1、 物理與機電工程學院課程設計報告設計課題： RLC參數測試儀 專業班級： 13級電本Z（1）班 姓 名： 學 號： 設計時間： 2014.10.10-2014.12.22 評閱意見：評閱意見設計課題題目： RLC參數測試儀 一、設計任務與要求1、測量范圍：電阻 100-1M；電容 100pF-10000pF；電感 100H-10mH。2、測量精度：5%。 3、制作1602液晶顯示器，顯示測量數值。2、 系統設計方案本設計是基于單片機STC89C51智能處理，根據單片機的外接按鍵控制測量。電路的選擇，通過LM555定時器構成的多諧振蕩器和電容反饋式三點式構成的振。蕩電路長生的一定頻率的波。再通過

2、單片機的I/O口對高低電平的捕獲讀出頻率，再通過程序算法處理換算成電阻電容電感的值，然后再通過單片機送給1602液晶顯示。由于測量電阻、電容和電感，都是首先轉化為頻率后再進行計算測量的。其精度會直接影響到本儀表的精度，因此頻率或周期的產生和計算處理是本系統實現精確測量的關鍵。2.1選擇總體方案方案一：如果三角波輸入給以被測電容器作為微分電容的微分電路，在電路參數選擇適當的條件下，微分電路的輸出幅度與Cx成正比，再經峰值檢測電路或精密整流及濾波電路，可以得到與Cx成正比的直流電壓Ux ，然后再進行A/D轉換送給數字顯示器，便可實現所要求的函數關系。（電路如圖11所示）設三角波函數式為： 方案二：

3、把R、L、C轉換成頻率信號f，轉換的原理分別是RC振蕩電路和LC電容三點式振蕩電路，單片機根據所選通道，向模擬開關送兩路地址信號，取得振蕩頻率，作為單片機的時鐘源，通過計數則可以計算出被測頻率，再通過該頻率計算出各個參數。然后根據所測頻率判斷是否轉換量程，或者是把數據處理后，把R、L、C的值送數碼管顯示相應的參數值，利用編程實現量程自動轉換。 該設計方案的總體方框圖如圖7所示2.2方案比較方案一采用了A/D轉換器，價格比較昂貴。方案二元器件簡單，容易實現。故采用方案二2.3論證方案目前，測量電子元件集中參數R、L、C的儀表種類較多，方法也各不相同，這些方法都有其優缺點。 電阻R的測試方法最多。

4、最基本的就是根據R的定義式來測量。在(如下圖1.4.1)，分別用電流表和電壓表測出通過電阻的電流和通過電阻的電壓，根據公式/RUI=求得電阻。這種方法要測出兩個模擬量，不易實現自動化。而指針式萬用表歐姆檔是把被測電阻與電流一一對應，由此就可以讀出被測電阻的阻值，(如下圖1.4.2)所示。這種測量方法的精度變化大，若需要較高的精度，必須要較多的量程，電路復雜。能同時測量電器元件R、L、C的最典型的方法是電橋法(如上圖1.4.3) 。電阻R可用直流電橋測量，電感L、電容C可用交流電橋測量。電橋的平衡條件為通過調節阻抗1Z、2Z使電橋平衡，這時電表讀數為零。根據平衡條件以及一些已知的電路參數就可以求

5、出被測參數。用這種測量方法，參數的值還可以通過聯立方程求解，調節電阻值一般只能手動，電橋的平衡判別亦難用簡單電路實現。這樣，電橋法不易實現自動測量。 Q表是用諧振法來測量L、C值（如圖1.4.4）。它可以在工作頻率上進行測量，使測量的條件更接近使用情況。但是，這種測量方法要求頻率連續可調，直至諧振。因此它對振蕩器的要求較高，另外，和電橋法一樣，調節和平衡判別很難實現智能化。把電子元件的集中參數R、L、C轉換成頻率信號f,然后用單片機計數后在運算求出R、L、C的值，并送顯示，轉換的原理分別是RC振蕩和LC三點式振蕩。其實，這種轉換就是把模擬量進擬地轉化為數字量，頻率f是單片機很容易處理的數字量，

6、這種數字化處理一方面便于使儀表實現智能化，另一方面也避免了由指針讀數引起的誤差3、 單元電路分析與設計3.1電阻測量方案方案一串聯分壓原理 根據串聯電路的分壓原理可知串聯電路上電壓與電阻成正比關系。通過測量Rx和R0上的電壓。由公式 Rx=Ux/(U0/R0)。 方案二利用直流電橋平衡原理的方案 其中R1，R2為可變電位器，R3為已知電阻，4為被測電阻。根據電路平衡原理不斷調節電位器使得電表指針指向正中間。由R1*R4=R3*R4.在通過測量電位器電阻值，可得到R4的值。方案三 利用555構成單穩態的方案 圖1 555定時器構成單穩態電路圖 根據555定時器構成單穩態，產生脈沖波形，通過單片機

7、讀取高低電平得出頻率，通過公式換算得到電阻阻值： 上述三種方案從對測量精度要求而言：方案一的測量精度極差，方案二需要有較高精度的電阻組成橋，而且測量調節麻煩，不易操作與數字化。相比較而言，方案三利用555構成的震蕩起，用單片機的定時計數器計555輸出的振蕩頻率，經軟件計算得出電阻值。而且與電容的測量電路相仿制作電路板起來方便，精確度會明顯的提高，故本設計選擇了方案三。 3.2電容測量方案方案一采用平衡電橋法方案 將待測電感和已知標準電阻電容組成電橋，通過單片機控制調節電阻參數使電橋平衡。此時，電感的大小由電阻和電橋的本征頻率即可求得，該方案測量精準。同時可以測量電容和電阻的大小，但其電路電路復

8、雜，實現起來較為困難。方案二直接通過串聯電路原理方案通過電容換算的容抗跟已知電阻分壓，通過測量電壓值，再經過公式換算得到電容的值。原理同電阻測量的方案一。方案三 利用555構成單穩態原理的方案 圖2 555定時器構成單穩態電路圖根據555定時器構成單穩態，產生脈沖波形，通過單片機讀取高低電平得出頻率，即單片機接一獨立按鍵，當其按下時，NE555的3引腳輸出方波，3腳與單片機相接，可通過程序測出其頻率，進而求出Cx的值，顯示在1602液晶屏上。通過公式換算得到電容值： 綜合比較后，本設計采用了方案三。 3.3電感測量方案方案一采用平衡電橋法測量電感方案 將待測電感和已知標準電阻電容組成電橋，通過

9、單片機控制調節電阻參數使電橋平衡。此時，電感的大小由電阻和電橋的本征頻率即可求得。該方案測量精準，同時可以測量電容和電阻的大小，但其電路電路復雜，實現起來較為困難。 方案二 利用電容三點式正弦波震蕩原理方案，即在通過555構成單穩態原理輸出脈沖 圖3 電容三點式正弦波震蕩電路圖由于電容三點式震蕩電路產生的信號較小，所以先加一級單管放大，在跟比較器將正弦波轉化成方波。單片機接一獨立按鍵，當其按下時，運放輸出口輸出方波，該口與單片機相接，可通過程序測出其頻率，進而求出Lx的值，顯示在1602液晶屏上。通過公式換算得到電感值：采用LC配合三極管組成三點式振蕩電路，通過測輸出頻率大小的方法來實現對電感

10、值測量。該方案成本低，其輸出波形為正弦波，將其波形整形后交給單片機測出其頻率，并轉換為電感值。相比之下，方案二的測量精度比方案一要高得多，并且也容易實現，所以選擇方案二。 3.4多路模擬開關選擇 方案一四選一模擬開關CD4052,如圖11。 方案二十六選一模擬開關DG406。 基于本設計題目要求和選擇的需要考慮成本及控制簡易程度等四選一模擬開關CD4052為最佳選擇,故本系統選擇方案一。3.5顯示方案 方案一采用點陣式液晶顯示器LCD1602顯示。 方案二采用點陣式液晶顯示器LCD12864顯示。 基于本設計題目要求，需要液晶顯示和測量的量程范圍。相比之下，LCD1602液晶顯示低功耗節能、占

11、用空間小、并且格價相對便宜，完全能滿足題目所要求的測量顯示，故本設計采用的是LCD1602液晶顯示。 3.6電阻、電容、電感電路的設計本設計是單片機STC15F系列開發板作為主控中心： RLC參數測試模塊 單片機STC15F12K60S2和液晶顯示模塊各接口分配電阻、電容和電感測試顯示選擇按鍵4、 軟件設計部分4.1主程序和中斷流程圖4.2 仿真結果3.2.1 電阻測量電路仿真輸出波形：3.2.2 電容測量電路仿真輸出波形：3.2.2 電感測量電路仿真輸出波形：5、 安裝與調試5.1軟件測試 （1）proteus仿真軟件和keil單片機編程軟件（2）首先按照電路圖連接好電路，并對電阻、電容和電

12、感測量電路調試。接通電源，用示波器觀察輸出波形，若為方波，則電路焊接無誤，否則檢查電路。（3）對液晶顯示電路調試，將測量電路的輸出分別與單片機的P30、P32、P33相接，觀察液晶是否顯示測量結果。在調試過程中發現，電阻、電容的測量誤差較小，由于電容三點式震蕩電路的頻率不穩定，電感測量的誤差較大。（4）測量出電阻、點燃、電感數值。5.2硬件測試 用萬用表、示波器測試所用電阻、電容、電感是在市場買的標準電阻、電容、電感的量值。6、 系統測試與分析(1)測試儀器：示波器，萬用表，穩壓電源，參數測試儀。 (2)測試原理：在系統設計中，簡易RLC測試儀，將電阻，電容，電感，使用對應的振蕩電路

13、轉化為頻率實現各個參數的測量。其中電阻和電容是采用555多諧振蕩電路產生的，而電感則是根據電容三點式產生的，通過單片機讀取頻率，通過定時并且計數可以計算出被測頻率，再通過該頻率計算出被測參數。(3) 測試方法：在測試時將被測參數通過本系統測量出來的示值與參數的標稱值進行對比，進而可以知道本系統的測試精度。(4)測試結果：通過按鍵選擇功能，分別對電阻、點燃、電感進行測量，并觀察測試結果，對設計進一步的進行校正和對實現功能的可靠性的確認，并記錄觀察結果。測試結果如下：實驗數據記錄：電阻參數（k）0.11.0101005001000參數測試儀測試值97.5983.639.785k99.98

14、k507.1k1008.6k自制儀器測試值107112110909411543526058911366相對誤差% 7 12.1 6.79 9.1 5.21 8.86電阻誤差分析： 相對誤差計算公式 從上面的硬件測量中電阻測量數據上來看，電阻的標稱值比較接近任務要求的誤差值，在設計要求誤差范圍內100歐姆的電阻相對誤差會大一些。與軟件仿真結果有一定的差異造成這個現象的主要原因是在設計中采用的四路模擬開關的內阻較大。 電容參數（pF）1005001000500010000參數測試儀測值(pF)98.6473.51107.6503610684自制儀器測試值 (pF)10244511255070110

15、93相對誤差%21112.51.410.83電容誤差分析： 相對誤差計算公式 從上面的硬件測量中電容測量數據可以看出，電熱誤差范圍符合設計要求范圍內，電容的標稱值與本系統測出的電容值比較接近，容較小，誤差較大，其可能性原因是元件本身也存在一定誤差。電感參數100uH470uH1mH10mH參數測試儀測值(uH)87.4453.7976.39657自制儀器測試值（uH）89418887.3111366相對誤差%1111.0611.211.38電感誤差分析： 相對誤差計算公式 從上面的硬件測量中電感測量數據可以看出，電感的標稱值與本系統測出的電感值誤差相對較大。特別是10mH的電感，其可能性原因是

16、元件本身也存在一定誤差。受所用儀器，元期間的限制，測量精度并沒有做的很高。在實際測量中，由于測試環境，測試儀器，測試方法等都對測試值有一定的影響，都會導致測量結果或多或少地偏離被測量的真值。為了減小本設計中誤差的大小，主要利用修正的方法來減小本測試儀的測量誤差。測試修正值選取主要通過實驗求取，對影響測量讀數的各種影響因素，如溫度、濕度、電源電壓等變化引起的系統誤差。通過對相同被測參數的多次測量結果和不同被測參數的多次測量選取平均值，最后確定被測參數公式的常數K值，從而達到減小本設計系統誤差的目的。7、 結論與心得 本設計完成題目所給的設計任務，制作了一臺簡易RLC參數測試儀，測電阻、電容、電感

17、的量值。在實際測量中，由于測試環境，測試儀器，測試方法等都對測試值有一定的影響，都會導致測量結果或多或少地偏離被測量的真值。由于運用單片機作為中央控制器和計算核心，使儀表有性能可靠、體積小、電路簡單的特點。但是這種把元件參數轉換成頻率后測量的方法也有不足之處，主要是必須保證電路起振，并且振蕩要穩定，否則會增加誤差。 這次的論文設計，初稿的完成，到完善。整個過程當中，老師和同學們一直在給我指導鼓勵、加油。尤其是單片機控制系統這一塊，他們給我的幫助無疑是非常巨大的。正是由于他們的不斷給我的幫助。整個設計到仿真才獲得了圓滿的成功。到后來初稿出爐時，又經過伍老師的進一步提點。論文終于得以完成。在此，學生真心的謝謝你們！參考文獻1 6高吉祥.模擬電子技術. 北京電子工業出版社2004年 2 黃智偉.全國大學生電子設計競賽系統設計M,北京:北京航空航天大學出版社,2006年. 3 鈴木雅臣. 晶體管電路設計. 北京：科學出版社，20124 耿永剛.單片機C51應用技術.M北京電子工業出版社.2011.65 聶典，丁偉. Multisim 13計算機仿真-在電子電路設計中的應用. 北京：電子工業出版社，20096單片機的C語言應用程序設