1、簡易數字式電阻、電容和電感測量儀設計報告簡易數字式電阻、電容和電感測量儀設計報告摘要：本系統利用TI公司的16位超低功耗單片機MSP430F149和ICL8038精密函數發生器實現對電阻、電容和電感參數的測量。本系統以自制電源作為LRC數字電橋和各個主要控制芯片的輸入電源，并采用ICL8038芯片產生高精度的正弦波信號流經待測的電阻、電容或者電感和標準電阻的串聯電路，通過測量電阻、電容或者電感和標準電阻各自的電壓，利用電壓比例計算的方法推算出電阻值、電容值或者電感值。利用MSP430F149單片機控制測量和計算結果，運用自校準電路提高測量精度，同時用差壓法，消除了電源波動對結果的影響。測量結果

2、采用12864液晶模塊實時顯示。實驗測試結果表明，本系統性能穩定，測量精度高。關鍵詞：LRC數字電橋、電壓比例法、液晶模塊、MSP430F149、電阻電容電感測量目錄一、設計內容及功能.1設計內容.1具體要求.2系統功能.2二、系統方案設計與選擇.2三、系統設計.3系統總體設計.3系統模塊設計.4四、理論分析與計算.5五、系統硬件設計.5電源電路.5LRC測量電路6整流濾波電路.6六、系統軟件設計.8控制測量程序模塊.8按鍵處理程序模塊.8電阻電感電容計算程序.9液晶顯示程序模塊.10七、系統測試.10測試原理.10測試方法.10測試儀器.10測試結果.10測試分析.11八、系統總結.12附件

3、一、本系統的主要程序.12一、設計內容及功能設計內容設計并制作一臺簡易數字式電阻、電容和電感參數測量儀，由測量對象、測量儀、LCD顯示和自制電源組成，系統模塊劃分如下圖所示：具體要求測量范圍(1)基本測量范圍：電阻100。1M。；電容100pF10000pF；電感100MH10mH。(2)發揮測量范圍：電阻10。10M。；電容50pF10口F；電感50口H1H。測量精度(1)基本測量精度：電阻5%；電容10%；電感5%。(2)發揮測量精度：電阻2%；電容8%；電感8%。利用128*64液晶顯示器，顯示測量數值、類型和單位。自制電源使用按鍵來設置測量的種類和單位系統功能基本完成以上具體要求.使用

4、三個按鍵分別控制R、C、L的測試.采用液晶顯示器顯示測量結果二、系統方案設計與選擇電阻、電容、電感測試儀的設計目前有多種方案可以實現，例如、使用可編程邏輯控制器(PLC)、振蕩電路與單片機結合或CPLD與EDA相結合等等來實現。在設計前本文對各種方案進行了比較：方案一.基于模擬電路的測量儀利用模擬電路，電阻可用比例運算器法和積分運算器法，電容可用恒流法和比較法，電感可用時間常數發和同步分離法等，雖然避免了編程的麻煩，但電路復雜，所用器件較多，靈活性差，測量精度低，現在已較少使用。方案二.可編程邏輯控制器(PLC)此方案采用PLC對硬件進行控制，應用較為廣泛。它能夠非常方便地集成到工業控制系統中

5、。其速度快，體積小，可靠性和精度都較好，在設計中可采用PLC對硬件進行控制，但是用PLC實現價格相對昂貴，因而成本過高。方案三.采用CPLD或FPGA實現此方案則采用廣泛應用的VHDL硬件電路描述語言，實現電阻，電容，電感測試儀的設計，利用MAXPLUSII集成開發環境進行綜合、仿真，并下載到CPLD或FPGA可編程邏輯器件中，完成系統的控制作用。但相對而言設計規模大，系統結構復雜。方案四.利用LRC數字電橋與單片機結合利用LRC數字電橋將電阻、電容和電感參數轉化為電壓模擬信號，此模擬量由高精度AD轉換芯片轉換為數字量。這樣由單片機處理數字量，能夠滿足測量精度高、易于實現自動化測量等設計需要，

6、而且單片機構成的應用系統有較大的可靠性、系統擴展、系統配置靈活，容易構成各種規模的系統。通過對上述方案的比較，利用LRC數字電橋與單片機結合實現電阻、電容、電感測試儀更為簡便可行，節約成本。所以，本文選定以單片機為核心來實現對電阻、電容和電感測量的設計。三、系統設計系統總體設計本系統包括硬件設計和軟件設計兩部分內容。硬件設計主要分為七部分：第一部分采用AMS1117芯片制作的電源，輸出穩定的3.3V電壓。第二部分為ICL8038芯片產生正弦波。第三部分用RC和RL電路實現LRC數字電橋的功能。第四部分是對正弦波進行精密濾波的功能。第五部分利用MSP430F149單片機自帶的AD實現模擬信號轉換

7、為數字信號的功能。第六部分為MSP430F149單片機接收轉換后的數字信號并做相應的處理，根據按鍵狀態控制測量的類型和單位。第七部分為測量結果顯示部分，采用的是128*64液晶顯示器。系統硬件總體框圖如下：圖1系統硬件總體框圖軟件由4部分組成：(1)控制測量程序,單片機控制測量程序不僅擔負著量程的識別與轉換,而且還負責數據的修正和傳輸;因此主控制器的工作狀態直接決定著整個測量系統能否正常工作,所以控制測量程序對整個測量來說至關重要;(2)按鍵處理程序，根據按鍵的狀態做相應的功能設置;(3)電阻電感電容計算程序，單片機根據AD轉換得到的電壓值計算出電阻、電感或者電容值;(4)液晶模塊顯示程序。本

8、系統的程序框圖如圖2所示。圖2程序框圖系統模塊設計電源模塊輸入的外部電源首先經過橋式整流、濾波電路濾波，再經過AMS1117芯片穩壓成3.3V的直流電壓，向MSP430F149主控制器供電。信號產生模塊標準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，正弦波的失真將產生難以修正的錯誤，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芯片產生正弦波。ICL8038精密函數發生器是采用肖特基勢壘二極管等先進工藝制作成的單片集成電路芯片，電源電壓范圍寬、穩定度高、易用等優點，外部只需接入很少的元件即可工作，可產生多種頻率正弦波，其函數波形的頻率受內部或外部電壓

9、控制。整流濾波模塊整流濾波模塊采用LM324的集成運放和LC電路對LRC測試模塊產生的信號進行整流濾波，因為測試模塊產生的信號是正弦波，而AD采樣沒辦法采集負信號，所以要通過整流濾波給后面的AD采樣。因為整流濾波是高阻輸入，但也不是無窮大，所以在做測試模塊時，分壓電阻最好小于100K。AD采樣模塊本模塊利用MSP430F149單片機自帶的AD轉換功能把整流濾波后的模擬信號轉換為單片機能夠處理的數字信號，并傳送給處理器。主控制模塊本模塊采用低功耗的MSP430F149微處理器控制AD裝換，并對轉換結果數據進行接收和處理；通過按鍵控制測量的類型和單位。顯示模塊通過LCD驅動程序對MSP430F14

10、9處理后的結果數據進行穩定顯示，在測試期間顯示能夠保持穩定狀態，當離開測試能夠迅速歸零。四、理論分析與計算本系統主要的功能就是電阻、電容和電感的測量，因此對電阻、電容和電感測量的原理做詳細的分析。電阻高精度測量較好的方法之一是采用與標準電阻相比較的方法。其主要原理：是在待測電阻與標準電阻的串聯電路中加一電流。這樣和上將得到電壓和，則測量電阻為：在設計中，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生測量信號，而只能采用交流信號。在角頻率為的交流信號的作用下，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，標準元件的選擇就有

11、許多種方法。但為了提高測量精度和降低成本，該測量儀采用了標準電阻，且與電阻測量公用一套標準電阻。所以有：經過計算可得：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定值。為此，我們在該設計中采用了高精度的ICL8038芯片產生正弦波，同時輸出緩沖器采用了運算放大器。為保證波形精度采用了閉環深度負反饋方式。此外，本設計中還采用了運算放大器補償實現無失真AC-DC的轉換，以確保測量精度。五、系統硬件設計電源電路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，所以需要設計電路把外部輸入電壓轉換為穩定的3.3V電壓，如圖

12、3所示，采用的是AMS1117芯片，可以輸出3.3V電壓，然后經過濾波輸出穩定的3.3V供給MSP430F149。圖3穩壓3.3V產生電路LRC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電路來進行的。當探針的兩端接電阻元件時，此電路就組成的是基本的RR電路；當探針的兩端接電容元件時，此電路就組成的是基本的RC電路；當探針的兩端接電感元件時，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測量電路整流濾波電路此電路采用LM324的集成運放和LC電路對LRC測試模塊產生的信號進行整流濾波。因為測試電路產生的信號是正弦

13、波，而AD采樣沒辦法采集負信號，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、系統軟件設計控制測量程序模塊單片機控制測量程序不僅擔負著量程的識別與轉換,而且還負責數據的修正和傳輸;因此主控制器的工作狀態直接決定著整個測量系統能否正常工作,所以控制測量程序對整個測量來說至關重要。控制測量流程圖如圖8所示。圖8控制測量程序流程圖按鍵處理程序模塊按鍵處理程序的主要功能是設置測量的類型和測量的檔位，當有按鍵被按下時就執行相應的按鍵功能，流程如圖9所示。圖9按鍵處理

14、程序流程圖電阻電感電容計算程序單片機根據AD轉換得到的電壓值計算出電阻、電感或者電容值，該程序流程圖如圖10所示。圖10電阻電感電容計算程序流程圖液晶顯示程序模塊該程序模塊只有一個功能，就是對測量結果清晰正確的顯示出來，并能夠保持穩定。程序流程圖如圖11所示。圖11液晶顯示程序模塊流程圖七、系統測試測試原理：在系統設計中，以MSP430F149單片機為核心的電阻、電容、電感測試儀，將電阻，電容，電感，使用對應的振蕩電路轉化為電壓實現各個參數的測量。其中100HZ/1MHZ/10MHZ的正弦波是采用ICL8038芯片產生的，將模擬電壓信號送入AD采樣，通過AD把模擬信號轉換為數字信號，再把數字信號送入MSP430F149單片機處理。以IAREmbeddedWorkbench為仿真平臺，使用C語言編寫了系統應用軟件；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。測試方法：在測試時將被測參數通過本系統測量出來的示