电阻、电容、电感测量仪的设计

电阻、电容、电感测量仪
摘要：基于对元器件参数测量设计的电阻、电容、电感测量仪系统由主控制器部分、A/D采样部分、语音播报部分和显示部分组成。

设计以单片机
AT89S52为主控核心器件，利用继电器对凌阳单片机实现控制，使其对
放置元件端口进行高速A/D采样和语音播报，同时终端控制LCD液晶
显示器实时显示当前的电抗元件参数值和性质。

测试结果表明：系统整
体运行稳定，人机界面友好。

关键词：参数测量A/D采样语音LCD
1引言
分析赛题，本电阻、电容、电感测量仪系统需要实现如下功能：
1）能够自动辨识出被测元件是电阻、电容还是电感，并实时显示元件的阻值、容值和感值的大小。

2）能够实现电阻、电容和电感测量的自动切换,并实现量程的自动切换。

3）电阻、电容和电感的测量误差均小于0.5%。

基于以上分析，采用模块设计的方案实现系统的各项功能，系统主要由主控制器部分、数据测量部分、A/D采样部分、语音播报和显示部分，具体的实现方案如系统主框图1所示：
图1 系统主框图
2系统方案设计与论证
2.1主控制器的选择
在主控制器的选择上我们有以下两种方案：采用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）作为系统的控制核心和基于单片机技术的控制方案。

上述两种控制方式除在处理方式和处理能力(速度)上的差异外，实现效果及复杂程度等方面也有显著的区别。

FPGA将器件功能在一块芯片上，其外围电路较少，集成度高。

而单片机技术成熟，开发过程中可以利用的资源和工具丰富、价格便宜、成本低。

鉴于本设计中实时显示，单片机的资源已经能满足设计的需求，而FPGA的高速处理的优势在这里却得不到充分体现，因此本设计的控制方案模块选用基于单片机控制方案。

我们选择技术成熟，性价比高的AT89S52单片机作为主控制器，同时采用凌阳其内部系统时钟频率为11.0592MHz，执行一个单周期指令所需时间为仅83nS，满足本系统的软件编写需求。

2.2 数据测量方案的选择
目前常用的智能RLC测试方法主要是阻抗-相角法和V-I复数法。

V-I复数
测量法，其基本思想是：根据电阻、电容、电感的复数表示形式，设法测出在固定幅值和相位值的电压下，流经被测电抗元件的电流幅度值和相位值，然后由CPU 计算出元件的各项指标，如串联等效、并联等效等。

阻抗-相角法即用被测元件与已知两个固定阻抗相串联，两次测量Vi 与V o 的之间的相位差，由仪器实测正弦波的频率，然后由CPU 计算出阻抗值，其硬件电路简单且易于调试。

基于以上分析可得：V-I 复数测量法虽然测量的基准度高，但同时对单片机计算能力的要求更高，不易实现，所以在本系统的设计中采用易实现的阻抗-相角法。

2.3 A/D 采样和语音播报
结合赛题，实现对所测元件的电压值进行A/D 采样并实时进行语音播报，而A/D 采样常用的是使用ADC 转换芯片对数据进行采集，这种A/D 转换器根据逐位逼近的方法产生数据的,在测量上存在一定的误差，所以为提高本系统的数据测试精准度，采用凌阳SPCE061A 单片机作为从控芯片，该单片机内置8路10位ADC ，计算能力强，避免了外界A/D 转换芯片存在的误差，提高数据采集的精确度，同时该开发板集成了语音播报的硬件，通过软件编程即可用于语音的采集和播报，集成开发环境中配有很多语音API 函数，实现语音播报比较简单，解决由语音芯片播放语音不清楚的问题。

2.4显示设备的选择
本模块的主要功能是能实时显示描述系统状态的各种信息状态。

LCD 不仅显示信息量大，画面效果好，节省I/O 口，所以系统设计的显示部分选择液晶屏128×64LCD 显示。

3系统设计与实现
经过仔细分析与论证，选用系统各模块的最终方案如下：
（1）控制器模块：采用单片机AT89S52控制，且5V 供电，符合工作条件。

（2）数据测量模块：采用阻抗-相角法实现。

（3）A/D 采样模块：采用凌阳单片机内部AD
（5）语音播报模块：采用凌阳单片机集成语音播报
（4）显示模块：采用LCD12864液晶屏显示。

3.1单元电路设计
3.1.1 数据测量电路
采用阻抗-相角法把电子元件的集中参数R 、L 、C 转换成频率信号f,然后用单片机计数后在运算求出R 、L 、C 的值。

1）测量电阻：
电阻的测量采用"脉冲计数法"，如下图所示由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电阻的大小。

该电路可以测出量程在100Ω～2M Ω的电阻。

该电路的振荡周期为：
12(2)()(2)(2)(2)x x x T t t In R R C In R C In R R C =+=++=+
其中1t 为输出高电平的时间，2t 为输出低电平的时间。

图2 测电阻多谐振荡电路
为了使振荡频率保持在10~100KHz 这一段单片机计数的高精度范围内，需选择合适的C 和R 的值。

取120,2200R K C pf =Ω=，得到)2()2(ln 1X R R C f +=， 我们将电路分为两档：
1．100Ω≤Rx ≤1000Ω：I/O2为高电平输出，I/O4为低电平输出，R1=20K
Ω,C2=2200pf.此时 (6.56(16))/(2*)330/2Rx e fx =+-,相应的电阻范围在
2.8K-16K
2．1000Ω≤Rx ≤1M Ω:I/O1高电平输出，I/O3为低电平输出，R2=330
Ω,C2=0.01uf.此时(1.443(18))/(2*)(14)Rx e fx e =+-+
2）测量电容：
电容的测量同样采用"脉冲计数法"，如下图所示由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电容的大小。

图3 测电容多谐振电路
555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：测量电容的振荡电路与测量电
阻的振荡电路完全一样。

取R11=R12=91K ，则13(ln 2)X f RC =
，其分析过程如测量电阻的方法一样。

最后测得电容的范围为10Pf —10uF 可以满足精度要求。

3）测量电感：
电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的，如图所示。

图4 电容三点式振荡
振荡公式：f = 4545
C C C C C =+ 则电感的感抗为：2214L f C
π= 在测量电感的时候，随着电感值的降低，其频率越来越高，最小的 1.2uH 电感频率达到4.3MHz 左右，而单片机的最大计数频率大约为500KHz ，在频率方面达不到测量电感频率，于是我们把测电感的电容三点式电路得出的频率经过74LS197对该频率进行16分频满足单片机计数要求。

3.1.2语音播报电路
语音播报测量结果，当测试结果显示相对较稳定后开始播报测试结果。

具体电路如下图所示：
图5 凌阳语音播报电路
3.1.3液晶显示电路
LCD12864液晶屏有串行和并行两种工作方式，并行占用的I/O 口较多（8个数据端口和3个控制端口），而串行只需要两个I/O 口（1个时钟端口，1个数据端口）。

考虑到AT89S52单片机的I/O 口只有32个，为了节省I/O 口，我们采用串行方式显示，LCD12864串行工作方式的端口连接图如图5所示，SID 为串行数据端口，SCLK 为串行时钟端口。

图5 LCD12864串行工作方式端口连接图3.2系统软件设计
软件设计主流程如下图所示：
图6 软件设计流程图
4系统测试与分析
4.1测试仪器
本次测试使用的仪器设备如表1所示
4.2测试方法与结果
4.2.1电阻测试
4.2.2电容测试
4.2.3电感测试
4.3测试分析
我们通过将电阻、电容、电感分别接至测试系统，经过理论值计算和实际测量，本次设计的RLC测量系统的精度可以达到赛题要求。

在测试电感的时候，
发现误差总是很大，经分析电感的感抗计算公式为：2214L f C
π=，第一点影响是π的值；第二点是LC 振荡电路中由于硬件之间的布线、焊接等等产生了一些杂波信号，导致计算误差。

而测试电阻和电容则误差很小，精度高。

5总结
本系统以单片机AT89S525芯片为核心部件，利用检测技术，配合软件算法成功地实现了本题的基本要求和发挥部分中除被测元件量程的自动切换外的所有功能。

系统的设计难点在于如何对电阻、电容、电感进行区分和自动测量，同时对于不同的电抗元件值的大小进行量程的切换。

本次设计的创新之处，通过A/D 采样实现对接入的电抗元件进行高速精确测量，同时对实时插入的电抗元件，使用语音播报，实现了真正智能化的RCL 测量系统。

本电阻、电容、电感测量系统设计的不足之处在于制作的电容三点式振荡电路，精准度不高，导致在发挥部分中，测量电感以及自动切换量程时，还会出现一些误差，同时加之外界环境的干扰，使得电感的测量值无法精确的更好。

经过这四天三夜的比赛，让我对之前学习的高频原理和信号处理知识，又有了更深一步的理解，同时也深感“三电”基础知识和相关的专业理论的重要性，这些都是我们在今后的学习中需要努力的地方，而在后期的时间，我们将会继续完善作品， 6参考文献
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