电阻电容电感rlc测量仪

第六届电子设计大赛决赛设计与总结报告

目录

摘要 (3)

关键词 (4)

1 引言 (4)

2 方案设计 (4)

2.1 设计思路 (4)

2.2 方案的论证与比较 (5)

2.2.1 电阻测量电路的选择 (5)

2.2.3 电感测量电路的选择 (7)

2.2.4 多路选择开关电路 (7)

2.2.5 控制部分 (8)

3 系统设计 (8)

3.1 总体设计 (8)

3.2系统硬件电路设计 (9)

3.2.1 测Rx的振荡电路 (9)

3.2.2 测Cx的振荡电路 (10)

3.2.3 Lx的电容三点式振荡电路 (10)

3.2.4 通道选择和控制模块 (11)

4 系统测试 (12)

4.1 硬件测试 (12)

4.2.3 电感的测量 (13)

5．总结 (14)

参考文献 (15)

电阻、电容、电感测量仪的设计

摘要

本设计以89S52单片机控制为核心，利用LM555定时器组成RC多谐振荡电路测量电阻、电感和电容的三点式振荡电路测量电感以及利用单片机CPU 的高速强大的计算及可编程功能,采用软件查询的方法在程序开始时分别对各个信号通道进行查询通过检测到的不同

情况来区分实现具有电阻、电容、电容自动辨识、自动切换以及相应器件量程的自动切换等特色，高精度智能化的测量，并对测量结果进行显示。

关键词

单片机LM555多谐振荡电路电容的三点式振荡电路CD4052 74LS197

1 引言

测量电阻、电容、电感的方法各有不同,在过去电容的测量系统中,几乎都是根据普的电路原理,用一些常规的方法来测量的,它们各有其优缺点,比如把它作为阻抗的虚部来测量的,还有充电法,比例法等等,一般都存在计算复杂、精度不高、不易实现自动测量而且很难实现智能化。而本文要介绍的电阻、电容测量和前面的测量电路不同,采用“脉冲计数法”,电感测量采用电容的三点式振荡电路，它们克服了以上的一些缺点,充分利用了单片机CPU 的高速强大的计算及可编程功能,实现了电阻、电容、电容测量的精度和部分智能化等特点,而

且操作方便。

2 方案设计

2.1 设计思路

本设计中把R、L、C转换成频率信号f，转换的原理分别是RC振荡电路和LC电容三

点式振荡电路，单片机根据所选通道，向模拟开关送两路地址信号，取得振荡频率，作为单片机的时钟源，通过计数则可以计算出被测频率，再通过该频率计算出各个参数。然后根据

所测频率判断是否转换量程，或者是把数据处理后，把R、L、C的值送数码管显示相应的参数值，利用编程实现量程自动转换。

因此，本系统包括控制器部分、测量部分（RC震荡电路、电容的三点式振荡电路、分频电路）、通道选择部分。如下图1所示：

图1 系统框图

不管电阻、电容、电感中哪一个器件接入两引脚端，都会产生一定的频率f ，即元件集中参数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，并送显示，转换的原理分别是RC 振荡和LC 三点式振荡。其实，这种转换就是把模拟量进拟地转化为数字量，频率f 是单片机很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于使仪表实现智能化，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。

2.2 方案的论证与比较

2.2.1 电阻测量电路的选择

方案一：电阻R 的测试方法最多。最基本的就是根据R 的定义式来测量。分别用电流表和电压表测出通过电阻的电流和通过电阻的电压，根据公式/R U I 求得电阻。这种方法要测出两个模拟量，不易实现自动化。而指针式万用表欧姆档是把被测电阻与电流一一对应，由此就可以读出被测电阻的阻值，这种测量方法的精度变化大，若需要较高的精度，必须要较多的量程，电路复杂。

方案二：RC 振荡电路法。LM555和电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定高低电平和放电开关管的通断。图中，LM555和Ra 、Rb 、C

构成多谐振荡器，引脚2和6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路也不需要外加触发信号，利用电源通过Ra 、Rb 向C 充电，以及C 通过Rb 放电，使电路产生振荡。电容C 在（1/3）VCC 与（2/3）VCC 之间充放电。

本次竞赛的目的是让我们自己做个能进行相关器件的测量仪器，是探求仪表内部黑匣子的电路原理，故第一种组成多谐振荡电路输出的频率很稳定，因此方案二是可行的，我们选择方案二方案肯定是不行的，而用LM555定时器。

2.2.2 电容测量电路的选择

方案一：电桥法。测量电器元件L 、C 的最典型的方法是电桥法（如图1）。

电阻用直流电桥，现在测量电容要用交流电桥。

图 2 交流电桥 12()()

12n x j j n x Z Z e Z Z e ϕϕϕϕ⋅+⋅+⋅⋅=⋅⋅

通过调节阻抗1Z 、2Z 使电桥平衡，这时电表读数为零。根据平衡条件以及一些已知的电路参数就可以求出被测参数。用这种测量方法，参数的值还可以通

过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。

方案二：应用RC 振荡电路法。此方法和测量电阻的电路是一样的，在测量中可以分两个量程：

第一量程的电阻取值是R1 =10K 时；

则 f=1/ ln2(R1+2R2)Cx

故 Cx=1／ ln2(R1+2R2)f

第二量程电阻取值是R1 =510K ，公式是一样 。

2.2.3 电感测量电路的选择

方案一：电容的三点式振荡电路。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。三点式电路是指：LC 回路中与发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的，另外一个电抗元件必须为异性质的，而与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式电路，成为电容三点式电路。 在这个电容三点式振荡电路中，C1、C2分别采用1000pF 、2200pF 的独石电容，其电容值远大于晶体管极间电容，可以把极间电容忽略。

振荡公式：

f = C=C1*C2/(C1+C2)

则电感的感抗为

221

4L f C π=

在测量电感的时候，发现电感起振频率非常的高，大致到达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对该频率进行二分频满足单片机计数要求。

2.2.4 多路选择开关电路

方案一：选用CD4052四选一模拟开关芯片随着社会的发展，单片机的应用更加深入，而且89S52单片机有32个引脚可作为I/O 端口使用，操作更加灵活，对许多芯片控制很方便。由于对三种元件测量中各电路只有一个输出端，共有三路输出，而每次只有一路经通道选择读入单片机进行处理。将芯片的第9和10引脚接单片机的P1.3和P1.4口，第13引脚输入频率X 或Y 通道和P3.5相接。因此，我们可以选择CD4052四选一模拟开关芯片，只是这种电路非常简单、实用。

方案二：选用CD4051。CD4051是八选一模拟开关，它与CD4052是同一类型的芯片，可以选择是因为在作为频道选择的同时，还能对起始阶段为了便于测量而预置的端口整合到