电阻电感电容测量仪报告

电阻电感电容测试仪的设计与制作
论文编号B甲1301
参赛题目电阻电感电容测试仪的设计与制作参赛学校山东理工大学
学院电气与电子工程
指导老师李震梅唐诗
参赛队员姓名吴硕刚王鹿鹿张兵联系方式
电阻电容电感测试仪的设计与制作
摘要：本文设计了一种基于单片机的数字式RCL自动测量仪。

该系统由STC89C52、DDS、自校准电路、分压及R运算电路、频率测量及控制电路、高精度交流/有效值转换电路、DAC、译码控制电路、液晶显示电路等构成，采用AD9850产生高精度的正弦波信号,采用电压比例算法推算出电阻、电容值或者电感值。

测量电路由八级标准电阻、继电器和NEC5532组成，能自动选择相应的标准电阻挡级及标准信号源的频率，完成量程的自动转换。

用单片机控制测量和计算结果,运用自校准电路提高测量精度,采用1602液晶模块实时显示数值。

实验测试结果表明,本设计性能稳定,测量精度高，超过设计要求。

关键词: STC89C52,测量，DDS，显示，频率
The Design and Manufacture of Resistance Capacitance & Inductance
Test Instrument
This paper presents a Digital Automatic RCL Meter based on MCU. This system consists of STC89C52, DDS, Self-calibration circuit, V oltage divider and RCL operation circuit, Frequency measurement and control circuit, High Precision AC / RMS conversion circuit, DAC, Decoding control circuit, and LCD display circuit. The high-precision sine wave signal was produced by AD9850, The resistance, capacitance and inductance can be calculated by voltage ratio algorithmThe measurement circuit consists of eight standard resistance, relays and NEC5532. It can automatically select the appropriate level of resistance and frequency of signal source, fulfill the automatic switch of measurement range.The measurement and calculation were controlled by chip microcomputer.The self-calibration circuit was used to improve the measurement accuracy. The real-time values were displayed by 1602 LCD module.The experimental results show that the performance of the system is stable with high accuracy; the capacity of the system is over the design requirements.
Keywords: S TC89C52, measurement, DDS, dislay, frequency
前言
电阻、电容、电感精确测量仪是实验室及工程中经常遇到的常用仪器。

而目前现有RCL测量仪，测量范围较窄。

而且它对于大电容、电感及小电容、电感的测量精度不够高、智能化程度不够好，仪器极其昂贵，限制了普通电子实验人员的使用。

随着单片机技术的发展，电阻、电容、电感的测量精度要求越来越高。

可以实现仪表测量的自动化，并能进行数据分析处理，以达到仪表的高可靠性、高精度和多功能。

本设计提出了一种利用MCS51系列的STC89C52RC单片机和DDS函数信号发生器来实现自动电阻、电容、电感的测量、Q值等。

精度高，范围宽，能显示信号频率、电压、测量时间、并有存储功能，此仪器还可以完成对其它参数的测量。

1．方案比较、论证与选择
1.1 电阻、电感、电容测量方案比较、论证与选择
(1)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。

(2)谐振法：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。

(3)伏安法：最经典的方法，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。

显然，要实现这种方法，仪器必须能进行相量测量及除法运算.
综合考虑，方案（3）综合性能优于其它两中方案，能在稳定的正弦波信号源下较为精确的测出待测元件的电阻、电容和电感的值。

所以从测量速度和测量精度双重方面考虑，方案（3）满足测量准确度要求，且电路原理简单，连线方便，成本很低。

故本设计电阻、电容和电感测量网络采用方案（3）。

1.2 信号发生器方案比较、论证与选择
(1)石英晶体振荡电路：频率计振幅稳定性较好，比较适合作为波形发生器。

但波形发生频率由晶振频率决定，频率不便于调节。

本设计要求信号连续可调，故不能达到要求。

(2)传统的直接频率合成技术(DS)：该类方法能实现快速频率变换,具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。

但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节,导致其结构复杂、体积庞大、成本昂贵,而且容易产生过多杂散分量。

(3)锁相环式频率合成器(PLL)：该类技术具有良好窄带跟踪特性,可选择所需频率信号,抑制杂散分量,且省去大量滤波器,有利于集成化和小型化。

但由于锁相环本身是个惰性环节,锁定时间较长,因而频率转换时间较D长,且由模拟方法合成的正弦波的参数(如幅度、频率和相位等) 都难以定量控制。

(4)直接数字式频率合成器(Direct Digital Frequency Synthesizer)：该类方法具有高频率稳定度，可达2的n次方个频点(N为相位累加器位数)、高频率分辨率、频率纯度高以及极短的频率转换时间（可达us量级）、输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用。

此外,全数字化结构便于集成,输出相位连续,频率、相位和幅度均可实现程控,体积小、重量轻，能够实现任意波形。

综合考虑，方案（4）各项性能和指标都优于其他几种方案，能使输出频率有较好的稳定性，能够达到的频点最多，幅值稳定性好，抗噪声效果好，控制方便。

充分体现了模块化设计的要求，而且这些芯片及器件均为通用器件，在市场
上较常见，虽价格也稍比其它信号发生器贵些，但本设计中是用正弦交流信号测量电阻、电容和电感。

对其精度有较高的要求，且其测量范围大。

所以，考虑到要求样品制作成功的可能性比较大，所以本设计正弦信号发生器采用方案（4）。

2．总体方案设计
图1.系统原理总框图
系统原理总框图如图1所示，该系统由STC89C52、标准正弦波产生芯片、标准电阻电容或电感串联分压电路（RCL分压网络）、精密运放电压跟随器、高精度交流/有效值转换电路（AD637）、ADC模数转换电路、运放NE5532、波形整形及频率测量电路、1602液晶显示。

通过单片机控制DDS芯片产生标准正弦波。

将DDS产生的正弦波信号接标准电阻、电容或电感串联分压电路，待测元件（电阻、电容或电感）接入测量网络，经过电压跟随电路采集出RCL分压网络中标准电阻两端的电压值，经过继电器开关送到AD637高精度电压有效值转换芯片，通过AD模数转换将RCL分压网路电路的标准电阻两端的电压有效值输入单片机中。

另外，当单片机开机、复位或通过按键控制时，单片机通过波形整形及频率测量电路DDS产生的正弦波信号的频率进行高精度测量。

单片机记录其频率值。

通过将单刀双掷开关打向DDS正弦波发生器输出端测量DDS函数发生器产生的正弦信号的有效值。

并将此有效值记录在单片机中。

另外通过单片机控制测量网络自动选取适当的标准电阻，以减小测量误差。

3．单元模块设计
2.1 单片机控制部分的原理及设计
图2.单片机控制模块框图
本设计方案以STC89C52RC控制其它各模块的正常运行，通过按键控制让单片机对不同种类的电子元件进行测量，对于给定的元件（电阻、电容或电感），通过按键使单片机识别所测元件的类别。

然后单片机通过标准电阻、电容或电感分压电路估测所测元件的值。

尔后单片机根据估测的值自动与自身程序中设置的档位进行对比判断，控制选择最适合的正弦信号频率值和电阻、电容或电感分压电路中标准电阻的阻值，再进行一次测量，输出测量结果，通过单片机1602液晶显示器显示出来，这样可以减小计算误差。

另外，单片机对DDS信号输出端进行电压频率和幅值分别进行进行采集，这样更能精确的测出DDS输出端输入到电阻、电容或电感分压电路的精确值。

也可以减小单片机的测量误差。

2.2 DDS全数控函数信号发生器设计
测量信号产生电路AD9850 芯片是美国ADI 公司生产的高集成度DDS ,接上精确的时钟源,采用单片机控制,可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦信号。

此正弦信号可直接用作频率信号源或转换成方波而用作时钟脉冲。

测量信号产生电路如图3所示。

AD9850 芯片有并行加载和串行加载2 种方式,图2所示是串行加载电路连接图。

单片机只需要4 根信号线就可以对AD9850 编程。

DATA_IN 是数据加载串行输入线,FQ_UD 和W_CL K是2 根时钟控制线,控制DA TA _IN引脚上数据输入的时序,RESET 是AD9850 芯片的复位线。

在125 MHz 时钟下,输出正弦信号和脉冲信号的频率范围为0. 291 Hz～40 MHz ,可通过编程任意输出其间的频率值,使用方便,频率准确度高。

图3.DDS数控函数信号发生器电路图
2.3标准、电容或电感串联分压电路设计
电阻、电容或电感串联分压电路（RCL 分压网络）框图所示，其中R S 为100欧姆的精密电阻，R 0~R 7为标准精密电阻。

V CC
控制
1．电阻测量原理
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,其原理是在待测电阻R x 与标准电阻R b （在电路中为R 1或R 2等表示）的串联电路中加一交流电压.
1U , 标准电阻R b 上电压为.
2U
=
=
.1
.
2U U A x
s b b
R R R R ++
x R =
S b R R A
R --b
2．电容电感测量原理
由于电容和电感属电抗元件,因此需要采用直流信号与交流信号结合的方法，以此来减小测量误差。

加入直流信号测量电容的内阻r ，加入交流信号测量电容，标准电阻R b 上电压为U 2，U 1为直流电压，A 为输出电压与输入电压之比，有
12
U U A =
=r
R R R ++s b b r =
S b R R A
R --b
图4. 标准、电容或电感串联分压电路
在角频率为ω的交流信号.1U 的作用下, 标准电阻R b 上电压为.
2U ，得
.
u =
A .
1
.
2U U =
X
s b b
j 1
G C R R R ++
+ω
令s b R R +=R .
u u A A ==
.
i
.
o U U 则：
=2
u
b A R 22x 2
2x 2x )()1(x
G C RG RG +++ωω 令
=2
u
b A R a 2X )1(+RG =b
a 2x G +a 2
x 2C ω=b+2
R
2x 2C ω
待测点容为
x C =
ω12
2
R a aG b x
--
3．电感测量原理
电感测量原理与电容非常相似，加入直流信号测量电感的内阻r ，在角频率为ω的交流信号的作用下,电感获得的电压为：
.
u A =
.
i
.
2U U =
L
j R R R R ω+++x s b b
=
=.
u u A A 2
2
s b 2b
)
()(L R R R R ω+++
b R =u A 222
u 2s b )( )(L A R R R ω+++
待测电感为
L =
ω
u 2
s b 2
u 2
b )(A R R R A R ++-
4．测量算法及仿真
R b 为R 0~R 7八个高精度标准电阻。

由上面电容电感的表达式可以看出本设计要求ω具有高稳定度。

因此，为提高测量精度，扩大可测量范围，本设计DDS 信号发生器是最为理想的信号发生器。

测量算法：电阻的测量是单片机首先默认选取一个标准电阻，频率为1kHz, 首先粗侧出待测元件的电阻, 然后将此值与程序中设好的各频段测量进行对比，判断出所测电阻所在的
档位，再控制LRC 分压网络将控制相应档位的电磁开关接通，进行高精度测量。

电感测量中，首先选择一个默认频率，如200 KHz ，初测电感，然后将此值与程序中设好的各频段测量进行对比，判断出所测电感所在的档位，再控制LRC 分压网络将控制相应档位的电磁开关接通，同时调整DDS 信号的频率，再进行高精度测量，以此减小测量误差。

通过以上算法，采用MULTISIM9仿软件，得出电阻、电感、电容测量仿真结果如表1、
表2、表3所示。

表1电阻测量仿真结果
加入f =1000Hz ，有效值3.536V 正弦波，测量电阻仿真结果如表所示:
表2电感测量仿真结果
信号源频率 信号源频率 Ui/V Uo/V 档位 测量电感值Lx 电感的内阻值Rx/ohm
相对误差
序号 电阻标称值/Ω U i /V U o /V 档位 测量电阻值/Ω 误差% 1 1.0_5% 3.536 1.759 100 1.0233 2.3309 2 100_1% 3.536 1.414 100 100.14 0.1414 3 1.0K_1% 3.536 1.607 1.0K 1000.37 0.0373 4 1.40K_1% 3.536 1.414 1.0K 1400.707 0.0505 5 5.62K_1% 3.536 0.518 1.0K 5626.25 0.111 6 14.7K_1% 3.536 1.437 10.0K 14406.82 -1.99 7 249K_1% 3.536 1.011 100K 249552 0.2219 8 649K_1% 3.536 1.560 510K 645900 -0.4776 9 1.6M_5% 3.536 1.368 1M 1584695.32 -0.9565
表3电容测量仿真结果
序号 信号源频率 电容标称值 U i /V U o /V 档位 测量电容值 误差% 1 200Khz 5.6pf 3.536 2.042 100K 5.6293pf 0.5232 2 150khz 10pf 3.536 2.432 100k 10.062pf 0.62 3 150khz 100pf 3.536 2.454 10k 103.245pf 3.245 4 150khz 1nf 3.536 2.327 1k 1.012nf 1.2 5 10khz 10nf 3.536 1.843 1k 10.125nf 1.25 6 1khz 100nf 3.536 1.828 1k 100.026nf 0.026 7 1khz 1uf 3.536 1.383 100 0.9992uf 0.08 8
100hz
10uf
3.536
1.383
100
9.9921uf
0.008
2.4 真有效值测量电路
真有效值测量电路如图5所示，由于AD637 的输入阻抗较低,为了降低其分压带来的误差,被测的交流电压通过精密运放NE5532 构成的电压跟随器,然后才通过高精度交流/ 有效值转换芯片AD637转换成有效值,经过ADC 转换成数字信号,在单片机中完成比例运算,最后得到电容值或者电感值。

POT1
s i n e _f u d u
图5. 真有效值测量电路
2.5信号频率测量及幅度调节电路设计
J?
信号频率测量及幅度调节电路设计如图6所示。

选用NE5532组成的可调放大电路，实现对DDS 输出幅度的调节，由于信号发生器的频率范围为1 HZ -1HZ ，单片机内部晶振频率是12M HZ ，所以可测得的最高外部频率信号为0.5M HZ,为了进行频率的测量，选用74LS14对信号进行整形，采用二进制计数器74ls161对信号进行四分频，最后由单片机计算信号的频率。

2.6 自校准电路
自校准原理图如图7所示:用于消除设计中放大器增益和零漂变化对测量结果影响，步骤如下：
第1 步,校零。

输入信号接地,开关位置在1 处。

输出电压值为U 1 ,假设NE5532 的增益为G , S 为折算到输入端的由放大器增益和零点漂移变化引起的
图6. 信号频率测量及幅度调节电路 图7. 自校准调节电路
变化的数值,则有:
U1 = G×S (7) 第2 步,标定。

输人信号为标准直流电压值Ur ,开关
位置在1 处。

放大电路的输出值为U2 :
U2 = G×(U r+ S) (8) 第3 步,测量。

输人信号为待测信号U x,由于是交流电压,需要先经过AD637 芯片,开关位置在2 处。

放大电路的输出值为U3 :
U3 = G×(U x+ S) (9)
由式(7) ～(9) 可以得到:
U x= (U3 - U1) / (U2 - U1) ×U r(10)
从式(10) 可以看出,已消除放大器漂移变化带来的误差影响。

因此,在测量过程中,把U1、U2、U r和U3的值分别存储于系统的内存中,利用式(10) 就可以实现自校准。

自校准实现了本仪器的高精度测量。

3. 5 1602 液晶模块显示电路
液晶显示主要显示DDS信号发生时，信号源的输出频率、峰值。

被测量元件的类型、参数、量纲，（电感元件显示Q值）。

通过换屏显示最近10次的测量结果。

待机画面进行时钟显示。

4．软件设计
软件设计总框图
图8.软件设计总框图
软件框图如图8所示软件由六部分组成：（1）DDS频率输出程序；(2)DDS 幅值输出程序（3）连续测量的11次输出结果存储与输出程序（4）控制测量程序，单片机控制测量程序不仅担负着量程的识别与转换，而且还负责数据的修正与传输；因此MCU的工作状态也就是主控制器的工作状态直接决定着整个测量系统能否正常工作，所以控制测量程序对整个测量来说至关重要；
（5）电阻电感电容计算程序；（6）1602液晶模块显示程序
1.电阻测量程序，待测电阻先与基准电阻分压，此电压通过AD637输出有效值，
通过AD芯片（sc5511），然后经过单片机控制算法得出待测参数的最终精确值，由1602显示输出。

2.电感测量程序，先送一个直流得出电感的内阻，此时直接通过sc5511AD转换
芯片将前级所得的基准电压值转换成数字量，通过单片机算法得其电感内阻，然后送高频并经过与测量电阻相同的系统过程送到单片机通过算法得出L的最终精确测量值，经过1602显示输出。

3.DDS频率输出程序，因为DDS输出非常稳定的脉冲信号，可以通过单片机的
中断来计数和定时，从而得出稳压电源的频率，通过1602显示出来，并且通过按键来改变DDS的值，使其频率连续可调。

4.DDS幅值输出程序, 先将后续电路通过单片机控制IO断开，使DDS先后通过
AD637和sc5511，然后经过单片机控制由1602显示输出。

5.连续测量的11次输出结果存储与输出程序, 将每次测得的结果由数组存储
到单片机内，通过按键来控制其输出显示。

6.1602显示程序，将显示结果分为两个界面，一个界面显示时钟及待测元件结果，
另一个显示稳压电源的频率及幅值，通过按键来切换，时钟更改以及频率调节都通过设定的按键来改变。

5．测试方案与测试结果
5.1 测试仪器及条件
(1). 测试仪器
所需测试仪器，如表4所示。

(2) 测试条件：室温。

5.2 测试方案、结果及分析
实际测量电阻结果如表5所示，实际电感测量值如表6所示，实际电容测量值表7所示。

表5 实际测量电阻
序号电阻标称值/ΩYD2817测量值测量电阻值/Ω误差%
1 1.0_5% 1.0233 1.0254 2.54
2 100_1% 100.14 100.3
3 0.33
3 1.0K_1% 1000.37 1000.78 0.078
4 4.7K_1% 4705.707 4708.747 0.1702
5 5.6K_1% 5626.25 5628.43 0.5071
6 14K_1% 14406.82 14406.96 2.99
7 249K_1% 249552 249573 0.2301
8 649K_1% 645900 645953 0.469
9 1.6M_5% 1584695.3 1584732.3 1.527
10 5.1M_5% 5226253.6 5226274.6 2.476
11 10M_5% 10621000 10621033 6.21
表6实际电感测量值
YD2817电感测量值测量内阻值/Ω误差%
序号电阻标称值
/Ω
1 1.0_5% 1.0233 1.0254 2.54
2 100_1% 100.14 100.3
3 0.33
3 1.0K_1% 1000.37 1000.78 0.078
4 4.7K_1% 4705.707 4708.747 0.1702
5 5.6K_1% 5626.25 5628.43 0.5071
6 14K_1% 14406.82 14406.96 2.99
7 249K_1% 249552 249573 0.2301
8 649K_1% 645900 645953 0.469
9 1.6M_5% 1584695.3 1584732.3 1.527
10 5.1M_5% 5226253.6 5226274.6 2.476
11 10M_5% 10621000 10621033 6.21
表7 实际电容测量值
序号标称值YD2817测量值测量结果相对误差(%)
1 1pf 1.0434pf 1.0621pf 6.21
2 6.2pf 6.352pf 6.5367pf 5.43
3 30pf 28.464pf 28.929pf 3.57
4 68pf 70.005pf 70.183pf 3.21
5 100pf 97.889pf 97.531pf 2.47
6 300pf 295.37pf 293.85pf 2.05
7 470pf 475.98pf 477.192pf 1.53
8 910pf 918.44pf 922.467pf 1.37
9 1nf 0.9776nf 0.9883nf 1.17
10 47nf 46.775nf 46.523nf 1.02
11 100nf 99.663nf 99.052nf 0.95
12 300nf 302.43nf 302.73nf 0.91
13 620nf 624.56nf 627.626nf 1.23
14 910nf 901.67nf 898.443nf 1.27
15 1uf 1.0246uf 1.0151uf 1.51
16 4.7uf 4.573uf 4.782uf 1.74
17 6.8uf 6.848uf 6.935uf 1.99
18 10uf 9.799uf 9.756uf 2.44
1.测试方案
根据题目要求，需测试单片机控制DDS输出通过放大器后正弦信号的频率和幅度的有效值、能否达到输出信号频率1Hz~1MHz,测量电阻1Ω~5MΩ、电容10pF~10uF、电感10uH~100mH。

测试方法如下：
2.用示波器测试的方法
(1)用示波器测试DDS输出电压频率：给单片机及DDS供电，调节单片机键盘控制，调整使用信号发生器在放大器的输入端输出信号，用示波器进行测量，对比液晶显示器上出现的频率值是否与示波器上的频率显示值相等。

(2)用示波器测试DDS输出电压经NE5532放大后的电压幅值：用示波器测量DDS放大后的幅值，换算成有效值后，与液晶显示器上的显示的有效值进行对比，算出误差。

(3)用实验成品测试标准电阻、电感、电容与标称值并记录其标称值与测量值。

处理数据，算出误差，检测实验成品精度。

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