RLC測試儀設計

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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。在充滿激烈競爭的電子行業(yè)中，要求電子產(chǎn)品必須具有越來越高的性能、質量及性價比，從而對所使用的元器件提出了更高、更嚴格的要求。元器件在不同的信號頻率、不同的信號電平下，其性能和技術指標會發(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的技術指標，但裝入實際電路中會表現(xiàn)出不同的特性。因此，了解元器件在實際工作條件下的性能特性，有助于設計出高質量的電路，提高產(chǎn)品的性能和可靠性。 總之，RLC測試儀在產(chǎn)品設計、研發(fā)、生產(chǎn)和維護的過程中必不可少。 1方案選擇RLC參數(shù)

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

3、.2所示。它可以在工作頻率上進行測量，使測量的條件更接近使用情況。但是，這種測量方法要求的頻率連續(xù)可調，直至諧振。因此它對震蕩器要求較高，另外，和電橋法一樣，調節(jié)和平衡判斷很難實現(xiàn)智能化。 圖1.2諧振法測量L、C原理圖 1.3伏安法 伏安法是測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。這種測量方法要同時測出兩個模擬量，不易實現(xiàn)自動化。而指針式萬用表歐姆擋是把被測電阻與標準電阻及電池串聯(lián)，用電流表測出電流，由于被測電阻與電流對應，由此就可讀出被測電阻阻值，如圖1.4所示。這種測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，電路復雜。 E-..RjO 圖1.3伏安法測量電阻原理圖 圖1.4萬用表測量阻原理圖 以上各種方法都難以實現(xiàn)智能化，因此沒有被本儀表采用。很多儀表都是把較難測量的物理量轉變精度較高且較容易測量的物理量?；诖怂悸?，我們把電子元件的集中參數(shù)R、C、L轉換成頻率信號f，然后用單片機計數(shù)后再運算求出R、C、L的值，并顯示，轉換的原理分別是RC震蕩和LC三點式振蕩。其實，這種轉換就是把模擬量近似地轉化為數(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單元電路設計2.1 測電阻 的RC振蕩電路 圖2.1是一由555電路構成的多諧振蕩電路。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）來計算時由于某種原因引起的非線性誤差法如下: 用本儀表去測量標準電阻丄、二 二，記下測得相應的周期二、〔 Tn,得到基準點（ ，Tn），則有 n) (i=0,1. 測量未知電阻Rx時，測得的周期為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）計算'二時，結果與電路中的元件參數(shù)無關，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電阻和增加基準點的個數(shù)，便可使測量結果的誤差在允許的范圍內(nèi)。 2.2測量電容-二的RC振蕩電路如圖2.2所示，測量-二的RC振蕩電路與測的振蕩電路完全一樣。取 ：匚……-；■<-.：，當 應的 ■.「一：式中 3血2）駕3（ln2）^與測量電阻的過程相似，通過標準電容的測量可以得到基準點測量未知電容得到相 VCCR4時，有圖2.1測電阻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測量電容Cx的RC振蕩電路2.3測量電感二：的電容三點式振蕩電路如圖2.3所示，在電容三點振蕩電路 中，Ci、C2分別采用1000pF和2200pF的獨石電容，其電容值遠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)其中對于10uH的電感由于單片采用12MHz晶振晶，最快只能計幾百kHz的頻 率，因此在測電感這一檔時，應分頻后再送單片機計數(shù)。 2^710-5*0.6875*10^"'

8、由式(2.3)得 ——:「r其中 '4^7C4t^C通過對一些標準電感的測量，可得到一些基準點厲處，(M)?…卩島，當測量未知電容 ；-〔亠^7「一廠」（2.4）圖2.3測量電感Lx的電容三點式振蕩 電路 3軟件設計 初始化 測量電阻? N N 調用電阻測量模塊測量電阻 調用電感測量模塊測量電感 ? * 調用崔?［塊測 刷新顯示圖3.1主程序流程圖 不管是電阻、電容還是電感，都是轉為頻率后再測量的，因此頻率或周期的測量是本軟件的核心，其精度會直接影響到本儀表的精度。頻率或周期的測量可以利用單片的計時和計數(shù)功能來實現(xiàn)。 3.1頻率的測量方法和誤差

9、分析設在時間t內(nèi)檢測到n個脈沖，則T=-脈沖周期(3.1) T對t和n的全微分 dT^dt^dn^-Ldn:；一.:(3.2)dTdtdnT的相對誤差］1■.(3.3)測量脈沖周期的測量，有定時計數(shù)和定數(shù)計時兩種方法，禾U用時器/計數(shù)器可以實現(xiàn)，下面分別討論這兩種方法的測量精度。 AT89C51單片機里的T0和T1兩個定 3.1.1定時計數(shù)法 定時計數(shù)法的具體做法是: a.將：設為定時器, ＜設為計數(shù)器。 b. TT設定-一的定時中斷時間t并允許中斷，將-1清0。 c. TTT同時啟動二和「-,等待中斷。 d. 7T在--的中斷服務子程序中讀出的計數(shù)值n。 e

10、. 將t和n代入式(3.1)求出脈沖周期T。 采用定時計數(shù)法時，計時誤差t可忽略，可認為dt=0,最大計數(shù)誤差為一個脈沖，即-，代入式(3.3)得， 若要保證其相對誤差不超過0.1%，即，則有1'(3.4) (3.5) 若；設為50ms中斷，則由式(3.1)得 ""簽S或/(3.6) 上式表明，定時計數(shù)法宜用在被測頻率較高的場合。 3.1.2定數(shù)計時法a.將：設為定時器，二設為計數(shù)器。 b.設定二的計數(shù)中斷次數(shù)n并允許中斷，將J-c.同時啟動亠.和二，等待二中斷。 d.在T的中斷服務子程序中讀出J-的計時值t。 e.將t和n代入式(3.1)求出脈沖周期T。

11、 采用定數(shù)計時法時，計數(shù)誤差dn=0,最大計時誤差為一個機器周期，本系統(tǒng)采用了 12M晶振, 機器 周期為1US，故*us，代入式(3.3)得, dT (3.7) ~T 若要保證其相對誤差不超過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)計時法宜用在被測頻率較低的場合。 頻率的測量主要由：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。 量程自動轉換原理：單片機在某次測量頻率后，若發(fā)現(xiàn)頻率不在本次測量的量程內(nèi)，就根據(jù)所測量到的頻率所在

12、的范圍選擇相應的測量方法，達到自動轉換量程的目的。 為了增大本儀表的測量范圍，應盡量增大頻率的測量范圍，本系統(tǒng)將頻率測量范圍定在1Hz-200KHz為保證測量精度和縮短測量時間，應將頻率測量范圍進行分量程，在不同的量程內(nèi)采用不同的測量方法。根據(jù)式（3.6）和式（3.9），可將頻率測量的范圍分為以下幾量程量程1:1Hz-1KHz，采用1次定數(shù)計時法測量量程2:1KHz-20KHz,采用20次次定數(shù)計時法測量量程3:20KHz-200KHz，采用50ms定時計數(shù)法測量3.2穩(wěn)定讀數(shù)要使振蕩器輸出的頻率絕對不變是很難做到的，這將會使在測量的過程中讀數(shù)不停地跳動而影響讀數(shù)，待別是在某個整數(shù)附近跳動時

13、（比如在5000±1跳動時，讀數(shù)就會在4999至5001中不停地跳動,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的波動減小，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，Uo為輸出信號。 圖3.4RC低通濾波電路總結本系統(tǒng)可靈活地在各種不同條件下測試元器件，以模擬實際的電路條件，能使研發(fā)人員全面了解器件的7mm空氣線標準高頻電容 性能和參數(shù)，更確切地了解產(chǎn)品的設計質量。通過對標準電阻、標準電容、的測試,本系統(tǒng)的基本測

14、量精度可達到0.1%。此外,元器件的出廠技術指標中未包括的性能特性也往往會影響t電路的性能,所以本系統(tǒng)除可測量和顯示電感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（品質因子）、Y（導納）、G（電導）、E（電納）。 隨著科學的發(fā)展，技術的不斷進步，RLC測試儀會有更大的改進，例如在智能、價格、操作簡單，測量精確方面，而且可以擴大量程、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，你叫它幫你測什么。它會自動轉換成你要的狀態(tài)，而且你把元件放入以后，它自動說出元件的參數(shù)。由于使用單片作為中央控制器和計算器件，

15、本儀表有功能強、性能可靠、電路簡單的特點，還可以方便地擴展其他功能，如頻率計等。在頻率測量時，對不同的頻率段采用了不同的測量方法，從而提了測量精度。 [7] 參考文獻曾喆昭，文卉?數(shù)值計算（第二版）.北京：清華大學出版社,2006高吉祥，模擬電子技術?北京：電子工業(yè)出版社,2005劉守義，單片機應用技術?西安：西安電子科技大學出版社，2002王福瑞，單片微機測控系統(tǒng)設計大全?北京：北京航空航天大學出版社，1998⑸李義府，模擬電子技術基礎?長沙：國防科技大學出版社，2004⑹綦希林，多國單片計算機實用技術，電子工業(yè)出版社，北京,1992吳正毅，測試技術與測試信號處理，清華大學出版社，北京,1991張賢達，現(xiàn)代信號處理，清華大學出版社，北京,1995