简易数字式电阻、电容和电感测量仪设计报告

简易数字式电阻、电容和电感测量仪设计报告

简易数字式电阻、电容和电感测量仪设计报告

摘要：本系统利用TI公司的16位超低功耗单片机

MSP430F149和ICL8038精密函数发生器实现对电阻、电容和电感参数的测量。本系统以自制电源作为LRC数字电桥和各个主要控制芯片的输入电源，并采用ICL8038芯片产生高精度的正弦波信号流经待测的电阻、电容或者电感和标准电阻的串联电路，通过测量电阻、电容或者电感和标准电阻各自的电压，利用电压比例计算的方法推算出电阻值、电容值或者电感值。利用MSP430F149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，同时用差压法，消除了电源波动对结果的影响。测量结果采用12864液晶模块实时显示。实验测试结果表明，本系统性能稳定，测量精度高。

关键词：LRC数字电桥、电压比例法、液晶模块、

MSP430F149、电阻电容电感测量

目录

一、设计内容及功能 (1)

1.1设计内容 (1)

1.2 具体要求 (2)

1.3系统功能 (2)

二、系统方案设计与选择 (2)

三、系统设计 (3)

3.1系统总体设计 (3)

3.2系统模块设计 (4)

四、理论分析与计算 (5)

五、系统硬件设计 (5)

5.1 电源电路 (5)

5．2 LRC测量电路 (6)

5.3 整流滤波电路 (6)

六、系统软件设计 (8)

6.1 控制测量程序模块 (8)

6.2 按键处理程序模块 (8)

6.3电阻电感电容计算程序 (9)

6.4液晶显示程序模块 (10)

七、系统测试 (10)

7.1 测试原理 (10)

7.2 测试方法 (10)

7.3 测试仪器 (10)

7.4 测试结果 (10)

7.5 测试分析 (11)

八、系统总结 (12)

附件一、本系统的主要程序 (12)

一、设计内容及功能

1.1设计内容

设计并制作一台简易数字式电阻、电容和电感参数测量仪，由测量对象、测量仪、LCD显示和自制电源组成，系统模块划分如下图所示：

1.2 具体要求

1. 测量范围

（1）基本测量范围：电阻100Ω～1MΩ；电容100pF～10000pF；电感100μH～10mH。

（2）发挥测量范围：电阻10Ω～10MΩ；电容50pF～10μF；电感50μH～1H。

2. 测量精度

（1）基本测量精度：电阻±5% ；电容±10% ；电感±5% 。

（2）发挥测量精度：电阻±2% ；电容±8% ；电感±8% 。

3. 利用128*64液晶显示器，显示测量数值、类型和单位。

4. 自制电源

5. 使用按键来设置测量的种类和单位

1.3系统功能

1. 基本完成以上具体要求

2. 使用三个按键分别控制R、C、L的测试

3. 采用液晶显示器显示测量结果

二、系统方案设计与选择

电阻、电容、电感测试仪的设计目前有多种方案可以实现，例如、使用可编程逻辑控制器(PLC)、振荡电路与单片机结合或CPLD与EDA相结合等等来实现。在设计前本文对各种方案进行了比较：

方案一.基于模拟电路的测量仪

利用模拟电路，电阻可用比例运算器法和积分运算器法，电容可用恒流法和比较法，电感可用时间常数发和同步分离法等，虽然避免了编程的麻烦，但电路复杂，所用器件较多，灵活性差，测量精度低，现在已较少使用。

方案二.可编程逻辑控制器(PLC)

此方案采用PLC对硬件进行控制，应用较为广泛。它能够非常方便地集成到工业控制系统中。其速度快，体积小，可靠性和精度都较好，在设计中可采用PLC对硬件进行控制，但是用PLC实现价格相对昂贵，因而成本过高。

方案三.采用CPLD或FPGA实现

此方案则采用广泛应用的VHDL硬件电路描述语言，实现电阻，电容，电感测试仪的设计，利用MAXPLUSII集成开发环境进行综合、仿真，并下载到CPLD或FPGA可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。但相对而言设计规模大，系统结构复杂。

方案四.利用LRC数字电桥与单片机结合

利用LRC数字电桥将电阻、电容和电感参数转化为电压模拟信号，此模拟量由高精度AD转换芯片转换为数字量。这样由单片机处理数字量，能够满足测量精度高、易于实现自动化测量等设计需要，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性、系统扩展、系统配置灵活，容易构成各种规模的系统。通过对上述方案的比较，利用LRC数字电桥与单片机结合实现电阻、电容、电感测试仪更为简便可行，节约成本。所以，本文选定以单片机为核心来实现对电阻、电容和电感测量的设计。

三、系统设计

3.1系统总体设计

本系统包括硬件设计和软件设计两部分内容。

硬件设计主要分为七部分：第一部分采用AMS1117芯片制作的电源，输出稳定的3.3V电压。第二部分为ICL8038芯

片产生正弦波。第三部分用RC和RL电路实现LRC数字电桥的功能。第四部分是对正弦波进行精密滤波的功能。第五部分利用MSP430F149单片机自带的AD实现模拟信号转换为数字信号的功能。第六部分为MSP430F149单片机接收转换后的数字信号并做相应的处理，根据按键状态控制测量的类型和单位。第七部分为测量结果显示部分，采用的是128*64液晶显示器。

系统硬件总体框图如下：

图1 系统硬件总体框图

软件由4 部分组成：(1) 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和传输;因此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; (2) 按键处理程序，根据按键的状态做相应的功能设置; (3) 电阻电感电容计算程序,单片机根据A/ D 转换得到的电压值计算出电阻、电感或者电容值; (4) 液晶模块显示程序。本系统的程序框图如图2 所示。

图2 程序框图

3.2系统模块设计

3.2.1 电源模块