RLC測(cè)試儀設(shè)計(jì)

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1、電子產(chǎn)品中，電阻（R）、電容（C）和電感（L）是最基本的元器件，也是使用最多的元器件。在充滿激烈競(jìng)爭(zhēng)的電子行業(yè)中，要求電子產(chǎn)品必須具有越來越高的性能、質(zhì)量及性價(jià)比，從而對(duì)所使用的元器件提出了更高、更嚴(yán)格的要求。元器件在不同的信號(hào)頻率、不同的信號(hào)電平下，其性能和技術(shù)指標(biāo)會(huì)發(fā)生變化。尤其在高頻段，元器件參數(shù)以及元器件所表現(xiàn)出的特性變化更大。此外，元器件雖然能滿足出廠時(shí)的技術(shù)指標(biāo)，但裝入實(shí)際電路中會(huì)表現(xiàn)出不同的特性。因此，了解元器件在實(shí)際工作條件下的性能特性，有助于設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的電路，提高產(chǎn)品的性能和可靠性。 總之，RLC測(cè)試儀在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)和維護(hù)的過程中必不可少。 1方案選擇RLC參數(shù)

2、的測(cè)量方法主要有電橋法、諧振法和伏安法。 1.1電橋法電橋法是能同時(shí)測(cè)量電器元件R、L、C最典型的方法，如圖1.1所示。電阻R可用直流電橋測(cè)量,電感L、電容C可用交流電橋測(cè)量。電橋平衡的條件為7^7帝”廣仙"1■殉）—7￡［糾E—￡Z1Z2 SHAPE\*MERGEFORMAT 圖1.1RLC測(cè)量電橋通過調(diào)節(jié)阻抗Z1、Z2使電橋平衡，這時(shí)電表讀數(shù)為零。根據(jù)平衡條件及一些已知的電路參數(shù)就可以求出被測(cè)參數(shù)。用這種測(cè)量方法，參數(shù)的值還要通過聯(lián)立方程求解，調(diào)節(jié)電阻值一般只能手動(dòng)，電橋平衡的判別亦難以用簡單的電路實(shí)現(xiàn)。這樣，電橋法不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。 1.2諧振法諧振法可以用來測(cè)量L、C值，如圖1

3、.2所示。它可以在工作頻率上進(jìn)行測(cè)量，使測(cè)量的條件更接近使用情況。但是，這種測(cè)量方法要求的頻率連續(xù)可調(diào)，直至諧振。因此它對(duì)震蕩器要求較高，另外，和電橋法一樣，調(diào)節(jié)和平衡判斷很難實(shí)現(xiàn)智能化。 圖1.2諧振法測(cè)量L、C原理圖 1.3伏安法 伏安法是測(cè)量電阻的最基本方法, 如圖1.3所示。分別用電流表和電壓表測(cè)出通過電阻的電流和電壓,根據(jù)公式R=U/I求得電阻。這種測(cè)量方法要同時(shí)測(cè)出兩個(gè)模擬量，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。而指針式萬用表歐姆擋是把被測(cè)電阻與標(biāo)準(zhǔn)電阻及電池串聯(lián)，用電流表測(cè)出電流，由于被測(cè)電阻與電流對(duì)應(yīng)，由此就可讀出被測(cè)電阻阻值，如圖1.4所示。這種測(cè)量的方法的精度變化大，若要較高的

4、精度，必須較多的量程，電路復(fù)雜。 E-..RjO 圖1.3伏安法測(cè)量電阻原理圖 圖1.4萬用表測(cè)量阻原理圖 以上各種方法都難以實(shí)現(xiàn)智能化，因此沒有被本儀表采用。很多儀表都是把較難測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)變精度較高且較容易測(cè)量的物理量。基于此思路，我們把電子元件的集中參數(shù)R、C、L轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)f，然后用單片機(jī)計(jì)數(shù)后再運(yùn)算求出R、C、L的值，并顯示，轉(zhuǎn)換的原理分別是RC震蕩和LC三點(diǎn)式振蕩。其實(shí)，這種轉(zhuǎn)換就是把模擬量近似地轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，另一方面也避免了由指針讀數(shù)引起的誤差。 1.4系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)原理框圖如圖1.5所示。 SHAPE\*MERGEFORMAT 圖1.5系統(tǒng)原理框圖

5、2單元電路設(shè)計(jì)2.1 測(cè)電阻 的RC振蕩電路 圖2.1是一由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路。它的振蕩周期為T=4+G=On2)(&+RJQ+(In2)RrC&=Qn2)(人+2Rg ，:'<<■-即⑵1）2（ln2）Q2:式中, ,本儀表引入了直線插值算法，做 納2總2為了避免直接采用式（2.1）來計(jì)算時(shí)由于某種原因引起的非線性誤差法如下: 用本儀表去測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻丄、二 二，記下測(cè)得相應(yīng)的周期二、〔 Tn,得到基準(zhǔn)點(diǎn)（ ，Tn），則有 n) (i=0,1. 測(cè)量未知電阻Rx時(shí)，測(cè)得的周期為T,若二】-->!,則Ri=kt^+b41=^41+^ 心+

6、斜5聯(lián)立以上二式，得(2.2) 用式（2.2）計(jì)算'二時(shí)，結(jié)果與電路中的元件參數(shù)無關(guān)，這樣可以避免電路元件帶來的誤差。 通過選用高精度的基準(zhǔn)電阻和增加基準(zhǔn)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，便可使測(cè)量結(jié)果的誤差在允許的范圍內(nèi)。 2.2測(cè)量電容-二的RC振蕩電路如圖2.2所示，測(cè)量-二的RC振蕩電路與測(cè)的振蕩電路完全一樣。取 ：匚……-；■<-.：，當(dāng) 應(yīng)的 ■.「一：式中 3血2）駕3（ln2）^與測(cè)量電阻的過程相似，通過標(biāo)準(zhǔn)電容的測(cè)量可以得到基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量未知電容得到相 VCCR4時(shí)，有圖2.1測(cè)電阻Rx的RC振TRIGcvokDI^gOTHKJ55Rx|a.iur脈沖周期為T蕩電

7、R1 ~ 2 5 =0.1uF vcc L>Q u A TRIG PE a CVo-1 OTHE —II'co圖2.2測(cè)量電容Cx的RC振蕩電路2.3測(cè)量電感二：的電容三點(diǎn)式振蕩電路如圖2.3所示，在電容三點(diǎn)振蕩電路 中，Ci、C2分別采用1000pF和2200pF的獨(dú)石電容，其電容值遠(yuǎn)大于晶體管極間電容，可以把極間電容忽略。這樣根據(jù)振蕩頻率公式 _f-.L.：(2.3)其中對(duì)于10uH的電感由于單片采用12MHz晶振晶，最快只能計(jì)幾百kHz的頻 率，因此在測(cè)電感這一檔時(shí)，應(yīng)分頻后再送單片機(jī)計(jì)數(shù)。 2^710-5*0.6875*10^"'

8、由式(2.3)得 ——:「r其中 '4^7C4t^C通過對(duì)一些標(biāo)準(zhǔn)電感的測(cè)量，可得到一些基準(zhǔn)點(diǎn)厲處，(M)?…卩島，當(dāng)測(cè)量未知電容 ；-〔亠^7「一廠」（2.4）圖2.3測(cè)量電感Lx的電容三點(diǎn)式振蕩 電路 3軟件設(shè)計(jì) 初始化 測(cè)量電阻? N N 調(diào)用電阻測(cè)量模塊測(cè)量電阻 調(diào)用電感測(cè)量模塊測(cè)量電感 ? * 調(diào)用崔?［塊測(cè) 刷新顯示圖3.1主程序流程圖 不管是電阻、電容還是電感，都是轉(zhuǎn)為頻率后再測(cè)量的，因此頻率或周期的測(cè)量是本軟件的核心，其精度會(huì)直接影響到本儀表的精度。頻率或周期的測(cè)量可以利用單片的計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)功能來實(shí)現(xiàn)。 3.1頻率的測(cè)量方法和誤差

9、分析設(shè)在時(shí)間t內(nèi)檢測(cè)到n個(gè)脈沖，則T=-脈沖周期(3.1) T對(duì)t和n的全微分 dT^dt^dn^-Ldn:；一.:(3.2)dTdtdnT的相對(duì)誤差］1■.(3.3)測(cè)量脈沖周期的測(cè)量，有定時(shí)計(jì)數(shù)和定數(shù)計(jì)時(shí)兩種方法，禾U用時(shí)器/計(jì)數(shù)器可以實(shí)現(xiàn)，下面分別討論這兩種方法的測(cè)量精度。 AT89C51單片機(jī)里的T0和T1兩個(gè)定 3.1.1定時(shí)計(jì)數(shù)法 定時(shí)計(jì)數(shù)法的具體做法是: a.將：設(shè)為定時(shí)器, ＜設(shè)為計(jì)數(shù)器。 b. TT設(shè)定-一的定時(shí)中斷時(shí)間t并允許中斷，將-1清0。 c. TTT同時(shí)啟動(dòng)二和「-,等待中斷。 d. 7T在--的中斷服務(wù)子程序中讀出的計(jì)數(shù)值n。 e

10、. 將t和n代入式(3.1)求出脈沖周期T。 采用定時(shí)計(jì)數(shù)法時(shí)，計(jì)時(shí)誤差t可忽略，可認(rèn)為dt=0,最大計(jì)數(shù)誤差為一個(gè)脈沖，即-，代入式(3.3)得， 若要保證其相對(duì)誤差不超過0.1%，即，則有1'(3.4) (3.5) 若；設(shè)為50ms中斷，則由式(3.1)得 ""簽S或/(3.6) 上式表明，定時(shí)計(jì)數(shù)法宜用在被測(cè)頻率較高的場(chǎng)合。 3.1.2定數(shù)計(jì)時(shí)法a.將：設(shè)為定時(shí)器，二設(shè)為計(jì)數(shù)器。 b.設(shè)定二的計(jì)數(shù)中斷次數(shù)n并允許中斷，將J-c.同時(shí)啟動(dòng)亠.和二，等待二中斷。 d.在T的中斷服務(wù)子程序中讀出J-的計(jì)時(shí)值t。 e.將t和n代入式(3.1)求出脈沖周期T。

11、 采用定數(shù)計(jì)時(shí)法時(shí)，計(jì)數(shù)誤差dn=0,最大計(jì)時(shí)誤差為一個(gè)機(jī)器周期，本系統(tǒng)采用了 12M晶振, 機(jī)器 周期為1US，故*us，代入式(3.3)得, dT (3.7) ~T 若要保證其相對(duì)誤差不超過0.1%，即dT~T<0.1%，則有-<0.1%或-HIIIus=1ms(3.8) 由式(3.1)得\(ms)(KHz)(3.9) 上式表明，定數(shù)計(jì)時(shí)法宜用在被測(cè)頻率較低的場(chǎng)合。 頻率的測(cè)量主要由：中斷和二中斷來完成，其流程圖分別如圖3.2和圖3.3所示。 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換原理：單片機(jī)在某次測(cè)量頻率后，若發(fā)現(xiàn)頻率不在本次測(cè)量的量程內(nèi)，就根據(jù)所測(cè)量到的頻率所在

12、的范圍選擇相應(yīng)的測(cè)量方法，達(dá)到自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程的目的。 為了增大本儀表的測(cè)量范圍，應(yīng)盡量增大頻率的測(cè)量范圍，本系統(tǒng)將頻率測(cè)量范圍定在1Hz-200KHz為保證測(cè)量精度和縮短測(cè)量時(shí)間，應(yīng)將頻率測(cè)量范圍進(jìn)行分量程，在不同的量程內(nèi)采用不同的測(cè)量方法。根據(jù)式（3.6）和式（3.9），可將頻率測(cè)量的范圍分為以下幾量程量程1:1Hz-1KHz，采用1次定數(shù)計(jì)時(shí)法測(cè)量量程2:1KHz-20KHz,采用20次次定數(shù)計(jì)時(shí)法測(cè)量量程3:20KHz-200KHz，采用50ms定時(shí)計(jì)數(shù)法測(cè)量3.2穩(wěn)定讀數(shù)要使振蕩器輸出的頻率絕對(duì)不變是很難做到的，這將會(huì)使在測(cè)量的過程中讀數(shù)不停地跳動(dòng)而影響讀數(shù)，待別是在某個(gè)整數(shù)附近跳動(dòng)時(shí)

13、（比如在5000±1跳動(dòng)時(shí)，讀數(shù)就會(huì)在4999至5001中不停地跳動(dòng),每一位數(shù)字都是在變化的）讀數(shù)就更難看清楚了，因此很有需要去使讀數(shù)穩(wěn)定下來。 在模擬電路中，用RC低通濾波電路可以使輸出信號(hào)的波動(dòng)減小，若用軟件的方法模擬RC低通濾波電路，同樣可以使輸出的數(shù)值變得穩(wěn)定一些，這就是數(shù)字慣性濾波法。RC低通濾波電路如圖3.5所示，Ui為輸入信號(hào)，Uo為輸出信號(hào)。 圖3.4RC低通濾波電路總結(jié)本系統(tǒng)可靈活地在各種不同條件下測(cè)試元器件，以模擬實(shí)際的電路條件，能使研發(fā)人員全面了解器件的7mm空氣線標(biāo)準(zhǔn)高頻電容 性能和參數(shù)，更確切地了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻、標(biāo)準(zhǔn)電容、的測(cè)試,本系統(tǒng)的基本測(cè)

14、量精度可達(dá)到0.1%。此外,元器件的出廠技術(shù)指標(biāo)中未包括的性能特性也往往會(huì)影響t電路的性能,所以本系統(tǒng)除可測(cè)量和顯示電感L、電容C、電阻R外,還可顯示其它的參數(shù)Z（阻抗）、X（電抗）、0相位角）、D（損耗因子）、Q（品質(zhì)因子）、Y（導(dǎo)納）、G（電導(dǎo)）、E（電納）。 隨著科學(xué)的發(fā)展，技術(shù)的不斷進(jìn)步，RLC測(cè)試儀會(huì)有更大的改進(jìn)，例如在智能、價(jià)格、操作簡單，測(cè)量精確方面，而且可以擴(kuò)大量程、再減小體積，例如做成像電筆一樣大可以隨身攜帶，非常方便，也可以在RLC上加上語音心片，你叫它幫你測(cè)什么。它會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成你要的狀態(tài)，而且你把元件放入以后，它自動(dòng)說出元件的參數(shù)。由于使用單片作為中央控制器和計(jì)算器件，

15、本儀表有功能強(qiáng)、性能可靠、電路簡單的特點(diǎn)，還可以方便地?cái)U(kuò)展其他功能，如頻率計(jì)等。在頻率測(cè)量時(shí)，對(duì)不同的頻率段采用了不同的測(cè)量方法，從而提了測(cè)量精度。 [7] 參考文獻(xiàn)曾喆昭，文卉?數(shù)值計(jì)算（第二版）.北京：清華大學(xué)出版社,2006高吉祥，模擬電子技術(shù)?北京：電子工業(yè)出版社,2005劉守義，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)?西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002王福瑞，單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全?北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998⑸李義府，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)?長沙：國防科技大學(xué)出版社，2004⑹綦希林，多國單片計(jì)算機(jī)實(shí)用技術(shù)，電子工業(yè)出版社，北京,1992吳正毅，測(cè)試技術(shù)與測(cè)試信號(hào)處理，清華大學(xué)出版社，北京,1991張賢達(dá)，現(xiàn)代信號(hào)處理，清華大學(xué)出版社，北京,1995