电阻电感电容测量仪高精度
电赛设计报告
题目：电阻、电容、电感测量仪指导教师：陈军波
年级：2010
学院：生物医学工程
专业：生物医学工程
学生姓名：
2012年4月9日
简易电阻、电容和电感测试仪
一、任务
设计并制作一台数字显示的电阻、电容和电感参数测试仪。
二、要求
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%（三年级），±10（二年级）。
（3）具有四位数字显示功能。
2．发挥部分
（1）扩大电阻、电容或电感的其中任何一种的测量范围：测量上限或者下限扩展10倍（二年级）。
扩大电阻、电容或电感的每一种的测量范围：测量上限或者下限扩展10倍（三年级）。
（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%（三年级），5%（二年级）。
（3）测量量程自动转换。
三、评分意见
一、系统方案论证 1 平衡电桥法测量原理
桥电路由未知阻抗z ，已知标准电阻S R 和具有总电阻P R 的电阻性电位计
组成，电桥各元素分别是Z 、s R 、()P R x -1、P xR 。其中x 代表电位计变换的位置。电桥由正弦交流电源0u 供电，频率为d U
0ω为桥路输出电压。 当改变电位计x 的位置时，就可得到半平衡电桥。真正的半平衡状态是d U
与一个特定的桥路电压相差900。可用相敏检测仪检测出来。这种方案的优点是测量的精度很高，同时可以测量电容和电阻的大小，但其电路电路复杂,调节起来麻烦，实现起来较为困难。
2.伏安法：最经典的方法，它的测量原理来源于阻抗的定义。即若已知流经被测阻抗的电流相量并测得被测阻抗两端的电压，则通过比率便可得到被测阻抗的相量。显然，要实现这种方法，仪器必须能进行相量测量及除法运算.，而且需要精确的信号发生电路，整个电路的复杂程度就大大的提高了，软件的设计和
芯片的获得也是问题，所以放弃了此方案。
2．谐振法 谐振法：利用RC 和LC 震荡的原理，把L 和C 的数值转换成单片机容易测量的数字频率信号，再利用频率和R 和C 或L 和C 的关系，利用单片机算出C 和L 的数值。此方法软件容易设计，芯片容易得到，测量结果容易调试，所以采用此方法。
频率测量
方案一：直接测频法。在确定的闸门时间内，利用计数器记录待测信号通过的周期数，从而计算出待测信号的频率。此方案对低频信号的测量精度很低，较适合于高频信号的测量。
方案二：测周法。以待测信号为门限，记录在此门限内的高频标准时钟的数量，从而计算出待测信号的频率。但被测信号频率过高时，由于测量时间不足存在测量精度不够的问题。此方案适合于低频信号的测量。
方案三：等精度测量法。其精确门限由被测信号和预控门共同控制。测量精度与被测信号的频率无关，只与基准信号的频率和稳定度有关，因此可以保证在整个测量频段内测量精度不变。但此方案的实现需要FPGA 等专门的芯片配合单
片机才能实现精确的测量，系统较为复杂，成本较高。 综上所述，本设计采用直接测频法。
显示部分设计方案
方案一：采用八位共阴极LED 数码管进行显示，利用单片机串行口的移位寄存器工作方式，外接MAX7219串行输入共阴极显示驱动器，每片可驱动8个LED 数码管。
方案二：采用点阵字符型LCD 液晶显示，可以显示数字与阿拉伯字母等字符，随着半导体技术的发展，LCD 的液晶显示越来越广泛的应用于各种显示场合。 比较这两种方案，数码管显示驱动简单，但显示信息量少，功耗大；利用液晶显示可以工作在低电压、低功耗下，显示界面友好、内容丰富，综合考虑，选用LCD 来实现显示功能。
二、电路设计与计算
2.1.2 电阻的计算方法及简单原理图
图
图所示电路为电阻测量简易原理图由原理图可以看出，被测电阻x R 和已知电阻0R 是串联关系，当x R 发生改变时，x R 两端电压x U 就会发生变化。把x U 经过OP07运算放大器跟随后直接输入到压频变换芯片ADVFC32的电压控制端，然
后ADVFC32频率输出端会产生频率x f 与输入电压呈线性关系的方波脉冲，x f 可以通过频率计数器和单片机得到。相关计算如下：
00
U R R R U x x
x +=
? x x x U U R U R -=
00 (1) 其中0U 是已知电压，V U 100=。
3800010x x f U = ? 3800010x
x f U = (2) 其中10是ADVFC32电压控制端的电压满刻度值，38000是满电压值对应的输出频率满刻度值。由（1）式和（2）式可知，只要知道x f ，便可以求出被测电阻x R 的值。
电容测量电路
2.2.1电容测量电路原理简介
电容测量范围要求不是很大，由基本的TLV555定时器和R1、R2、C1组成多谐振荡电路。电路振荡产生的频率由R1、R2、C1确定。其公式如下： 电容C1的充电所需的时间，即脉冲维持时间：
)()(2R R C Ln t
B A T C
H +?=?
放电所用时间，即脉冲低电平时间：
R C Ln t
B T C
L ?≈?2)(
所以脉冲周期时间为：
)()()(22R R C
Ln t t B A T
C C L H T +?≈
+=?
输出脉冲频率为：
)(1
22R R C Ln B
A T f +?=
?
R X =1/[2(ln2)C 1F]-1/2R 1
所以只要已知R1、R X 、C1中的其中两项的参数再通过单片机测出振荡频率的大小就可以计算出剩下第三项的参数。通过固定R1和R2的参数将待测量的电容作为C1接入电路中的方法来测量电容。则：
)
(1
22R R f Ln C
B A X
+?=
?
电容测量共分为两档选择合适的
R
A
和
R
B
的值:
因为单片机的测频有效地测量范围是[40Hz,200KHz] 所以：
kHz Hz R R C Ln B A T 200)
(1
4022<+?<
?
()()????Ω?Ω==?nf pf M uf f K R R B A 10,108.110,n 10400,1测量档位二，，
测量档位一，，
则取
误差： R R C
C A
A X
X
f f
?+?=?
∴%
1
C
X
X
单片机测频误差<1%，R
A
采用精密电阻%1
R A
A
1. 电感测量模块分析与计算
由赛题的要求，在测量电感属于高频储能元件，采用LM311和电容电感组成振荡电路的方法来进行电感测量。根据电感的计算公式
fl XL fC C X
C
ππω221
1====
通过LC 振荡，LC 的等效阻抗
())
1
(1)1()
1()1(1C L j R C C j L j R c j L j C j L j R C j C j R ωωωωωωωωωω-+=-+-≈-+??? ??-+
=Z (R 为L 的内阻)
当
C L ωω1=
时，LC 发生谐振。所以 LC f f
O
π21=
=
因为单片机的测频有效地测量范围是[40Hz,200KHz]
所以：
kHz LC
Hz f
O
2002140<=
<
π
()()??
???=?mH nH nf mH mH nf C O 1,10100100,11测量量程二，
，
测量量程一，
，当
误差：C C f f L
L ?+
?=?2 可以保持误差在2%以内，通过软件修正进一步减少误差
电感测量电路
fl XL fC C X
C
ππω221
1====
通过LC 振荡，LC 的等效阻抗
())
1
(1)1()
1()1(1C L j R C C j L j R c j L j C j L j R C j C j R ωωωωωωωωωω-+=-+-≈-+??? ??-+
=Z (R 为L 的内阻)
当
C L ωω1=
时，LC 发生谐振。所以
LC f f
O
π21=
=
因为单片机的测频有效地测量范围是[40Hz,200KHz] 所以：
kHz LC
Hz f
O
2002140<=
<
π
()()??
???=?mH nH nf mH mH nf C O 1,10100100,11测量量程二，
，
测量量程一，
，
当
误差：C C f f L
L ?+
?=?2 可以保持误差在2%以内，通过软件修正进一步减少误差
2.4.1电源电路设计简介
本系统中用到的电源共有±5，﹢12，±15，我们选择了线性三端稳压芯片7805/7905、7812、7815/7915来构成电源电路核心。首先通过一个30W 的变压
器将220V市电变成20V的交流电，经过整流桥和滤波电容之后变成两路18V的直流电，一路﹢18V，一路﹣18V。这两路电压分别通过稳压芯片之后就得到了我们需要的几路电压。稳压芯片之后还需要加电容电感来构成滤波电路，这个滤波电路很重要，必须将输出的直流电压中交流纹波滤除到8mV以下才能保证运算放大器和其他模拟芯片的正常工作。其次，焊接和布线对电源质量也有很大关系。焊接导线时需扰。布线时，尽量避免粗导线交叉，不同电源之间的导线应留有一定距离，尽量将线间干扰降到最低。
2.4.2三端稳压芯片功能简介
78XX系列是三端正电源稳压电路，它的封装形式为T0-220。它有一系列固定的电压输出，应用非常的广泛。每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，它们就能够提供大于1.5A的输出电流。虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能够获得各种不同的电压和电流。
79XX系列集成稳压器是常用的固定负电压输出的三端集成稳压器，除输入电压和输出电压均为负值外，其他参数和特点与78XX系列集成稳压器相同。79XX 系列集成稳压器的三个引脚为：1脚为接地端，2脚为输入端，3脚为输出端。79XX系列集成稳压器的应用电路也很简单。同时运用78XX和79XX稳压器，可以组成正、负对称输出的稳压电路。
2.4.3 本系统利用三端稳压芯片所设计的电源电路原理图
图所示电路为本系统自制电源的原理图，该电路可以实现输出±5V，﹢12V，±15V电压的功能。
图电源电路原理图
三、程序设计
软件部分采用模块化程序设计的方法，由主控制程序、液晶显示部分子程序、键盘服务子程序组成。我们选用TI公司推出MSP430f14916位单片机微控制器，它带有时钟模块、看门狗、定时器A、定时器B、比较器A、串口0/1、模数转换、端口、基本定时器、DMA控制器。在其编译环境下可以内嵌C高级语言，C 函数与汇编函数可以很方便的相互调用，所以编程效率高而且可靠。选择测量元件的种类，为测量电路，控制继电器和模拟开关实现测量时的自动换挡，同时测量频率计算出对应元件的值，并控制LCD12864显示测量元件的类型以及相应的测量值。软件流程图如下：
软件编写总结：本程序使用了两个捕获脉冲频率的中断服务程序，一个低频率捕获范围为1Hz到19KHz，第二个是16Hz到1MHz。电感的振荡频率都比较高，最高的超过了260K欧姆，所以捕获频率时选择了第二个中断程序。而在电容测
量中，低电容的振荡频率比较高，最高的超过了3KHz，所以为了提高测量精度和扩大测量范围，计算电容时，程序中又嵌套了一个捕获频率的中断程序。电阻的振荡频率都未超过16KHz所以只用一个低频捕获的中断程序即可，电阻测量分了两个档位，由于低电阻和高电阻的两档的振荡频率有很多交叉之处，所以我们通过外部按键来实现两个测量量程的切换。
四、系统测试及结果分析
1.测试使用的仪器设备
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
2.测试方法
硬件模块测试：系统本身由三个独立的模块构成，所以分三部分进行调试，首先对移相网络，在三个频点下通过拨码开关来切换网络的元件参数，以此来对输出波形的相位与幅值进行调整。对于数字式移相信号发生器，通过红外键盘对输出两路信号的频率、相位差以及峰-峰值进行设置。最后把产生的有相位差的两路信号分别接入相位测试电路进行相位差的测量。
软件模块测试：采用自下而上的调试方式，先进行模块测试程序的调试，待全部通过之后将所有的软件程序串接起来并结合硬件电路进行整体调试。
3.测试数据
（1）校准
（2）测试
（3）校验
4.测试结果分析
（1）电路的误差分析
在相位测量过程中，受电子元器件性能的影响，在正弦波经过零检测电路整成方波的过程之中，两路信号不可能做到时延特性完全的一致，前端放大电路以及过零检测电路会带来方波信号相对于输入信号的过零点偏移，所以得到的两个方波信号的相位差实际上是输入信号的相位差和两路过零比较电路相位差的综
合相差，由于是在一定的时间内对脉冲的个数进行计数，因此将引入截断误差，尤其当两路信号的相位差较小时，截断误差的存在将在很大程度上对相位测量的精度造成影响。
（2）的误差分析
由于移相网络是基于阻容移相的原理，因此电阻与电容的阻值大小将决定移相的范围，由于采用的是常规的金属膜电阻，其阻值与理论计算值存在误差，因此造成实际移相范围与理论计算值存在一定的偏差。
（3）的误差分析
在数字式移相信号发生电路中，由于锁相环的稳定度的影响，波形的微小振荡就会使得输出和设定值之间存在输出偏差，同时由于D/A转换过程中不可避免的存在量化误差，所以产生的波形幅值与频率将会与设定的预期值形成一定的误差。
由于通用板本身结构的限制，以及电路中两路信号的串扰等影响，都会使得系统存在一定的误差。
五、小结