电阻电感电容测试仪的设计与制作
论 文 编 号 B甲1301 参 赛 题 目 电阻电感电容测试仪的设计与制作 参 赛 学 校 山东理工大学 学 院 电气与电子工程 指 导 老 师 李震梅 唐诗 参赛队员姓名 吴硕刚 王鹿鹿 张兵 联 系 方 式 15053356231
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电阻电容电感测试仪的设计与制作
摘要：本文设计了一种基于单片机的数字式RCL自动测量仪。该系统由STC89C52、DDS、自校准电路、分压及R运算电路、频率测量及控制电路、高精度交流/有效值转换电路、DAC、译码控制电路、液晶显示电路等构成，采用AD9850产生高精度的正弦波信号,采用电压比例算法推算出电阻、电容值或者电感值。测量电路由八级标准电阻、继电器和NEC5532组成，能自动选择相应的标准电阻挡级及标准信号源的频率，完成量程的自动转换。用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,采用1602液晶模块实时显示数值。实验测试结果表明,本设计性能稳定,测量精度高，超过设计要求。
关键词: STC89C52,测量，DDS，显示，频率
The Design and Manufacture of Resistance Capacitance & Inductance
Test Instrument
This paper presents a Digital Automatic RCL Meter based on MCU. This system consists of STC89C52, DDS, Self-calibration circuit, Voltage divider and RCL operation circuit, Frequency measurement and control circuit, High Precision AC / RMS conversion circuit, DAC, Decoding control circuit, and LCD display circuit. The high-precision sine wave signal was produced by AD9850, The resistance, capacitance and inductance can be calculated by voltage ratio algorithmThe measurement circuit consists of eight standard resistance, relays and NEC5532. It can automatically select the appropriate level of resistance and frequency of signal source, fulfill the automatic switch of measurement range.The measurement and calculation were controlled by chip microcomputer.The self-calibration circuit was used to improve the measurement accuracy. The real-time values were displayed by 1602 LCD module.The experimental results show that the performance of the system is stable with high accuracy; the capacity of the system is over the design requirements.
Keywords: STC89C52, measurement, DDS, dislay, frequency
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前言
电阻、电容、电感精确测量仪是实验室及工程中经常遇到的常用仪器。而目前现有RCL测量仪，测量范围较窄。而且它对于大电容、电感及小电容、电感的测量精度不够高、智能化程度不够好，仪器极其昂贵，限制了普通电子实验人员的使用。随着单片机技术的发展，电阻、电容、电感的测量精度要求越来越高。可以实现仪表测量的自动化，并能进行数据分析处理，以达到仪表的高可靠性、高精度和多功能。本设计提出了一种利用MCS51系列的STC89C52RC单片机和DDS函数信号发生器来实现自动电阻、电容、电感的测量、Q值等。精度高，范围宽，能显示信号频率、电压、测量时间、并有存储功能，此仪器还可以完成对其它参数的测量。
1．方案比较、论证与选择
1.1 电阻、电感、电容测量方案比较、论证与选择
(1)电桥法：具有较高的测量精度，被广泛采用，现已派生出许多类型。但电桥 法测量需要反复进行平衡调节，测量时间长，很难实现快速的自动测量。
(2)谐振法：要求较高频率的激励信号，一般不容易满足高精度的要求。由于测 试频率不固定，测试速度也很难提高。
(3)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. 综合考虑，方案（3）综合性能优于其它两中方案，能在稳定的正弦波信号源下较为精确的测出待测元件的电阻、电容和电感的值。所以从测量速度和测量精度双重方面考虑，方案（3）满足测量准确度要求，且电路原理简单，连线方便，成本很低。故本设计电阻、电容和电感测量网络采用方案（3）。
1.2 信号发生器方案比较、论证与选择
(1)石英晶体振荡电路：频率计振幅稳定性较好，比较适合作为波形发生器。但波形发生频率由晶振频率决定，频率不便于调节。本设计要求信号连续可调，故不能达到要求。
(2)传统的直接频率合成技术(DS)：该类方法能实现快速频率变换,具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节,导致其结构复杂、体积庞大、成本昂贵,而且容易产生过多杂散分量。 (3)锁相环式频率合成器(PLL)：该类技术具有良好窄带跟踪特性,可选择所需频率信号,抑制杂散分量,且省去大量滤波器,有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是个惰性环节,锁定时间较长,因而频率转换时间较D长,且由模拟方法合成的正弦波的参数(如幅度、频率和相位等) 都难以定量控制。
(4)直接数字式频率合成器(Direct Digital Frequency Synthesizer)：该类方法具有高频率稳定度，可达2的n次方个频点(N为相位累加器位数)、高频率分辨率、频率纯度高以及极短的频率转换时间（可达us量级）、输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用。此外,全数字化结构便于集成,输出相位连续,频率、相位和幅度均可实现程控,体积小、重量轻，能够实现任意波形。
综合考虑，方案（4）各项性能和指标都优于其他几种方案，能使输出频率有较好的稳定性，能够达到的频点最多，幅值稳定性好，抗噪声效果好，控制方便。充分体现了模块化设计的要求，而且这些芯片及器件均为通用器件，在市场
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上较常见，虽价格也稍比其它信号发生器贵些，但本设计中是用正弦交流信号测量电阻、电容和电感。对其精度有较高的要求，且其测量范围大。所以，考虑到要求样品制作成功的可能性比较大，所以本设计正弦信号发生器采用方案（4）。
2．总体方案设计
幅度可调放大电路标准正弦波产生芯片（DDS）频率控制波形整形及频率测量电路1602液晶显示数据待测元件标准电阻或电容或电感串联分压电路（LRC分压网络）精密运放电压跟随单刀双掷电磁继电器开关高精度交流有效值转换芯片（AD637）ADC模数转换单片机（STC89C52RC）按键控制电磁继电器开关自校准电路译码器选择控制电路扩展单元
系统原理总框图如图1所示，该系统由STC89C52、标准正弦波产生芯片、标准
图1.系统原理总框图
电阻电容或电感串联分压电路（RCL分压网络）、精密运放电压跟随器、高精度交流/有效值转换电路（AD637）、ADC模数转换电路、运放NE5532、波形整形及频率测量电路、1602液晶显示。
通过单片机控制DDS芯片产生标准正弦波。将DDS产生的正弦波信号接标准电阻、电容或电感串联分压电路，待测元件（电阻、电容或电感）接入测量网络，经过电压跟随电路采集出RCL分压网络中标准电阻两端的电压值，经过继电器开关送到AD637高精度电压有效值转换芯片，通过AD模数转换将RCL分压网路电路的标准电阻两端的电压有效值输入单片机中。另外，当单片机开机、复位或通过按键控制时，单片机通过波形整形及频率测量电路DDS产生的正弦波信号的频率进行高精度测量。单片机记录其频率值。通过将单刀双掷开关打向DDS正弦波发生器输出端测量DDS函数发生器产生的正弦信号的有效值。并将此有效值记录在单片机中。另外通过单片机控制测量网络自动选取适当的标准电阻，以减小测量误差。
3．单元模块设计
2.1 单片机控制部分的原理及设计
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按键控制1602液晶屏显示测量DDS输出信号频率测量DDS输出端有效值单片机（STC89C52RC）DDS正弦波发生器1602扩展单元液晶屏显示控制AD测量直流电压测量网络标准电阻选取
图2.单片机控制模块框图
本设计方案以STC89C52RC控制其它各模块的正常运行，通过按键控制让单片机对不同种类的电子元件进行测量，对于给定的元件（电阻、电容或电感），通过按键使单片机识别所测元件的类别。然后单片机通过标准电阻、电容或电感分压电路估测所测元件的值。尔后单片机根据估测的值自动与自身程序中设置的档位进行对比判断，控制选择最适合的正弦信号频率值和电阻、电容或电感分压电路中标准电阻的阻值，再进行一次测量，输出测量结果，通过单片机1602液晶显示器显示出来，这样可以减小计算误差。另外，单片机对DDS信号输出端进行电压频率和幅值分别进行进行采集，这样更能精确的测出DDS输出端输入到电阻、电容或电感分压电路的精确值。也可以减小单片机的测量误差。
2.2 DDS全数控函数信号发生器设计
测量信号产生电路AD9850 芯片是美国ADI 公司生产的高集成度DDS ,接上精确的时钟源,采用单片机控制,可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦信号。此正弦信号可直接用作频率信号源或转换成方波而用作时钟脉冲。测量信号产生电路如图3所示。
AD9850 芯片有并行加载和串行加载2 种方式,图2所示是串行加载电路连接图。单片机只需要4 根信号线就可以对AD9850 编程。DATA_IN 是数据加载串行输入线,FQ_UD 和W_CL K是2 根时钟控制线,控制DATA _IN引脚上数据输入的时序,RESET 是AD9850 芯片的复位线。在125 MHz 时钟下,输出正弦信号和脉冲信号的频率范围为0. 291 Hz～40 MHz ,可通过编程任意输出其间的频率值,使用方便,频率准确度高。
L1J121CON2C6104J3321CON3J287654321CON8VCCY121GNDNC100MHzFOUTVCC34VCCD7D6D5D4D3D2D1D0FQ_UDRESETW_CLKD4D5D6D7C1105C2105C3104C4104C5104VCCR2100kR3100kC7R4100k104R5220C9223.3C11C10C12308.222910nHL2C13R6220680nH23RESET28272625242221201918171615C8470IOUTVINPRsetQOUTBAGNDANDACBDLG(NC)IOUTBD7DGNDRESETDVDDCLK_INW_CLKFQ_UDD0DGNDDVDDAVDDQOUTU1AD9850AVDDVINND4D5D6J47654321CON7D3D2D1SIN_OUTC_OUT2C_OUT110111213D3D2D1D014C_OUT1123456789W_CLK
图3.DDS数控函数信号发生器电路图
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