1、12屆屆 分 類 號: 單位代碼:10452臨沂大學理學院畢業論文 （設計）電阻電容電感測試儀電阻電容電感測試儀 姓 名 王王 金金 全全 學 號 200807840119200807840119 年 級 20082008 專 業電子信息科學與技術電子信息科學與技術 系（院） 理學院理學院 指導教師 劉劉 懷懷 強強 2012 年 03 月 06 日摘 要本文介紹了一種基于單片機(89C51)的高精度電阻電感電容測量儀器的設計.本設計采用 MAX038 單片壓控函數發生器產生高精度的正弦波信號流經待測的電容或者電感和標準電阻的串連電路,通過測量電容或者電感和標準電阻各自的電壓,利用電壓比例計算

2、的方法推算出電容值或者電感值.本設計利用 51 單片機控制測量和計算結果,采用1602 液晶模塊實時顯示數值.主要包括正弦信號發生器,標準電阻和電感或電容串聯分壓電路,多路開關,電壓跟隨器,高精度交流有效值轉換芯片,A/D 轉換芯片,單片機,顯示模塊,鍵盤模塊等部分,具有手動調節量程,通過單片機自動檢測分析識別原件性質并通過 LCD 形象地顯示出來,正弦信號發生器可以實現幅值和頻率的調整,為了提高精度我們把被測的交流電壓先通過 ICL7650 來消除因為 AD637 輸入電阻較低帶來的誤差.實驗測試結果表明,本設計性能穩定,測量精度高.關鍵詞：電壓比例法 89C51 AD637 電阻電感電容測

3、量 1602 液晶模塊 ABSTRACTThe paper introduced the design of a microcontroller (89C51)-based high-precision resistor inductance capacitance measuring instruments. This design uses MAX038 monolithic voltage-controlled function generator to produce high-precision sine wave signal through the test of the cap

4、acitance or inductance, and the standard resistance series circuit, figure out by measuring the capacitance or inductance, and the standard resistance of the respective voltage, using the method of calculation of the voltage ratio of the capacitance or inductance value. This design uses 51 microcont

5、roller to control the measurement and calculation results, the 1602 LCD modules real-time display values include sinusoidal signal generator, the standard resistance and inductance or capacitance in series voltage divider circuit, multi-channel switch, voltage follower, high-precision AC /Converts t

6、he value of the chip, the A / D conversion chip, microcontroller, display module, keyboard module, and other parts, with manual adjustment range by a single-chip automatic detection analysis to identify the original nature of the image through the LCD display, the sinusoidal signal generator can be

7、achieved amplitude andfrequency adjustment, in order to improve the accuracy of the measured AC voltage through the ICL7650 and to eliminate the error caused by the AD637 input resistance lower. experimental test results show that this design, stable performance, high measurement accuracy.Key words:

8、 the voltage ratio method; 89C51; ad637; resistor inductance capacitance measurement; 1602 LCD module小三號、Times New Roman 字體、加粗、居中目 錄1 1 引言引言 .1 12 2 電壓比例法測量原理電壓比例法測量原理 .1 13 3 系統方案系統方案 .2 23.1 系統總體方案設計與結構框圖.23.2 方案設計與論證.34 4 硬件電路硬件電路 .5 54.1 穩壓電源模塊.54.2 正弦信號發生器.54.3 采樣電路.64.3 液晶顯示模塊.65 5 系統軟件設計系統軟件設

9、計 .7 75.1 控制測量程序模塊.75.2 按鍵處理程序模塊 .85.3 電阻電感電容計算程序.95.4 液晶顯示程序模塊.96 6 系統測試與結果分析系統測試與結果分析 .10106.1 對正弦信號源的測試.106.2 對電阻電容電感的測量.106.3 誤差分析.117 7 總結總結 .1212參參 考考 文文 獻獻 .1313致致 謝謝 .14141 引言現代電子產品正以前所未有的速度,向著多功能化、體積最小化、功耗最低化的方向發展,機電產品廣泛應用于家電、通信、一般工業乃至航空航天和軍事領域.無論是日常生活還是高端科技領域,電子技術的應用均日益深入.掌握必備的電子技術基礎設計制作基礎

10、知識和基本技能,能夠滿足我國目前產業結構對廣大技術工人、工程技術人員基本素質的要求,而且能為從事高端電子系統開發培養能力和素質,適應信息時代的需要.目前市面上測量電子元器件參數 R、C 和 L 的儀表種類較多,方法和優缺點也各有不同.一般的測量方法都存在計算復雜,不易實現自動測量而且很難實現智能化等缺點.電阻電容電感測量方法較多(諧振法,電橋法,電壓比例法等)但因為對于測量儀器來說精度越高越好,所以本設計選擇精度比較高的電壓比較法做電阻電感電容測試儀,它的原理是將一定頻率的交流信號經過串聯分壓電路轉化為電壓信號,然后經過電路處理變成頻率信號經過單片機進行比例運算,最后將計算出的測量值輸送給顯示

11、模塊并顯示各參量對應的量綱.2 電壓比例法測量原理電阻高精度測量較好的方法之一是采用與標準電阻相比較的方法.其主要原理:是在待測電阻xR與標準電阻1R的串聯電路中加一直流電壓 V,AD 采樣得到 Rx 上電壓XV,則測量電阻為:XxxRVVRV (1)設計中我們采用了與測量電阻一樣的方法電壓比例法2來測量電感和電容;因為電感與電容是電抗元件,所以應采用交流信號來產生測量信號;在角頻率為w的交流信號的作用下電容電感獲得的容抗和感抗:cj1XCw (2) wLjXL (3)C、L 為待測電容和電感.這樣一來,標準元件的選擇就有許多種方法.但為了提高測量精度和降低成本,該測量儀采用了標準電阻,且與電

12、阻測量共用一套標準電阻.所以有電感:）（.UjwLLXLXURU (4)jwC1jwC1UU.CXR (5)電容:jwR1C.CXUU (6)測量 Q 值時,加入交流信號測量出電感 Q 值LjwRZ1S1 (7)LjwRZ2S2 (8)兩個方程聯立,求得電感2-12212WW-L22zz (9)2-122121sWW-jwR22zz Z (10)SRLQjw (11)1Z為電感在電路中角頻率為1w的等效阻抗,2Z為電感在電路中角頻率為2w的等效阻抗,L 為電感量,SR為電感的等效電阻.為保證測量精度,必須保證電阻的精度和w的高穩定值.為此,我們在該設計中采用MAX038 單片壓控函數發生器1產

13、生高精度的正弦波信號,同時輸出緩沖器采用了運算放大器,為保證波形精度采用了閉環深度負反饋方式,無失真的放大正弦信號.3.系統方案3.1 系統總體方案設計與結構框圖本電路由電源模塊、正弦信號發生器、標準電阻和電感或電容串聯分壓電路、多路開關、電壓跟隨器、高精度交流/有效值轉換、A/D 轉換、單片機、液晶顯示、鍵盤等模塊組成.系統主要模塊流程圖如圖 1 所示:圖 1 系統流程圖3.2 方案設計與論證3.2.13.2.1 電阻電感電容測試采樣模塊電阻電感電容測試采樣模塊電阻電感電容測試采樣模塊的設計方案有很多,例如利用純模擬電路來實現、電阻可用比例運算器法、電容可用恒流法和比較法、電感可用時間常數法

14、和同步分離法等.方案一 利用純模擬電路雖然避免了編程的麻煩,但是電路復雜,所用的元器件較多,制作較麻煩并且測量精度低,調試困難,現已很少使用.方案二 可編程序控制器(PLC）應用廣泛,它能夠非常方便的集成到工業控制系統中.可編程控制器度快,體積小,可靠性和精度都比較好,在此系統中可以使用 PLC 對硬件進行控制,但是 PLC 的價格相當昂貴,因而成本過高,應用于要求比較高的場合.方案三 利用震蕩電路與單片機結合利用 555 多諧振蕩電路將電阻、電容轉化為頻率,而電感則是根據電容三點式電路也轉化為頻率,這樣就把模擬量近似轉化為數字量了,而頻率是單片機很容易處理的數字量,該方案測量精度較高易于實現

15、儀表的自動化,而且單片機構成的系統可靠性高,硬件的描述完全可用軟件來實現,成本低.方案四 電壓比例法采用與標準電阻相比較的的方法,其原理是在待測原件與標準原件的串聯電路中加以電流 I，這樣被測元件與標準元件上得到的電壓分別為 Vx 與 Vi;通過計算得出被測值,此方法精度高,需要一個具有輸出頻率穩定的信號源來提供激勵.3.2.23.2.2 正弦信號發生器模塊正弦信號發生器模塊正弦信號源發生器模塊是決定系統誤差的重要部分,要求有穩定的頻率,另外為了測試系統的可靠性還要求正弦信號發生器的頻率和電壓具有可調性,本系統要求頻率范圍 1HZ1MHZ,電壓大于 5V.方案一 555 信號發生器采用 555

16、 信號發生器制作的發生器,其外圍電路較復雜.這種方法能實現快速頻率變換,具有低噪聲以及所有方法中最高的工作頻率.但由于必須采用大量地倍頻、分頻、混頻和濾波環節,導致結構復雜、體積大、成本高并且難以達到較高的頻譜純度而使測量誤差加大.方案二 單片機信號發生器4使用單片機編程實現正弦波的產生簡單易行.可以在外圍電路不變的情況下通過程序來改變輸出電壓的幅值和頻率.由于輸出的是數字信號,可以做得很高,產生的信號精度及其性價比比較高,集成度也高并且需求電壓低,功耗低.方案三 DDS 信號發生器11利用直接合成 DDS 芯片的函數發生器,能產生任意波形并能達到很高的頻率并且頻率的穩定性比較好.但成本較高,

17、主要用于測量電路和系統的頻率特性、非線性失真、增益與靈敏度等.按不同的性能與用途分為低頻信號發生器、高頻信號發生器、頻率合成式信號發生器等.方案四 MAX038 信號發生器采用 MAX038 單片壓控函數發生器1.MAX038 可以產生正弦波、三角波、鋸齒波、方波與脈沖波等波形;改變外接電阻或電容值就可改變輸出頻率的值,頻率范圍0.00120MHZ,輸出頻率穩定,幅值經過一個放大器就可以調節.因為不用編程可以節省較多的時間.本設計采用此方案.3.2.33.2.3 顯示模塊顯示模塊方案一 采用 LED 數碼管顯示.數碼管顯示具有亮度高、夜視效果好等優點,但顯示信息量小,且自身功耗較大.方案二 L

18、CD 液晶顯示器7可輕松實現字母、漢字的顯示,控制簡單,能耗小,可以中文輸出便于人際交流顯示內容豐富.所以采用此方案.4 硬件電路4.1 穩壓電源模塊圖 2 穩壓電源4.2 正弦信號發生器圖 3 正弦信號發生器4.3 采樣電路如圖 4 所示,高精度的正弦波信號流過串聯的標準電阻和待測元件,待測元件一端接地.儀器通過繼電器轉換分別從標準電阻的兩端測量電壓.由于 AD637 的輸入電阻較低,為了降低其分壓產生的誤差,被測的交流電壓先通過精密運算放大器 ICL765 構成的電壓跟隨器,然后才通過高精度交流/有效值轉換芯片 AD6378轉換成有效值,進過 ADC轉換成數字信,在單片機中完成比例運算,得

19、到電容電感數值.測量不同數值電感電容時,可以選擇相應的標準電阻和改變 MAX038 輸出信號的頻率來分壓,這通過單片機控制繼電器切換電路和編程來實現.圖 4 采樣電路4.3 液晶顯示模塊本設計采用常用的 2 行 16 個字的 1602 液晶顯示器來顯示電阻電感電容值.圖 5 是1602 液晶模塊與 51 單片機的連接圖.圖 5 1602 液晶模塊與 51 單片機的連接圖單片機的 P1 口與 1602 液晶模塊的數據口連接傳輸數據,P2 口分別控制 RS、RW 和使能端 E.RS 為寄存器選擇,高電平時選擇數據寄存器,低電平時選擇指令寄存器.RW 為讀寫信號線,高電平時進行讀操作,低電平時進行寫

20、操作.當 RW 和 RS 同時為低時,可以寫入指令或顯示地址;當 RS 為低,RW 為高時,可以讀忙信號;當 RS 為高 RW 為低時,可以寫入數據.E 端為使能端,當 E 端有高電平跳變到低電平時,液晶模塊執行命令.D0D7 為8 位雙向數據線.V0 為液晶顯示器對比度調節端,接正電源時對比度弱,接地是對比度高,使用時要通過一個 10K 的電位器調整對比度.5 系統軟件設計5.1 控制測量程序模塊單片機控制測量程序不僅擔負著量程的識別與轉換,而且還負責數據的修正和傳輸;因此主控制器的工作狀態直接決定著整個測量系統能否正常工作,所以控制測量程序對整個測量來說至關重要.控制測量流程圖如圖 6 所

21、示. 圖 6 控制測量程序流程圖5.2 按鍵處理程序模塊按鍵處理程序的主要功能是設置測量的類型和測量的檔位,當有按鍵被按下時就執行相應的按鍵功能,流程如圖 7 所示. 圖 7 按鍵處理程序流程圖5.3 電阻電感電容計算程序單片機根據 A/D 轉換得到的電壓值計算出電阻、電感或者電容值,該程序流程圖如圖 8 所示.初始化測量設備開始采樣計算結束返回結果圖 8 電阻電感電容計算程序流程圖5.4 液晶顯示程序模塊該程序模塊只有一個功能,就是對測量結果清晰正確的顯示出來,并能夠保持穩定.程序流程圖如圖 9 所示.LCD初始化開始設置顯示地址送顯示數據結束圖 9 液晶顯示程序模塊流程圖6 系統測試與結果

22、分析測試儀器:雙蹤示波器和數字萬用表.6.1 對正弦信號源的測試我們使用示波器對信號源進行測試,發現波形和頻率顯示平穩,并得到了一些數據由測量數據經我們分析計算得出此信號發生器輸出電壓幅值 U5;并且大小可以調節;自制信號源的測試結果如表 1 所示.表 1 自制信號源測試結果信號源設定頻率（Hz）示波器測試頻率(Hz)測試相對誤差1頻率過低示波器無法識別1010010010001K1.007K0.00710K10.014K0.0014100K99.889K-0.001111M1.0051M0.005110M10.4483M0.02836.2 對電阻電容電感的測量我們對于各種性質的元件(電阻電容

23、電感)分別找了足夠量的元件;用高精度數字萬用表測量出其阻值(容值或感值）取多個相同電阻的平均值作為參考量;然后用我們自制的儀表進行測量,測量多個阻值不同的電阻,算出其誤差,最后求平均誤差.電容和電感的測量同理.表 2 電阻測試結果電阻箱阻值()測試值()測試相對誤差11.020.021010.180.01810098.50-0.0151K1.010K0.01010K9.805K-0.0195100K101.312K0.013121M1.006M0.00610M10.121M0.0121表 3 電容測試結果電容箱電容值測試值測試相對誤差10PF9.56PF-0.044100PF103.00PF0

24、.03001nF997.05PF-0.0029510nF10.05nF0.005100nF100.78nF0.00781uF998.78nF-0.0012210uF9.85uF-0.015100uF102.98uF0.0298表 4 電感測試結果標準電感箱測試值測試相對誤差10uH10.410.021100uH101.540.01541mH965.35-0.0346510mH10.230.023100mH97.32-0.02686.3 誤差分析本測量儀的測量范圍較寬,并且達到了很好的精度, 信號源測試結果分析:由于示波器精度所限,頻率低于 10Hz 示波器無法識別信號.經計算自制信號源最大相對

25、誤差為 0.4%,我們的信號源范圍更寬.電阻測試結果分析:測量電阻阻值誤差較小,最大誤差為 2%,用 16 位 AD 采樣直流分壓信號極為精確.電容測試結果分析:電容測試最大誤差為 3%.電感測試結果分析:電感測試最大誤差小于 4%.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12的方法來減小本測試儀的測量誤差.所謂修正的方法就是在測量前或測量過程中,求取某類系統誤差的修正值.在測量的數據處理過程中選取合適的修正值很關鍵,修正值的獲得有三種途徑.第一種途徑是從相關資料中查取;第二種途

26、徑是通過理論推導求取;第三種途徑是通過實驗求取.本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,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.由于振蕩電路外圍器件由電容電阻分立元件搭接而成,所以由振蕩電路產生的被測參數對應的頻率有一定的誤差,所以只能通過多次實驗測量,選取合適的修正值來盡可能的減少本測試系統的誤差.7 總結畢業論文是一次非常好的將理論與實際相結合的機會,通過對電阻、電容、電感測試儀的課題設計,鍛煉了我的實際動手能力,增強了我解決實際工程

27、問題的能力,同時也提高我查閱文獻資料、設計規范以及電腦制圖等其他專業能力水平.本設計的硬件電路圖簡單,成本低;采用單片機可以提高系統的可靠性和穩定性,縮小系統體積,調試與維護方便,而且以 51 單片機最小系統為核心的控制系統能滿足整個系統的要求,經過測試系統工作正常,完成了設計任務的全部要求.當然本系統還存在著許多需要改進的地方,比如還可以繼續提高測量的精度和加大測量的范圍.因為是采用單片機實現的,利用其可以編程的特性,使測量的值結合一些數據處理方式使測量更加接近真實值.本系統也還有許多可以擴展的功能,可以增加語音功能,每次測量值穩定的時候就通過語音報告出來;也可以增加在線測量的功能,這樣就更能夠測量出元件工作時的正常值,而不僅僅是靜