電子信息工程畢業(yè)論文--電阻電容電感測試儀的設計

1、<p><b>　　畢業(yè)論文（設計）</b></p><p>　　電阻電容電感測試儀的設計</p><p>　　姓 名　 　　　 　　　　</p><p>　　學 號　　　 </p><p>　　年 級　 2008 　　 　 <

2、/p><p>　　專 業(yè)　　　電子信息科學與技術 </p><p>　　系?。ㄔ海　　?</p><p>　　指導教師　 </p><p>　　2012年03月15日</p><p><b>　　摘 要</b></p>

3、<p>　　本設計是一種基于單片機(89C51)的高精度電阻電感電容測量儀器的設計.本設計采用MAX038單片壓控函數(shù)發(fā)生器產生高精度的正弦波信號流經待測的電容或者電感和標準電阻的串連電路,利用電壓比例計算的方法推算出電容值或者電感值,利用51單片機控制測量和計算結果,采用1602液晶模塊實時顯示數(shù)值,可以手動調節(jié)量程,正弦信號發(fā)生器可以實現(xiàn)幅值和頻率的調整,為了提高精度,我們把被測的交流電壓先通過ICL7650來消除因為AD

4、637輸入電阻較低產生的誤差.實驗測試結果表明,本設計性能穩(wěn)定,測量精度高.</p><p>　　關鍵詞：電壓比例法 89C51 AD637 1602液晶</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The design is the design of a high-precision instrument

5、 for RLC measurement based on microcontroller(89C51).This design adopted MAX038 monolithic voltage-controlled function generator to produce high accuracy sine wave signal,which passed through the series circuit of the ca

6、pacity or inductance and standard resistance,and then measured the respective voltage of the capacity or the inductance and the standard resistance.Using the voltage proportion method calculated the capacitance values or

7、 indu</p><p>　　Key words: Voltage proportion method; 89C51; AD637; 1602 LCD;</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　2 電壓比例法測量原理1&

8、lt;/p><p><b>　　3 系統(tǒng)方案2</b></p><p>　　3.1系統(tǒng)總體方案設計與結構框圖2</p><p>　　3.2方案設計與論證3</p><p><b>　　4 硬件電路5</b></p><p>　　4.1穩(wěn)壓電源模塊5</p>

9、<p>　　4.2正弦信號發(fā)生器5</p><p><b>　　4.3采樣電路6</b></p><p>　　4.3液晶顯示模塊7</p><p>　　5 系統(tǒng)軟件設計8</p><p>　　5.1控制測量程序模塊8</p><p>　　5.2 按鍵處理程序模塊9</

10、p><p>　　5.3電阻電感電容計算程序9</p><p>　　5.4液晶顯示程序模塊10</p><p>　　6 系統(tǒng)測試與結果分析10</p><p>　　6.1對正弦信號源的測試10</p><p>　　6.2對電阻電容電感的測量11</p><p>　　6.3誤差分析12<

11、;/p><p><b>　　7 總結13</b></p><p>　　參 考 文 獻14</p><p><b>　　致 謝15</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　現(xiàn)代電子產品正以前所未有的速度,向著多功能化、

12、體積最小化、功耗最低化的方向發(fā)展,機電產品廣泛應用于家電、通信、一般工業(yè)乃至航空航天和軍事領域.無論是日常生活還是高端科技領域,電子技術的應用均日益深入.掌握必備的電子技術基礎設計制作基礎知識和基本技能,能夠滿足我國目前產業(yè)結構對廣大技術工人、工程技術人員基本素質的要求,而且能為從事高端電子系統(tǒng)開發(fā)培養(yǎng)能力和素質,適應信息時代的需要.</p><p>　　目前市面上測量電子元器件參數(shù)R、C和L的儀表種類較多,方法

13、和優(yōu)缺點也各有不同.一般的測量方法都存在計算復雜,不易實現(xiàn)自動測量而且很難實現(xiàn)智能化等缺點.</p><p>　　電阻電容電感測量方法較多(諧振法,電橋法,電壓比例法等)但因為對于測量儀器來說精度越高越好,所以本設計選擇精度比較高的電壓比較法做電阻電感電容測試儀,它的原理是將一定頻率的交流信號經過串聯(lián)分壓電路轉化為電壓信號,然后經過電路處理變成頻率信號經過單片機進行比例運算,最后將計算出的測量值輸送給顯示模塊并顯

14、示各參量對應的量綱.</p><p>　　2電壓比例法測量原理</p><p>　　電阻高精度測量較好的方法之一是采用與標準電阻相比較的方法.其主要原理:是在待測電阻與標準電阻的串聯(lián)電路中加一直流電壓V,AD采樣得到Rx上電壓,則測量電阻為:</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　設計中我們采用

15、了與測量電阻一樣的方法——電壓比例法[1-2]來測量電感和電容;因為電感與電容是電抗元件,所以應采用交流信號來產生測量信號;在角頻率為的交流信號的作用下電容電感獲得的容抗和感抗:</p><p><b>　　(2) </b></p><p><b>　　(3)</b></p><p>　　C、L為待測電容和電感.這樣一來,

16、標準元件的選擇就有許多種方法.但為了提高測量精度和降低成本,該測量儀采用了標準電阻,且與電阻測量共用一套標準電阻.所以有電感:</p><p><b>　　(4)</b></p><p><b>　　(5)</b></p><p><b>　　電容:</b></p><p>&

17、lt;b>　　(6)</b></p><p>　　測量Q值時,加入交流信號測量出電感Q值</p><p><b>　　(7)</b></p><p><b>　　(8)</b></p><p>　　兩個方程聯(lián)立,求得電感</p><p><b>　

18、　(9)</b></p><p><b>　　(10)</b></p><p><b>　　(11)</b></p><p>　　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.</p><p>　　為保證測量精度,必須保證電阻的精度和的

19、高穩(wěn)定值.為此,我們在該設計中采用MAX038單片壓控函數(shù)發(fā)生器[3-4]產生高精度的正弦波信號,同時輸出緩沖器采用了運算放大器,為保證波形精度采用了閉環(huán)深度負反饋方式,無失真的放大正弦信號.</p><p><b>　　3.系統(tǒng)方案</b></p><p>　　3.1系統(tǒng)總體方案設計與結構框圖</p><p>　　本電路由電源模塊、正弦信號發(fā)

20、生器、標準電阻和電感或電容串聯(lián)分壓電路、多路開關、電壓跟隨器、高精度交流/有效值轉換、A/D轉換、單片機、液晶顯示、鍵盤等模塊組成.系統(tǒng)主要模塊流程圖如圖1所示:</p><p><b>　　圖1系統(tǒng)流程圖</b></p><p>　　3.2方案設計與論證</p><p>　　3.2.1電阻電感電容測試采樣模塊</p><p

21、>　　電阻電感電容測試采樣模塊的設計方案有很多,例如利用純模擬電路來實現(xiàn)、電阻可用比例運算器法、電容可用恒流法和比較法、電感可用時間常數(shù)法和同步分離法等.</p><p>　　方案一 利用純模擬電路</p><p>　　雖然避免了編程的麻煩,但是電路復雜,所用的元器件較多,制作較麻煩并且測量精度低,調試困難,現(xiàn)已很少使用.</p><p>　　方案二 可編程序

22、控制器(PLC）</p><p>　　應用廣泛,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對硬件進行控制,但是PLC的價格相當昂貴,因而成本過高,應用于要求比較高的場合.</p><p>　　方案三 利用震蕩電路與單片機結合</p><p>　　利用555多諧振蕩電路將電阻、電容轉化為頻率,而電感

23、則是根據(jù)電容三點式電路也轉化為頻率,這樣就把模擬量近似轉化為數(shù)字量了,而頻率是單片機很容易處理的數(shù)字量,該方案測量精度較高,易于實現(xiàn)儀表的自動化,而且單片機構成的系統(tǒng)可靠性高,硬件的描述完全可用軟件來實現(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),導致結構復雜、體積大、成本高并且難以達到較高的頻譜純度而使測量誤差加大,外圍電路非常復雜.且不符合需要一個獨立信號發(fā)生器的要求.</p><p><

24、b>　　方案四 電壓比例法</b></p><p>　　采用與標準電阻相比較的的方法,其原理是在待測原件與標準原件的串聯(lián)電路中加以電流I，這樣被測元件與標準元件上得到的電壓分別為Vx與Vi;通過計算得出被測值,此方法精度高,需要一個具有輸出頻率穩(wěn)定的信號源來提供激勵.本設計采用此方案.</p><p>　　3.2.2正弦信號發(fā)生器模塊</p><p&g

25、t;　　正弦信號源發(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,另外為了測試系統(tǒng)的可靠性還要求正弦信號發(fā)生器的頻率和電壓具有可調性,本系統(tǒng)要求頻率范圍1HZ～1MHZ,電壓大于5V.</p><p>　　方案一 555信號發(fā)生器</p><p>　　采用555信號發(fā)生器制作的發(fā)生器,其外圍電路較復雜.</p><p>　　這種方法能實現(xiàn)快速頻率變換,具有低噪

26、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),導致結構復雜、體積大、成本高并且難以達到較高的頻譜純度而使測量誤差加大.</p><p>　　方案二 單片機信號發(fā)生器[5]</p><p>　　使用單片機編程實現(xiàn)正弦波的產生簡單易行.可以在外圍電路不變的情況下通過程序來改變輸出電壓的幅值和頻率.由于輸出的是數(shù)字信號,可以做得很高,產生的信號精度及其性價比比較

27、高,集成度也高并且需求電壓低,功耗低.</p><p>　　方案三 DDS信號發(fā)生器[6]</p><p>　　利用直接合成DDS芯片的函數(shù)發(fā)生器,能產生任意波形并能達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發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器、頻率合成式信號發(fā)生器等.</p><p&

28、gt;　　方案四 MAX038信號發(fā)生器</p><p>　　MAX038是MAXIM公司生產的一個只需要很少外部元件的精密高頻波形產生器，他能產生準確的高頻正弦波、三角波、方波。輸出頻率和占空比可以通過調整電流、電壓或電阻來分別地控制.MAX038引腳排列如圖2所示.</p><p>　　圖2 MAX038引腳排列</p><p>　　所需的輸出波形可由地址A0和

29、A1的輸入數(shù)據(jù)進行設置，如表1所示。波形切換可通過程序控制在任意時刻進行，而不必考慮輸出信號當時的相位.其中X表示任意狀態(tài)，1為高電平,0為低電平.</p><p><b>　　表1 輸出波形控制</b></p><p>　　采用MAX038單片壓控函數(shù)信號發(fā)生器產生正弦波,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40MH

30、z,輸出頻率穩(wěn)定.各種波形的輸出幅度均為2V,幅值經過一個放大器就可以調節(jié).占空比的調節(jié)范圍寬,占空比和頻率均可進行單獨調節(jié),互不影響.占空比最大調節(jié)范圍10％～90％.波形失真小.正弦波失真度小于0.75％.因為不用編程可以節(jié)省較多的時間.本設計采用此方案.</p><p><b>　　3.2.3顯示模塊</b></p><p>　　方案一 采用LED數(shù)碼管顯示.數(shù)

31、碼管顯示具有亮度高、夜視效果好等優(yōu)點,但顯示信息量小,且自身功耗較大.</p><p>　　方案二 LCD液晶顯示器[7]可輕松實現(xiàn)字母、漢字的顯示,控制簡單,能耗小,可以中文輸出便于人際交流顯示內容豐富.所以本設計采用此方案.</p><p><b>　　4 硬件電路</b></p><p><b>　　4.1穩(wěn)壓電源模塊</

32、b></p><p><b>　　圖3 穩(wěn)壓電源</b></p><p>　　4.2正弦信號發(fā)生器</p><p>　　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.</p><p><b>　　圖4正弦信號發(fā)生器</b></p><

33、p><b>　　4.3采樣電路</b></p><p>　　ICL7650是斬波穩(wěn)零式高精度運算放大器[8],它具有輸入偏置電流小、失調小、增益高、共模抑制能力強、響應快、漂移低、性能穩(wěn)定及價格低廉等優(yōu)點.</p><p>　　ICL7650采用14腳雙列直插式和8腳金屬殼兩種封裝形式,圖1所示是最常用的14腳雙列直插式封裝的引腳排列圖.</p>

34、<p>　　圖5 ICL7650引腳排列圖</p><p>　　ICL7650的工作原理如圖6所示</p><p>　　圖6 ICL7650的工作原理</p><p>　　如圖7所示,高精度的正弦波信號流過串聯(lián)的標準電阻和待測元件,待測元件一端接地.儀器通過繼電器轉換分別從標準電阻的兩端測量電壓.由于AD637的輸入電阻較低,為了降低其分壓產生的誤差,被測

35、的交流電壓先通過精密運算放大器ICL7650構成的電壓跟隨器,然后才通過高精度交流/有效值轉換芯片AD637[9]轉換成有效值,進過ADC轉換成數(shù)字信號,在單片機中完成比例運算,得到電容電感數(shù)值.測量不同數(shù)值電感電容時,可以選擇相應的標準電阻和改變MAX038輸出信號的頻率來分壓,這通過單片機控制繼電器切換電路和編程來實現(xiàn).</p><p><b>　　圖7采樣電路</b></p>

36、;<p><b>　　4.3液晶顯示模塊</b></p><p>　　本設計采用常用的2行16個字的1602液晶顯示器來顯示電阻電感電容值.圖8是1602液晶模塊與51單片機的連接圖.</p><p>　　圖8 1602液晶模塊與51單片機的連接圖</p><p>　　單片機的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

37、別控制RS、RW和使能端E.RS為寄存器選擇,高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器,低電平時選擇指令寄存器.RW為讀寫信號線,高電平時進行讀操作,低電平時進行寫操作.當RW和RS同時為低時,可以寫入指令或顯示地址;當RS為低,RW為高時,可以讀忙信號;當RS為高RW為低時,可以寫入數(shù)據(jù).E端為使能端,當E端有高電平跳變到低電平時,液晶模塊執(zhí)行命令.D0-D7為8位雙向數(shù)據(jù)線.V0為液晶顯示器對比度調節(jié)端,接正電源時對比度弱,接地是對比度高,使用時要通

38、過一個10KΩ的電位器調整對比度.</p><p><b>　　5系統(tǒng)軟件設計</b></p><p>　　5.1控制測量程序模塊</p><p>　　單片機控制測量程序不僅擔負著量程的識別與轉換,而且還負責數(shù)據(jù)的修正和傳輸;因此主控制器的工作狀態(tài)直接決定著整個測量系統(tǒng)能否正常工作,所以控制測量程序對整個測量來說至關重要.控制測量流程圖如圖9所

39、示.</p><p>　　圖9 控制測量程序流程圖</p><p>　　5.2 按鍵處理程序模塊</p><p>　　按鍵處理程序的主要功能是設置測量的類型和測量的檔位,當有按鍵被按下時就執(zhí)行相應的按鍵功能,流程如圖10所示.</p><p>　　圖10 按鍵處理程序流程圖</p><p>　　5.3電阻電感電容計算程

40、序</p><p>　　單片機根據(jù)A/D 轉換得到的電壓值計算出電阻、電感或者電容值,該程序流程圖如圖11所示.</p><p>　　圖11電阻電感電容計算程序流程圖</p><p>　　5.4液晶顯示程序模塊</p><p>　　該程序模塊只有一個功能,就是對測量結果清晰正確的顯示出來,并能夠保持穩(wěn)定.程序流程圖如圖12所示.</p&

41、gt;<p>　　圖12液晶顯示程序模塊流程圖</p><p>　　6 系統(tǒng)測試與結果分析</p><p>　　測試儀器:雙蹤示波器和數(shù)字萬用表.</p><p>　　6.1對正弦信號源的測試</p><p>　　我們使用示波器對信號源進行測試,發(fā)現(xiàn)波形和頻率顯示平穩(wěn),并得到了一些數(shù)據(jù).由測量數(shù)據(jù)經我們分析計算得出此信號發(fā)生器

42、輸出電壓幅值大于等于5∨,并且大小可以調節(jié).自制信號源的測試結果如表2所示.</p><p>　　表2 自制信號源測試結果</p><p>　　6.2對電阻電容電感的測量</p><p>　　我們對于各種性質的元件(電阻電容電感)分別找了足夠量的元件;用高精度數(shù)字萬用表測量出其阻值(容值或感值）取多個相同電阻的平均值作為參考量;然后用我們自制的儀表進行測量,測量多個

43、阻值不同的電阻,算出其誤差,最后求平均誤差.電容和電感的測量同理.</p><p><b>　　表3 電阻測試結果</b></p><p><b>　　表4 電容測試結果</b></p><p><b>　　表5 電感測試結果</b></p><p><b>　　6.

44、3誤差分析</b></p><p>　　本測量儀的測量范圍較寬,并且達到了很好的精度, </p><p>　　信號源測試結果分析:由于示波器精度所限,頻率低于10Hz示波器無法識別信號.經計算自制信號源最大相對誤差為0.4%,我們的信號源范圍更寬.</p><p>　　電阻測試結果分析:測量電阻阻值誤差較小,最大誤差為2%,用16位AD采樣直流分壓信號極

45、為精確.</p><p>　　電容測試結果分析:電容測試最大誤差為3%.</p><p>　　電感測試結果分析:電感測試最大誤差小于4%.</p><p>　　在實際測量中,由于測試環(huán)境,測試儀器,測試方法等都對測試值有一定的影響,都會導致測量結果或多或少地偏離被測量的真值,為了減小本設計中誤差的大小,主要利用修正[15]的方法來減小本測試儀的測量誤差.所謂修正的方

46、法就是在測量前或測量過程中,求取某類系統(tǒng)誤差的修正值.在測量的數(shù)據(jù)處理過程中選取合適的修正值很關鍵,修正值的獲得有三種途徑.第一種途徑是從相關資料中查取;第二種途徑是通過理論推導求取;第三種途徑是通過實驗求取.本測試修正值選取主要通過實驗求取,對影響測量讀數(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.通過對相同被測參數(shù)的多次測量結果和不同被測參數(shù)的多次測量選取平均值,最后確定被測參數(shù)公式的常數(shù)K值,從而達到減小本設計系統(tǒng)誤差的

47、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,所以由振蕩電路產生的被測參數(shù)對應的頻率有一定的誤差,所以只能通過多次實驗測量,選取合適的修正值來盡可能的減少本測試系統(tǒng)的誤差.</p><p><b>　　7 總結</b></p><p>　　畢業(yè)論文是一次非常好的將理論與實際相結合的機會,通過對電阻、電容、電感測試儀的課題設計,鍛煉了我的實際動手能力,增強了我解

48、決實際工程問題的能力,同時也提高我查閱文獻資料、設計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平.</p><p>　　本設計的硬件電路圖簡單,成本低;采用單片機可以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,縮小系統(tǒng)體積,調試與維護方便,而且以51單片機最小系統(tǒng)為核心的控制系統(tǒng)能滿足整個系統(tǒng)的要求,經過測試系統(tǒng)工作正常,完成了設計任務的全部要求.</p><p>　　當然本系統(tǒng)還存在著許多需要改進的地方,比如還可以

49、繼續(xù)提高測量的精度和加大測量的范圍.因為是采用單片機實現(xiàn)的,利用其可以編程的特性,使測量的值結合一些數(shù)據(jù)處理方式使測量更加接近真實值.</p><p>　　本系統(tǒng)也還有許多可以擴展的功能,可以增加語音功能,每次測量值穩(wěn)定的時候就通過語音報告出來;也可以增加在線測量的功能,這樣就更能夠測量出元件工作時的正常值,而不僅僅是靜態(tài)時的值.</p><p><b>　　參 考 文 獻<

50、;/b></p><p>　　[1] 高吉祥.全國大學生電子設計競賽培訓系列教程－電子儀器儀表設計.電子工業(yè)出版社,2007.</p><p>　　[2] 康華光.電子技術基礎模擬部分(第四版).高等教育出版社,1999.</p><p>　　[3] 高艷.采用MAX038的信號發(fā)生器的設計,蕪湖職業(yè)技術學院學報,2010.</p><p&

51、gt;　　[4] MAXIM.MAX038High—FrequencyWaveformGeneratorRev5,2004.</p><p>　　[5] 張毅剛.MCS-51單片機應用系統(tǒng).哈爾濱工業(yè)大學出版社,1997. </p><p>　　[6] AnalogDevices.Inc.DataSheet.CMOS,125MHzcompleteDDSsynthesizer AD9850.

52、1999. </p><p>　　[7] 李桂安.電子技術實驗及課程設計.東南大學出版社,2008.</p><p>　　[8] 吳祖國. ICL7650斬波穩(wěn)零運算放大器的原理及應用,國外電子元器件,2004.</p><p>　　[9] 夏繼強.單片機實驗與實踐教程.北京航空航天大學出版社,2001.</p><p>　　[10] J.C

53、.Whitaker.Thermal Design of Electronic Equipment,CRC Press LLC.Lond on2001.</p><p>　　[11] 陳立萬.數(shù)學式電容測量儀.重慶三峽學院學報.</p><p>　　[12] 劉守義.單片機應用技術[M],西安:西安電子科技大學出版社,2003.</p><p>　　[13] 邱關源.

54、電路[M],高等教育出版社,2003.</p><p>　　[14] 謝自美.電子電路設計[M],武漢:華中理工大學出版社,2000.</p><p>　　[15] 陳尚松,雷加.電子測量與儀器[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.</p><p>　　[16] 張迎新.單片機初級教程－單片機基礎(第二版).北京航空航天大學出版社.</p><

55、p>　　[17] 申忠如,申淼,譚亞麗.MCS-51單片機原理及系統(tǒng)設計.西安交通大學出版社,2008.</p><p>　　[18] 肖洪兵.跟我學用單片機.北京航空航天大學出版社,2002.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本文是作者在xx做畢業(yè)設計期間學習的總結,是在導師xx老師指導下完成的.<

56、;/p><p>　　在這幾個月畢業(yè)設計的學習和工作中,導師的精心指導和培養(yǎng)使我在各個方面都受益非淺.在分析問題、解決問題及獨立工作的能力有了很大的提高.此前在做本設計時,xx老師提出了很多有益的建議并給予我很大幫助.在此謹向xx老師表示衷心的感謝.</p><p>　　在理學院這個學習氛圍活躍、團結友愛的集體里,大家互相幫助,彼此討論問題,共同提高.在此也要感謝我的各位同學,有了大家的支持和幫