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1、个人资料整理仅限学习使用 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
2、。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 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 、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 个人资料整理仅限学习使用 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
3、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
4、 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
5、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： 100Hz/1KHz/10KHz 正弦信号 档位选
6、择 精密分压电阻 测量对象 电阻、电容、电感 精密滤波电路 稳压电源 稳压电源 3.3V 键盘控制模块LCD显示模块 高精度 AD转 换 高精度 AD转 换 精密滤波电路 MPS430F149低功耗单片机 稳压电源 个人资料整理仅限学习使用 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
7、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 输入的外部电源首先经过桥式整流、滤波电路滤波，再经过AMS1117 芯片稳压成 3.3V 的直流电压，向MSP430F149主控制器供电。 3.2.2 信号产生模块 标准正弦波是保证测量仪的重要条件，特别是在测量电抗元件电容和电感时，正弦波 的失真将产生难以修正的错误，直接影响测量精度，因此在该测量仪中为保证测量精度， 采用了 ICL8038 芯片产生正弦波。ICL8038 精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进 工艺制作成的单片集成电路
8、芯片，电源电压范围宽、稳定度高、易用等优点，外部只需接 入很少的元件即可工作，可产生多种频率正弦波，其函数波形的频率受内部或外部电压控 制。 3.2.3 整流滤波模块 整流滤波模块采用LM324 的集成运放和LC电路对 LRC测试模块产生的信号进行整流滤 波，因为测试模块产生的信号是正弦波，而AD 采样没办法采集负信号，所以要通过整流滤 波给后面的 AD 采样。因为整流滤波是高阻输入，但也不是无穷大，所以在做测试模块时， 分压电阻最好小于100K。 3.2.4 AD采样模块 本模块利用 MSP430F149单片机自带的AD 转换功能把整流滤波后的模拟信号转换为单 片机能够处理的数字信号，并传送
9、给处理器。 3.2.5 主控制模块 本模块采用低功耗的MSP430F149微处理器控制AD 装换，并对转换结果数据进行接收 和处理；通过按键控制测量的类型和单位。 3.2.6 显示模块 个人资料整理仅限学习使用 通过 LCD 驱动程序对 MSP430F149处理后的结果数据进行稳定显示，在测试期间显示 能够保持稳定状态，当离开测试能够迅速归零。 四、理论分析与计算 本系统主要的功能就是电阻、电容和电感的测量，因此对电阻、电容和电感测量的原 理做详细的分析。 电阻高精度测量较好的方法之一是采用与标准电阻相比较的方法。其主要原理：是在 待测电阻与标准电阻的串联电路中加一电流。这样和上将得到电压和
10、，则测量电阻为： 系统测量 20.0 20.01 0.05 200.0 199.77 0.115 6000.0 5993.75 0.104 50000.0 49926.63 0.147 301000.0 252990.00 15.950 2电容测试数据如表 2所示。 表 2电容测试数据 读取示值 pF） 标称值 pF） 相对误差值 %） 104 100 4.0 34.1 33 3.3 9.2 10 8.0 3电感测试数据如表3所示。 表 3电感测试数据 读取示值 mH） 标称值 mH） 相对误差值 %） 219.47 218.29 0.54 16.68 16.55 0.78 0.862 0.8
11、54 0.93 7.5 测试分析： 根据以上的测试结果表明，本系统完成了文章开始所提出设计内容和功能。本测量仪 的测量范围较宽,并且达到了很好的精度,相对误差小于1 %。 在实际测量中，由于测试环境，测试仪器，测试方法等都对测试值有一定的影响，都 会导致测量结果或多或少地偏离被测量的真值。为了减小本设计中误差的大小，主要利用 修正的方法来减小本测试仪的测量误差。所谓修正的方法就是在测量前或测量过程中，求 取某类系统误差的修正值。在测量的数据处理过程中选取合适的修正值很关键，修正值的 获得有三种途径。第一种途径是从相关资料中查取；第二种途径是通过理论推导求取；第 三种途径是通过实验求取。 本测试
12、修正值选取主要通过实验求取，对影响测量读数的各种影响因素，如温度、湿 度、电源电压等变化引起的系统误差。通过对相同被测参数的多次测量结果和不同被测参 数的多次测量选取平均值，最后确定被测参数公式的常数K值，从而达到减小本设计系统 个人资料整理仅限学习使用 误差的目的。由于振荡电路外围器件由电容电阻分立元件搭接而成，所以由振荡电路产生 的被测参数对应的频率有一定的误差，所以只能通过多次实验测量，选取合适的修正值来 尽可能的减少本测试系统的误差。 八、系统总结 本系统采用单片机和LRC 数字电桥结合的方式实现了一个简易数字式电阻、电容和电 感测量仪，到达了系统基本要求。本仪器利用单片机技术实现了电感电容测量的智能化设 计,而且系统性能稳定,测量精度较高,相对误差小于 1 % ,操作简单 ,具有较强的实用性。 当然本系统还存在着许多需要改进的地方，比如还可以继续提高测量的精度和加大测 量的范围。因为是采用单片机实现的，利用其可以编程的特性，使测量的值结合一些数据 处理方式使测量更加接近真实值。 本系统也还有许多可以扩展的功能，可以增加语音功能，每次测量值稳定的时候就通 过语音报告出来；也可以增加在线测量的功能，这样就更能够测量出元件工作时的正常值 ，而不仅仅是静态时的值。