1、12 届 分 类 号:TP213单位代码:10452临沂大学理学院毕 业 论 文 （ 设 计 ）电阻电容电感测试仪的设计姓 名 王 金 全 学 号 200807840119 年 级 2008 专 业 电子信息科学与技术 系 （院） 理学院 指导教师 刘 怀 强 2012 年 03 月 11 日临沂大学理学院 2012 届本科毕业论文（设计）I摘 要本设计是一种基于单片机(89C51)的高精度电阻电感电容测量仪器的设计.本设计采用 MAX038 单片压控函数发生器产生高精度的正弦波信号流经待测的电容或者电感和标准电阻的串连电路,利用电压比例计算的方法推算出电容值或者电感值,利用 51 单片机控制
2、测量和计算结果,采用 1602 液晶模块实时显示数值,可以手动调节量程,正弦信号发生器可以实现幅值和频率的调整,为了提高精度,我们把被测的交流电压先通过ICL7650 来消除因为 AD637 输入电阻较低产生的误差.实验测试结果表明,本设计性能稳定,测量精度高.关键词：电压比例法 89C51 AD637 1602 液晶临沂大学理学院 2012 届本科毕业论文（设计）IIABSTRACTThe design is the design of a high-precision instrument for RLC measurement based on microcontroller(89C51
3、).This design adopted MAX038 monolithic voltage-controlled function generator to produce high accuracy sine wave signal,which passed through the series circuit of the capacity or inductance and standard resistance,and then measured the respective voltage of the capacity or the inductance and the sta
4、ndard resistance.Using the voltage proportion method calculated the capacitance values or inductance values.The design used 51 microcontroller to control the measurement and calculation results,used 1602 LCD to show the result. The range can be adjusted manually, sine signal generator can adjust amp
5、litude and frequency to improve accuracy, we measured the AC voltage through the ICL7650 to eliminate the error caused by the lower input resistance of AD637. Experimental results show that the performance of this design is stable and of high measurement accuracy.Key words: Voltage proportion method
6、; 89C51; AD637; 1602 LCD;临沂大学理学院 2012 届本科毕业论文（设计）III目 录1 引言 .12 电压比例法测量原理 .13 系统方案 .23.1 系统总体方案设计与结构框图 .23.2 方案设计与论证 .34 硬件电路 .54.1 稳压电源模块 .54.2 正弦信号发生器 .54.3 采样电路 .64.3 液晶显示模块 .75 系统软件设计 .85.1 控制测量程序模块 .85.2 按键处理程序模块 .95.3 电阻电感电容计算程序 .95.4 液晶显示程序模块 .106 系统测试与结果分析 .106.1 对正弦信号源的测试 .106.2 对电阻电容电感的测量
7、.116.3 误差分析 .127 总结 .13参 考 文 献 .14致 谢 .15临沂大学理学院 2012 届本科毕业论文（设计）11 引言现代电子产品正以前所未有的速度,向着多功能化、体积最小化、功耗最低化的方向发展,机电产品广泛应用于家电、通信、一般工业乃至航空航天和军事领域.无论是日常生活还是高端科技领域,电子技术的应用均日益深入.掌握必备的电子技术基础设计制作基础知识和基本技能,能够满足我国目前产业结构对广大技术工人、工程技术人员基本素质的要求,而且能为从事高端电子系统开发培养能力和素质,适应信息时代的需要.目前市面上测量电子元器件参数 R、C 和 L 的仪表种类较多,方法和优缺点也各
8、有不同.一般的测量方法都存在计算复杂,不易实现自动测量而且很难实现智能化等缺点.电阻电容电感测量方法较多(谐振法,电桥法,电压比例法等)但因为对于测量仪器来说精度越高越好,所以本设计选择精度比较高的电压比较法做电阻电感电容测试仪,它的原理是将一定频率的交流信号经过串联分压电路转化为电压信号,然后经过电路处理变成频率信号经过单片机进行比例运算,最后将计算出的测量值输送给显示模块并显示各参量对应的量纲.2 电压比例法测量原理电阻高精度测量较好的方法之一是采用与标准电阻相比较的方法.其主要原理:是在待测电阻 xR与标准电阻 1的串联电路中加一直流电压 V,AD 采样得到 Rx 上电压 ,XV则测量电
9、阻为:(1)XxRV设计中我们采用了与测量电阻一样的方法电压比例法 1-2来测量电感和电容;因为电感与电容是电抗元件,所以应采用交流信号来产生测量信号;在角频率为 w的交流信号的作用下电容电感获得的容抗和感抗:(2) cj1Cw(3)LXC、L 为待测电容和电感.这样一来,标准元件的选择就有许多种方法.但为了提高测量精度和降低成本,该测量仪采用了标准电阻,且与电阻测量共用一套标准电阻.所以有电感:临沂大学理学院 2012 届本科毕业论文（设计）2(4)）（ .UjwLLXR(5)jC1.CXR电容:(6)jwR1C.CXU测量 Q 值时,加入交流信号测量出电感 Q 值(7)LjZ1S1(8)2
10、2两个方程联立,求得电感(9)2-1WLz(10)2-11sjwRZ(11)SLQj为电感在电路中角频率为 的等效阻抗, 为电感在电路中角频率为 的等效1Z12Z2w阻抗,L 为电感量, 为电感的等效电阻.SR为保证测量精度,必须保证电阻的精度和 w的高稳定值.为此,我们在该设计中采用MAX038 单片压控函数发生器 3-4产生高精度的正弦波信号,同时输出缓冲器采用了运算放大器,为保证波形精度采用了闭环深度负反馈方式,无失真的放大正弦信号.3.系统方案3.1 系统总体方案设计与结构框图本电路由电源模块、正弦信号发生器、标准电阻和电感或电容串联分压电路、多路开关、电压跟随器、高精度交流/有效值转
11、换、A/D 转换、单片机、液晶显示、键盘等模块组成.系统主要模块流程图如图 1 所示:临沂大学理学院 2012 届本科毕业论文（设计）3图 1 系统流程图3.2 方案设计与论证3.2.1 电阻电感电容测试采样模块电阻电感电容测试采样模块的设计方案有很多,例如利用纯模拟电路来实现、电阻可用比例运算器法、电容可用恒流法和比较法、电感可用时间常数法和同步分离法等.方案一 利用纯模拟电路虽然避免了编程的麻烦,但是电路复杂,所用的元器件较多,制作较麻烦并且测量精度低,调试困难,现已很少使用.方案二 可编程序控制器(PLC）应用广泛,它能够非常方便的集成到工业控制系统中.可编程控制器速度快,体积小,可靠性
12、和精度都比较好,在此系统中可以使用 PLC 对硬件进行控制,但是 PLC 的价格相当昂贵,因而成本过高,应用于要求比较高的场合.方案三 利用震荡电路与单片机结合利用 555 多谐振荡电路将电阻、电容转化为频率,而电感则是根据电容三点式电路也转化为频率,这样就把模拟量近似转化为数字量了,而频率是单片机很容易处理的数字量,该方案测量精度较高,易于实现仪表的自动化,而且单片机构成的系统可靠性高,硬件的描述完全可用软件来实现,成本低.但由于必须采用大量地倍频、分频、混频和滤波环节,导致结构复杂、体积大、成本高并且难以达到较高的频谱纯度而使测量误差加大,外围电路非常复杂.且不符合需要一个独立信号发生器的
13、要求.方案四 电压比例法采用与标准电阻相比较的的方法,其原理是在待测原件与标准原件的串联电路中加以电流 I，这样被测元件与标准元件上得到的电压分别为 Vx 与 Vi;通过计算得出被测值,此方法精度高,需要一个具有输出频率稳定的信号源来提供激励.本设计采用此方案.3.2.2 正弦信号发生器模块正弦信号源发生器模块是决定系统误差的重要部分,要求有稳定的频率,另外为了测试系统的可靠性还要求正弦信号发生器的频率和电压具有可调性,本系统要求频率范临沂大学理学院 2012 届本科毕业论文（设计）4围 1HZ1MHZ,电压大于 5V.方案一 555 信号发生器采用 555 信号发生器制作的发生器,其外围电路
14、较复杂.这种方法能实现快速频率变换,具有低噪声以及所有方法中最高的工作频率.但由于必须采用大量地倍频、分频、混频和滤波环节,导致结构复杂、体积大、成本高并且难以达到较高的频谱纯度而使测量误差加大.方案二 单片机信号发生器 5使用单片机编程实现正弦波的产生简单易行.可以在外围电路不变的情况下通过程序来改变输出电压的幅值和频率.由于输出的是数字信号,可以做得很高,产生的信号精度及其性价比比较高,集成度也高并且需求电压低,功耗低.方案三 DDS 信号发生器 6利用直接合成 DDS 芯片的函数发生器,能产生任意波形并能达到很高的频率并且频率的稳定性比较好.但成本较高,主要用于测量电路和系统的频率特性、
15、非线性失真、增益与灵敏度等.按不同的性能与用途分为低频信号发生器、高频信号发生器、频率合成式信号发生器等.方案四 MAX038 信号发生器MAX038 是 MAXIM 公司生产的一个只需要很少外部元件的精密高频波形产生器，他能产生准确的高频正弦波、三角波、方波。输出频率和占空比可以通过调整电流、电压或电阻来分别地控制.MAX038 引脚排列如图 2 所示.图 2 MAX038 引脚排列所需的输出波形可由地址 A0 和 A1 的输入数据进行设置，如表 1 所示。波形切换可通过程序控制在任意时刻进行，而不必考虑输出信号当时的相位.其中 X 表示任意状态，1 为高电平,0 为低电平.表 1 输出波形
16、控制临沂大学理学院 2012 届本科毕业论文（设计）5采用 MAX038 单片压控函数信号发生器产生正弦波,改变外接电阻或电容值就可改变输出频率的值,其频率范围从 0.1Hz 到 20MHz,最高可达 40MHz,输出频率稳定.各种波形的输出幅度均为 2V,幅值经过一个放大器就可以调节.占空比的调节范围宽,占空比和频率均可进行单独调节,互不影响.占空比最大调节范围 1090.波形失真小.正弦波失真度小于 0.75.因为不用编程可以节省较多的时间.本设计采用此方案.3.2.3 显示模块方案一 采用 LED 数码管显示.数码管显示具有亮度高、夜视效果好等优点,但显示信息量小,且自身功耗较大.方案二
17、 LCD 液晶显示器 7可轻松实现字母、汉字的显示,控制简单,能耗小,可以中文输出便于人际交流显示内容丰富.所以本设计采用此方案.4 硬件电路4.1 稳压电源模块图 3 稳压电源4.2 正弦信号发生器该电路的核心器件为 MAX038,具有输出频率范围宽、波形稳定、失真小、使用方便等特点.临沂大学理学院 2012 届本科毕业论文（设计）6图 4 正弦信号发生器4.3 采样电路ICL7650 是斩波稳零式高精度运算放大器 8,它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点.ICL7650 采用 14 脚双列直插式和 8 脚金属壳两种封装形式,图 1 所示是最常用的14 脚双列直插式封装的引脚排列图.图 5 ICL7650 引脚排列图ICL7650 的工作原理如图 6 所示
