简易电阻电容电感测试仪

编号:中南民族大学第五届大学生电子设计竞赛C题:简易电阻、电容和电感测试仪指导老师：尹建新参赛学生：******系院:电子信息工程学院专业：电子信息工程2012年5月简易电阻、电容和电感测试仪摘要：本系统以低功耗单片机为控制核心，以键盘和12864液晶屏为人机交换界面。采用DDS信号发生器产生1Vpp的正弦信号，通过单片机控制实现输出频率可调。用电流泵产生交流恒流源，流过负载（电阻、电容、电感）时产生压降，用单片机自带的数模转换芯片MSP430F149HowlandMSP430F149AD对真有效值转换芯片转换后的电压进行采样，根据欧姆定律可求出待测元件的阻抗大小，从而求得待测元件的值。关键词：测量技术(AD9850)RCL637DDSMSP430F149恒流源HowlandAD1设计任务与要求1.1基本要求（1）测量范围：电阻100Ω～1MΩ；电容100pF～10000pF；电感100μH～10mH。（2）测量精度：±5%。（3）制作4位数码管显示器，显示测量数值，并用发光二极管分别指示所测元件的类型和单位。也可用液晶显示屏显示。1.2发挥部分（1）扩大电阻、电容或电感的其中一种的测量范围：测量上限或者下限扩10倍。（2）提高测量精度，电阻、电容或者电感其中一种的测量精度提高到1%。（3）测量量程自动转换。2方案比较与论证方案一：谐振法。将待测L/C/R接入振荡电路中，通过测量RC或LC振荡频率来计算L/C/R值。将被测元器件参数转换成频率后，频率易于实现高精度测量。但此方案在振荡频率低于1MHz时，很难保证频率稳定度，故测量误差比较大。方案二：电压法。通过AD9850芯片和电流泵产生交流恒流源，交流恒流源流过待测电阻和待测电感，待测元件两端产生与待测量呈线性关系的电压值。在待测电容两端加交流电压，产生的电流流过与电容串联的取样电阻产生与电容量呈线性关系的电压值。根据欧姆定律求得待测元件的大小。方案框图如下图（1）Howland频率可调的正弦信号恒流源待测元件Howland电流泵AD9850芯片电压降压降有效值求得待测元件大小求真有效值芯片AD637数模转换芯片AD图（1）方案框图我们选择方案二，因为方案二电路结构简单，测电阻电感和电容都统一在一个主电路中，电路可靠性高、成本低。硬件档位少，因为电流值大小可以通过切换输入信号的频率来改变，输入信号由AD9850产生，其频率可以由单片机控制。3系统硬件组成硬件设计主要分为六部分：第一部分是主控制模块,采用低功耗的MSP430F149微处理器对整个系统进行控制、运算和处理，同时其自带12位数模转换芯片AD。当AD的基准电压为2.5V时,其精度达到0.06%。第二部分是DDS(AD9850芯片)产生正弦波信号模块，通过单片机可以实现频率由1~100kHz(实际需要的范围)连续变化的正弦波信号，频率稳定、失真小。第三部分是电阻电容电感测量电路模块。第四部分利用AD637芯片进行有效值转换模块，使其工作在精度为1%的情况下，第五部分是4*4独立键盘和12864液晶显示模块。第六部分是继电器开关模块。采用模块化电路有益于调试电路和资源重复利用。系统硬件总体框图如下图（2）：4*4矩阵键盘12864液晶屏MSP430F149单片机（及自带数模转换芯片AD）图（2）系统硬件组成框图4单元硬件电路设计4.1Howland恒流源电路如图（3）所示，当4321RRRR时，有：RViIo22(1）Vi为用AD9850芯片作正弦信号发生器产生的1Vpp，频率连续可调的正弦信号。有效值转换模块AD637继电器开关模块DDS模块RCL测量电路电阻测量端口电容测量端口电感测量端口图（3）电流泵Howland4.2电压采样电路我们采用电压跟随器和AD637作电压采样，电压跟随器起隔离作用，避免给测量电路引入负载。图（4）电压采样电路4.3继电器开关电路图（5）继电器开关电路4.4RCL测量电路RCL测量电路其实是同一个电路，只不过通过继电器开关的控制可以转变为测电阻、侧电感和侧电容电路。4.4.1测电阻电路图（6）测电阻电路fCoViVoRx2（2）从上式中我们可以看到我们既可以通过改变频率，也可以改变Co,使fxR两端的电压呈阶梯方式递减，相应的就将电阻测量分为了若干个档位。电阻测量档位的划分如下表（2）：表（2）电阻测量档位的划分档位信号源频率标准电容oC信号源幅值26Ω--260Ω10KHz470nF260Ω--2.6K1KHz470nF2.6K--26K10KHz4.7nF26K--260K1KHz4.7nF260K--2.6M100Hz4.7nF1VppVo2.7V026Ω260Ω2.6K26K260K2.6MRx图（7）电阻值和电阻两端电压关系曲线4.4.2测电容电路图（8）测电容电路fRoViVoCx2（3）此时同样可以通过改变频率和Ro,使得电流呈现阶梯方式递减，得到电容量与电压量之间的关系如下图（4）所示,电容测量档位的划分如下表（3）:f表（3）电容测量档位的划分档位信号源频率标准电容oC信号源幅值10pF--260pF10KHz470K260pF--26nF1KHz47K26nF--2.6uF100Hz4.7K1VppVo2.7V010pF260pF26nF2.6uFCx图（9）电容量和电容两端电压关系曲线4.4.3测电感电路4.4.3.1测电感主电路图（10）测电感电路待测电感的阻抗为：fViRoVZo2(4)设V与Vi的相位差为，待测电感的内阻为r，则有222rfLxZ（5）Zrcos(6)由（4）、（5）、（6）三式知，fViVRoLxsin2(7)4.4.3.2测相位差电路4.4.3.2.1脉冲计算法测相位差框图VoVi图（11）脉冲计算法测相位差输入电压Vi和输出电压先经过过零比较器,将正弦波转化为占空比为1:2的方波,利用波形的上升(或下降)沿来触发MSP430单片机的计数器来计数,将相应测量值保存至寄存器.然后进行计算得出相位差。oV4.3.3.2.2过零比较器原理图图（12）过零比较器原理图表（3）电感测量档位的划分图（13）频率与输出有效值关系曲线637AD测量档位信号源频率标准电阻Ro信号源幅值10uH--260uH10KHz22Ω260uH--26mH1KHz22Ω26mH--2.6H1KHz220Ω2.6H--260H100Hz2K1Vpp过零比较器1过零比较器2译码显示计数R--S触发器与门标准脉冲发生器由上面的讨论可知，频率f的精度对测量精度有很大影响，本设计方案中频率的上限主要受制于有效值转换芯片,如图（13）所示。频率很高而输出有效值电压又很小的情况下就会影响测量精度，例如频率为10KHz，输出电压有效值不低于10mV时，精度为1%。当频率为10KHz，而输出有效值电压小于10mV,精度将劣于10%。637AD5系统软件设计开始系统初始化按键选择测量对象提示信息切换DDS频率或者切换继电器开关对数据进行运算分析UminAD_valueUmax显示测量结果及提示信息N结束是否继续AD采集数据AD_valueYNY图（14）程序总体流程图软件由五部分组成：第一部分是按键处理程序，选择测量对象；第二部分是DDS的程序,选择频率;第三部分是控制AD对电压信号进行采样和处理的程序;第四部分是电阻电感电容计算处理程序；第四部分是液晶模块显示程序；第五部分为继电器开关控制部分。6系统调试6.1测试仪器XC2820LCR自动测量仪6.2测试结果记录表（4）测电阻数据记录表待测元件标称值/Ω标准仪器测量值本仪器测量值相对标准仪器测量误差300Ω294.9Ω296.2Ω0.44%2K1.969K1.998K1.47%20K19.85K19.7K0.76%要求部分200K202.0K202.9K0.45%电阻发挥部分51Ω50.66Ω50.8Ω0.28%200pF196.3pF195.9pF0.20%要求部分10nF10.57nF10.75nF1.7%51pF49.4pF50.7pF2.63%电容发挥部分47nF44.76nF46.2nF3.22%100uH99.8uH98.4uH1.4%要求部分10mH10.92mH11.13mH1.92%51uH50.0uH48.7uH2.6%电感发挥部分100mH83.16mH87.2mH4.92%6系统电路存在的不足和改进的方向测量时，电阻测量范围很难调高，电容值非常小时会有谐波。测小电阻时，我们可以采用给待测电阻串联合适的已知标准电阻的方法，来提高测量精度；测电感时，给待测电感串联合适的已知标准电感。参考文献[1]童诗白华成英主编.《模拟电子技术基础》第三版.高等教育出版社，2001年3月[2]彭其圣尹建新主编《模拟电子技术实验》.科学出版社,2010年9月