简易电阻电容和电感测试仪的设计说明.docx

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简易电阻电容和电感测试仪的设计说明

“电子系统设计”

课程设计报告

设计课题：

简易电阻电容和电感测试仪的设计

专业班级：

姓名：

学号：

设计时间：

评阅意见

物理与机电工程学院

简易电阻电容和电感测试仪的设计

1、设计任务与要求

1.能够自动辨识出被测元件是电阻、电容还是电感，并实时显示元件的阻值、容值和感值的大小。

2.能够实现电阻、电容和电感测量的自动切换,并实现量程的自动切换。

3.电阻、电容和电感的测量误差均小于0.5%。

基于以上分析，采用模块设计的方案实现系统的各项功能，系统主要由主控制器部分、数据测量部分、A/D采样部分、语音播报和显示部分，具体的实现方案如系统主框图1所示：

图1系统主框图

二、系统设计方案

1.主控制器的选择

在主控制器的选择上我们有以下两种方案：

采用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）作为系统的控制核心和基于单片机技术的控制方案。

上述两种控制方式除在处理方式和处理能力（速度）上的差异外，实现效果及复杂程度等方面也有显著的区别。

FPGA将器件功能在一块芯片上，其外围电路较少，集成度高。

而单片机技术成熟，开发过程中可以利用的资源和工具丰富、价格便宜、成本低。

鉴于本设计中实时显示，单片机的资源已经能满足设计的需求，而FPGA的高速处理的优势在这里却得不到充分体现，因此本设计的控制方案模块选用基于单片机控制方案。

我们选择技术成熟，性价比高的AT89S52单片机作为主控制器，同时采用凌阳其内部系统时钟频率为11.0592MHz，执行一个单周期指令所需时间为仅83nS，满足本系统的软件编写需求。

2.数据测量方案的选择

目前常用的智能RLC测试方法主要是阻抗-相角法和V-I复数法。

V-I复数测量法，其基本思想是：

根据电阻、电容、电感的复数表示形式，设法测出在固定幅值和相位值的电压下，流经被测电抗元件的电流幅度值和相位值，然后由CPU计算出元件的各项指标，如串联等效、并联等效等。

阻抗-相角法即用被测元件与已知两个固定阻抗相串联，两次测量Vi与Vo的之间的相位差，由仪器实测正弦波的频率，然后由CPU计算出阻抗值，其硬件电路简单且易于调试。

基于以上分析可得：

V-I复数测量法虽然测量的基准度高，但同时对单片机计算能力的要求更高，不易实现，所以在本系统的设计中采用易实现的阻抗-相角法。

3.A/D采样和语音播报

结合赛题，实现对所测元件的电压值进行A/D采样并实时进行语音播报，而A/D采样常用的是使用ADC转换芯片对数据进行采集，这种A/D转换器根据逐位逼近的方法产生数据的,在测量上存在一定的误差，所以为提高本系统的数据测试精准度，采用凌阳SPCE061A单片机作为从控芯片，该单片机内置8路10位ADC，计算能力强，避免了外界A/D转换芯片存在的误差，提高数据采集的精确度，同时该开发板集成了语音播报的硬件，通过软件编程即可用于语音的采集和播报，集成开发环境中配有很多语音API函数，实现语音播报比较简单，解决由语音芯片播放语音不清楚的问题。

4.显示设备的选择

本模块的主要功能是能实时显示描述系统状态的各种信息状态。

LCD不仅显示信息量大，画面效果好，节省I/O口，所以系统设计的显示部分选择液晶屏128×64LCD显示。

5.系统设计与实现

经过仔细分析与论证，选用系统各模块的最终方案如下：

（1）控制器模块：

采用单片机AT89S52控制，且5V供电，符合工作条件。

（2）数据测量模块：

采用阻抗-相角法实现。

（3）A/D采样模块：

采用凌阳单片机内部AD

（5）语音播报模块：

采用凌阳单片机集成语音播报

（4）显示模块：

采用LCD12864液晶屏显示。

三、单元电路分析与设计

1.数据测量电路

采用阻抗-相角法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。

（1）测量电阻：

电阻的测量采用"脉冲计数法"，如下图所示由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电阻的大小。

该电路可以测出量程在100Ω～2MΩ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。

图2测电阻多谐振荡电路

图2

为了使振荡频率保持在10~100KHz这一段单片机计数的高精度范围内，需选择合适的C和R的值。

取

，得到

，

我们将电路分为两档：

第1档：

100Ω≤Rx≤1000Ω：

I/O2为高电平输出，I/O4为低电平输出，R1=20KΩ,C2=2200pf.此时

相应的电阻范围在2.8K-16K

第2档：

1000Ω≤Rx≤1MΩ:

I/O1高电平输出，I/O3为低电平输出，R2=330Ω,C2=0.01uf.此时

（2）测量电容：

电容的测量同样采用"脉冲计数法"，如下图所示由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电容的大小。

图3测电容多谐振电路

555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：

测量电容的振荡电路与测量电阻的振荡电路完全一样。

取R11=R12=91K，则

，其分析过程如测量电阻的方法一样。

最后测得电容的范围为10Pf—10uF可以满足精度要求。

（3）测量电感：

电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的，如图所示。

图4电容三点式振荡

振荡公式：

，其中：

则电感的感抗为：

在测量电感的时候，随着电感值的降低，其频率越来越高，最小的1.2uH电感频率达到4.3MHz左右，而单片机的最大计数频率大约为500KHz，在频率方面达不到测量电感频率，于是我们把测电感的电容三点式电路得出的频率经过74LS197对该频率进行16分频满足单片机计数要求。

2.语音播报电路

语音播报测量结果，当测试结果显示相对较稳定后开始播报测试结果。

具体电路如下图所示：

图5凌阳语音播报电路

3.液晶显示电路

LCD12864液晶屏有串行和并行两种工作方式，并行占用的I/O口较多（8个数据端口和3个控制端口），而串行只需要两个I/O口（1个时钟端口，1个数据端口）。

考虑到AT89S52单片机的I/O口只有32个，为了节省I/O口，我们采用串行方式显示，LCD12864串行工作方式的端口连接图如图6所示，SID为串行数据端口，SCLK为串行时钟端口。

图6LCD12864串行工作方式端口连接图

四、软件部分设计

软件设计主流程如下图所示：

图7软件设计流程图

五、系统测试与分析

1.测试仪器

本次测试使用的仪器设备如表1所示

表1测试用仪器设备

序号

名称,型号,规格

数量

备注

1

数字示波器

1

TektronixTDS1012

2

数字万用表

1

河南虞城华星量具有限公司

3

信号发生器

1

南京新联电子设备有限公司

2.测试方法与结果

（1）电阻测试

表2电阻测量分析表

被测电阻测量值

被测电阻实际值

误差

2.012MHz

2.0094MHz

4.08%

910.28KHz

910.11KHz

0.18%

508.78KHz

510.02KHz

2.43%

100.09KHz

100.02KHz

0.99%

91.143KHz

91.092KHz

0.55%

51.112KHz

51.089KHz

0.45%

2.0004KHz

2.0011KHz

0.34%

（2）电容测试

表3电容测量分析表

被测电容测量值

被测电容实际值

误差

20.003P

20P

0.15%

29.991P

30P

0.03%

100.09P

100P

0.9%

1000.03P

1000P

0.3%

2199.974P

2200P

0.13%

10nF

10000P

0

99.979nF

100000P

0.21%

1.0031nF

1000000P

0.31%

（3）电感测试

表4电感测量分析表

被测电感测量值

被测电感实际值

误差

1.2Uh

3.测试分析

我们通过将电阻、电容、电感分别接至测试系统，经过理论值计算和实际测量，本次设计的RLC测量系统的精度可以达到赛题要求。

在测试电感的时候，发现误差总是很大，经分析电感的感抗计算公式为：

，第一点影响是π的值；第二点是LC振荡电路中由于硬件之间的布线、焊接等等产生了一些杂波信号，导致计算误差。

而测试电阻和电容则误差很小，精度高。

六、总结

本系统以单片机AT89S525芯片为核心部件，利用检测技术，配合软件算法成功地实现了本题的基本要求和发挥部分中除被测元件量程的自动切换外的所有功能。

系统的设计难点在于如何对电阻、电容、电感进行区分和自动测量，同时对于不同的电抗元件值的大小进行量程的切换。

本次设计的创新之处，通过A/D采样实现对接入的电抗元件进行高速精确测量，同时对实时插入的电抗元件，使用语音播报，实现了真正智能化的RCL测量系统。

本电阻、电容、电感测量系统设计的不足之处在于制作的电容三点式振荡电路，精准度不高，导致在发挥部分中，测量电感以及自动切换量程时，还会出现一些误差，同时加之外界环境的干扰，使得电感的测量值无法精确的更好。

经过这四天三夜的比赛，让我对之前学习的高频原理和信号处理知识，又有了更深一步的理解，同时也深感“三电”基础知识和相关的专业理论的重要性，这些都是我们在今后的学习中需要努力的地方。

参考文献：

1．房小翠.单片微型计算机与机电接口技术,北京：

国防工业出版社，2004年.

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电子工业出版社，2006年.

3．赵亮,侯国锐.单片机C语言编程与实例,北京：

人民邮电出版社，2004年.

4.康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）,北京：

高等教育出版社，2006年.

5.康华光.电子技术基础数字部分（第五版）,北京：

高等教育出版社，2006年.

6．黄智伟,王彦.全国大学生电子设计竞赛训练教程,北京：

电子工业出版社，2005年.

7.谢自美.电子线路设计·实验·测试，武汉：

华中科技大学出版社，2005年.

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