RLC测试课程设计实验报告.docx
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RLC测试课程设计实验报告
物理与机电工程学院课程设计报告
设计课题：
RLC参数测试仪
专业班级：
13级电本Z
（1）班
姓名：
学号：
设计时间：
2014.10.10-2014.12.22
评阅意见
设计课题题目：
RLC参数测试仪
一、设计任务与要求
1、测量范围：
电阻100Ω-1MΩ；电容100pF-10000pF；电感100μH-10mH。
2、测量精度：
5%。
3、制作1602液晶显示器，显示测量数值。
2、系统设计方案
本设计是基于单片机STC89C51智能处理，根据单片机的外接按键控制测量。
电路的选择，通过LM555定时器构成的多谐振荡器和电容反馈式三点式构成的振。
荡电路长生的一定频率的波。
再通过单片机的I/O口对高低电平的捕获读出频率，再通过程序算法处理换算成电阻电容电感的值，然后再通过单片机送给1602液晶显示。
由于测量电阻、电容和电感，都是首先转化为频率后再进行计算测量的。
其精度会直接影响到本仪表的精度，因此频率或周期的产生和计算处理是本系统实现精确测量的关键。
2.1选择总体方案
方案一：
如果三角波输入给以被测电容器作为微分电容的微分电路，在电路参数选择适当的条件下，微分电路的输出幅度与Cx成正比，再经峰值检测电路或精密整流及滤波电路，可以得到与Cx成正比的直流电压Ux，然后再进行A/D转换送给数字显示器，便可实现所要求的函数关系。
（电路如图1—1所示）
设三角波函数式为：
方案二：
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。
该设计方案的总体方框图如图7所示
2.2方案比较
方案一采用了A/D转换器，价格比较昂贵。
方案二元器件简单，容易实现。
故采用方案二
2.3论证方案
目前，测量电子元件集中参数R、L、C的仪表种类较多，方法也各不相同，这些方法都有其优缺点。
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。
在（如下图1.4.1），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/RUI=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，（如下图1.4.2）所示。
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。
能同时测量电器元件R、L、C的最典型的方法是电桥法（如上图1.4.3）。
电阻R可用直流电桥测量，电感L、电容C可用交流电桥测量。
电桥的平衡条件为
通过调节阻抗1Z、2Z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。
Q表是用谐振法来测量L、C值（如图1.4.4）。
它可以在工作频率上进行测量，使测量的条件更接近使用情况。
但是，这种测量方法要求频率连续可调，直至谐振。
因此它对振荡器的要求较高，另外，和电桥法一样，调节和平衡判别很难实现智能化。
把电子元件的集中参数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
3、单元电路分析与设计
3.1电阻测量方案
方案一串联分压原理
根据串联电路的分压原理可知串联电路上电压与电阻成正比关系。
通过
测量Rx和R0上的电压。
由公式Rx=Ux/（U0/R0）。
方案二利用直流电桥平衡原理的方案
其中R1，R2为可变电位器，R3为已知电阻，4为被测电阻。
根据电路平衡原理不断调节电位器使得电表指针指向正中间。
由R1*R4=R3*R4.在通过测量电位器电阻值，可得到R4的值。
方案三利用555构成单稳态的方案
图1555定时器构成单稳态电路图
根据555定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得出频率，通过公式换算得到电阻阻值：
上述三种方案从对测量精度要求而言：
方案一的测量精度极差，方案二需要有较高精度的电阻组成桥，而且测量调节麻烦，不易操作与数字化。
相比较而言，方案三利用555构成的震荡起，用单片机的定时计数器计555输出的振荡频率，经软件计算得出电阻值。
而且与电容的测量电路相仿制作电路板起来方便，精确度会明显的提高，故本设计选择了方案三。
3.2电容测量方案
方案一采用平衡电桥法方案
将待测电感和已知标准电阻电容组成电桥，通过单片机控制调节电阻参数使电桥平衡。
此时，电感的大小由电阻和电桥的本征频率即可求得，该方案测量精准。
同时可以测量电容和电阻的大小，但其电路电路复杂，实现起来较为困难。
方案二直接通过串联电路原理方案
通过电容换算的容抗跟已知电阻分压，通过测量电压值，再经过公式换算得到电容的值。
原理同电阻测量的方案一。
方案三利用555构成单稳态原理的方案
图2555定时器构成单稳态电路图
根据555定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得出频率，即单片机接一独立按键，当其按下时，NE555的3引脚输出方波，3脚与单片机相接，可通过程序测出其频率，进而求出Cx的值，显示在1602液晶屏上。
通过公式换算得到电容值：
综合比较后，本设计采用了方案三。
3.3电感测量方案
方案一采用平衡电桥法测量电感方案
将待测电感和已知标准电阻电容组成电桥，通过单片机控制调节电阻参数使电桥平衡。
此时，电感的大小由电阻和电桥的本征频率即可求得。
该方案测量精准，同时可以测量电容和电阻的大小，但其电路电路复杂，实现起来较为困难。
方案二利用电容三点式正弦波震荡原理方案，即在通过555构成单稳态原理输出脉冲
图3电容三点式正弦波震荡电路图
由于电容三点式震荡电路产生的信号较小，所以先加一级单管放大，在跟比较器将正弦波转化成方波。
单片机接一独立按键，当其按下时，运放输出口输出方波，该口与单片机相接，可通过程序测出其频率，进而求出Lx的值，显示在1602液晶屏上。
通过公式换算得到电感值：
采用LC配合三极管组成三点式振荡电路，通过测输出频率大小的方法来实现对电感值测量。
该方案成本低，其输出波形为正弦波，将其波形整形后交给单片机测出其频率，并转换为电感值。
相比之下，方案二的测量精度比方案一要高得多，并且也容易实现，所以选择方案二。
3.4多路模拟开关选择
方案一四选一模拟开关CD4052,如图11。
方案二十六选一模拟开关DG406。
基于本设计题目要求和选择的需要考虑成本及控制简易程度等四选一模拟开关CD4052为最佳选择,故本系统选择方案一。
3.5显示方案
方案一采用点阵式液晶显示器LCD1602显示。
方案二采用点阵式液晶显示器LCD12864显示。
基于本设计题目要求，需要液晶显示和测量的量程范围。
相比之下，LCD1602液晶显示低功耗节能、占用空间小、并且格价相对便宜，完全能满足题目所要求
的测量显示，故本设计采用的是LCD1602液晶显示。
3.6电阻、电容、电感电路的设计
本设计是单片机STC15F系列开发板作为主控中心：
RLC参数测试模块
单片机STC15F12K60S2和液晶显示模块各接口分配
电阻、电容和电感测试显示选择按键
4、软件设计部分
4.1主程序和中断流程图
4.2仿真结果
3.2.1电阻测量电路仿真
输出波形：
3.2.2电容测量电路仿真
输出波形：
3.2.2电感测量电路仿真
输出波形：
5、安装与调试
5.1软件测试
（1）proteus仿真软件和keil单片机编程软件
（2）首先按照电路图连接好电路，并对电阻、电容和电感测量电路调试。
接通电源，用示波器观察输出波形，若为方波，则电路焊接无误，否则检查电路。
（3）对液晶显示电路调试，将测量电路的输出分别与单片机的P3^0、P3^2、P3^3相接，观察液晶是否显示测量结果。
在调试过程中发现，电阻、电容的测量误差较小，由于电容三点式震荡电路的频率不稳定，电感测量的误差较大。
（4）测量出电阻、点燃、电感数值。
5.2硬件测试
用万用表、示波器测试所用电阻、电容、电感是在市场买的标准电阻、电容、电感的量值。
6、系统测试与分析
（1）测试仪器：
示波器，万用表，稳压电源，参数测试仪。
（2）测试原理：
在系统设计中，简易RLC测试仪，将电阻，电容，电感，使用对应的振荡电路转化为频率实现各个参数的测量。
其中电阻和电容是采用555多谐振荡电路产生的，而电感则是根据电容三点式产生的，通过单片机读取频率，通过定时并且计数可以计算出被测频率，再通过该频率计算出被测参数。
（3） 测试方法：
在测试时将被测参数通过本系统测量出来的示值与参数的标称值进行对比，进而可以知道本系统的测试精度。
（4）测试结果：
通过按键选择功能，分别对电阻、点燃、电感进行测量，并观察测试结果，对设计进一步的进行校正和对实现功能的可靠性的确认，并记录观察结果。
测试结果如下：
实验数据记录：
电阻参数（kΩ）
0.1
1.0
10
100
500
1000
参数测试仪测试值
97.5
Ω
983.63
Ω
9.785
kΩ
99.98
kΩ
507.1
kΩ
1008.6
kΩ
自制仪器测试值
107
Ω
1121
Ω
109094
Ω
11543
Ω
526058
Ω
911366
Ω
相对误差%
7
12.1
6.79
9.1
5.21
8.86
电阻误差分析：
相对误差计算公式
从上面的硬件测量中电阻测量数据上来看，电阻的标称值比较接近任务要求的误差值，在设计要求误差范围内100欧姆的电阻相对误差会大一些。
与软件仿真结果有一定的差异造成这个现象的主要原因是在设计中采用的四路模拟开关的内阻较大。
电容参数（pF）
100
500
1000
5000
10000
参数测试仪测值
（pF）
98.6
473.5
1107.6
5036
10684
自制仪器测试值
（pF）
102
445
1125
5070
11093
相对误差%
2
11
12.5
1.4
10.83
电容误差分析：
相对误差计算公式
从上面的硬件测量中电容测量数据可以看出，电热误差范围符合设计要求范围内，电容的标称值与本系统测出的电容值比较接近，容较小，误差较大，其可能性原因是元件本身也存在一定误差。
电感参数
100uH
470uH
1mH
10mH
参数测试仪测值
（uH）
87.4
453.7
976.3
9657
自制仪器测试值
（uH）
89
418
887.3
111366
相对误差%
11
11.06
11.2
11.38
电感误差分析：
相对误差计算公式
从上面的硬件测量中电感测量数据可以看出，电感的标称值与本系统测出的电感值误差相对较大。
特别是10mH的电感，其可能性原因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。
在实际测量中，由于测试环境，测试仪器，测试方法等都对测试值有一定的影响，都会导致测量结果或多或少地偏离被测量的真值。
为了减小本设计中误差的大小，主要利用修正的方法来减小本测试仪的测量误差。
测试修正值选取主要通过实验求取，对影响测量读数的各种影响因素，如温度、湿度、电源电压等变化引起的系统误差。
通过对相同被测参数的多次测量结果和不同被测参数的多次测量选取平均值，最后确定被测参数公式的常数K值，从而达到减小本设计系统误差的目的。
7、结论与心得
本设计完成题目所给的设计任务，制作了一台简易RLC参数测试仪，测电阻、电容、电感的量值。
在实际测量中，由于测试环境，测试仪器，测试方法等都对测试值有一定的影响，都会导致测量结果或多或少地偏离被测量的真值。
由于运用单片机作为中央控制器和计算核心，使仪表有性能可靠、体积小、电路简单的特点。
但是这种把元件参数转换成频率后测量的方法也有不足之处，主要是必须保证电路起振，并且振荡要稳定，否则会增加误差。
这次的论文设计，初稿的完成，到完善。
整个过程当中，老师和同学们一直在给我指导鼓励、加油。
尤其是单片机控制系统这一块，他们给我的帮助无疑是非常巨大的。
正是由于他们的不断给我的帮助。
整个设计到仿真才获得了圆满的成功。
到后来初稿出炉时，又经过伍老师的进一步提点。
论文终于得以完成。
在此，学生真心的谢谢你们！
参考文献
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北京航空航天大学出
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航空航天出版社2007.
[7]全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编/全国大学生电子设计竞赛组委汇编.
—北京:
北京理工大学出版社,2010.7
附录：
1.主要元件清单
元件
型号
数量
单片机
STC15F2K60S2
1
电位器
10KΩ
4
瓷片电容
103（0.01uF）
1
瓷片电容
104（0.1uF）
7
电阻
300R
1
电阻
100K
2
电阻
1K
2
电阻
2K
1
电阻
510K
2
按键
4
液晶
1602
1
555定时器
NE555
3
电解电容
50V，22uF
1
三极管
S8050（NPN型）
2
2.实物拍照
2.2RLC测量电路模块
2.2RLC测量单片机主控和显示电路模块
2.3总体实物
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