簡(jiǎn)易電阻、電容、電感測(cè)量?jī)x

1、簡(jiǎn)易電阻、電容和電感測(cè)試儀,簡(jiǎn)易電阻、電容和電感測(cè)試儀一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)數(shù)字顯示的電阻、電容和電感參數(shù)測(cè)試儀，示意框圖如下,二、要求1．基本要求　1）測(cè)量范圍：電阻100Ω～1MΩ；電容100pF～10000pF； 電感100μH～10mH?！?）測(cè)量精度：±5% ?！?）制作4位數(shù)碼管顯示器，顯示測(cè)量數(shù)值，并用發(fā)光二極管分別指示所測(cè)元件的類(lèi)型和單位。2．發(fā)

2、揮部分　1）擴(kuò)大測(cè)量范圍?！?）提高測(cè)量精度。　3）測(cè)量量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換。,電阻測(cè)試模塊電路,方案一:電阻分壓法將待測(cè)電阻Rx和基準(zhǔn)電阻R串聯(lián)在電路中。由于電阻分壓的作用，當(dāng)串聯(lián)到電路上的電阻Rx的值不同時(shí)其Rx上分的壓降也不同。通過(guò)測(cè)量Vx便可求得Rx。,,◆優(yōu)點(diǎn)：原理簡(jiǎn)單，理論上只要參考電阻精確，就可以測(cè)量任何阻值的電阻?！羧秉c(diǎn)：測(cè)量精度極差。實(shí)際上由于AD的分辨率有限，當(dāng)待測(cè)電阻的很大或是很小時(shí)就很難測(cè)出Rx上的壓降V

3、x，從而使測(cè)量范圍縮小，要提高測(cè)量范圍和精度就需要對(duì)電阻分檔測(cè)試和提高AD的分辨率。這無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。,方案二：RC充電原理 根據(jù)電路原理電容充電的時(shí)間常數(shù)τ=RC。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膮⒖茧娙荩ㄟ^(guò)測(cè)量充電到一個(gè)固定電壓時(shí)所需的時(shí)間即可以測(cè)量出相應(yīng)的電阻阻值。,,◆缺點(diǎn)： ①當(dāng)電阻值Rx過(guò)小時(shí)，充電時(shí)間τ很短，普通的微處理器難以測(cè)量； ②同時(shí)通過(guò)實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)電阻Rx太大時(shí)充

4、 電時(shí)間τ和電阻Rx的大小線(xiàn)性度變差，這將導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。 這些因素導(dǎo)致電阻測(cè)量范圍較窄。,方案三：直流單臂電橋 在《電工基礎(chǔ)課》中已經(jīng)講到，根據(jù)電路平衡原理，不斷調(diào)節(jié)電位器，使得電表指針指向正中間，有以下關(guān)系式成立：,,RX= ×R4,,◆優(yōu)點(diǎn)：萬(wàn)用表操作簡(jiǎn)單但精度不高，直流單臂電橋的測(cè)量精度較高；◆缺點(diǎn)：需要測(cè)量的電阻值多，而且測(cè)量調(diào)節(jié)麻煩，不易操作

5、與數(shù)字化 。,方案四：RC和555定時(shí)器組成的多諧振蕩電路 通過(guò)測(cè)量輸出振蕩頻率的大小即可求得電阻的大小，如果固定電阻值，該方案硬件電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，通過(guò)選擇合適的電容值即可獲得適當(dāng)?shù)念l率范圍，同時(shí)輸出波形為T(mén)TL電平的方波信號(hào)所以不需要再對(duì)信號(hào)做電平變換。即可直接供數(shù)字電路處理。,555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器,根據(jù)555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生脈沖波形，通過(guò)單片機(jī)讀取高低電平得出頻率，通過(guò)公式換算得到電阻

6、阻值。由 f=1/ [(R1+2R2)*C*In2]得到公式： R2=1/2*[1/ (f*c*Ln2)-R1],,上述四種方案從對(duì)測(cè)量精度要求而言，方案一的測(cè)量精度極差，方案二電阻測(cè)量范圍較窄，方案三需要測(cè)量的電阻值多，而且測(cè)量調(diào)節(jié)麻煩，不易操作與數(shù)字化，相比較而言，方案四還是比較符合要求的，由于是通過(guò)單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)化，精確度會(huì)明顯的提高。故本設(shè)計(jì)選擇了方案四。,電容測(cè)試模塊,方案一：直接

7、通過(guò)串聯(lián)路原理。 通過(guò)電容換算的容抗跟已知電阻分壓，通過(guò)測(cè)量電壓值，再經(jīng)過(guò)公式換算得到電容的值。原理同電阻測(cè)量的方案一。 方案二：同電阻測(cè)試方案二，利用RC充電原理。通過(guò)測(cè)量充電時(shí)間來(lái)測(cè)量電容大小。此方案下測(cè)量大電容較準(zhǔn)，但在電容容量較小時(shí)，電容在極短的時(shí)間內(nèi)就能充滿(mǎn)，即充電時(shí)間較短，所以很難測(cè)準(zhǔn)。方案三：交流電橋平衡原理,,方案四：同樣利用RC和555定時(shí)器組成的多諧振蕩電路，通過(guò)測(cè)量輸出振蕩頻率的大小即可求得電容的大小，

8、如果固定電阻值，該方案硬件電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，能測(cè)出較寬的電容范圍，完全滿(mǎn)足題目的要求。同時(shí)輸出波形為T(mén)TL電平的方波信號(hào)所以不需要再對(duì)信號(hào)做電平變換。即可直接輸入單片機(jī)處理。,由f=1/ [(R5+2R7)*C*In2得到公式： Cx=1/ [c*Ln2 (R1+2*R7)],綜上所述，本設(shè)計(jì)采用方案四，用低廉的NE555構(gòu)建RC多諧振蕩電路。,電感測(cè)試模塊,方案一：采用平衡電橋法測(cè)量電感 將待測(cè)電感和已

9、知標(biāo)準(zhǔn)電阻電容組成電橋，通過(guò)單片機(jī)控制調(diào)節(jié)電阻參數(shù)使電橋平衡，此時(shí)，電感的大小由電阻和電橋的本征頻率即可求得，該方案測(cè)量精準(zhǔn)，同時(shí)可以測(cè)量電容和電阻的大小，但其電路電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難。,方案二 諧振法測(cè)量 用阻抗法測(cè)電阻、電容、電感有兩種實(shí)現(xiàn)方法：用恒流源供電，然后測(cè)元件電用阻抗法測(cè)電壓；用恒壓源供電，然后測(cè)元件電流。由于很難實(shí)現(xiàn)理想的恒流源和恒壓源，所以它們適用的測(cè)量范圍很窄。,方案三：用555定時(shí)器和被測(cè)電感利

10、用電感儲(chǔ)能以及充放原理構(gòu)成多諧振蕩器 通過(guò)測(cè)頻率值確定被測(cè)電感的值。該方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出波形為T(mén)TL電平的方波信號(hào)，簡(jiǎn)單分頻后可獲得較為理想的測(cè)試頻率范圍，方便單片機(jī)精確測(cè)量。,方案四:采用LC配合三極管組成三點(diǎn)式震蕩振蕩電路 通過(guò)測(cè)輸出頻率大小的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電感值測(cè)量。該方案成本最低，但其輸出波形為正弦波，需要將其波形整形后才能交給處理器處理，成本稍微高了。,根據(jù)電容三點(diǎn)式公式,從而可得電

11、感的計(jì)算公式,綜上所述，采用方案三設(shè)計(jì)，由于誤差太大，所以最終采用方案四的電容三點(diǎn)式振蕩振蕩電路，把輸出的正弦波整形后再交給處理器來(lái)處理。,頻率測(cè)量模塊,方案一：直接測(cè)頻法 在確定的閘門(mén)時(shí)間內(nèi)，利用計(jì)數(shù)器記錄待測(cè)信號(hào)通過(guò)的周期數(shù)，從而計(jì)算出待測(cè)信號(hào)的頻率。此方案對(duì)低頻信號(hào)的測(cè)量精度很低，較適合于高頻信號(hào)的測(cè)量。,,方案二：測(cè)周法 以待測(cè)信號(hào)為門(mén)限，記錄在此門(mén)限內(nèi)的高頻標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的數(shù)量，從而計(jì)算出

12、待測(cè)信號(hào)的頻率。但被測(cè)信號(hào)頻率過(guò)高時(shí)，由于測(cè)量時(shí)間不足存在測(cè)量精度不夠的問(wèn)題。此方案適合于低頻信號(hào)的測(cè)量。,方案三：等精度測(cè)量法 其精確門(mén)限由被測(cè)信號(hào)和預(yù)控門(mén)共同控制。測(cè)量精度與被測(cè)信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)，只與基準(zhǔn)信號(hào)的頻率和穩(wěn)定度有關(guān)，因此可以保證在整個(gè)測(cè)量頻段內(nèi)測(cè)量精度不變。但此方案的實(shí)現(xiàn)需要FPGA等專(zhuān)門(mén)的芯片配合單片機(jī)才能實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，系統(tǒng)較為復(fù)雜，成本較高。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用直接測(cè)頻法。,顯示模塊,方案一：采用

13、點(diǎn)陣式液晶顯示器（LCD）顯示方案二：采用發(fā)光二極管（LED）顯示 由于led只能顯示簡(jiǎn)單的數(shù)字與簡(jiǎn)單的特殊字符，若需要顯示的測(cè)量量多，而且測(cè)量的量程范圍大時(shí)，明顯led無(wú)法方便明了的顯示，所以采用的是lcd1602液晶顯示，1602具有低功耗節(jié)能的作用，而且能夠更好的顯示出我們所需要的測(cè)量顯示。,系統(tǒng)方案概述,系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖,總體設(shè)計(jì)思路,本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)AT89S52智能處理. 根據(jù)單片機(jī)的外接按鍵控制測(cè)量電路的選擇

14、 NE555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器和電容反饋式三點(diǎn)式構(gòu)成的振蕩電路產(chǎn)生的一定頻率的波 單片機(jī)的I/O口對(duì)高低電平的捕獲讀出頻率 程序算法處理?yè)Q算成電阻、電容、電感的值 單片機(jī)送給1602液晶顯示RLC簡(jiǎn)易測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是：如何完成RLC的測(cè)量。RLC簡(jiǎn)易測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題是：如何產(chǎn)生轉(zhuǎn)化電路輸出頻率。,,,,,單元電路設(shè)計(jì),電阻測(cè)量電路 電阻的測(cè)量采用“

15、脈沖計(jì)數(shù)法”，如下圖所示由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過(guò)計(jì)算振蕩輸出的頻率來(lái)計(jì)算被測(cè)電阻的大小。 555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為：T=t1+t2=（ln2）（R1+Rx）*C1+（ln2）Rx*C1得出：,即：電路分為2檔: 100≤Rx<1000歐姆：IOA5設(shè)置為高電平輸出，IOA7設(shè)為低電平輸出； R2=330歐姆；C2=0.22uF； Rx=｛(6.

16、56*(1e+6))/(2* fx)-330｝/2對(duì)應(yīng)的頻率范圍為： 2.8K≤fx <16K 1000≤Rx<1M歐姆：IOA6設(shè)置為高電平輸出，IOA8設(shè)為低電平輸出。 R1=20k歐姆；C1=1000PF； Rx =(1.443*(1e+8))/(2* fx)-(1e+4),電容測(cè)量電路 電容的測(cè)量同樣采用“脈沖計(jì)數(shù)法”，如下圖所示由555電路構(gòu)成的多

17、諧振蕩電路，通過(guò)計(jì)算振蕩輸出的頻率來(lái)計(jì)算被測(cè)電容的大小。 555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為：T=t1+t2=（ln2）（R1+R2）*Cx+（ln2）R2*Cx我們?cè)O(shè)置R1=R2;,得出：,即：,電路分為2檔: R1＝510K歐姆：IOA10設(shè)置為高電平輸出； R4=R6； Cx= (0.94*(1e+6))/ fx; 對(duì)應(yīng)的頻率范圍為： 9.4K≤fx

18、 <0.94K R1＝100K歐姆： IOA9設(shè)置為高電平輸出； R5=R6； Cx =(4.81*(1e+6))/ fx; 對(duì)應(yīng)的頻率范圍為： 480Hz≤fx <4.8KHz,電感測(cè)量電路 電感的測(cè)量是采用電容三點(diǎn)式振蕩電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。三點(diǎn)式電路是指：LC回路中與發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件必須是同性質(zhì)的，另外一個(gè)電抗元件

19、必須為異性質(zhì)的，而與發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件同為電容時(shí)的三點(diǎn)式電路，成為電容三點(diǎn)式電路。,得出：,即：,按鍵電路,按鍵和二極管分別表示不同類(lèi)別的測(cè)量，如下表,按鍵電路,液晶顯示電路,軟件設(shè)計(jì),程序流程框圖,總體實(shí)物圖,附錄,CD4052基本原理   CD4052是一個(gè)差分4通道數(shù)字控制模擬開(kāi)關(guān)，有A、B兩個(gè)二進(jìn)制控制輸入端和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.5～20V的數(shù)字信號(hào)可控制峰峰值至2

20、0V的模擬信號(hào)。例如，若V DD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，則0～5V的數(shù)字信號(hào)可控制-13.5～4.5V的模擬信號(hào)，這些開(kāi)關(guān)電路在整個(gè)VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)無(wú)關(guān)，當(dāng)INH輸入端=“1”時(shí)，所有通道截止。二位二進(jìn)制輸入信號(hào)選通4對(duì)通道中的一通道，可連接該輸入至輸出,CD4052引腳功能說(shuō)明表,CD4052各引腳分布圖,CD4052接口電路,CD4052真值表CD