LCD液晶可轻松实现字母、汉字、图像等的显示，控制简单。
我们需要显示内容较多，所以采用此方案。
1.2.7电源模块
方案一：
采用开关直流稳压电源。
开关电源功率大，效率高，但是纹波大，价格相对较高。
方案二：
采用线性直流稳压电源。
线性稳压电源制作简单，输出稳定，性价比较高。
综合考虑，我们选择方案二。
1.3系统设计
通过对系统的整体考虑，选择各模块方案如下：
（1）主控模块：
增强型51单片机STC12C5A60S2；
（2）信号源模块：
AD9850DDS信号发生器；
（3）RLC测量模块：
伏安法测量RLC；
（4）精密整流滤波模块：
双运放精密整流滤波电路；
（5）AD采样模块：
采用16位AD7705采得阻抗电压；
（6）显示模块：
12864液晶显示；
（7）电源模块：
线性稳压电源，产生正负12V，正负5V，2.5V电压；
（8）数据存储模块：
用24C04外部存储模块；
（9）时钟模块：
采用DS1302时钟芯片；
（10）键盘模块：
使用4*4矩阵键盘。
2.理论分析与计算
电阻高精度测量较好的方法之一是采用与标准电阻相比较的方法。
其主要原理：
是在待测电阻
与标准电阻
的串联电路中加一直流电压V。
AD采样Rx上电压
，则测量电阻为：
我们采用伏安法测量电容与电感，测量电感与电容要加入交流正弦波信号，在角频率为
的交流信号的作用下，电容和电感获得的容抗和感抗：
我们采用电阻与容抗或感抗分压可知:
电感
所测电容
测量Q值时，加入交流信号测量出电感Q值
两个方程联立，求得电感
；
；
；
为电感在电路中角频率为
的等效阻抗，
为电感在电路中角频率为
的等效阻抗,L为电感量，
为电感的等效电阻。
为保证测量精度，必须保证电阻的精度和
的高稳定值。
为此，我们在该设计中采用了高精度的DDS函数信号发生器AD9850芯片产生正弦波，同时输出缓冲器采用了运算放大器,为保证波形精度采用了闭环深度负反馈方式,无失真的放大正弦信号。
3.电路与程序设计
3.1系统电路设计
整个系统的硬件电路原理图分为主控器电路，DDS信号源电路，RLC测量电路，AD采样电路，精密整流滤波电路，电源电路，键盘电路，时钟电路，外部存储电路等组成。
3.1.1系统总电路图
3.1.2DDS信号源电路
如图3所示，为AD9850DDS信号源电路，此设计能产生1Hz到30MHz的正弦波信号，输出不失真且工作稳定。
3.1.3RLC测量电路
如图4所示，电路可进行对电阻，电感，电容的测量，实现自动识别器件与量程。
3.1.4精密整流滤波电路
如图5所示，双运放全波精密整流电路，实现交流正弦波信号变为稳定直流电压。
3.1.5AD采样电路
如图6所示，16位AD采样电路，使采样精度更高。
其他电路如外部存储电路，时钟电路，电源电路见附图1,2,3。
3.2系统软件设计
本系统的软件设计采用C语言对单片机进行编程，从而实现各模块的功能，主程序主要是控制电路的选择、各参数的检测与控制。
程序流程图如图7所示。
部分程序见附录2
4.系统测试与结果分析
4.1测试和校准仪器
DS5102CA双通道数字存储示波器，7H2811CLCR数字电桥，ZX38A系列电阻箱，RX7系列十进式型电容箱，GX9系列十进制电感箱。
4.2测试结果
本系统要对R、L、C，以及自制信号源进行测试，自制信号源的测试结果如表1所示
表1自制信号源测试结果
信号源设定频率（Hz）
示波器测试频率（Hz）
测试相对误差
1
频率过低示波器无法识别
10
10
0
100
100
0
1K
1.007K
0.007
10K
10.014K
0.0014
100K
99.889K
-0.00111
1M
1.0051M
0.0051
10M
10.4483M
0.0283
由于示波器精度所限，频率低于10Hz示波器无法识别信号。
经计算自制信号源最大相对误差为2.83%。
电阻测试结果如表2所示
表2电阻测试结果
电阻箱阻值（Ω）
测试值（Ω）
测试相对误差
1
1.02
0.02
10
10.18
0.018
100
98.50
-0.015
1K
1.010K
0.010
10K
9.805K
-0.0195
100K
101.312K
0.01312
1M
1.006M
0.006
10M
10.121M
0.0121
表3电容测试结果
电容箱电容值
测试值
测试相对误差
10PF
9.56PF
-0.044
100PF
103.00PF
0.0300
1nF
997.05PF
-0.00295
10nF
10.05nF
0.005
100nF
100.78nF
0.0078
1uF
998.78nF
-0.00122
10uF
9.85uF
-0.015
100uF
102.98uF
0.0298
表4电感测试结果
标准电感箱
测试值
测试相对误差
10uH
10.41
0.021
100uH
101.54
0.0154
1mH
965.35
-0.03465
10mH
10.23
0.023
100mH
97.32
-0.0268
表5Q值测试结果
标准电感箱
Q值
10uF
81.64
100uF
21.68
10mF
42.78
100mF
40.95
4.3结果分析
信号源测试结果分析：
由于示波器精度所限，频率低于10Hz示波器无法识别信号。
经计算自制信号源最大相对误差为0.4%，我们的信号源范围更宽。
电阻测试结果分析：
测量电阻阻值误差较小，最大误差为2%，用16位AD采样直流分压信号极为精确。
电容测试结果分析：
电容测试最大误差为3%
电感测试结果分析：
电感测试最大误差小于4%。
综上所述：
电感、电容、电阻三项指标已经很好的完成了题目的各项要求。
5.设计总结
这次大赛，经过四天三夜的拼搏，受益匪浅，我们终生难忘。
不仅完成了一件作品，而且大大提高了我们的创新精神，动手能力，团队协作和竞争意识，这些在今后的人生道路上将是一笔宝贵的财富。
充分发挥团队合作精神，工作进展很顺利。
我们在比赛中做到精益求精，在完成基本功能之后，又向发挥部分进发，最后完成了所有的基本功能和部分发挥部分。
参考文献
[1]杨振江.新型集成电路[M]，西安电子科技大学出版社，2005
[2]邱关源.电路[M]，高等教育出版社，2003
[3]康华光.电子技术基础[M]，第五版高等教育出版社，2005
[4]马忠梅等《单片机的C语言应用程序》北京：
北京航空航天出版社，2007
[5]吴麟.自动控制原理清华大学出版社，2006
[6]华成英，童师白.模拟电子技术基础[M]，2006
附录
1附图
附图1外部存储电路
附图2时钟电路
附图3电源电路
2附录
#include
unsignedintm;
voiddelay（intz）
{
intxx,yy;
for（xx=z;xx>0;xx--）
for（yy=110;yy>0;yy--）;
}
intmain（void）
{
init_lcd（）;
Adc7705Init
（1）;//选通道2=1通道1，=2通道2
clrram（）;
while
（1）
{
m=AverAdc7705
（1）;//选通道2
m=1.0*m/0xffff*25000;
gotoxy（1,0）;
play_shu（m）;
delay（250）;
}
}
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