寫在前面：這是這次參加電子設(shè)計(jì)大賽我寫的設(shè)計(jì)報(bào)告，但是我本人現(xiàn)在對(duì)硬件不是很熟悉，所以很對(duì)原理敘述不是很到位啊，不過整個(gè)作品用到知識(shí)點(diǎn)和原理都基本說清楚了。
簡易數(shù)字式電阻、電容和電感測量儀設(shè)計(jì)報(bào)告
摘要： 本系統(tǒng)利用 TI 公司的 16 位超低功耗單片機(jī) MSP430F149 和 ICL8038 精密函數(shù)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻、電容和電感參數(shù)的測量。本系統(tǒng) 以自制 電源作為 LRC 數(shù)字電橋和各個(gè)主要控制芯片的輸入電源，并 采用 ICL8038 芯片產(chǎn)生高精度的正弦波信號(hào)流經(jīng)待測的電阻、電容或者電感和標(biāo)準(zhǔn)電阻的串聯(lián)電路，通過測量電阻、電容或者電感和標(biāo)準(zhǔn)電阻各自的電壓，利用電壓比例計(jì)算的方法推算出電阻值、電容值或者電感值。利用 MSP430F149 單片機(jī)控制測量和計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用自校準(zhǔn)電路提高測量精度，同時(shí)用差壓法，消除了電源波動(dòng)對(duì)結(jié)果的影響。測量結(jié)果采用 12864 液晶模塊實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量精度高。
關(guān)鍵詞： LRC 數(shù)字電橋、電壓比例法、液晶模塊、 MSP430F149 、電阻電容電感測量
目 錄
一、設(shè)計(jì)內(nèi)容及功能... 1
1.1設(shè)計(jì)內(nèi)容... 1
1.2 具體要求... 2
1.3系統(tǒng)功能... 2
二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與選擇... 2
三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)... 3
3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)... 3
3.2系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)... 4
四、理論分析與計(jì)算... 5
五、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)... 5
5.1 電源電路... 5
5．2 LRC測量電路... 6
5.3 整流濾波電路... 6
六、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)... 8
6.1 控制測量程序模塊... 8
6.2 按鍵處理程序模塊... 8
6.3電阻電感電容計(jì)算程序... 9
6.4液晶顯示程序模塊... 10
七、系統(tǒng)測試... 10
7.1 測試原理... 10
7.2 測試方法... 10
7.3 測試儀器... 10
7.4 測試結(jié)果... 10
7.5 測試分析... 11
八、系統(tǒng)總結(jié)... 12
附件一、本系統(tǒng)的主要程序... 12
一、 設(shè)計(jì)內(nèi)容及功能
1.1設(shè)計(jì)內(nèi)容
設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)簡易數(shù)字式電阻、電容和電感參數(shù)測量儀， 由測量對(duì)象 、測量儀、LCD顯示和自制電源 組成，系統(tǒng)模塊劃分 如下圖所示：
1.2 具體要求
1. 測量范圍
（ 1 ）基本測量范圍：電阻 100 Ω～ 1M Ω；電容 100pF ～ 10000pF ；電感 100 μ H ～ 10mH 。
（ 2 ）發(fā)揮測量范圍：電阻 10 Ω～ 10M Ω；電容 50pF ～ 10 μ F ；電感 50 μ H ～ 1H 。
2. 測量精度
（ 1 ）基本測量精度：電阻 ±5% ；電容 ±10% ；電感 ±5% 。
（ 2 ）發(fā)揮測量精度：電阻 ±2% ；電容 ±8% ；電感 ±8% 。
3. 利用 128*64 液晶顯示器，顯示測量數(shù)值 、類型和單位。
4. 自制電源
5. 使用按鍵來設(shè)置測量的種類和單位
1.3 系統(tǒng)功能
1. 基本完成以上具體要求
2. 使用三個(gè)按鍵分別控制 R 、 C 、 L 的測試
3. 采用液晶顯示器顯示測量結(jié)果
二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與選擇
電阻、電容、電感測試儀的設(shè)計(jì)目前有多種方案可以實(shí)現(xiàn)，例如、使用可編程邏輯控制器 (PLC) 、振蕩電路與單片機(jī)結(jié)合或 CPLD 與 EDA 相結(jié)合等等來實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)前本文對(duì)各種方案進(jìn)行了比較：
方案一 . 基于模擬電路的測量儀
利用模擬電路，電阻可用比例運(yùn)算器法和積分運(yùn)算器法，電容可用恒流法和比較法，電感可用時(shí)間常數(shù)發(fā)和同步分離法等，雖然避免了編程的麻煩，但電路復(fù)雜，所用器件較多，靈活性差，測量精度低，現(xiàn)在已較少使用。
方案二
.
可編程邏輯控制器
(PLC)
此方案采用 PLC 對(duì)硬件進(jìn)行控制，應(yīng)用較為廣泛。它能夠非常方便地集成到工業(yè)控制系統(tǒng)中。其速度快，體積小，可靠性和精度都較好，在設(shè)計(jì)中可采用 PLC 對(duì)硬件進(jìn)行控制，但是用 PLC 實(shí)現(xiàn)價(jià)格相對(duì)昂貴，因而成本過高。
方案三 . 采用 CPLD 或 FPGA 實(shí)現(xiàn)
此方案則采用廣泛應(yīng)用的 VHDL 硬件電路描述語言，實(shí)現(xiàn)電阻，電容，電感測試儀的設(shè)計(jì)，利用 MAXPLUS II 集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行綜合、仿真，并下載到 CPLD 或 FPGA 可編程邏輯器件中，完成系統(tǒng)的控制作用。但相對(duì)而言設(shè)計(jì)規(guī)模大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
方案四 . 利用 LRC 數(shù)字電橋與單片機(jī)結(jié)合
利用 LRC 數(shù)字電橋?qū)㈦娮?、電容和電感參?shù)轉(zhuǎn)化為電壓模擬信號(hào)，此模擬量由高精度 AD 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。這樣由單片機(jī)處理數(shù)字量，能夠滿足測量精度高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量等設(shè)計(jì)需要，而且單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性、系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置靈活，容易構(gòu)成各種規(guī)模的系統(tǒng)。
通過對(duì)上述方案的比較，利用 LRC 數(shù)字電橋與單片機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)電阻、電容、電感測試儀更為簡便可行，節(jié)約成本。所以，本文選定以單片機(jī)為核心來實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻、電容和電感測量的設(shè)計(jì)。
三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。
硬件設(shè)計(jì)主要分為七部分：第一部分采用 AMS1117 芯片制作的電源，輸出穩(wěn)定的 3.3V 電壓。第二部分為 ICL8038 芯片產(chǎn)生正弦波。第三部分用 RC 和 RL 電路實(shí)現(xiàn) LRC 數(shù)字電橋的功能。第四部分是對(duì)正弦波進(jìn)行精密濾波的功能。第五部分利用 MSP430F149 單片機(jī)自帶的 AD 實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的功能。第六部分為 MSP430F149 單片機(jī)接收轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)并做相應(yīng)的處理，根據(jù)按鍵狀態(tài)控制測量的類型和單位。第七部分為測量結(jié)果顯示部分，采用的是 128*64 液晶顯示器。
系統(tǒng)硬件總體框圖如下：
圖 1 系統(tǒng)硬件總體框圖
軟件由 4 部分組成： (1) 控制測量程序 , 單片機(jī)控制測量程序不僅擔(dān)負(fù)著量程的識(shí)別與轉(zhuǎn)換 , 而且還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的修正和傳輸 ; 因此主控制器的工作狀態(tài)直接決定著整個(gè)測量系統(tǒng)能否正常工作 , 所以控制測量程序?qū)φ麄€(gè)測量來說至關(guān)重要 ;(2) 按鍵處理程序，根據(jù)按鍵的狀態(tài)做相應(yīng)的功能設(shè)置 ;(3) 電阻電感電容計(jì)算程序 , 單片機(jī)根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換得到的電壓值計(jì)算出電阻、電感或者電容值 ;(4) 液晶模塊顯示程序。本系統(tǒng)的程序框圖如圖 2 所示。
圖 2 程序框圖
3.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)
3.2.1 電源模塊
輸入的外部電源首先經(jīng)過橋式整流、濾波電路濾波，再經(jīng)過 AMS1117 芯片穩(wěn)壓成 3.3V 的直流電壓，向 MSP430F149 主控制器供電。
3.2.2 信號(hào)產(chǎn)生模塊
標(biāo)準(zhǔn)正弦波是保證測量儀的重要條件，特別是在測量電抗元件電容和電感時(shí)，正弦波的失真將產(chǎn)生難以修正的錯(cuò)誤，直接影響測量精度，因此在該測量儀中為保證測量精度，采用了 ICL8038 芯片產(chǎn)生正弦波。 ICL8038 精密函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢壘二極管等先進(jìn)工藝制作成的單片集成電路芯片，電源電壓范圍寬、穩(wěn)定度高、易用等優(yōu)點(diǎn)，外部只需接入很少的元件即可工作，可產(chǎn)生多種頻率正弦波，其函數(shù)波形的頻率受內(nèi)部或外部電壓控制。
3.2.3 整流濾波模塊
整流濾波模塊采用 LM324 的集成運(yùn)放和 LC 電路對(duì) LRC 測試模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行整流濾波，因?yàn)闇y試模塊產(chǎn)生的信號(hào)是正弦波，而 AD 采樣沒辦法采集負(fù)信號(hào)，所以要通過整流濾波給后面的 AD 采樣。因?yàn)檎鳛V波是高阻輸入，但也不是無窮大，所以在做測試模塊時(shí)，分壓電阻最好小于 100K 。
3.2.4AD 采樣模塊
本模塊利用 MSP430F149 單片機(jī)自帶的 AD 轉(zhuǎn)換功能把整流濾波后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，并傳送給處理器。
3.2.5 主控制模塊
本模塊采用低功耗的 MSP430F149 微處理器控制 AD 裝換，并對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和處理；通過按鍵控制測量的類型和單位。
3.2.6 顯示模塊
通過 LCD 驅(qū)動(dòng)程序?qū)? MSP430F149 處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定顯示，在測試期間顯示能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)離開測試能夠迅速歸零。
四、 理論分析與計(jì)算
本系統(tǒng)主要的功能就是電阻、電容和電感的測量，因此對(duì)電阻、電容和電感測量的原理做詳細(xì)的分析。
電阻高精度測量較好的方法之一是采用與標(biāo)準(zhǔn)電阻相比較的方法。其主要原理：是在待測電阻
與標(biāo)準(zhǔn)電阻
的串聯(lián)電路中加一電流
，
這樣
和
上將得到電壓
和
，則測量電阻為：
在設(shè)計(jì)中，我們采用了與測量電阻相同的測量方法——電壓相除法來測量電容和電感。由于電容和電感屬電抗元件，因此不能采用直流來產(chǎn)生測量信號(hào)，而只能采用交流信號(hào)。在角頻率為
的交流信號(hào)的作用下，電容和電感獲得的電壓分別為：
為待測電容和電感。這樣一來，標(biāo)準(zhǔn)元件的選擇就有許多種方法。但為了提高測量精度和降低成本，該測量儀采用了標(biāo)準(zhǔn)電阻，且與電阻測量公用一套標(biāo)準(zhǔn)電阻。所以有：
經(jīng)過計(jì)算可得：
其中
的模值。由公式（
5
）、（
6
）式可見，為保證測量精度，必須保證電阻的精度和
的高穩(wěn)定值。為此，我們在該設(shè)計(jì)中采用了高精度的
ICL8038
芯片產(chǎn)生正弦波，同時(shí)輸出緩沖器采用了運(yùn)算放大器。為保證波形精度采用了閉環(huán)深度負(fù)反饋方式。此外，本設(shè)計(jì)中還采用了運(yùn)算放大器補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)無失真
AC-DC
的轉(zhuǎn)換，以確保測量精度。
五、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
5.1 電源電路
MSP430F149 微處理器需要 3.3V 電壓供電，但是外部輸入的電壓通常不是 3.3V 的電壓源，所以需要設(shè)計(jì)電路把外部輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的 3.3V 電壓，如圖 3 所示，采用的是 AMS1117 芯片，可以輸出 3.3V 電壓，然后經(jīng)過濾波輸出穩(wěn)定的 3.3V 供給 MSP430F149 。
圖 3 穩(wěn)壓 3.3V 產(chǎn)生電路
5 ． 2LRC 測量電路
如圖 4 所示， LRC 各元件的測量是通過基本的 RR 電路， RL 電路和 RC 電路來進(jìn)行的。當(dāng)探針的兩端接電阻元件時(shí)，此電路就組成的是基本的 RR 電路；當(dāng)探針的兩端接電容元件時(shí)，此電路就組成的是基本的 RC 電路；當(dāng)探針的兩端接電感元件時(shí)，此電路就組成的是基本的 RL 電路。輸入的正弦波可以接頻率為 100HZ 、 1KZ 和 10KHZ 。
圖 4LRC 測量電路
5.3 整流濾波電路
此電路采用 LM324 的集成運(yùn)放和 LC 電路對(duì) LRC 測試模塊產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行整流濾波。因?yàn)闇y試電路產(chǎn)生的信號(hào)是正弦波，而 AD 采樣沒辦法采集負(fù)信號(hào)，所以要通過電路整流濾波給后面的 AD 采樣，電路圖如圖 5 所示。
圖 5 整流濾波電路
整流濾波前的波形圖如下圖 6 所示。
圖 6 整流濾波前的波形圖
整流濾波后的波形圖如下圖 7 所示。
圖 7 整流濾波后的波形圖
六、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
6.1 控制測量程序模塊
單片機(jī)控制測量程序不僅擔(dān)負(fù)著量程的識(shí)別與轉(zhuǎn)換 , 而且還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的修正和傳輸 ; 因此主控制器的工作狀態(tài)直接決定著整個(gè)測量系統(tǒng)能否正常工作 , 所以控制測量程序?qū)φ麄€(gè)測量來說至關(guān)重要?？刂茰y量流程圖如圖 8 所示。
圖 8 控制測量程序流程圖
6.2 按鍵處理程序模塊
按鍵處理程序的主要功能是設(shè)置測量的類型和測量的檔位，當(dāng)有按鍵被按下時(shí)就執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能，流程如圖 9 所示。
圖 9 按鍵處理程序流程圖
6.3 電阻電感電容計(jì)算程序
單片機(jī)根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換得到的電壓值計(jì)算出電阻、電感或者電容值，該程序流程圖如圖 10 所示。
圖 10 電阻電感電容計(jì)算程序流程圖
6.4 液晶顯示程序模塊
該程序模塊只有一個(gè)功能，就是對(duì)測量結(jié)果清晰正確的顯示出來，并能夠保持穩(wěn)定。程序流程圖如圖 11 所示。
圖 11 液晶顯示程序模塊流程圖
七、系統(tǒng)測試
7.1 測試原理：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以 MSP430F149 單片機(jī)為核心的電阻、電容、電感測試儀，將電阻，電容，電感，使用對(duì)應(yīng)的振蕩電路轉(zhuǎn)化為電壓實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)的測量。其中 100HZ/1MHZ/10MHZ 的正弦波是采用 ICL8038 芯片產(chǎn)生的，將模擬電壓信號(hào)送入 AD 采樣，通過 AD 把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再把數(shù)字信號(hào)送入 MSP430F149 單片機(jī)處理。以 IAREmbeddedWorkbench 為仿真平臺(tái)，使用 C 語言編寫了系統(tǒng)應(yīng)用軟件；包括主控制模塊、顯示模塊、電阻測試模塊、電容測試模塊和電感測試模塊。
7.2 測試方法：在測試時(shí)將被測參數(shù)通過本系統(tǒng)測量出來的示值與參數(shù)的標(biāo)稱值進(jìn)行對(duì)比，得到本系統(tǒng)的測量精度。
7.3 測試儀器：示波器，萬用表。
7.4 測試結(jié)果：通過按鍵操作，實(shí)現(xiàn)測量類型和量程的選擇，根據(jù)測量結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)一步進(jìn)行校正和對(duì)實(shí)現(xiàn)功能的可靠性的確認(rèn)。
測試結(jié)果如下：
1 ．電阻測試數(shù)據(jù)如表 1 所示。
表 1 電阻測試數(shù)據(jù)
|
標(biāo)稱值 ( Ω ) |
系統(tǒng)測量 （Ω） |
相對(duì)誤差 (%) |
|
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 ．電容測試數(shù)據(jù)如表 2 所示。
表 2 電容測試數(shù)據(jù)
|
讀取示值 （ pF ） |
標(biāo)稱值 （ pF ） |
相對(duì)誤差值 （ % ） |
|
104 |
100 |
4.0 |
|
34.1 |
33 |
3.3 |
|
9.2 |
10 |
8.0 |
3 ．電感測試數(shù)據(jù)如表 3 所示。
表 3 電感測試數(shù)據(jù)
|
讀取示值 （ mH ） |
標(biāo)稱值 （ mH ） |
相對(duì)誤差值 （ % ） |
|
219.47 |
218.29 |
0.54 |
|
16.68 |
16.55 |
0.78 |
|
0.862 |
0.854 |
0.93 |
7.5 測試分析：
根據(jù)以上的測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)完成了文章開始所提出設(shè)計(jì)內(nèi)容和功能。本測量儀的測量范圍較寬 , 并且達(dá)到了很好的精度 , 相對(duì)誤差小于 1% 。
在實(shí)際測量中，由于測試環(huán)境，測試儀器，測試方法等都對(duì)測試值有一定的影響，都會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果或多或少地偏離被測量的真值。為了減小本設(shè)計(jì)中誤差的大小，主要利用修正的方法來減小本測試儀的測量誤差。所謂修正的方法就是在測量前或測量過程中，求取某類系統(tǒng)誤差的修正值。在測量的數(shù)據(jù)處理過程中選取合適的修正值很關(guān)鍵，修正值的獲得有三種途徑。第一種途徑是從相關(guān)資料中查取；第二種途徑是通過理論推導(dǎo)求?。坏谌N途徑是通過實(shí)驗(yàn)求取。
本測試修正值選取主要通過實(shí)驗(yàn)求取，對(duì)影響測量讀數(shù)的各種影響因素，如溫度、濕度、電源電壓等變化引起的系統(tǒng)誤差。通過對(duì)相同被測參數(shù)的多次測量結(jié)果和不同被測參數(shù)的多次測量選取平均值，最后確定被測參數(shù)公式的常數(shù) K 值，從而達(dá)到減小本設(shè)計(jì)系統(tǒng)誤差的目的。由于振蕩電路外圍器件由電容電阻分立元件搭接而成，所以由振蕩電路產(chǎn)生的被測參數(shù)對(duì)應(yīng)的頻率有一定的誤差，所以只能通過多次實(shí)驗(yàn)測量，選取合適的修正值來盡可能的減少本測試系統(tǒng)的誤差。
八、系統(tǒng)總結(jié)
本系統(tǒng)采用單片機(jī)和 LRC 數(shù)字電橋結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡易數(shù)字式電阻、電容和電感測量儀，到達(dá)了系統(tǒng)基本要求。本儀器利用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電感電容測量的智能化設(shè)計(jì) , 而且系統(tǒng)性能穩(wěn)定 , 測量精度較高 , 相對(duì)誤差小于 1%, 操作簡單 , 具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
當(dāng)然本系統(tǒng)還存在著許多需要改進(jìn)的地方，比如還可以繼續(xù)提高測量的精度和加大測量的范圍。因?yàn)槭遣捎脝纹瑱C(jī)實(shí)現(xiàn)的，利用其可以編程的特性，使測量的值結(jié)合一些數(shù)據(jù)處理方式使測量更加接近真實(shí)值。
本系統(tǒng)也還有許多可以擴(kuò)展的功能，可以增加語音功能，每次測量值穩(wěn)定的時(shí)候就通過語音報(bào)告出來；也可以增加在線測量的功能，這樣就更能夠測量出元件工作時(shí)的正常值，而不僅僅是靜態(tài)時(shí)的值。
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