电阻电容电感rlc测量仪

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1、第六届电子设计大赛决赛设计与总结报告目录摘要3.关键词 4.1引言 4.2方案设计 4.2.1 设计思路4.2.2 方案的论证与比较 5.2.2.1 电阻测量电路的选择5.2.2.3电感测量电路的选择 7.2.2.4多路选择开关电路7.2.2.5控制部分 8.3系统设计 8.3.1 总体设计8.3.2 系统硬件电路设计 9.3.2.1测 Rx 的振荡电路9.3.2.2 测Cx的振荡电路103.2.3 Lx的电容三点式振荡电路.103.2.4通道选择和控制模块.14系统测试 1.24.1 硬件测试1.24.2.3 电感的测量1.35总结 1.4参考文献1.5电阻、电容、电感测量仪的设计摘要本设计

2、以89S52单片机控制为核心，利用LM555定时器组成RC多谐振荡电路测量电 阻、电感和电容的三点式振荡电路测量电感以及利用单片机CPU的高速强大的计算及可编 程功能,采用软件查询的方法在程序开始时分别对各个信号通道进行查询通过检测到的不同情况来区分实现具有电阻、电容、电容自动辨识、自动切换以及相应器件量程的自动切换等 特色，高精度智能化的测量，并对测量结果进行显示。关键词单片机 LM555 多谐振荡电路 电容的三点式振荡电路 CD4052 74LS1971 引言测量电阻、电容、电感的方法各有不同,在过去电容的测量系统中,几乎都是根据普的电 路原理,用一些常规的方法来测量的,它们各有其优缺点,

3、比如把它作为阻抗的虚部来测量的, 还有充电法,比例法等等,一般都存在计算复杂、精度不高、不易实现自动测量而且很难实现 智能化。而本文要介绍的电阻、电容测量和前面的测量电路不同,采用“脉冲计数法”,电感 测量采用电容的三点式振荡电路，它们克服了以上的一些缺点,充分利用了单片机 CPU 的 高速强大的计算及可编程功能,实现了电阻、电容、电容测量的精度和部分智能化等特点,而 且操作方便。2 方案设计2.1 设计思路本设计中把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,通过计数则可以

4、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。因此，本系统包括控制器部分、测量部分（RC震荡电路、电容的三点式振荡电路、分频电路）、通道选择部分。如下图1 所示：图 1 系统框图不管电阻、电容、电感中哪一个器件接入两引脚端，都会产生一定的频率f,即元件集 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

5、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。2.2 方案的论证与比较2.2.1 电阻测量电路的选择方案一：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。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R U /1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，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。方案二： RC 振荡电路法。 LM555 和电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检 测电容器上的电压，以确定高低电平和

6、放电开关管的通断。图中， LM555 和 Ra、 Rb、 C构成多谐振荡器，引脚 2 和 6 直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路也不需要外加触发信号，利用电源通过Ra、Rb向C充电，以及C通过Rb放电，使电路产生振 荡。电容C在（1/3） VCC与（2/3） VCC之间充放电。本次竞赛的目的是让我们自己做个能进行相关器件的测量仪器，是探求仪表内部黑匣子的电 路原理，故第一种组成多谐振荡电路输出的频率很稳定，因此方案二是可行的，我们选择方 案二方案肯定是不行的，而用 LM555 定时器。2.2.2 电容测量电路的选择方案一：电桥法。测量电器元件L、C的最典型的方法是电桥法（如图1）。

7、电阻用直流电桥，现在测量电容要用交流电桥。78777J17|-图 2 交流电桥1 n2 xZ - Z -ej-(91 +9n)-ej+化)77通过调节阻抗Z1、Z 2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。方案二：应用RC振荡电路法。此方法和测量电阻的电路是一样的，在测量中可以分两 个量程：第一量程的电阻取值是R1 =10K时;则f=1/ ln2(R1+2R2)CxCx=1 ln2(R1+2R2)f第二量程电阻

8、取值是R1 =510K,公式是一样。2.2.3 电感测量电路的选择方案一：电容的三点式振荡电路。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，C1、C2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：f -122LC，其中C=C1*C2/(C1+C2)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

9、 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对该频率进行二分频满足单片机计数要求。2.2.4 多路选择开关电路方案一：选用CD4052四选一模拟开关芯片随着社会的发展，单片机的应用更加深入, 而且89S52单片机有32个引脚可作为I/O端口使用，操作更加灵活，对许多芯片控制很方 便。由于对三种元件测量中各电路只有一个输出端，共有三路输出，而每次只有一路经通道 选择读入单片机进行处理。将芯片的第9和10引脚接单片机的P1.3和P1.4 口，第13引 脚输入频率X或丫通道和P3.5相接。因此，我们可

10、以选择CD4052四选一模拟开关芯片， 只是这种电路非常简单、实用。方案二：选用CD4051。CD4051是八选一模拟开关，它与CD4052是同一类型的芯片， 可以选择是因为在作为频道选择的同时，还能对起始阶段为了便于测量而预置的端口整合到起呈重要作用。可以将芯片的A、B、C接单片机的P1.3、P1.4、P1.5 口，其他的原理 一样。2.2.5 控制部分方案一：采用AT89S52作为中央处理器，该MCU最大的特点就是性价比非常高，而 且很适合做控制。内部具有2个外部中断、3个定时/计数中断和1个串口中断。而且I/O 口 多，能很好的满足该系统的要求。AT89S52还有8K的ROM，256个字

11、节的RAM,而且 具有很高的可扩展性。最高工作频率为12M HZ,最高计数频率为500H Z,这个数字已经可以测量一定范围的器件值域。方案二：单片机式凌阳的16位SPCE061A。由于该CPU具有丰富的I/O 口和丰富的 时基信号，为我们提供了极大的方便，其中可以利用I/O 口置高低电平来实现量程的转换， 由于单片机SPCE061A的定时器可以通过外部时钟源来计数，我们便可以将555电路或电 容三点式振荡电路产生的频率作为SPCE061A的定时器的时钟源，这样就很容易得到被测 R/C/L对应产生的频率。而且SPCE061A具有语音处理功能，能在显示的基础上还可以加入语音播报，使得整个测量过程更

12、加智能化。从性能和智能化以及测量范围较广等方面，选用方案二较好，特别是它的语音处理功能。但是基于实际生活接触的多是8051 系列，但是此控制器已经可以完成相应的功能，以及从 性价比考虑，我们选择了方案一。3 系统设计3.1 总体设计测量电容、电阻采用LM555定时器组成的RC多谐振荡电路，以及电容的三点式振荡电路测量电感。经三路电路输出经过 CD4052 多通道选择开关，由单片机定时扫描，当有器件接入时，会有一个通道被读入单片机内处理，判断是否要进行量程切换，并将结果用数 码管显示出来。特别在测量电感时，一般单片机只能计几百KHZ的频率,，因此，在测量电感时，需要 分频器分频后送入单片机计数，

13、提高了单片机的时钟频率，可提高测 量的精度。3.2 系统硬件电路设计3.2.1 测 Rx 的振荡电路其原理图如下所示：仅存在两个暂稳态，电路也不需要外加触发信号，利用电源通过Ra、Rb向C充电，以及C 通过 Rb 放电，使电路产生振荡。由该电路的振荡周期为：T = t +1 = (In2)(R + R )C + (In2)R C = (In2)(R + 2R )C1 2 x x x其中 1为输出高电平的时间， 2 为输出低电平的时间。则：1R + 2R 二一x (In 2)Cf为了使振荡频率保持在10100KHZ这一段单片机计数的高精度范围内，需选择合适的C和fc_1r 的值。取R 二 2g

14、C 二1000 pF，得到(ln2)C(R + 2R )X3.2.2 测 Cx 的振荡电路3.2.3 Lx 的电容三点式振荡电路图 5 电容三点式振荡电路及分频电路在这个电路中，C1、C2分别采用1000PF和2200PF的独石电容，其电容值远大于晶体管的极间电容，振荡公式：可以把极间电容忽略。f -1*LC，其中C=C1*C2/(C1+C2)则电感的感抗为L =-4兀 2f2C3.2.4 通道选择和控制模块其原理图如图所示：图 6 通道选择电路及控制模块CD4052 是一个双4 选一的多路模拟选择开关，其使用真值表如表1 所示表1应用时可以通过单片机对A/B的控制来选择输入哪一路，例如：需要

15、从4路输入中选 择第一路输入，假设使用的是丫组，那么单片机只需要分别给A和B送0和0即可选中该路，然后进行相应的处理。注意第6脚为使能脚，只有为0时，才会有通道被选中输出。4 系统测试4.1 硬件测试电阻标值万用表读数本仪表读数相对误差470Q478 Q0810Q810Q872 Q7.6%2 KQ1.9 7KQ2.08 KQ0.6%1.8KQ1,782 KQ1.785 KQ0.2%20 KQ20.02 KQ19.88 KQ0.67%100KQ99 KQ97.35 KQ1.6%510KQ520535.412.96%R - Rx 100%R 相对误差计算公式万从上面的一组数据上来看，在测量低于1

16、KQ阻值和接近1MQ阻值的电阻时，相对误差会大一些。造成这个现象的主要原因是在设计中采用的CD4052 （四路模拟开关）的内阻较大，经测量其内阻达到了 180Q左右，这样在测量电阻值小的电阻时，它的内阻就不能忽略，造成测量误差的增大。因为RA+2Rx=1/Cfln2所以2Rx= / f/Cf*fl n2- / C/C*CI n2于是/ Rx/(RA/2+Rx)= /f/f+/C/C误差分析：相对误差计算公式R - R-万仪 x 100%R万因此，频率的变化误差和电容的变化率同样也影响电阻的测量值。电容标值万用表读数本仪表读数相对误差6836840.1%而且/Cx/Cx = /f/f+/R1/R

17、1 + /R2/R2从上面的数据可以看出，电容的标称值与用万用表测出的容值有较大误差，其可能性原 因：一是万用表本身存在着一定误差，二是元件本身也存在一定误差。受所用仪器，元期间 的限制，测量精度并没有做的很高。注意：由于建立RC稳定振荡的时间较长，在测量电阻和电容时，应在显示稳定后再读出数 值。4.2.3 电感的测量电感的一组测量数据如下表4.2.3 所示：表 4.2.3电感标值本仪表读数470uh460uh因为/L/L=2/f/f+/C/C除了测量中仪器的误差，电路中相应的元器件本身的差值误差也会对电感的测量产生影响。5 总结四天三夜马上就要结束了，我们的作品也基本完成的差不多了，虽然离达

18、标的要求有一 定的距离，但是我们组成员经历了几次心理的变化，我们坚持了下来。在我们开始做作品的 过程中，遇到了许多的问题，例如，各个元器件的布局不协调，经常有引脚漏焊等情况发生， 在做好每一个模块进行测试时，电源的正负极有时插颠倒，甚至将芯片工作在超出它耐压范围通路中，造成芯片烧坏。一个特别的问题就是焊接好RC振荡电路后进行了测量，发现误 差非常大，于是我们查了资料，得出的结论是LM555定时器组成的振荡器是稳定的，而且做此作品的其他对同样有很大的误差，最终我们做了进行了大量的调试，用软件补偿的方法 来减小误差。其中最难的部分还是如何进行自动辨识元器件，以及量程不够时可以自动切换量程。在 这方

19、面我们的思想是对多选一通道进行时刻扫描，看哪个通道输入有相当的频率，就确定了 是测量什么器件。切换量程我们用继电器的工作特性，来判别。开始时继电器工作在常闭状态，当继电器接单片机I/O端口为高电平时换令一路开关导通。可以换另一量程。在调试时我们发现，测量电阻的范围是500欧姆，最大可达600K欧姆，当测量低值电阻时误差比较大，在达到10K欧姆，误差变得很小了。最后要感谢系里给我们提供这样学习的机会，让我们在学习理论的同时，提高自己的动手能 力。同时感谢系里的几位指导老师对我们的指导和生活上的关心，让我们能放心和专心的学 习与参赛。参考文献康华光 电子技术基础 高等教育出版社张义和 王敏男 例说

20、51单片机（C语言版）人民邮电出版社全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（ 1999）.北京 北京理工大学出版社，2000年附录附录 1 ：系统电路图R1附录 2：程序流程图制斷扫揑壘-H-T-丁上否匸莒弓ifl：Sfi坏半例疑检则开定时醤中斷?门乾吒旳关秃逞思创器口浙二开賠滴屮断标出计亘测呈值定时器中暦一对相时竝道一秒计数栓测记斟相关罄載井做匕处瑾筲代业己录第一次利哩這檢拦完底设置垢吏标志嘖吊示开嫌造1林：定时器一定吋半秒计弊宜色凉定呵器淀时砂开足时器中汕齐始廿蓟开世达附录 3：源程序 #include #include #define SEG P2#defin

21、e uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code seg10=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,; /09 段码uchar dis6=0xFC, /00xFC, /00xFC, /00xFC, /00xFC, /00xFC, /0;/t0 定时器相关变量#define count_m1 49609 /0.05s#define h_0 (65536-count_m1)/256 /高 8 位#define l_0 (65536-count_m1)%256 /低 8 位u

22、char time1; /t0 中断次数#define h_2 (65536-3000)/256 /高 8 位#define l_2 (65536-3000)%256 /低8 位uchar time2; /t0 中断次数/相关变量定义区bit c_flag=1;uint freq=0;uint freq1=0;sfr16 DPTR = 0x82;uchar i;数码管 uint zhi;uchar x_flag;uchar xuanze;bit dangwei;uchar dian;bit cishu;sbit xua n仁 P1A0;sbit xua n2=P1M;sbit key1=P1A

23、2;sbit key2=P1A3;sbit key3=P1A4;sbit dia nzhu=PM5;sbit dia nron g=P1A6; void measure(void)if(cishu=1) time1=20;elsetime1=10;ET1=1;ET0=1;TMOD=0x51;TH0=h_0;TL0=l_0;/IP=0x04;TH1=0;TL1=0;TR0=1;TR1=1;void T0_1s (void) interrupt 1TH0=h_0;TL0=l_0;time1-;if(time1=0)c_flag=1;TR0=0;TR1=0;DPH=TH1;DPL=TL1;if(ci

24、shu=0)cishu=1;freq1=DPTR;if(freq132768)cishu=0;x_flag=1; else if(cishu=1)cishu=0;freq=DPTR;/if(xuanze=1&freq1175)dangwei=1;dianzhu=1;/else dangwei=0;dianzhu=0;switch(xuanze)case 1:if(dangwei=0)if(freq127)zhi=(32788500/freq-101)/10;if(zhi9999)zhi=zhi/10;dian=3; else if(freq126)zhi=(32788500/freq-101)

25、;if(zhi9999)zhi=zhi/10;dian=2;else if(zhi10000) dian=0;if(dangwei=1)if(freq1470)zhi=(72134750/freq-503)*899)/10000;/zhi=10000;if(zhi9999)zhi=zhi/10;dian=3;else if(freq1470)zhi=(72134750/freq-503)*899)/1000;if(zhi9999)zhi=zhi/10;dian=2;else if(zhi10000) dian=0;break;case 2:if(dangwei=0)if(freq1155)zh

26、i=(19790055/freq/100);if(zhi9999)zhi=zhi/10;dian=3;else if(freq1154)zhi=(19790055/freq/10);if(zhi9999)zhi=zhi/10;dian=2; else if(zhi10000) dian=0;/310pfif(dangwei=1)if(freq127)zhi=(45901845/freq)/10);if(zhi9999)zhi=zhi/10;dian=3;else if(freq126)zhi=(45901845/freq);if(zhi9999)zhi=zhi/10;dian=2;else i

27、f(zhi10000) dian=0;break;case 3:if(dangwei=0)if(freq19)zhi=(143922140625/freq)/freq)/10;if(zhi9999)zhi=zhi/10;dian=3;else if(freq18)zhi=(143922140625/freq)/freq);if(zhi9999)zhi=zhi/10;dian=2; else if(zhi10000) dian=0;break;default: zhi=0;break;if(freq=6)i=0;P2=0;/关显示P0=i;/显示位控制P2=dis5-i;void main()RCAP2H=h_2;RCAP2L=l_2;ET2=1;/ 允许 T2 定时器中断EA=1;/ 打开总中断TR2=1;/ 启动 T2 定时器dangwei=0;xuanze=0;cishu=0;while(1)c_flag=0;if(x_flag!=1)measure();while(c_flag=0);