简易电阻电容和电感测试仪的设计

“电子系统设计”

课程设计报告

设计课题：简易电阻电容和电感测试仪的设计专业班级：

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设计时间：

物理与机电工程学院

简易电阻电容和电感测试仪的设计

一、设计任务与要求

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

二、系统设计方案

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.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。

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。

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。

5. 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。

三、单元电路分析与设计

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

图2

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：

第1档：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

第2档：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