简易RLC测量仪.docx

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简易RLC测量仪

论文题目：

简易数字式电阻、电容、电感测量仪

1绪论

1.1元器件参数测量仪

在现代化生产、学习、实验当中，往往需要对某个元器件的具体参数进行测量，在这之中万用表以其简单易用，功耗低等优点被大多数人所选择使用。

然而万用表有一定的局限性，比如：

不能够测量电感，而且容量稍大的电容也显得无能为力。

所以制作一个简单易用的电抗元器件测量仪是很有必要的。

现在国内外有很多仪器设备公司都致力于低功耗手持式电抗元器件测量仪的研究与制作，而且精度越来越高，低功耗越来越低，体积小越来越小一直是他们不断努力的方向。

该类仪器的基本工作原理是将电阻器阻值的变化量，电容器容值的变化量，电感器电感量的变化量通过一定的调理电路统统转换为电压的变化量或者频率的变化量等等，再通过高精度AD采集或者频率检测计算等方法来得到确定的数字量的值，进而确定相应元器件的具体参数。

电阻的参数主要是电阻值，电容的参数包括:

电容值、损耗系数，电感的参数包括:

电感值、品质因素。

1.2元器件参数测量仪常用解决方案

1.2.1平衡电桥法测量原理

桥电路由未知阻抗

，已知标准电阻

和具有总电阻

的电阻性电位计组成，电桥各元素分别是

、

。

其中

代表电位计变换的位置。

电桥由正弦交流电源

供电，频率为

为桥路输出电压。

当改变电位计

的位置时，就可得到半平衡电桥。

真正的半平衡状态是

与一个特定的桥路电压相差900。

可用相敏检测仪检测出来。

通常相敏计有倍增式和同步式两种，其检出信号

取决于输入

和另一个参考电压

，设

那么，在倍增型

可用式

（1）表示，同步式

可用式

（2）表示：

（1）

（2）

如果

、

相差900输出

为0，如果

是输入信号，桥式电路中另一个指定信号是参考信号，相敏计输出为0，这将意味着

和指定电压相位差900,表明是半平衡状态。

在两个指定电压下，能够获得两个独立的半平衡。

达到平衡时所测得的数据

和

用来计算未知参数

。

根据被测阻抗的特性按照以下分析可以得到两种平衡。

图1.1测量阻抗

的电桥电路和电感阻抗半平衡向量图

1.2.2利用NE555芯片和电容电感组成的震荡电路测量原理

该方法是利用NE555芯片和电容电感构成震荡电路，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。

把电子元件的集中参数R、L、C转换成频率信号f，然后利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震荡和LC三点式震荡。

这种转换就是把模拟量转换为数字量，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。

缺点是，外围电路较复杂，并且测量范围有限。

1.2.3利用运算放大器LM311及外围组成的震荡电路测量原理

该电路外围电路简单，工作稳定可靠，LM311输出的方波波形整齐稳定，方便单片机或者计数器的测量。

LM311和电容电感配合组成的震荡电路最高震荡频率可达4MHz，所以可以测量很宽范围内的电容值和电感值。

该方案原理图如图1.2所示：

图1.2LM311和电容电感组成的震荡电路

经过仔细比较和优化，本系统最终决定采用LM311和电容电感组成振荡电路的方法来进行电容电感，然后通过单片机和计数器组成的频率测量电路最终计算出电容值和电感值。

选择该方案的原因是由于该方案可行性比较高，外围电路难度适中，测量范围宽，系统总体功耗较低，可以满足本次设计要求。

1.3本系统实现的的功能和指标

本次设计的题目源于2010年四川省TI杯模拟及模数混合电子设计竞赛题目的A题。

这是一个综合性挺强的题目，主要考察学生的数模混合电路的设计。

在此基础上稍加改动，既满足了毕业设计的难度要求，又符合自己的兴趣爱好。

原题的要求如下：

（1）测量电阻范围：

100～1M，测量精度：

；

（2）测量电容范围：

100pF～10000pF，测量精度：

；

（3）测量电感范围：

100H～10mH，测量精度：

；

（4）使用键来设置测量的种类和单位，并显示；

（5）自制电源。

本次设计中扩展了题目中要求的范围，并且还增加了良好的人机交互界面。

按键控制、128×64宽屏液晶显示测量结果，操作简便，一目了然。

扩展后的范围如下：

（1）测量电阻范围：

1～1M，测量精度：

；

（2）测量电容范围：

10pF～100000pF，测量精度：

；

（3）测量电感范围：

30H～500mH，测量精度：

；

2系统设计和分析

2.1简易电阻、电容电感测量仪的原理

本系统的基本工作原理是将电阻，电容，电感的变化量最终变成脉冲波频率的变化量，通过单片机和由数字芯片搭建的计数器电路可以很方便的计算出脉冲波的频率，确定频率之后可以通过相应的公式计算出各个器件的参数。

系统可以分为三部分：

即电阻测量部分、电容测量部分、电感测量部分。

每个部分对应一块模拟电路，实现了相应元件的参数转换为脉冲波频率的变化。

电阻测量的核心芯片是ADVFC32，该芯片功能是将电压的变化转换为随电压线性变化的频率的变化。

电感测量电路的核心是LC震荡电路，电路由已知电容和被测电感组成震荡回路，产生频率随被测电感值变化的正弦波。

电容测量电路和电感测量电路原理一样，只是将已知电容换成已知电感，被测电容和已知电感构成震荡回路。

2.2简易电阻、电容电感测量仪的系统分析

简易电阻、电容电感测量仪系统主要包括电阻值到方波脉冲频率的转换，电容值到方波脉冲频率的转换，电感值到方波脉冲频率的转换。

转换后的各路方波脉冲经过继电器选择后进入24位二进制计数器模块，在单片机定时器的控制下，计算出检测到方波脉冲的频率。

得到频率值后，单片机根据相应元器件参数的计算公式计算出元器件的参数并且在128×64宽屏液晶上面显示出结果。

系统一开机128×64液晶显示提示信息，提示用户选择需要测量的元件，选择后继电器会跳动，选择相应的测量档位，然后系统进入等待状态中。

当用户插入需要测量的元件之后系统会在1s内测出元器件的所有参数，并且在液晶屏上显示出来，完成自动量程转换。

经过分析，该系统的重点和难点在于测量电路的精确性和稳定性，测量精度完全取决于测量电路的特性，所以我们决定使用标准精密电阻电容作为标称元件，用它们和实际待测元件进行对比计算，从而得到被测元件的实际值。

2.3简易电阻、电容电感测量仪的系统框图

本设计的原理框图如下图2.1所示，系统以MSP430F149单片机为控制核心，按键和128×64液晶实现了人机交互。

MSP430F149单片机

按键

电容、电感

测量电路

频率计数器

量程切换

待测电容

或电感

128×64液晶

电阻测量电路

量程切换

待测电阻

图2.1系统原理框图

3系统的控制部分及人机交互处理

3.1MSP430F149单片机

3.1.1MSP430F149单片机简介

TI公司的MSP430系列是一个特别强调超低功耗的单片机品种，很适合应用于采用电池供电的长时间工作场合。

在这个系列中有很多型号，它们是由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成。

MSP430系列的CPU采用16位精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高的代码效率。

它采用数字控制振荡器（DCO），使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6us。

其中MSP430x41x系列微控制器设计有一个16位定时器，一个比较器，96段LCD驱动器和48个通用I/O引脚。

典型应用：

捕获传感器的模拟信号转换为数据加以处理后发送到主机。

其中芯片中的比较器和定时器是工业仪表、计数装置和手持式仪表等产品设计中的理想选择。

该系列的单片机的特点如下所述：

（1）低电压范围：

1.8V…3.6V

（2）超低功耗：

活动模式电流为225uA，待机模式电流为0.8uA,掉电模式（RAM数据保持）电流为0.1uA

（3）五种省电模式

（4）从待机模式到唤醒模式响应时间不超过6us

（5）频率锁相环PLL+

（6）16位精简指令系统，指令周期125ns

（7）带有三个捕获/比较寄存器的16位定时器

（8）集成96段LCD驱动器

（9）片内比较器

（10）串行在线可编程，无需提供外部编程电压。

（11）采用保险熔丝的可编程代码保护措施

（12）闪烁存储器，器件具有bootstrap程序装载器

（13）64脚QFP封装形式

3.1.2MSP430F149单片机主要功能部件

CPU:

MSP430F149单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。

MSP430F149的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨而设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。

这样可以提高指令执行速度和效率，增强了MSP430F149的实时处理能力。

存储器：

存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息。

有程序存储器和数据存储器。

对程序存储器访问总是以字节形式取得代码，而对数据可以用字或者字节方式访问。

外围模块：

经过MAB、MADB、中断服务及请求线与CPU相连。

MSP430F149包含：

时钟模块、看门狗、定时器A、定时器B、比较器A、串口0/1、模数转换、端口、基本定时器、DMA控制器。

图3.1所示为MSP430F149单片机的内部结构框图，图3.2所示为MSP430F149单片机的芯片管脚图。

图3.1MSP430F149内部结构框图

图3.2MSP430F149芯片管脚图

3.2MSP430F149单片机最小系统简介

MSP430F149单片机的最小系统原理图主要包括电源电路，I/O接口电路，MAX232串口通信电路，并口调试电路，单片机复位电路，时钟电路。

3.2.1单片机的最小系统的电源电路

电源电路以三端稳压芯片ASM1117-3.3为核心，将输入的5V电压稳定到3.3V供单片机及外围芯片使用。

该电路最终产生两路电压，一路为模拟电路供电，一路为数字电路供电。

模拟地和数字地需要用零欧电阻或者电感隔开以防止两边电路互相干扰。

图3.3所示电路即为MSP430F149单片机最小系统电源电路。

图3.3单片机的最小系统电源电路

3.2.2串口通信电路

该电路的主要功能是实现TTL电平和电脑RS232之间的转换。

单片机通用的TTL电平标准规定：

大于2.4V为高电平，小于0.4V为低电平，而电脑上RS232电平标准是：

+10V到+15V表示逻辑0，-10V到-15V表示逻辑1。

所以要想实现单片机和电脑通信，就必须使用电平转换芯片MAX232或者其他电平转换芯片，实现电脑和单片机之间高低电平的统一。

图3.4即为MSP430F149单片机的电平转换电路，有了该电路就可以实现单片机和电脑串口的通信，最终实现利用电脑远程控制系统的目的。

图3.4MAX232串口通信电路

3.2.3复位电路

复位电路的作用是实现单片机的异步复位，当单片机程序运行时发生死机，或者系统需要重启时，可以按下复位按键，单片机复位后PC指针将指向程序最开始的地方。

单片机要想实现复位，就必须在复位端口上持续10ms以上的低电平，所以该复位电路中使用了一个0.1uf的电容实现了上电复位的目的。

上电后，电容充电需要一段时间，电容充电时，电容和单片机复位管脚相连的地方电压缓慢上升，只要保持10ms的低电平时间就实现了单片机的上电复位。

图3.5为MSP430F149单片机最小系统的复位电路原理图：

图3.5异步复位电路

3.2.4时钟电路

时钟电路是协调整个系统同步运行的重要电路，时钟电路的稳定性决定了单片机工作的稳定度。

MSP430F149单片机外围配备了两个无源晶振，一个8MHz，一个32768Hz。

单片机内部有PLL锁相环电路，可以实现时钟倍频。

图3.6所示为时钟电路原理图：

图3.6时钟电路

3.2.5并口调试电路

MSP430F149单片机支持并口在线调试，通过并口调试可以很方便的实现单片机单步运行，全速运行，断点调试等，并且可以观察到各个变量及寄存器的具体数值。

支持在线调试可以大大缩短了开发周期，易于查错。

图3.7所示即为并口调试接口电路：

图3.7并口调试接口电路

3.3128×64液晶显示器

3.3.1128×64液晶简介

HS12864-15系列中文图形液晶模块的特性主要由其控制器ST7920决定。

ST7920同时作为控制器和驱动器，它可提供33路com输出和64路seg输出。

在驱动器ST7921的配合下，最多可以驱动256×32点阵液晶。

图3.8所示为128×64液晶原理简图

图3.8128×64液晶原理简图

HS12864-15系列产品硬件特性如下：

（1）提供8位，4位并行接口及串行接口可选

（2）并行接口适配M6800时序

（3）自动电源启动复位功能

（4）内部自建振荡源

（5）64×16位字符显示RAM（DDRAM最多16字符×4行），LCD显示范围16×2行）

（6）2M位中文字型ROM（CGROM），总共提供8192个中文字型（16×16）

（7）16K位半字宽字型ROM（HCGROM），总共提供126个西文字型（16×8）

（8）64×16位字符产生RAM（CGRAM）

HS12864-15系列产品软件特性如下：

（1）文字与图形混合显示功能

（2）画面清除功能

（3）光标归位功能

（4）显示开/关功能

（5）光标显示/隐藏功能

（6）显示字体闪烁功能

（7）光标移位功能

（8）显示移位功能

（9）垂直画面旋转功能

（10）反白显示功能

（11）休眠模式

液晶屏与MSP430F149单片机的连接电路如图3.9所示：

图3.9128×64液晶与单片机连接电路

3.3.2128×64时序图

图3.10所示为8位并口写操作时序图，图3.5所示为8位并口读操作时序图，图3.11所示为串口时序图，图3.12所示为串口时序图：

图3.108位并口写操作时序图

图3.118位并口读操作时序图

图3.12串口时序图

3.4键盘原理简介

键盘是人机交互的重要组成部分，通过按键可以选择需要测量的对象，设置系统参数等。

和按键相连的单片机端口都用一个10K电阻拉高，可以保证在没有按键按下时单片机端口有稳定的电平。

没有按键按下时端口保持高电平，当按下按键时，端口跳为低电平，可以被单片机检测到。

按键原理图如图3.13所示：

图3.13按键原理图

3.5频率计数器工作原理

3.5.1计数器电路介绍

计数器是用三片8位的2进制计数器芯片74LS393级联组成，共24位，也就是说最大计数值可以到16777216。

而单片机自带的计数器只有16位，最大计数值为65536，当外部信号频率上兆之后，计数误差会变大，或者根本接收不到这么高频率的信号。

74LS393芯片最大工作频率可以到达35MHz，完全满足本系统的需求，而且使用外部计数器可以大大降低单片机的工作负担，增加工作效率。

3.5.274LS393功能及特点

74LS393是一个双4位二进制计数器（异步清零）。

其主要电器特性的典型值如图3.14所示：

图3.1474LS393电器特性

74LS393管脚图及真值表如图3.15和图3.16所示：

图3.1574LS393管脚图

图3.1674LS393真值表

3.5.3计数器原理图

计数器是用三个74LS393芯片级联成24位二进制计数器，所有清零端接在一起并和单片机一个I/O端口相连，方便软件复位计数器。

24个并行输出端口连接单片机的24个I/O端口，单片机可以直接读取这些端口值，经过简单运算可以方便的计算出计数值。

原理图如图3.17所示：

图3.1724位计数器原理图

4模拟电路设计

正如之前所说的一样，检测仪的测量精度是最重要的，然而检测仪的测量精度完全取决于硬件电路的特性。

所以对硬件电路需要如下要求：

（1）电路可靠性要高，应不随温度或者外界磁场的影响而改变

（2）配备的标定元件需要有极高的稳定性和精度，它们的精度将直接影响待测元件的精度

（3）LC震荡回路需远离继电器或者变压器等强磁场元件，最好加入磁屏蔽盒以保证震荡出的波形或者频率不受到干扰

（4）由于本系统中需要一些高精度运放实现信号处理和放大，所以系统供电电源必须稳定可靠，直流纹波需小于8mV

（）单片机时钟电路必须稳定，因为在做精确测频时会用到定时器做精确定时

以上这些要求是保证测量精确度的前提，下面将详细介绍测量电路的原理及组成部分。

4.1电阻测量电路

4.1.1电阻测量原理介绍

由于电阻范围较广，常用电阻的范围是1Ω-10MΩ，所以采用通常的恒流源的办法至少需要六个档位的切换才能满足该范围的要求。

如果再使用自动换挡功能的话，这无疑会使硬件电路规模大增，而且系统的功耗也会增加。

在此，我们使用了一片ADVFC32芯片，利用精密电阻搭成的电阻网络将被测电阻阻值的变化量变成0-10（V）的电压变化，该电压经过运算放大器OP07跟随后接入ADVFC32的电压控制端，ADVFC32会输出一个频率随控制电压线性变化的脉冲波，脉冲波频率的范围是0-38（KHz）。

最后通过计数器和单片机计算出具体频率值，根据ADVFC32的输入电压和输出频率之间的线性关系还有精密电阻分压比可以求出待测电阻的阻值。

4.1.2电阻的计算方法及简单原理图

图4.1电阻测量简易原理图

图4.1所示电路为电阻测量简易原理图由原理图可以看出，被测电阻

和已知电阻

是串联关系，当

发生改变时，

两端电压

就会发生变化。

把

经过OP07运算放大器跟随后直接输入到压频变换芯片ADVFC32的电压控制端，然后ADVFC32频率输出端会产生频率

与输入电压呈线性关系的方波脉冲，

可以通过频率计数器和单片机得到。