1、 0 电阻电容电感测试仪 摘要： 该系统以 STC12C5A60S2 单片机为控制核心，以 DDS AD9850 自制信号源和LRC 测试电路为主要模块，实现了对 L、 R、 C 的精确测量，自制信号源频率可达0.5HZ-10MHZ。采样电路使用 16 位的模数转换芯片 AD7705 对 L、 R、 C 分压有效值进行实时采样，从而得到高精度测量值，其中电阻档相对误差在 2%以内。电容、电感测试误差在 4%以内，均超出了题目要求。该系统能进行全自动量程切换，具有自动校准功能；通过 24C04 实现数据智能化存储；用 DS1302 提供准确时间系统；用高亮度 12864 液晶显示数据，读取直观方
2、便，很好的完成了题目基本与发挥部分的各项指标。 关键字 : STC12C5A60S2 DDS AD9850 LRC 高精度测量 自动档位切换 Abstract:This system take the STC12C5A60S2 monolithic integrated circuit as the control core and take DDS AD9850 self-restraint supply oscillator and the LRC test circuit as the main module, the realization voltammetry to L 、 R 、
3、 C precision measuring.signal frequency speed 0.5HZ-10MHZ .The sampling electric circuit uses 16 AD conversion chip AD7705 for L、 R、 C differential pressure effective value carries on the real-time sampling, thus obtains the high accuracy observed value.This system can carry on the completely automa
4、tic switch range,has the function of automatic calibration; Using 24C04 realized data intellectualization memory; Provides the accurate time system with DS1302; With high luminance 12864 liquid crystal display data, read direct-viewing convenient.good completed the topic of basic and play a part of
5、each index Key Words: STC12C5A60S2 DDS AD9850 LCR precision measuring Automatic switch gear 1 1. 系统方案 1 1 系统总体方案设计与结构框图 根据题目要求，本电路由电源模块、控制器模块、 DDS 信号源产生模块、信号放大模块、档位选择模块、精密整流模块、 AD 采样模块、时钟模块、数据存储及液晶显示等模块组成。系统结构图如图 1 所示： 1 2 方案设计与论证 1.2.1 控制器模块 方案一：采用凌阳公司的 SPCE061 作为控制核心 ，该芯片是 16 位单片机资源丰富，很多模块用不到，在该系统
6、中性价比较低。 方案二： 采用 STC12C5A60S2 作为控制核心 ，加密性强，超强抗干扰，超低功耗， I/0 驱动能力更强，内部集成可靠复位电路。 综合考虑，我们采用方案二。 1.2.2 信号源模块 方案一：用 MAX038 产生 1Hz 到 1MHz 正弦波信号，信号频率通过键盘设定所需电路复杂。 方案二：用 AD9850 DDS 直接数字频率合成器，利用采样定理，通过查表法产生波形。输出频率可从 1Hz 到 40MHz,AD9850 具有功耗低、体积小、重量轻、可靠性高、易于程控、使用相当灵活，因此性价比极高。 因为我们所要实现步进连续可调，我们采用方案二。 1.2.3 RLC 测量
7、模块 方案一： 谐振法，采用 LC 组成谐振回路，将被测电感串入电路或将电容并入回路中进行测量。谐但振法要求较高频率的激励信号，一般不容易满足高精度的要求。由于测试频率不固定，测试速度也很难提高。 图 1 系统结构图 电 源 模 块D D S 信 号模 块信 号 放 大模 块L R C 测 量 模块精 密 整 流模 块A D 采 样 模块数 据 存 储 模 块液 晶 显 示 模 块时 钟 模 块按 键 选 择 模 块控 制 器 模 块2 方案二：电桥法具有较高的测量精度，被广泛采用，现已派生出许多类型。但电桥法测量需要反复进行平衡调节，测量时间长，很难实现快速的自动测量。 方案三：伏安法测量
8、RLC,它的测量原理来源于阻抗的定义。即若已知流经被测阻抗的电流相量并测得被测阻抗两端的电压，则通过比率便可得到被测阻抗的相量。 综上所述，伏安法实现较为容易，我们采用伏安法进行 对 R、 L、 C 的测量。 1.2.4 精密整流滤波模块 方案一：利用二极管单向导电性，把交流信号变成直流，但电路存在非线性误差，二极管正向压降随温度的变化而变化。 方案二：采用双运放精密整流全波电路，电路内部二极管采用肖特基二极管，能克服普通二极管整流电路的缺陷。 综上所述，我们选择方案二。 1.2.5 AD 采样模块 方案一：采用 STC12C5A60S2 单片机内部 AD 进行实时采样，单片机本身 AD只有
9、10 位，分辨率太低。 方案二：采用 AD 公司的 16 位 AD7705,AD7705 具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良 抗噪声性能、以及低电压低功耗等特点。非常适合仪表测量和工业控制。 为满足精度要求，我们选择方案二。 1.2.6 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： 128X64 点阵 LCD 液晶显示。 LCD 液晶可轻松实现字母、汉字、图像等的显示，控制简单。我们需要显示内容较多，所以采用此方案。 1.2.7 电源模块 方案一：采用开关直流稳压电源。开关电源功率大，效率高，但是纹波大，价
10、格相对较高。 方案二：采用线性直流稳压电源。线性稳压电源制作 简单，输出稳定，性价比较高。 综合考虑，我们选择方案二。 1.3 系统设计 通过对系统的整体考虑，选择各模块方案如下： （ 1） 主控模块：增强型 51 单片机 STC12C5A60S2； （ 2） 信号源模块： AD9850 DDS 信号发生器； （ 3） RLC 测量模块：伏安法测量 RLC； （ 4） 精密整流滤波模块：双运放精密整流滤波电路； （ 5） AD 采样模块：采用 16 位 AD7705 采得阻抗电压； （ 6） 显示模块： 12864 液晶显示； （ 7） 电源模块：线性稳压电源，产生正负 12V，正负 5V，
11、2.5V 电压； 3 （ 8） 数据存储模块：用 24C04 外部存储模块； （ 9） 时钟模块：采用 DS1302 时钟芯片； （ 10） 键盘模块：使用 4*4 矩阵键盘。 2. 理论分析与计算 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 Rx上电压 XV ，则测量电阻为： XxxR VV RV 我们采用伏安法测量电容与电感，测量电感与电容要加入 交流正弦波信号 ，在角频率为w的交流信号的作用下，电容和电感获得的容抗 和感抗： cj1XC wwLjXL 我们采用电阻与容抗或感抗分压可知 :电
12、感）（ .UjwL LXLXURU jwC1jwC1UU.CX R所测电容 jwR 1C . CXUU测量 Q 值时，加入交流信号测 量出电感 Q 值 LjwRZ 1S1 LjwRZ 2S2 两个方程联立，求得电感2-12212WW -L 22 zz； 2-122121s WW -jwR 22 zz Z ； SRLQ jw ； 1Z 为电感在电路中角频率为 1w 的等效阻抗， 2Z 为电感在电路中角频率为 2w的等效阻抗 ,L 为电感量， SR 为电感的等效电阻。 为保证测量精度，必须保证电阻的精 度和 的高稳定值。为此，我们在该设4 计中采用了高精度的 DDS 函数信号发生器 AD9850
13、芯片产生正弦波，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. 电路与程序设计 3.1 系统电路设计 整个系统的硬件电路原理图分为主控器电路， DDS 信号源电路， RLC 测量电路， AD 采样电路，精密整流滤波电路，电源电路，键盘电路，时钟电路，外部存储电路等组成。 3.1.1 系统总电路图 3.1.2 DDS 信号源电路 如图 3 所 示，为 AD9850 DDS 信号源电路，此设计能产生 1Hz 到 30MHz 的正弦波信号，输出不失真且工作稳定。 图 3 DDS 信号源电路 D31D22D13D04D428D527D626D
14、725DGND5DVDD6W_CLK7FQ_UD8CLK_IN9AGND10AVDD11RSET12QOUTB13QOUT14VINN15VINP16DACBL17AVDD18AGND19IOUTB20IOUT21RESET22DVDD23DGND24U2AD9850R23.9KVCCVCC+5VR3100KR11100KR12100R9200R10200C622pC722pL3910nHL4680nHC98.2pC88.2pC108.2pC200.1uF+5VC160.1uFC170.1uFC180.1uFC190.1uF+5VEC310uF/16VEC410uF/16V正弦信号输出RL21
15、KLED1LED+5VVCCQNQPSINQNQPSINGNDVCC12 34=X130MVCCGNDNC12345678910111213141516J1CON16W_CLKFQ_UDFQ_UDW_CLKD0D1D2D3D4D5D6D7RSTVCCRSTP1P2P3P4P5P6P7P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8VCCP8VCC1X12X23GND4RST5IO6SCK7V+8DS1302U6DS1302VCC10uFC730C230C110KR110KR51 2 3 4 5 6 7 8 9U3 PAIZU/8P1.0(T2)1P1.1(T2EX)2P1.23P1.34P1.4
16、5P1.5(MOSI)6P1.6(MISO)7P1.7(SCK)8RST9P3.0(RXD)10P3.1(TXD)11P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P3.6(WR)16P3.7(RD)17XTAL218XTAL119GND20P2.0(A8)21P2.1(A9)22P2.2(A10)23P2.3(A11)24P2.4(A12)25P2.5(A13)26P2.6(A14)27P2.7(A15)28PSEN29ALE(PROG)30EA/VPP31P0.7(AD7)32P0.6(AD6)33P0.5(AD5)34P0.4(AD4)35P0.
17、3(AD3)36P0.2(AD2)37P0.1(AD1)38P0.0(AD0)39VCC40U1STC89C52470R7D912345678P212345678P3VCC12Y111.059212Y3327684.7KR4GNDVCCA01A12A23GND4DATA5CLK6HOLD7VCC824CXXU724CXX4.7KR34.7KR2VCCSCLK1MCLK IN2MCLK OUT3CS4RESET5AIN2(+)6AIN1(+)7AIN1()8REF IN(+)9REF IN()10AIN2()11DRDY12DOUT13DIN14VDD15GND16U2AD7705GNDGNDV
18、CCGNDVCCGNDGNDGNDGND4.7KR6VCC10uFC610pFC310pFC4104C5VCCGND12P1VCCGNDRST1234P4GNDP1.3P1.4P1.3P1.41234CH451P3.2P3.2P3.4P3.4P3.5P3.5P3.6P3.6123412864VCCGNDP1.5P1.5P1.6P1.64.7KR8P2.4P2.4P2.5P2.5P2.6P2.6P2.7P2.7123456DDSVCCGNDP2.0P2.1P2.2P2.3P2.0 P2.1 P2.2 P2.312P5GND123P6GND12345678P7GND12P8GND12Y22.457
19、6M83267451U1OP37R11KR21KR350K+5-5C110UGNDJ1入J2出1 2P11 2P2Vin VoutGNDVR17805D1Diode 1N4007D2Diode 1N4007D3Diode 1N4007D4Diode 1N4007Vin VoutGNDVR27905C1220UC2220UC3220UC4220UC5103C6103C7104C8104123P1Header 31 2 3P2Header 3123P3Header 3123P4Header 3GNDIN12OUT3GNDU?MC7812ACTIN21OUT3GNDU?MC7912ACT+5V-5V
20、83267451U1OP37 83267451U2OP37R110KR210KR3 5KR410KR510KR74.7KR84.7K+5+5-5-5D1FR107D2FR107GNDGNDC12200UC210412P112P?D31D22D13D04D428D527D626D725DGND5DVDD6W_CLK7FQ_UD8CLK_IN9AGND10AVDD11RSET12QOUTB13QOUT14VINN15VINP16DACBL17AVDD18AGND19IOUTB20IOUT21RESET22DVDD23DGND24U2AD9850R23.9KVCCVCC+5VR3100KR11100
21、KR12100R9200R10200C622pC722pL3910nHL4680nHC98.2pC88.2pC108.2pC200.1uF+5VC160.1uFC170.1uFC180.1uFC190.1uF+5VEC310uF/16VEC410uF/16V正弦输出RL21KLED1LED+5VVCCQNQPSINQNQPSINGNDVCC12 34=X130MVCCGNDNC12345678910111213141516J1CON16W_CLKFQ_UDFQ_UDW_CLKD0D1D2D3D4D5D6D7RSTK1Relay-SPDTQ18050GND+5R11KR210R3100R41KR
22、510KR6100KR71MVCC12P1Header 2+5 +5 +5 +5 +5 +5R81KR91KR101KR111KR121KR131K1234567P2E1测试插孔E2测试插孔GND1 2P3Header 2D11N4007D2 D3 D4 D5 D6 D7Q28050Q38050Q48050Q58050Q68050Q78050K2Relay-SPDTK4Relay-SPDTK5Relay-SPDTK6Relay-SPDTK7Relay-SPDTSEG71VCC2DOUT3LOAD4DIN5DCLK6DIG77DIG68DIG59DIG410DIG311DIG212DIG113D
23、IG014GND15RST16NC17SEG018SEG119SEG220SEG321SEG422SEG523SEG624CH451L100pFC1100pFC2GNDVCC2KR12KR22KR4 2KR31122S11122S2 S3S9S4S10S5 S6S11S13S12S14S7 S8S15 S16IOB0IOB1IOB2IOB312P21234P3VCCGND图 2 系统总电路 5 3.1.3 RLC 测量电路 如图 4 所示，电路可进行对电阻，电感，电容的测量，实现自动识别器件与量程。 3.1.4 精密整流滤波电路 如图 5 所示，双运放全波精密整流电路，实现交流正弦波信号变为稳
24、定直流电压。 3.1.5 AD 采样电路 如图 6 所示， 16 位 AD 采样电路，使采样精度更高。 其他电路如外部存储电路，时钟电路，电源电路见附图 1,2,3。 3.2 系统软件设计 本系统的软件设计采用 C 语言对单片机进行编程，从而实现各模块的功能，图 6 AD 采样电路 SCLK1MCLK IN2MCLK OUT3CS4RESET5AIN2(+)6AIN1(+)7AIN1()8REF IN(+)9REF IN()10AIN2()11DRDY12DOUT13DIN14VDD15GND16U2AD7705GNDGNDVCCGNDVCCGNDGNDGNDGND4.7KR6VCC10uFC
25、610pFC310pFC4104C54.7KR8P2.4P2.5P2.6P2.712P5123P6GND12Y22.4576M图 4 RLC 测量电路 K1Relay-SPDTQ18050GND+5R11KR210R3100R41KR510KR6100KR71MVCC1 2P1Header 2+5 +5 +5 +5 +5 +5R81KR91KR101KR111KR121KR131K1234567P2E1测试插孔E2测试插孔GND1 2P3Header 2D11N4007D2 D3 D4 D5 D6 D7Q28050Q38050Q48050Q58050Q68050Q78050K2Relay-SP
26、DTK3Relay-SPDTK4Relay-SPDTK5Relay-SPDTK6Relay-SPDTK7Relay-SPDT图 5 精密整流滤波电路 83267451U1OP37 83267451U2OP37R110KR210KR3 5KR410KR510KR74.7KR84.7K+5+5-5-5D1FR107D2FR107GNDGNDC12200UC210412P112P?6 主程序主要是控制电路的选择、各参数的检测与控制。程序流程图如图 7 所示。 部分程序见附录 2 4. 系统测试与结果分析 4.1 测试和校准仪器 DS5102CA 双通道数字存储示波器， 7H2811C LCR 数字电
27、桥， ZX38A 系列电阻箱， RX7 系列十进式型电容箱， GX9 系列十进制电感箱。 4.2 测试结果 本系统要对 R、 L、 C，以及自制信号源进行测试，自制信号源的测试结果如表 1 所示 表 1 自制信号源测试结果 信号源设定频率（ Hz） 示波器测试频率 (Hz) 测试相对误差 1 频率过低示波器无法识别 10 10 0 100 100 0 1K 1.007K 0.007 10K 10.014K 0.0014 100K 99.889K -0.00111 1M 1.0051M 0.0051 10M 10.4483M 0.0283 由于示波器精度所限，频率低于 10Hz 示波器无法识别信
28、号。经计算自制信号源最大相对误差为 2.83%。 图 7 程序流程图 开始初始化选择测量模式输入测试信号用 1 K 档位处测调入合适档位测量符合测试范围 ？储存测量值及测量时间显示测量值结束是否7 电阻测试结果如表 2 所示 表 2 电阻测试结果 电阻箱阻值 ( ) 测试值 ( ) 测试相对误差 1 1.02 0.02 10 10.18 0.018 100 98.50 -0.015 1K 1.010K 0.010 10K 9.805K -0.0195 100K 101.312K 0.01312 1M 1.006M 0.006 10M 10.121M 0.0121 表 3 电容测试结果 电容箱电
29、容值 测试值 测试相对误差 10PF 9.56PF -0.044 100PF 103.00PF 0.0300 1nF 997.05PF -0.00295 10nF 10.05nF 0.005 100nF 100.78nF 0.0078 1uF 998.78nF -0.00122 10uF 9.85uF -0.015 100uF 102.98uF 0.0298 表 4 电感测试结果 标准电感箱 测试值 测试相对误差 10uH 10.41 0.021 100uH 101.54 0.0154 1mH 965.35 -0.03465 10mH 10.23 0.023 100mH 97.32 -0.02
30、68 表 5 Q 值测试结果 标准电感箱 Q 值 10uF 81.64 100uF 21.68 10mF 42.78 100mF 40.95 4.3 结果分析 信号源测试结果分析：由于示波器精度所限，频率低于 10Hz 示波器无法识别信号。经计算自制信号源最大相对误差为 0.4%，我们的信号源范围更宽。 8 电阻测试结果分析：测量电阻阻值误差较小，最大误差为 2%，用 16 位 AD采样直流分压信号极为精确。 电容测试结果分析：电容测试最大误差为 3% 电感测试结果分析：电感测试最大误差小于 4%。 综上所述：电感、电容、电阻三项指标已经很好的完成了题目的各项要求。 5. 设计总结 这次大赛，
31、经过四天三夜的拼搏，受益匪浅，我们终生难忘。不仅完成了一件作品，而且大大提高了我们的创新精神，动手能力，团队协作和竞争意识，这些在今后的人生道路上将是一笔宝贵的财富。充分发挥团队合作精神，工作进展很顺利。我们在比赛中做到精益求精，在完成基本功能之后，又向发挥部分进发，最后完成了所有的基本功能和部分发 挥部分。 参考文献 1 杨振江 .新型集成电路 M，西安电子科技大学出版社， 2005 2 邱关源 .电路 M，高等教育出版社， 2003 3 康华光 .电子技术基础 M，第五版高等教育出版社， 2005 4 马忠梅 等 单片机的 C 语言应用程序北京：北京航空航 天出版社， 2007 5 吴麟
32、.自动控制原理 清华大学出版社， 2006 6 华成英，童师白 .模拟电子技术基础 M， 2006 9 附录 1 附图 VCC1X12X23GND4RST5IO6SCK7V+8DS1302U6DS1302VCC10KR512Y33276812P8GNDABC附图 1 外部存储电路 VCC1X12X23GND4RST5IO6SCK7V+8DS1302U6DS1302VCC10KR512Y33276812P8GNDABC附图 2 时钟电路 Vin VoutGNDVR17805D1Diode 1N4007D2Diode 1N4007D3Diode 1N4007D4Diode 1N4007Vin VoutGNDVR27905C1220UC2220UC3220UC4220UC5103C6103C7104C8104123P1Header 31 2 3P2Header 3123P3Header 3123P4Header 3GNDIN12OUT3GNDU?MC7812ACTIN21OUT3GNDU?MC7912ACT+5V -5V 附图 3 电源电路 2 附录 #include unsigned int m; void delay(int z) int xx,yy;
