本設(shè)計(jì)是一種基于單片機(jī)(89C51)的高精度電阻電感電容測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì).本設(shè)計(jì)采用MAX038單片壓控函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生高精度的正弦波信號(hào)流經(jīng)待測(cè)的電容或者電感和標(biāo)準(zhǔn)電阻的串連電路,利用電壓比例計(jì)算的方法推算出電容值或者電感值,利用51單片機(jī)控制測(cè)量和計(jì)算結(jié)果,采用1602液晶模塊實(shí)時(shí)顯示數(shù)值,可以手動(dòng)調(diào)節(jié)量程,正弦信號(hào)發(fā)生器可以實(shí)現(xiàn)幅值和頻率的調(diào)整,為了提高精度,我們把被測(cè)的交流電壓先通過(guò)ICL7650來(lái)消除因?yàn)锳D637輸入電阻較低產(chǎn)生的誤差.

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,本設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定,測(cè)量精度高.

1 引言

現(xiàn)代電子產(chǎn)品正以前所未有的速度,向著多功能化、體積最小化、功耗最低化的方向發(fā)展,機(jī)電產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于家電、通信、一般工業(yè)乃至航空航天和軍事領(lǐng)域.無(wú)論是日常生活還是高端科技領(lǐng)域,電子技術(shù)的應(yīng)用均日益深入.掌握必備的電子技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制作基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能,能夠滿足我國(guó)目前產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對(duì)廣大技術(shù)工人、工程技術(shù)人員基本素質(zhì)的要求,而且能為從事高端電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)培養(yǎng)能力和素質(zhì),適應(yīng)信息時(shí)代的需要.

目前市面上測(cè)量電子元器件參數(shù)R、C和L的儀表種類較多,方法和優(yōu)缺點(diǎn)也各有不同.一般的測(cè)量方法都存在計(jì)算復(fù)雜,不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量而且很難實(shí)現(xiàn)智能化等缺點(diǎn).

電阻電容電感測(cè)量方法較多(諧振法,電橋法,電壓比例法等)但因?yàn)閷?duì)于測(cè)量?jī)x器來(lái)說(shuō)精度越高越好,所以本設(shè)計(jì)選擇精度比較高的電壓比較法做電阻電感電容測(cè)試儀,它的原理是將一定頻率的交流信號(hào)經(jīng)過(guò)串聯(lián)分壓電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),然后經(jīng)過(guò)電路處理變成頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)進(jìn)行比例運(yùn)算,最后將計(jì)算出的測(cè)量值輸送給顯示模塊并顯示各參量對(duì)應(yīng)的量綱.

2電壓比例法測(cè)量原理

電阻高精度測(cè)量較好的方法之一是采用與標(biāo)準(zhǔn)電阻相比較的方法.其主要原理:是在待測(cè)電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻的串聯(lián)電路中加一直流電壓V,AD采樣得到Rx上電壓,則測(cè)量電阻為:

                             2-1

設(shè)計(jì)中我們采用了與測(cè)量電阻一樣的方法——電壓比例法[1-2]來(lái)測(cè)量電感和電容;因?yàn)殡姼信c電容是電抗元件,所以應(yīng)采用交流信號(hào)來(lái)產(chǎn)生測(cè)量信號(hào);在角頻率為的交流信號(hào)的作用下電容電感獲得的容抗和感抗:

                             2-2

                              2-3

C、L為待測(cè)電容和電感.這樣一來(lái),標(biāo)準(zhǔn)元件的選擇就有許多種方法.但為了提高測(cè)量精度和降低成本,該測(cè)量?jī)x采用了標(biāo)準(zhǔn)電阻,且與電阻測(cè)量共用一套標(biāo)準(zhǔn)電阻.所以有電感:

                      2-4

                       2-5

電容:

                          2-6

測(cè)量Q值時(shí),加入交流信號(hào)測(cè)量出電感Q值

                             2-7

                             2-8

兩個(gè)方程聯(lián)立,求得電感

                               2-9

                       2-10

                                    2-11

為電感在電路中角頻率為的等效阻抗,為電感在電路中角頻率為的等效阻抗,L為電感量,為電感的等效電阻.

為保證測(cè)量精度,必須保證電阻的精度和的高穩(wěn)定值.為此,我們?cè)谠撛O(shè)計(jì)中采用MAX038單片壓控函數(shù)發(fā)生器[3-4]產(chǎn)生高精度的正弦波信號(hào),同時(shí)輸出緩沖器采用了運(yùn)算放大器,為保證波形精度采用了閉環(huán)深度負(fù)反饋方式,無(wú)失真的放大正弦信號(hào).

3.系統(tǒng)方案

3.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)框圖

圖3.1  設(shè)計(jì)框圖

本電路由電源模塊、正弦信號(hào)發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)電阻和電感或電容串聯(lián)分壓電路、多路開(kāi)關(guān)、電壓跟隨器、高精度交流/有效值轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、液晶顯示、鍵盤(pán)等模塊組成.系統(tǒng)主要模塊流程圖如圖3.1所示:

圖1系統(tǒng)流程圖

3.2方案設(shè)計(jì)與論證

3.2.1電阻電感電容測(cè)試采樣模塊

電阻電感電容測(cè)試采樣模塊的設(shè)計(jì)方案有很多,例如利用純模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)、電阻可用比例運(yùn)算器法、電容可用恒流法和比較法、電感可用時(shí)間常數(shù)法和同步分離法等.

方案一 利用純模擬電路

雖然避免了編程的麻煩,但是電路復(fù)雜,所用的元器件較多,制作較麻煩并且測(cè)量精度低,調(diào)試?yán)щy,現(xiàn)已很少使用.

方案二 可編程序控制器(PLC）

應(yīng)用廣泛,它能夠非常方便的集成到工業(yè)控制系統(tǒng)中.可編程控制器速度快,體積小,可靠性和精度都比較好,在此系統(tǒng)中可以使用PLC對(duì)硬件進(jìn)行控制,但是PLC的價(jià)格相當(dāng)昂貴,因而成本過(guò)高,應(yīng)用于要求比較高的場(chǎng)合.

方案三 利用震蕩電路與單片機(jī)結(jié)合

利用555多諧振蕩電路將電阻、電容轉(zhuǎn)化為頻率,而電感則是根據(jù)電容三點(diǎn)式電路也轉(zhuǎn)化為頻率,這樣就把模擬量近似轉(zhuǎn)化為數(shù)字量了,而頻率是單片機(jī)很容易處理的數(shù)字量,該方案測(cè)量精度較高,易于實(shí)現(xiàn)儀表的自動(dòng)化,而且單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)可靠性高,硬件的描述完全可用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),成本低.但由于必須采用大量地倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高并且難以達(dá)到較高的頻譜純度而使測(cè)量誤差加大,外圍電路非常復(fù)雜.且不符合需要一個(gè)獨(dú)立信號(hào)發(fā)生器的要求.

方案四 電壓比例法

采用與標(biāo)準(zhǔn)電阻相比較的的方法,其原理是在待測(cè)原件與標(biāo)準(zhǔn)原件的串聯(lián)電路中加以電流I，這樣被測(cè)元件與標(biāo)準(zhǔn)元件上得到的電壓分別為Vx與Vi;通過(guò)計(jì)算得出被測(cè)值,此方法精度高,需要一個(gè)具有輸出頻率穩(wěn)定的信號(hào)源來(lái)提供激勵(lì).本設(shè)計(jì)采用此方案.

3.2.2正弦信號(hào)發(fā)生器模塊

正弦信號(hào)源發(fā)生器模塊是決定系統(tǒng)誤差的重要部分,要求有穩(wěn)定的頻率,另外為了測(cè)試系統(tǒng)的可靠性還要求正弦信號(hào)發(fā)生器的頻率和電壓具有可調(diào)性,本系統(tǒng)要求頻率范圍1HZ～1MHZ,電壓大于5V.

方案一 555信號(hào)發(fā)生器

采用555信號(hào)發(fā)生器制作的發(fā)生器,其外圍電路較復(fù)雜.

這種方法能實(shí)現(xiàn)快速頻率變換,具有低噪聲以及所有方法中最高的工作頻率.但由于必須采用大量地倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本高并且難以達(dá)到較高的頻譜純度而使測(cè)量誤差加大.

方案二 單片機(jī)信號(hào)發(fā)生器[5]

使用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)正弦波的產(chǎn)生簡(jiǎn)單易行.可以在外圍電路不變的情況下通過(guò)程序來(lái)改變輸出電壓的幅值和頻率.由于輸出的是數(shù)字信號(hào),可以做得很高,產(chǎn)生的信號(hào)精度及其性價(jià)比比較高,集成度也高并且需求電壓低,功耗低.

方案三 DDS信號(hào)發(fā)生器[6]

利用直接合成DDS芯片的函數(shù)發(fā)生器,能產(chǎn)生任意波形并能達(dá)到很高的頻率并且頻率的穩(wěn)定性比較好.但成本較高,主要用于測(cè)量電路和系統(tǒng)的頻率特性、非線性失真、增益與靈敏度等.按不同的性能與用途分為低頻信號(hào)發(fā)生器、高頻信號(hào)發(fā)生器、頻率合成式信號(hào)發(fā)生器等.

方案三 DDS信號(hào)發(fā)生器MAX038是MAXIM公司生產(chǎn)的一個(gè)只需要很少外部元件的精密高頻波形產(chǎn)生器，他能產(chǎn)生準(zhǔn)確的高頻正弦波、三角波、方波。輸出頻率和占空比可以通過(guò)調(diào)整電流、電壓或電阻來(lái)分別地控制.MAX038引腳排列如圖3.2所示.

圖3.2MAX038引腳排列

所需的輸出波形可由地址A0和A1的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，如表3.1所示。波形切換可通過(guò)程序控制在任意時(shí)刻進(jìn)行，而不必考慮輸出信號(hào)當(dāng)時(shí)的相位.其中X表示任意狀態(tài)，1為高電平,0為低電平.

表3.1 輸出波形控制

采用MAX038單片壓控函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波,改變外接電阻或電容值就可改變輸出頻率的值,其頻率范圍從0.1Hz到20MHz,最高可達(dá)40MHz,輸出頻率穩(wěn)定.各種波形的輸出幅度均為2V,幅值經(jīng)過(guò)一個(gè)放大器就可以調(diào)節(jié).占空比的調(diào)節(jié)范圍寬,占空比和頻率均可進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié),互不影響.占空比最大調(diào)節(jié)范圍10％～90％.波形失真小.正弦波失真度小于0.75％.因?yàn)椴挥镁幊炭梢怨?jié)省較多的時(shí)間.本設(shè)計(jì)采用此方案.

3.2.3顯示模塊

方案一 采用LED數(shù)碼管顯示.數(shù)碼管顯示具有亮度高、夜視效果好等優(yōu)點(diǎn),但顯示信息量小,且自身功耗較大.

方案二 LCD液晶顯示器[7]可輕松實(shí)現(xiàn)字母、漢字的顯示,控制簡(jiǎn)單,能耗小,可以中文輸出便于人際交流顯示內(nèi)容豐富.所以本設(shè)計(jì)采用此方案.

4 硬件電路

4.1穩(wěn)壓電源模塊

圖4.1穩(wěn)壓電源

4.2正弦信號(hào)發(fā)生器

該電路的核心器件為MAX038,具有輸出頻率范圍寬、波形穩(wěn)定、失真小、使用方便等特點(diǎn).

圖4.2正弦信號(hào)發(fā)生器

4.3采樣電路

ICL7650是斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)算放大器[8],它具有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強(qiáng)、響應(yīng)快、漂移低、性能穩(wěn)定及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn).

ICL7650采用14腳雙列直插式和8腳金屬殼兩種封裝形式,圖4.3所示是最常用的14腳雙列直插式封裝的引腳排列圖.

圖4.3  ICL7650引腳排列圖

ICL7650的工作原理如圖4.4所示

圖4.4  ICL7650的工作原理

如圖4.5所示,高精度的正弦波信號(hào)流過(guò)串聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)電阻和待測(cè)元件,待測(cè)元件一端接地.儀器通過(guò)繼電器轉(zhuǎn)換分別從標(biāo)準(zhǔn)電阻的兩端測(cè)量電壓.由于AD637的輸入電阻較低,為了降低其分壓產(chǎn)生的誤差,被測(cè)的交流電壓先通過(guò)精密運(yùn)算放大器ICL7650構(gòu)成的電壓跟隨器,然后才通過(guò)高精度交流/有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637[9]轉(zhuǎn)換成有效值,進(jìn)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),在單片機(jī)中完成比例運(yùn)算,得到電容電感數(shù)值.測(cè)量不同數(shù)值電感電容時(shí),可以選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電阻和改變MAX038輸出信號(hào)的頻率來(lái)分壓,這通過(guò)單片機(jī)控制繼電器切換電路和編程來(lái)實(shí)現(xiàn).

圖4.5  采樣電路

4.4液晶顯示模塊

本設(shè)計(jì)采用常用的2行16個(gè)字的1602液晶顯示器來(lái)顯示電阻電感電容值.圖8是1602液晶模塊與51單片機(jī)的連接圖.

圖4.61602液晶模塊與51單片機(jī)的連接圖

單片機(jī)的P1口與1602液晶模塊的數(shù)據(jù)口連接傳輸數(shù)據(jù),P2口分別控制RS、RW和使能端E.RS為寄存器選擇,高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器,低電平時(shí)選擇指令寄存器.RW為讀寫(xiě)信號(hào)線,高電平時(shí)進(jìn)行讀操作,低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作.當(dāng)RW和RS同時(shí)為低時(shí),可以寫(xiě)入指令或顯示地址;當(dāng)RS為低,RW為高時(shí),可以讀忙信號(hào);當(dāng)RS為高RW為低時(shí),可以寫(xiě)入數(shù)據(jù).E端為使能端,當(dāng)E端有高電平跳變到低電平時(shí),液晶模塊執(zhí)行命令.D0-D7為8位雙向數(shù)據(jù)線.V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)節(jié)端,接正電源時(shí)對(duì)比度弱,接地是對(duì)比度高,使用時(shí)要通過(guò)一個(gè)10KΩ的電位器調(diào)整對(duì)比度.

5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1控制測(cè)量程序模塊

單片機(jī)控制測(cè)量程序不僅擔(dān)負(fù)著量程的識(shí)別與轉(zhuǎn)換,而且還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的修正和傳輸;因此主控制器的工作狀態(tài)直接決定著整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)能否正常工作,所以控制測(cè)量程序?qū)φ麄�(gè)測(cè)量來(lái)說(shuō)至關(guān)重要.控制測(cè)量流程圖如圖5.1所示.

5.2 按鍵處理程序模塊

按鍵處理程序的主要功能是設(shè)置測(cè)量的類型和測(cè)量的檔位,當(dāng)有按鍵被按下時(shí)就執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能,流程如圖5.2所示.

圖5.2  按鍵處理程序流程圖

5.3電阻電感電容計(jì)算程序

單片機(jī)根據(jù)A/D 轉(zhuǎn)換得到的電壓值計(jì)算出電阻、電感或者電容值,該程序流程圖如圖5.3所示.

圖5.3電阻電感電容計(jì)算程序流程圖

5.4液晶顯示程序模塊

該程序模塊只有一個(gè)功能,就是對(duì)測(cè)量結(jié)果清晰正確的顯示出來(lái),并能夠保持穩(wěn)定.程序流程圖如圖5.4所示.

圖5.4  液晶顯示程序模塊流程圖

6  系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

測(cè)試儀器:雙蹤示波器和數(shù)字萬(wàn)用表.

6.1對(duì)正弦信號(hào)源的測(cè)試

我們使用示波器對(duì)信號(hào)源進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)波形和頻率顯示平穩(wěn),并得到了一些數(shù)據(jù).由測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)我們分析計(jì)算得出此信號(hào)發(fā)生器輸出電壓幅值大于等于5∨,并且大小可以調(diào)節(jié).自制信號(hào)源的測(cè)試結(jié)果如表6.1所示.

表6.1自制信號(hào)源測(cè)試結(jié)果

6.2對(duì)電阻電容電感的測(cè)量

我們對(duì)于各種性質(zhì)的元件(電阻電容電感)分別找了足夠量的元件;用高精度數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量出其阻值(容值或感值）取多個(gè)相同電阻的平均值作為參考量;然后用我們自制的儀表進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量多個(gè)阻值不同的電阻,算出其誤差,最后求平均誤差.電容和電感的測(cè)量同理.

表6.2電阻測(cè)試結(jié)果

續(xù)表6.2

表6.3  電容測(cè)試結(jié)果

表6.4  電感測(cè)試結(jié)果

6.3誤差分析

本測(cè)量?jī)x的測(cè)量范圍較寬,并且達(dá)到了很好的精度,

信號(hào)源測(cè)試結(jié)果分析:由于示波器精度所限,頻率低于10Hz示波器無(wú)法識(shí)別信號(hào).經(jīng)計(jì)算自制信號(hào)源最大相對(duì)誤差為0.4%,我們的信號(hào)源范圍更寬.

電阻測(cè)試結(jié)果分析:測(cè)量電阻阻值誤差較小,最大誤差為2%,用16位AD采樣直流分壓信號(hào)極為精確.

電容測(cè)試結(jié)果分析:電容測(cè)試最大誤差為3%.

電感測(cè)試結(jié)果分析:電感測(cè)試最大誤差小于4%.

在實(shí)際測(cè)量中,由于測(cè)試環(huán)境,測(cè)試儀器,測(cè)試方法等都對(duì)測(cè)試值有一定的影響,都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果或多或少地偏離被測(cè)量的真值,為了減小本設(shè)計(jì)中誤差的大小,主要利用修正[15]的方法來(lái)減小本測(cè)試儀的測(cè)量誤差.所謂修正的方法就是在測(cè)量前或測(cè)量過(guò)程中,求取某類系統(tǒng)誤差的修正值.在測(cè)量的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中選取合適的修正值很關(guān)鍵,修正值的獲得有三種途徑.第一種途徑是從相關(guān)資料中查取;第二種途徑是通過(guò)理論推導(dǎo)求取;第三種途徑是通過(guò)實(shí)驗(yàn)求取.本測(cè)試修正值選取主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)求取,對(duì)影響測(cè)量讀數(shù)的各種影響因素,如溫度,電源電壓等變化引起的系統(tǒng)誤差.通過(guò)對(duì)相同被測(cè)參數(shù)的多次測(cè)量結(jié)果和不同被測(cè)參數(shù)的多次測(cè)量選取平均值,最后確定被測(cè)參數(shù)公式的常數(shù)K值,從而達(dá)到減小本設(shè)計(jì)系統(tǒng)誤差的目的.由于振蕩電路外圍器件由電容電阻分立元件搭接而成,所以由振蕩電路產(chǎn)生的被測(cè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率有一定的誤差,所以只能通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量,選取合適的修正值來(lái)盡可能的減少本測(cè)試系統(tǒng)的誤差.

7 總結(jié)

畢業(yè)論文是一次非常好的將理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì),通過(guò)對(duì)電阻、電容、電感測(cè)試儀的課題設(shè)計(jì),鍛煉了我的實(shí)際動(dòng)手能力,增強(qiáng)了我解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力,同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平.

本設(shè)計(jì)的硬件電路圖簡(jiǎn)單,成本低;采用單片機(jī)可以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,縮小系統(tǒng)體積,調(diào)試與維護(hù)方便,而且以51單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心的控制系統(tǒng)能滿足整個(gè)系統(tǒng)的要求,經(jīng)過(guò)測(cè)試系統(tǒng)工作正常,完成了設(shè)計(jì)任務(wù)的全部要求.

當(dāng)然本系統(tǒng)還存在著許多需要改進(jìn)的地方,比如還可以繼續(xù)提高測(cè)量的精度和加大測(cè)量的范圍.因?yàn)槭遣捎脝纹瑱C(jī)實(shí)現(xiàn)的,利用其可以編程的特性,使測(cè)量的值結(jié)合一些數(shù)據(jù)處理方式使測(cè)量更加接近真實(shí)值.

本系統(tǒng)也還有許多可以擴(kuò)展的功能,可以增加語(yǔ)音功能,每次測(cè)量值穩(wěn)定的時(shí)候就通過(guò)語(yǔ)音報(bào)告出來(lái);也可以增加在線測(cè)量的功能,這樣就更能夠測(cè)量出元件工作時(shí)的正常值,而不僅僅是靜態(tài)時(shí)的值.

致謝

本文是作者在臨沂大學(xué)大學(xué)理學(xué)院做畢業(yè)設(shè)計(jì)期間學(xué)習(xí)的總結(jié),是在導(dǎo)師劉懷強(qiáng)老師指導(dǎo)下完成的.

在這幾個(gè)月畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)和工作中,導(dǎo)師的精心指導(dǎo)和培養(yǎng)使我在各個(gè)方面都受益非淺.在分析問(wèn)題、解決問(wèn)題及獨(dú)立工作的能力有了很大的提高.此前在做本設(shè)計(jì)時(shí),李巖老師提出了很多有益的建議并給予我很大幫助.在此謹(jǐn)向李巖老師表示衷心的感謝.

在理學(xué)院這個(gè)學(xué)習(xí)氛圍活躍、團(tuán)結(jié)友愛(ài)的集體里,大家互相幫助,彼此討論問(wèn)題,共同提高.在此也要感謝我的各位同學(xué),有了大家的支持和幫助使得論文研究工作得以順利的進(jìn)行.

最后,再次向劉懷強(qiáng)老師以及幫助過(guò)我的同學(xué)們表示最真誠(chéng)的謝意！