簡(jiǎn)易數(shù)字式電阻、電容和電感測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)報(bào)告

1、簡(jiǎn)易數(shù)字式電阻、電容和電感測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)報(bào)告簡(jiǎn)易數(shù)字式電阻、電容和電感測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)報(bào)告摘要：本系統(tǒng)利用TI公司的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F149和ICL8038精密函數(shù)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻、電容和電感參數(shù)的測(cè)量。本系統(tǒng)以自制電源作為L(zhǎng)RC數(shù)字電橋和各個(gè)主要控制芯片的輸入電源，并采用ICL8038芯片產(chǎn)生高精度的正弦波信號(hào)流經(jīng)待測(cè)的電阻、電容或者電感和標(biāo)準(zhǔn)電阻的串聯(lián)電路，通過測(cè)量電阻、電容或者電感和標(biāo)準(zhǔn)電阻各自的電壓，利用電壓比例計(jì)算的方法推算出電阻值、電容值或者電感值。利用MSP430F149單片機(jī)控制測(cè)量和計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用自校準(zhǔn)電路提高測(cè)量精度，同時(shí)用差壓法，消除了電源波動(dòng)對(duì)結(jié)果的影響。測(cè)量結(jié)果

2、采用12864液晶模塊實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測(cè)量精度高。關(guān)鍵詞：LRC數(shù)字電橋、電壓比例法、液晶模塊、MSP430F149、電阻電容電感測(cè)量目錄一、設(shè)計(jì)內(nèi)容及功能.1設(shè)計(jì)內(nèi)容.1具體要求.2系統(tǒng)功能.2二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與選擇.2三、系統(tǒng)設(shè)計(jì).3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).3系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì).4四、理論分析與計(jì)算.5五、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).5電源電路.5LRC測(cè)量電路6整流濾波電路.6六、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).8控制測(cè)量程序模塊.8按鍵處理程序模塊.8電阻電感電容計(jì)算程序.9液晶顯示程序模塊.10七、系統(tǒng)測(cè)試.10測(cè)試原理.10測(cè)試方法.10測(cè)試儀器.10測(cè)試結(jié)果.10測(cè)試分析.11八、系統(tǒng)總結(jié).12附件

3、一、本系統(tǒng)的主要程序.12一、設(shè)計(jì)內(nèi)容及功能設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)簡(jiǎn)易數(shù)字式電阻、電容和電感參數(shù)測(cè)量?jī)x，由測(cè)量對(duì)象、測(cè)量?jī)x、LCD顯示和自制電源組成，系統(tǒng)模塊劃分如下圖所示：具體要求測(cè)量范圍(1)基本測(cè)量范圍：電阻100。1M。；電容100pF10000pF；電感100MH10mH。(2)發(fā)揮測(cè)量范圍：電阻10。10M。；電容50pF10口F；電感50口H1H。測(cè)量精度(1)基本測(cè)量精度：電阻5%；電容10%；電感5%。(2)發(fā)揮測(cè)量精度：電阻2%；電容8%；電感8%。利用128*64液晶顯示器，顯示測(cè)量數(shù)值、類型和單位。自制電源使用按鍵來設(shè)置測(cè)量的種類和單位系統(tǒng)功能基本完成以上具體要求.使用

4、三個(gè)按鍵分別控制R、C、L的測(cè)試.采用液晶顯示器顯示測(cè)量結(jié)果二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與選擇電阻、電容、電感測(cè)試儀的設(shè)計(jì)目前有多種方案可以實(shí)現(xiàn)，例如、使用可編程邏輯控制器(PLC)、振蕩電路與單片機(jī)結(jié)合或CPLD與EDA相結(jié)合等等來實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)前本文對(duì)各種方案進(jìn)行了比較：方案一.基于模擬電路的測(cè)量?jī)x利用模擬電路，電阻可用比例運(yùn)算器法和積分運(yùn)算器法，電容可用恒流法和比較法，電感可用時(shí)間常數(shù)發(fā)和同步分離法等，雖然避免了編程的麻煩，但電路復(fù)雜，所用器件較多，靈活性差，測(cè)量精度低，現(xiàn)在已較少使用。方案二.可編程邏輯控制器(PLC)此方案采用PLC對(duì)硬件進(jìn)行控制，應(yīng)用較為廣泛。它能夠非常方便地集成到工業(yè)控制系統(tǒng)中

5、。其速度快，體積小，可靠性和精度都較好，在設(shè)計(jì)中可采用PLC對(duì)硬件進(jìn)行控制，但是用PLC實(shí)現(xiàn)價(jià)格相對(duì)昂貴，因而成本過高。方案三.采用CPLD或FPGA實(shí)現(xiàn)此方案則采用廣泛應(yīng)用的VHDL硬件電路描述語言，實(shí)現(xiàn)電阻，電容，電感測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，利用MAXPLUSII集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行綜合、仿真，并下載到CPLD或FPGA可編程邏輯器件中，完成系統(tǒng)的控制作用。但相對(duì)而言設(shè)計(jì)規(guī)模大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。方案四.利用LRC數(shù)字電橋與單片機(jī)結(jié)合利用LRC數(shù)字電橋?qū)㈦娮琛㈦娙莺碗姼袇?shù)轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號(hào)，此模擬量由高精度AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。這樣由單片機(jī)處理數(shù)字量，能夠滿足測(cè)量精度高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量等設(shè)計(jì)需要，

6、而且單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性、系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置靈活，容易構(gòu)成各種規(guī)模的系統(tǒng)。通過對(duì)上述方案的比較，利用LRC數(shù)字電橋與單片機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)電阻、電容、電感測(cè)試儀更為簡(jiǎn)便可行，節(jié)約成本。所以，本文選定以單片機(jī)為核心來實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻、電容和電感測(cè)量的設(shè)計(jì)。三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。硬件設(shè)計(jì)主要分為七部分：第一部分采用AMS1117芯片制作的電源，輸出穩(wěn)定的3.3V電壓。第二部分為ICL8038芯片產(chǎn)生正弦波。第三部分用RC和RL電路實(shí)現(xiàn)LRC數(shù)字電橋的功能。第四部分是對(duì)正弦波進(jìn)行精密濾波的功能。第五部分利用MSP430F149單片機(jī)自帶的AD實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換

7、為數(shù)字信號(hào)的功能。第六部分為MSP430F149單片機(jī)接收轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)并做相應(yīng)的處理，根據(jù)按鍵狀態(tài)控制測(cè)量的類型和單位。第七部分為測(cè)量結(jié)果顯示部分，采用的是128*64液晶顯示器。系統(tǒng)硬件總體框圖如下：圖1系統(tǒng)硬件總體框圖軟件由4部分組成：(1)控制測(cè)量程序,單片機(jī)控制測(cè)量程序不僅擔(dān)負(fù)著量程的識(shí)別與轉(zhuǎn)換,而且還負(fù)責(zé)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(gè)測(cè)量系統(tǒng)能否正常工作,所以控制測(cè)量程序?qū)φ麄€(gè)測(cè)量來說至關(guān)重要;(2)按鍵處理程序，根據(jù)按鍵的狀態(tài)做相應(yīng)的功能設(shè)置;(3)電阻電感電容計(jì)算程序，單片機(jī)根據(jù)AD轉(zhuǎn)換得到的電壓值計(jì)算出電阻、電感或者電容值;(4)液晶模塊顯示程序。本

8、系統(tǒng)的程序框圖如圖2所示。圖2程序框圖系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)電源模塊輸入的外部電源首先經(jīng)過橋式整流、濾波電路濾波，再經(jīng)過AMS1117芯片穩(wěn)壓成3.3V的直流電壓，向MSP430F149主控制器供電。信號(hào)產(chǎn)生模塊標(biāo)準(zhǔn)正弦波是保證測(cè)量?jī)x的重要條件，特別是在測(cè)量電抗元件電容和電感時(shí)，正弦波的失真將產(chǎn)生難以修正的錯(cuò)誤，直接影響測(cè)量精度，因此在該測(cè)量?jī)x中為保證測(cè)量精度，采用了ICL8038芯片產(chǎn)生正弦波。ICL8038精密函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢(shì)壘二極管等先進(jìn)工藝制作成的單片集成電路芯片，電源電壓范圍寬、穩(wěn)定度高、易用等優(yōu)點(diǎn)，外部只需接入很少的元件即可工作，可產(chǎn)生多種頻率正弦波，其函數(shù)波形的頻率受內(nèi)部或外部電壓

9、控制。整流濾波模塊整流濾波模塊采用LM324的集成運(yùn)放和LC電路對(duì)LRC測(cè)試模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行整流濾波，因?yàn)闇y(cè)試模塊產(chǎn)生的信號(hào)是正弦波，而AD采樣沒辦法采集負(fù)信號(hào)，所以要通過整流濾波給后面的AD采樣。因?yàn)檎鳛V波是高阻輸入，但也不是無窮大，所以在做測(cè)試模塊時(shí)，分壓電阻最好小于100K。AD采樣模塊本模塊利用MSP430F149單片機(jī)自帶的AD轉(zhuǎn)換功能把整流濾波后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，并傳送給處理器。主控制模塊本模塊采用低功耗的MSP430F149微處理器控制AD裝換，并對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理；通過按鍵控制測(cè)量的類型和單位。顯示模塊通過LCD驅(qū)動(dòng)程序?qū)SP430F14

10、9處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定顯示，在測(cè)試期間顯示能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)離開測(cè)試能夠迅速歸零。四、理論分析與計(jì)算本系統(tǒng)主要的功能就是電阻、電容和電感的測(cè)量，因此對(duì)電阻、電容和電感測(cè)量的原理做詳細(xì)的分析。電阻高精度測(cè)量較好的方法之一是采用與標(biāo)準(zhǔn)電阻相比較的方法。其主要原理：是在待測(cè)電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻的串聯(lián)電路中加一電流。這樣和上將得到電壓和，則測(cè)量電阻為：在設(shè)計(jì)中，我們采用了與測(cè)量電阻相同的測(cè)量方法電壓相除法來測(cè)量電容和電感。由于電容和電感屬電抗元件，因此不能采用直流來產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)，而只能采用交流信號(hào)。在角頻率為的交流信號(hào)的作用下，電容和電感獲得的電壓分別為：為待測(cè)電容和電感。這樣一來，標(biāo)準(zhǔn)元件的選擇就有

11、許多種方法。但為了提高測(cè)量精度和降低成本，該測(cè)量?jī)x采用了標(biāo)準(zhǔn)電阻，且與電阻測(cè)量公用一套標(biāo)準(zhǔn)電阻。所以有：經(jīng)過計(jì)算可得：其中的模值。由公式（5）、（6）式可見，為保證測(cè)量精度，必須保證電阻的精度和的高穩(wěn)定值。為此，我們?cè)谠撛O(shè)計(jì)中采用了高精度的ICL8038芯片產(chǎn)生正弦波，同時(shí)輸出緩沖器采用了運(yùn)算放大器。為保證波形精度采用了閉環(huán)深度負(fù)反饋方式。此外，本設(shè)計(jì)中還采用了運(yùn)算放大器補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)無失真AC-DC的轉(zhuǎn)換，以確保測(cè)量精度。五、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電源電路MSP430F149微處理器需要3.3V電壓供電，但是外部輸入的電壓通常不是3.3V的電壓源，所以需要設(shè)計(jì)電路把外部輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3V電壓，如圖

12、3所示，采用的是AMS1117芯片，可以輸出3.3V電壓，然后經(jīng)過濾波輸出穩(wěn)定的3.3V供給MSP430F149。圖3穩(wěn)壓3.3V產(chǎn)生電路LRC測(cè)量電路如圖4所示，LRC各元件的測(cè)量是通過基本的RR電路，RL電路和RC電路來進(jìn)行的。當(dāng)探針的兩端接電阻元件時(shí)，此電路就組成的是基本的RR電路；當(dāng)探針的兩端接電容元件時(shí)，此電路就組成的是基本的RC電路；當(dāng)探針的兩端接電感元件時(shí)，此電路就組成的是基本的RL電路。輸入的正弦波可以接頻率為100HZ、1KZ和10KHZ。圖4LRC測(cè)量電路整流濾波電路此電路采用LM324的集成運(yùn)放和LC電路對(duì)LRC測(cè)試模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行整流濾波。因?yàn)闇y(cè)試電路產(chǎn)生的信號(hào)是正弦

13、波，而AD采樣沒辦法采集負(fù)信號(hào)，所以要通過電路整流濾波給后面的AD采樣，電路圖如圖5所示。圖5整流濾波電路整流濾波前的波形圖如下圖6所示。圖6整流濾波前的波形圖整流濾波后的波形圖如下圖7所示。圖7整流濾波后的波形圖六、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制測(cè)量程序模塊單片機(jī)控制測(cè)量程序不僅擔(dān)負(fù)著量程的識(shí)別與轉(zhuǎn)換,而且還負(fù)責(zé)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(gè)測(cè)量系統(tǒng)能否正常工作,所以控制測(cè)量程序?qū)φ麄€(gè)測(cè)量來說至關(guān)重要?？刂茰y(cè)量流程圖如圖8所示。圖8控制測(cè)量程序流程圖按鍵處理程序模塊按鍵處理程序的主要功能是設(shè)置測(cè)量的類型和測(cè)量的檔位，當(dāng)有按鍵被按下時(shí)就執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能，流程如圖9所示。圖9按鍵處理

14、程序流程圖電阻電感電容計(jì)算程序單片機(jī)根據(jù)AD轉(zhuǎn)換得到的電壓值計(jì)算出電阻、電感或者電容值，該程序流程圖如圖10所示。圖10電阻電感電容計(jì)算程序流程圖液晶顯示程序模塊該程序模塊只有一個(gè)功能，就是對(duì)測(cè)量結(jié)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11所示。圖11液晶顯示程序模塊流程圖七、系統(tǒng)測(cè)試測(cè)試原理：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以MSP430F149單片機(jī)為核心的電阻、電容、電感測(cè)試儀，將電阻，電容，電感，使用對(duì)應(yīng)的振蕩電路轉(zhuǎn)化為電壓實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的測(cè)量。其中100HZ/1MHZ/10MHZ的正弦波是采用ICL8038芯片產(chǎn)生的，將模擬電壓信號(hào)送入AD采樣，通過AD把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再把數(shù)字信號(hào)送入MSP430F149單片機(jī)處理。以IAREmbeddedWorkbench為仿真平臺(tái)，使用C語言編寫了系統(tǒng)應(yīng)用軟件；包括主控制模塊、顯示模塊、電阻測(cè)試模塊、電容測(cè)試模塊和電感測(cè)試模塊。測(cè)試方法：在測(cè)試時(shí)將被測(cè)參數(shù)通過本系統(tǒng)測(cè)量出來的示