简易电阻、电容、电感测量仪

简易电阻、电容、电感测量仪总述本文先对设计功能及要求进行了阐述，然后提出要完成该功能的设计方案，最后综合考虑之后选定方法，再对电阻，电容，电感的测量电路进行设计。本设计是利用单片机来实现测试的，其中电阻和电容是采用555多谐振荡电路产生的，而电感则是根据电容三点式产生的，从而实现各个参数的测量。在电阻的测量电路中，我们把它分为两档来进行测量，并用单片机来驱动继电器以实现，这样，一方面测量精度较高，另一方面便于使仪表实现智能、自动化。示意框图示意框图电阻测试模块电路方案一:电阻分压法。将待测电阻Rx和基准电阻R串联在电路中。由于电阻分压的作用，当串联到电路上的电阻Rx的值不同时其Rx上分的压降也不同。通过测量上Vx便可求得Rx。电路图如下：)(XXXVVCCRVR该方案原理简单，理论上只要参考电阻精确，就可以测量任何阻值的电阻，但实际上由于AD的分辨率有限，当待测电阻的很大或是很小时就很难测出Rx上的压降Vx，从而使测量范围缩小，要提高测量范围和精度就需要对电阻分档测试和提高AD的分辨率。这无疑会增加系统的复杂性和成本。方案二：利用RC充电原理。根据电路原理电容充电的时间常数τ=RC。通过选择适当的参考电容，通过测量充电到一个固定电压时所需的时间即可以测量出相应的电阻阻值。此方案中当电阻值过小时，充电时间很短，普通的微处理器难以测量，同时通过实际测试发现当电阻太大时充电时间和电阻的大小线性度变差，这将导致测量误差增大。这些因素导致电阻测量范围较窄。方案三：利用直流电桥平衡原理的方案根据电路平衡原理，不断调节电位器，使得电表指针指向正中间。由R1*R4=R3*R2.在通过测量电位器电阻值，可得到R4的值。方案四：利用RC和555定时器组成的多谐振荡电路。通过测量输出振荡频率的大小即可求得电阻的大小，如果固定电阻值，该方案硬件电路实现简单，通过选择合适的电容值即可获得适当的频率范围，同时输出波形为TTL电平的方波信号所以不需要再对信号做电平变换。即可直接供数字电路处理。555定时器构成多谐振荡器根据555定时器构成多谐振荡器，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得出频率，通过公式换算得到电阻阻值。由f=1/[(R1+2R2)*C*In2]得到公式：R2=1/2*[1/(f*c*Ln2)-R1]上述四种方案从对测量精度要求而言，方案一的测量精度极差，方案二电阻测量范围较窄，方案三需要测量的电阻值多，而且测量调节麻烦，不易操作与数字化，相比较而言，方案四还是比较符合要求的，由于是通过单片机读取转化，精确度会明显的提高。故本设计选择了方案四。电容测试模块方案一：直接通过串联路原理。通过电容换算的容抗跟已知电阻分压，通过测量电压值，再经过公式换算得到电容的值。原理同电阻测量的方案一。方案二：同电阻测试方案二，利用RC充电原理，通过测量充电时间来测量电容大小。此方案下测量大电容较准，但在电容容量较小时，电容在极短的时间内就能充满，即充电时间较短，所以很难测准。方案三：交流电桥平衡原理计算公式如下：方案四：同样利用RC和555定时器组成的多谐振荡电路，通过测量输出振荡频率的大小即可求得电容的大小，如果固定电阻值，该方案硬件电路实现简单，能测出较宽的电容范围，完全满足题目的要求。同时输出波形为TTL电平的方波信号所以不需要再对信号做电平变换。即可直接输入单片机处理。由f=1/[(R1+2R2)*C*In2]得到公式：Cx=1/[c*Ln2(R1+2*R2)]综上所述，本设计采用方案四，用低廉的NE555构建RC多谐振荡电路。电感测试模块方案一：采用平衡电桥法测量电感。、将待测电感和已知标准电阻电容组成电桥，通过单片机控制调节电阻参数使电桥平衡，此时，电感的大小由电阻和电桥的本征频率即可求得，该方案测量精准，同时可以测量电容和电阻的大小，但其电路电路复杂，实现起来较为困难。方案二谐振法测量方案三：用555定时器和被测电感利用电感储能以及充放原理构成多谐振荡器，通过测频率值确定被测电感的值。该方案电路结构简单，输出波形为TTL电平的方波信号，简单分频后可获得较为理想的测试频率范围，方便单片机精确测量。方案四:采用LC配合三极管组成三点式震荡振荡电路。通过测输出频率大小的方法来实现对电感值测量。该方案成本最低，但其输出波形为正弦波，需要将其波形整形后才能交给处理器处理，成本稍微高了。LCC*21C2*C1210f21C2*C1212CCfL根据电容三点式公式从而可得电感的计算公式综上所述，原本采用方案三设计，由于误差太大，所以最终采用了方案四的电容三点式振荡振荡电路，把输出的正弦波整形后再交给处理器来处理。频率测量模块方案一：直接测频法。在确定的闸门时间内，利用计数器记录待测信号通过的周期数，从而计算出待测信号的频率。此方案对低频信号的测量精度很低，较适合于高频信号的测量。方案二：测周法。以待测信号为门限，记录在此门限内的高频标准时钟的数量，从而计算出待测信号的频率。但被测信号频率过高时，由于测量时间不足存在测量精度不够的问题。此方案适合于低频信号的测量。方案三：等精度测量法。其精确门限由被测信号和预控门共同控制。测量精度与被测信号的频率无关，只与基准信号的频率和稳定度有关，因此可以保证在整个测量频段内测量精度不变。但此方案的实现需要FPGA等专门的芯片配合单片机才能实现精确的测量，系统较为复杂，成本较高。综上所述，本设计采用直接测频法。显示模块方案一：采用点阵式液晶显示器（LCD）显示。方案二：采用发光二极管（LED）显示。由于led只能显示简单的数字与简单的特殊字符，若需要显示的测量量多，而且测量的量程范围大时，明显led无法方便明了的显示，所以采用的是lcd1602液晶显示，1602具有低功耗节能的作用，而且能够更好的显示出我们所需要的测量显示。系统方案概述系统设计总框图总体设计思路本设计是基于单片机AT89S52智能处理，根据单片机的外接按键控制测量电路的选择，通过ne555定时器构成的多谐振荡器和电容反馈式三点式构成的振荡电路长生的一定频率的波。再通过单片机的I/O口对高低电平的捕获读出频率，再通过程序算法处理换算成电阻电容电感的值，然后再通过单片机送给1602液晶显示。RLC简易测量仪设计的关键问题是：如何完成RLC的测量。RLC简易测量仪设计的核心问题是：如何产生转化电路输出频率。单元电路设计电阻测量电路电阻的测量采用“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。555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：T=t1+t2=（ln2）（R1+Rx）*C1+（ln2）Rx*C1得出：即：电路分为2档:100≤Rx1000欧姆：IOA5设置为高电平输出，IOA7设为低电平输出；R2=330欧姆；C2=0.22uF；Rx=｛(6.56*(1e+6))/(2*fx)-330｝/2对应的频率范围为：2.8K≤fx16K1000≤Rx1M欧姆：IOA6设置为高电平输出，IOA8设为低电平输出。R1=20k欧姆；C1=1000PF；Rx=(1.443*(1e+8))/(2*fx)-(1e+4)电容测量电路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。555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：T=t1+t2=（ln2）（R1+R2）*Cx+（ln2）R2*Cx我们设置R1=R2;得出：即：电路分为2档:R1＝510K欧姆：IOA10设置为高电平输出；R4=R6；Cx=(0.94*(1e+6))/fx;对应的频率范围为：9.4K≤fx0.94KR1＝100K欧姆：IOA9设置为高电平输出；R5=R6；Cx=(4.81*(1e+6))/fx;对应的频率范围为：480Hz≤fx4.8KHz电感测量电路电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的。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。得出：即：按键电路按键和二极管分别表示不同类别的测量，如下表按键二极管对应测试项KEY1L1测试低电阻KEY2L2测试高电阻KEY3L3测试CKEY4L3测试L按键电路液晶显示电路软件设计程序流程框图总体实物图附录CD4052基本原理CD4052是一个差分4通道数字控制模拟开关，有A、B两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰峰值至20V的模拟信号。例如，若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V的模拟信号，这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关，当INH输入端=“1”时，所有通道截止。二位二进制输入信号选通4对通道中的一通道，可连接该输入至输出CD4052引脚功能说明引脚号符号功能1245IN/OUTY通道输入/输出端11121415IN/OUTX通道输入/输出端910AB地址端3OUT/INY公共输出/输入端13OUT/INX公共输出/输入端6INH禁止端7VEE模拟信号接地端8Vss数字信号接地端16VDD电源+CD4052引脚功能说明表CD4052各引脚分布图CD4052接口电路CD4052真值表CD4052是一个双4选一的多路模拟选择开关，其使用真值表如