RLC测试仪设计与仿真的本科生毕业论文.docx

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RLC测试仪设计与仿真的本科生毕业论文

RLC测试仪设计与仿真I

RLC测试仪设计与仿真1

一、引言1

（一）设计要求2

1．设计任务2

2．技术要求2

（二）方案比较论证3

1．方案比较3

2．方案论证5

二、主要电路设计与说明8

（一）555芯片简介8

1．芯片各引脚的功能8

2．芯片的等效功能方框图及工作原理8

（二）74LS161芯片的简介10

（三）AT89S52单片机硬件结构11

1．AT89S52主要功能列举11

2．AT89S52各引脚功能介绍12

（四）LCD的引脚功能16

（五）测Rx的RC振荡电路原理17

三、设计电路19

（一）测量电阻的电路模块19

（二）测电容的RC振荡电路20

（三）测电感的电容三点式振荡电路21

四、软件设计核心23

五、系统测试24

（一）仿真测试24

（二）指标测试及误差分析25

1．电阻的测量25

2．电容的测量25

3．电感的测量26

六、结论26

参考文献28

致　谢30

附录1总电路原理框图31

电感部分电路图32

电阻电容部分电路图33

附录2程序33

RLC测试仪设计与仿真

一、引言

在历届全国电子大赛和省电子大赛中几乎每次都有仪表类系统设计方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。

本设计就是在这样的背景下提出的，制作一台简易电阻、电容、电感测量仪器具有相当强的实际意义。

随着电子技术的迅速发展，电子产品已经渗透到我们生活的方方面面，人们对电子不再感到陌生，对电路基础以及电子元器件的了解也开始慢慢普及。

在一些小家电维修或检测中，通常对电路比较了解人们会使用万用表对未知电阻进行测量，而对于未知的电容电感，则需要通过辅助电路，对其进行辅助测量，既繁琐，准确度又低。

于是，设计一台简易的数字智能便携式电容，电阻，电感测量仪器成为必要。

本设计如果直接运用外围电路通过计算来求得所要求的参数，过程复杂，准确率低。

新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。

于是本设计采用了比较先进的89S52为控制核心，89S52单片机功耗很低，价格便宜，更重要的是单片机在测量频率时的误差非常的小，在设计中，将所要求的参数通过振荡电路转化为频率信号，作为单片机的时钟源，再通过单片机软件的编程来实现其量程转换以及各模块参数的显示，这就为该设计的低误差率、易操作性提供了必要的条件，从而使得本设计才能够顺利完成。

（一）设计要求

1、设计任务

要制作一台数字显示的电阻、电容、电感测量仪，必须涉及到测量部分、控制部分与数字显示三大部分。

其中，在测量部分中，由于测量的是电阻、电容、电感三种不同的参数，所以，必须将测量部分在进一步划分。

测量模块与显示模块都是围绕单片机进行，所以具体简易设计框图1所示:

图1简易设计框图

2、技术要求

基本要求：

（1）测量围

电阻100Ω～1MΩ

电容100pF～10000pF

电感100µH～10mH

（2）测量精度+5％

（3）制作lcd显示器，显示测量数值，并用lcd分别指示所测元件的类别和单位

（二）方案比较论证

1、方案比较

目前，测量电子元件集中参数电阻、电容、电感的仪表种类较多，方法也各不相同，这些方法都有其优缺点。

电阻R的测试方法最多。

最基本的就是根据R的定义式来测量。

在如图2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3所示:

这种测量方法的精度变化大，若需要较高的精度，必须要较多的量程，电路复杂。

图2由定义法测量图3万用表测量法

当然，还可以通过普通分压电路，如图1.3.3所示为电压源分压法，将Rx所分的电压，通过A/D转换器转换，通过单片机端口将数字信号并行输入单片机，再通过软件编程，将数字信号还原，通过公式计算出Rx的值，该方法准确度较高，但A/D转换模块的程序编写实现较困难，所以，实现起来比较困难。

图4电压源分压法

能同时测量电器元件电阻、电容、电感的最典型的方法是电桥法（如图5）。

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。

图5电桥平衡法

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已知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6）。

它可以在工作频率上进行测量，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6谐振法测量

用阻抗法测电阻、电容、电感有两种实现方法：

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电阻、电容、电感转换成频率信号f,然后用单片机计数后在运算求出电阻、电容、电感的值，并送显示部分显示。

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，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。

2、方案论证

在本设计中，把电阻、电容、电感转换成频率信号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，通过计数则可以计算出被测频率，再通过该频率，通过公式计算出各个参数。

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，把电阻、电容、电感的值送显示部分显示出相应的参数值，利用编程实现量程自动转换。

（1）设计方案

该设计方案的总体方框图如图7所示。

图7设计的总体方框图

（2）各模块方案论证

电阻、电容振荡模块

采用555组成多谐振荡电路，通过单片机P3.4口对振荡电路产生的频率进行计数，通过软件对振荡电路产生的频率进行判断，利用继电器自动进行对电阻、电容参数量程的选择，取得更好的频率围，从而进行量程的自动切换。

电容的振荡电路在原理方面基本上与电阻相同。

电感振荡模块

采用电容三点式振荡电路来产生不同的频率，由于单片机的计数能力有限，所以，振荡电路产生的频率必须经过分频后再送单片机P3.4口计数。

同样通过软件实现参数计算，计算公式中要考虑到所测量的频率是分频后的频率，计算时要将频率还原，然后测出频率再计算出电感值，送显示部分显示。

显示模块

可以采用LCD进行显示。

液晶显示屏具有低耗电量，无辐射危险，以及影像不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。

价格有点昂贵，但很实用。

本设计因为测量的是三个模块，如果用数码管加LED显示的话，LED不但要显示所显示的是哪一个模块，而且设计中，要用其来显示所测量单位的大小，这使得软件实现起来相对困难。

所以，采用LCD显示,同时显示参数的大小和所测量的类别，简洁而又清晰。

开关

单片机的开关可以采用优良的行列4×4矩阵式键盘，此方法操作简单，节省单片机资源，且价格便宜，但在本设计中，涉及的键盘很少，只需要用键盘完成三个模块的切换即可，所以只需要采用普通的开关即可。

价格便宜，功能单一，但很实用。

中央控制器模块

中央控制器为整个系统的核心，通过接受外部信息，按照控制算法驱动执行机构。

对中央处理器的选择多种多样，但我们熟练掌握8051系列单片机的控制原理和设计方法，所以我们选择AT89S52作为系统控制器。

该单片机运算功能强，软件编程灵活，自由度大，并且其功耗低，体积小，技术成熟，完全适合在本系统中应用。

系统各模块最终方案

通过分析和论证，我们最终各模块选择方案如下：

1、电阻和电容振荡模块：

采用555组成多谐振，取得更好的频率围，从而进行准确的测量；

2、电感振荡模块：

采用电容三点式振荡电路来产生不同的频率，然后测出频率再计算出电感值；

3、显示模块：

采用LCD显示；

4、输入模块：

采用三个普通开关加三个LED小灯；

5、中央控制器模块：

采用AT89S52单片机进行控制；

6、电源：

单片机及各芯片都使用＋5V直流电源，只有LC振荡回路使用＋12V直流电源；

二、主要电路设计与说明

（一）555芯片简介

在本设计方案选择中，测量电阻和电容参数的RC振荡电路采用555定时器电路组成。

集成定时器555电路是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路。

1、芯片各引脚的功能

表1555定时器的引脚及功能

引脚编号

符号

功能说明

GND

地线

触发

OUT

输出

RES

复位

控制电压

阀值

DIS

放电

VCC

电压

2、芯片的等效功能方框图及工作原理

555时基电路等效功能方框图如图8所示:

图8555时基电路等效功能方框图

芯片的工作原理[1]

555的等效功能框图中包含两个COMS电压比较器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较器A和下比较器B分别提供2/3Vcc和1/3Vcc的偏置电压。

当上比较器A的同相输入端R高于反相输入端电位2/3Vcc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>2/3Vcc时，Vo为“0”电平，处于复位状态；而当置位触发端

的电位，即VS≤1/3Vcc时，下比较器B的输出为“1”，RS触发器置位，输出端Vo为“1”电平。

即当VS≤1/3Vcc时，Vo为“1”电平，处于置位状态。

可见，该555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”，则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所示：

表2555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）

保持原电平

注：

“0”→电平≤1/3Vcc“1”→电平>2/3Vcc，“×”→表示任意电平

（二）74LS161芯片的简介

74161是4位二进制同步加计数器。

表3为74161的功能表：

表374161的功能表

清零

预置

使能

EPET

时钟

预置数据输入

ABCD

输出

QAQBQCQD

××

××××

LLLL

××

上升沿

ABCD

L×

××××

保持

×L

××××

保持

上升沿

××××

计数

其中RD是异步清零端，LD是预置数控制端，A、B、C、D是预置数据输入端，EP和ET是计数使能端，RCO（=ET.QA.QB.QC.QD）是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。

计数过程中，首先加入一清零信号RD＝0，使各触发器的状态为0，即计数器清零。

RD变为1后，加入一置数信号LD＝0，即信号需要维持到下一个时钟脉冲的正跳变到来后。

在这个置数信号和时钟脉冲上升的共同作用下，各触发器的输出状态与预置的输入数据相同，这就是预置操作。

接着EP=ET=1,在此期间74161一直处于计数状态。

一直到EP=0，ET＝1，计数器计数状态结束。

（三）AT89S52单片机硬件结构

1、AT89S52主要功能列举

AT89S52主要功能列举如下：

1、拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash；

2、晶片部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）；

3、部程序存储器（ROM）为8KB；

4、部数据存储器（RAM）为256字节；

5、32个可编程I/O口线；

6、8个中断向量源；

7、三个16位定时器/计数器；

8、三级加密程序存储器；

9、全双工UART串行通道；

2、AT89S52各引脚功能介绍

VCC：

AT89S52电源正端输入，接+5V。

VSS：

电源地端。

XTAL1：

单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

XTAL2：

系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。

RESET：

AT89S52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得部特殊功能寄存器之容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。

EA/Vpp：

"EA"为英文"ExternalAccess"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。

因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其部无程序存储器空间。

如果是使用8751部程序空间时，此引脚要接成高电平。

此外，在将程序代码烧录至8751部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。

ALE/PROG：

ALE是英文"AddressLatchEnable"的缩写，表示地址锁存器启用信号。

AT89S52可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为AT89S52是以多工的方式送出地址及数据。

平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。

此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。

PSEN：

此为"ProgramStoreEnable"的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。

AT89S52可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址围。

PORT0（P0.0～P0.7）：

端口0是一个8位宽的开路汲极（OpenDrain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。

其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。

如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。

设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。

PORT2（P2.0～P2.7）：

端口2是具有部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。

P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89S52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。

PORT1（P1.0～P1.7）：

端口1也是具有部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。

如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。

PORT3（P3.0～P3.7）：

端口3也具有部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器容的读取或写入控制等功能。

其引脚分配如下：

P3.0：

RXD，串行通信输入；

P3.1：

TXD，串行通信输出；

P3.2：

INT0，外部中断0输入；

P3.3：

INT1，外部中断1输入；

P3.4：

T0，计时计数器0输入；

P3.5：

T1，计时计数器1输入；

P3.6：

WR：

外部数据存储器的写入信号；

P3.7：

RD，外部数据存储器的读取信号；

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间；

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效；

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现；

EA/VPP：

当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存储器。

注意加密方式1时，EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）；

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及部时钟工作电路的输入；

XTAL2：

来自反向振荡器的输出；

（四）LCD的引脚功能

本设计采用1602作为显示模块，1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：

VSS为地电源；

第2脚：

VDD接＋5V电源；

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度；

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器；

第5脚：

RW为读写信号线，高电平进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和RW共同为低电平时，可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据；

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令；

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线；

第15～16脚：

空脚；

（五）测Rx的RC振荡电路原理

在电路中采用RC振荡电路来测量电阻R、电容C的值，用555时基电路构成RC振荡器。

如图10所示，将555与三个阻、容元件如图连接，便构成无稳态多谐振荡模式。

图10电路图

图11波形图

当加上

电压时，由于

上端电压不能突变，故555处于置位状态，输出端呈高电平“1”，而部的放电COMS管截止，

通过

和

对其充电，触发电平电位随

上端电压的升高呈指数上升，波形如图11所示：

当

上的电压随时间增加，达到2/3Vcc阈值电平时，上比较器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1/3Vcc触发电平时，下比较器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1/3Vcc充电到2/3Vcc所需的时间，故

两端电压的变化规律为

设

，则上式简化为

从上式中求得

一般简写为

电路间歇期

就是

两端电压从2/3Vcc充电到1/3Vcc所需的时间，即

从上式中求得

，并设

，则

一般简写为

那么电路的振荡周期

为

振荡频率

，

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。

三、设计电路

（一）测量电阻的电路模块

图12是一个由555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。

则：

为了使振荡频率保持在

这一段单片机计数的高精度围，需选择合适的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继电器的阻并不清楚，在进行测量之前需要进行校准。

把标准电阻插在插接口上，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。

图12测量电阻的电路

（二）测电容的RC振荡电路

测量电容的振荡电路与测量电阻的振荡电路基本上一样。

图13是一个由555时基电路构成的多谐振荡电路，由该电路可以测出量程在100pF～10000pF的电容。

该电路的振荡周期为

若R1=R2，则

图13测量电容的电路

（三）测电感的电容三点式振荡电路

在本设计中，电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的，如图14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电容，可以把极间电容忽略。

振荡公式：

，其中

则电感的感抗为

在测量电感的时候，发现电感起振频率非常的高，大致到达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由两片74LS161组成八位计数器作为分频电路对该频率进行分频，有3000000/64=46875，满足单片机计数要求

图14测量电感的电路

在分频器方面，采取两块74LS161芯片并行进位方式，具体连接方式如图16所示，在第一片74161中，采取16倍分频，每产生一个进位，第二片74161计数一次，当QaQbQcQd=1101也即当第二块芯片计数到4次，产生一次进位,使得第二块芯片从1

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