1、 2010 届毕业设计（论文）材 料系 、 部： 电气与信息工程系学生姓名： 李文兰 指导教师： 伍麟珺 职 称： 讲 师 专 业： 电子信息工程 班 级： 电信 0701 学 号： 402070101 2010 年 5 月- - 22010 届毕业设计课题任务书系： 电气与信息工程系 专业： 电子信息工程 指导教师 伍麟珺 学生姓名 李文兰课题名称 R、L、C 测量仪设计内容及任务自主设计一种 RLC 测量仪，能精确测量 R、L、C 的性能参数。拟达到的要求或技术指标1.设计并制作一智能化 R、L、C 测试仪。测量范围：电容100pF10000pF。测量精度：5%；并制作 6 位数码管显示器
2、，显示测量数值，指示所测元件的类型和单位。2 电感：1mH100mH。测量精度：5%；并制作 6 位数码管显示器，显示测量数值，指示所测元件的类型和单位。3 电阻： 1001M 测量精度：5%；并制作 6 位数码管显示器，显示测量数值，指示所测元件的类型和单位。- - 3起止日期 工作内容 备注2009.12.302010.1.12 选择课题，寻找相关资料2010.1.142010.217 于先锋实习，写实习日记与读书笔记。并查阅相关资料和教材。2010.2.222010.3 于先锋实习。写实习日记与读书笔记。2010.3.12010.3.10 毕业实习、设计调研。2010.3.122010.
3、3.23 总体设计2010.3.242010.4.9 软件的设计2010.4.1220104.26 系统的调试2010.4.272010.5.5 毕业设计说明书的整理进度安排2010.5.72010.5.20 总结、准备毕业答辩主要参考资料1 高吉祥.模拟电子技术. 北京：电子工业出版社，2004 年2 高吉祥，黄智伟，丁文霞.数字电子技术. 北京：电子工业出版社，2003年3 全国大学生电子设计竞赛组委会.第一届（1994 年）第六届（2003 年）全国大学生电子设计竞赛题目.2003.124 全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1999）.北京：北京理工大学
4、出版社，2000 年5 单片机 C 语言的应用程序设计教研室意见 年 月 日系主管领导意见 年 月 日- - 4湖南工学院 2010 届毕业设计指导教师评阅表系： 电气与信息工程系 学生姓名 李文兰 学 号 402070101 班 级 电信 0701专 业 电子信息工程 指导教师姓名 伍麟珺课题名称 R、L、C 测量仪设计评语：是否同意参加答辩： 是 否指导教师评定成绩 分值：- - 5指导教师签字： 年 月 日湖南工学院 2010 届毕业设计答辩及最终成绩评 定 表系（公章）： 学生姓名 李文兰 学号 402070101 班级 电信 0701 答辩日期课题名称 R、L、C 测量仪设计 指导教
5、师 伍麟 珺评 定成 绩 评 定 分值 教师 1 教师 2 教师 3 教师 4 教师 5 小计课题介绍思路清晰，语言表达准确，概念清楚，论点正确，实验方法科学，分析归纳合理，结论严谨，设计（论文）有应用价值。30必答题40答辩表现思维敏捷,回答问题有理论根据，基本概念清楚，主要问题回答准确大、深入,知识面宽。自由提问30合 计 100答 辩 评 分分值：答辩小组长签名：答辩成绩 a：40指导教师评分 分值： 指导教师评定成绩 b： 60- - 6说明：最终评定成绩a+b，两个成绩的百分比由各系自己确定，但应控制在给定标准的 10左右。2010 届毕业设计说明书R、L、C 测量仪设计系 、 部：
6、 电气与信息工程系 学生姓名： 李文兰 指导教师： 伍麟珺 职 称： 讲 师 专 业： 电子信息工程 班 级： 电信 0701 完成时间： 2010 年 5 月 21 日 最终评定成绩：分数： 等级：答辩委员会主任签名：年 月 日- - 7摘 要随着科技的不断发展，人类的不断进步，在电子技术领域的发展可谓突飞猛进，然而电容器在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有着重要的作用。因此，电容量的测量在日常使用中就不可避免。而目前电容量的测量仪器电容测量仪的应用越来越广泛，电容测量仪在国内外的发展水平越来越高，而目前，电容测量仪的应用现状是：品种多样，技术含量高。如：YD2612A/1
7、2B 电容测量仪，它有着良好的测试稳定性，抗冲击能力强。如：TH2615 系列电容测量仪，它是一种易操作、智能化的电容测量仪，仪器价格低，测试速度快。如：多频 HF2617 电容测量仪，它的可靠性稳定性强，测量显示直观，适用性好。本系统设计主要采用 555 集成定时器构成多谐振荡器、单稳态触发器等电路把被测电容的电容量转换成电压量，再把电压量通过 CC7107AD 转换器把电压量转换成数字量并显示，从而实现电容测量。我们有理由相信，随着科技的不断发展，在电子技术领域里，电容量的测量仪器电容测量仪将得到越来越广泛的应用；电容测量仪也将向着更合理，更科学，更适用的方向不断向前发展！本文主要侧重于把
8、 R、L、C 转换成频率信号 f，转换的原理分别是 RC 振荡电路和 LC 电容三点式振荡电路。单片机计数得出被测频率，由该频率计算出各个参数值，数据处理后，送显示。关 键 词：RC 振荡电路、 LC 电容三点式、 单片机- - 8AbstractWith the continuous development of science and technology, human progress in the field of electronic technology development is rapid, However capacitors in electronic circuits
9、were widely used, its capacity size of the circuit performance plays an important role.And the current capacity gauges - capacitance measuring instrument widely used, Capacitance measurement instrument in the development of domestic and international high level ever, and the current, capacitance mea
10、surement instrument of the status quo : The types and high technological content. Such as : YD2612A/12B capacitance measurement device, it has good test stability, strong impact. Such as : TH2615 series capacitance measuring instrument, it is a simple operation, and high-capacitance measurement inst
11、rument, Low prices equipment, testing speed. Such as : HF2617 multi-frequency capacitance measurement instrument, and its reliability is stable measurements revealed intuitive, good applicability. The main system design using 555 timers Multivibrator. monostable multivibrator circuit put the measure
12、d capacity capacitor voltage conversion volume, then the volume passed CC7107-AD voltage converter voltage conversion put into digital and showed that achieve capacitance measurement. We have reason to believe that with the continuous development of science and technology in electronic technology fi
13、elds. capacity gauges - capacitance measuring instrument will be used extensively; Capacitance measurement instrument will be toward more reasonable, more scientific and more applicable to the forward direction of development.- - 9sing, send your display. This article focuses on the R, L, C converte
14、d into frequency signal f, the principle of conversion were RC oscillator and LC capacitance three-point oscillator circuit. MCU the measured frequency count obtained from the frequencies of the various parameters, data procesKey words: RC surging circuit LC surging circuit. Single-Chip Microcompute
15、r目 录课题研究的背景 10第一章系统设计 111.1 设计要求 111.1.1 设计任务 111.2 选择总体方案 111.3 方案比较 121.4 方案论证 12第二章 主要电路设计与说明 152.1 TS556 芯片简介 152.1.1 芯片的引脚 152.1.2 芯片工作原理 152.2 测 Cx 的 RC 振荡电路 172.2.1 556 构成多谐振荡器182.2.2 测电阻电路 182.3 测 Cx 的振荡电路 192.4 测 Lx 的电容三点式电路20第三章 软件设计22第四章 系统仿真 234.1 系统仿真图 234.2 仿真结果 23第五章 系统测试.255.1 测试仪器 2
16、55.2 指标测试及误差分析 255.2.1 电阻的测量 255.2.2 电容的测量 265.2.3 电感的测量 26- - 10第六章 总结28第七章 致谢29参考文献 30附录一 元件清单31附录二 程序清单31附录三 电路原理图35附录四 印制电路板37课题研究的背景目前电容量的测量仪器电容测量仪的应用越来越广泛，电容测量仪在国内外的发展水平越来越高，而目前，电容测量仪的应用现状是：品种多样，技术含量高。有的具有良好的测试稳定性，抗冲击能力强如：YD2612A/12B；如：多频 HF2613 电容测量仪，它的最高频率 1MHz，适用小电容，晶体管结电容的测量，能自行诊断故障功能。等等，很
17、多很多品种多样，功能齐全的电容测量仪都涌现出来。随着科技的不断发展，在电子技术领域里，电容量的测量仪器电容测量仪将得到越来越广泛的应用；电容测量仪也将向着更合理，更科学，更适用的方向不断向前发展！我们不仅需要了解各类电容器的性能指标和一般特性，而且还必须了解在给定用途下各种元件的优缺点，以及机械或环境的限制条件等。这里将对电容器的主要参数及其应用做简单说明。 （1）标称电容量（ C R ） 。电容器产品标出的电容量值。云母和陶瓷介质电容器的电容量较低（大约在 5000pF 以下） ；纸、塑料和一些陶瓷介质形式的电容器居中（大约在 0.005uF1.0uF ） ；通常电解电容器的容量较大。这是一
18、个粗略的分类法。 （2）类别温度范围。电容器设计所确定的能连续工作的环境温度范围。该范围取决于它相应类别的温度极限值，如上限类别温度、下限类别温度、额定温度（可以连续施加额定电压的最高环境温度）等。 （3）额定电压（ U R ） 。在下限类别温度和额定温度之间的任一温度下，可以连续施加在电容器上的最大直流电压或最大交流电压的有效值或脉冲电压的峰值。电容器应用在高电压场和时，必须注意电晕的影响。电晕是由于在介- - 11质 / 电极层之间存在空隙而产生的，它除了可以产生损坏设备的寄生信号外，还会导致电容器介质击穿。在交流或脉动条件下，电晕特别容易发生。对于所有的电容器，在使用中应保证直流电压与交
19、流峰值电压之和不得超过电容器的额定电压。 （4）损耗角正切（ tg ） 。在规定频率的正弦电压下，电容器的损耗功率除以电容器的无功功率为损耗角正切。在实际应用中，电容器并不是一个纯电容，其内部还有等效电阻，它的简化等效电路如附图所示。对于电子设备来说，要求 R S 愈小愈好，也就是说要求损耗功率小，其与电容的功率的夹角要小。 第一章 系统设计11 设计要求1.1.1 设计任务1. 设计并制作一智能化 RLC 测试仪。测量范围：电容 100pF10000pF。测量精度：5%；并制作 6 位数码管显示器，显示测量数值，指示所测元件的类型和单位。2. 电感：1mH100mH。测量精度：5%；并制作
20、6 位数码管显示器，显示测量数值，指示所测元件的类型和单位。3. 电阻： 1001M 测量精度：5%；并制作 6 位数码管显示器，显示测量数值，指示所测元件的类型和单位。12 选择总体方案方案一：如果三角波输入给以被测电容器作为微分电容的微分电路，在电路参数选择适当的条件下，微分电路的输出幅度与 Cx成正比，再经峰值检测电路或精密整流及滤波电路，可以得到与 Cx成正比的直流电压 Ux ，然后再进行 A/D 转换送给数字显示器，便可实现所要求的函数关系。 （电路如图 11 所示）设三角波函数式为U I=K （0 Vcc 时，V o为 “0”电平，处于复位状态；而当置23位触发端 的电位，即 VS
21、 Vcc 时，下比较器 B 的输出为“1” ，RS 触发器置S1位，输出端 Vo为“1”电平。即当 VS Vcc 时，V o为 “1”电平，处于置位状3态。可见，该 TS556 的等效功能框图相当一个置位复位触发器。在 RS 触发12器内，还设置了一个强制复位端 ，即不管阈值端 R 和置位触发端 处于何MRS种电平，只要使 =“0”，则 RS 触发器的输出必为“1” ，从而使输出 Vo为R“0”电平。从芯片的等效功能方框图得出各功能端的真值表，(如表 2.1.1)所示。表 2.1.1 556 芯片各功能端的真值表（强制复位）M（置位触发）SR（复位触发） Vo（输出）0 01 0 11 1 1
22、 01 1 0 保持原电平注：“0” 电平 Vcc3“1” 电平 Vcc2“”表示任意电平22 测 的 RC 振荡电路XR221 556 构成多谐振荡器在电路中采用 RC 振荡电路来测量电阻 R、电容 C 的值，用 556 时基电路构成 RC 振荡器。如图 2.2.1（a）所示，将 555 与三个阻、容元件如图连接，便12构成无稳态多谐振荡模式。- - 18图 2.2.1（a） 电路图图 2.2.1（b） 波形图当加上 电压时，由于 上端电压不能突变，故 556 处于置位状态，输CV12出端（5/9）呈高电平“1” ，而内部的放电 COMS 管截止， 通过 和 对其CARB充电，6/8 脚电位
23、随 上端电压的升高呈指数上升，波形如图 2.2.1（b）所示。当 上的电压随时间增加，达到 Vcc 阈值电平（2/12 脚）时，上比较器C23A 翻转，使 RS 触发器置位，经缓冲级倒相，输出 呈低电平“0” 。此时，放电OV管饱和导通， 上的电荷经 至放电管放电。当 放电使其电压降至 Vcc 触BRC13发电平（6/8 脚）时，下比较器 B 翻转，使 RS 触发器复位，经缓冲级倒相，输出 呈高电平“1” 。以上过程重复出现，形成无稳态多谐振荡。OV由上面对多谐振荡过程的分析不难看出，输出脉冲的持续时间 就是 上的1tC电压从 Vcc 充电到 Vcc 所需的时间，故 两端电压的变化规律为132
24、3C- - 19/() /()1()13ABABtRCtRCCCCUtVeVe设 ，则上式简化为1(ABR1/2()tCt从上式中求得 11ln0.693t一般简写为 1.2()ABtRC电路间歇期 就是 两端电压从 Vcc 充电到 Vcc 所需的时间，即2tC33/()BtRCCUtVe从上式中求得 ，并设 ，则2t2BR221ln0.693t一般简写为 2.BtC那么电路的振荡周期 为T1210.693()0.693(2)ABt R振荡频率 ，即/f .4/2ABf Hz输出振荡波形的占空比为 1()/()DtT从上面的公式推导，可以得出（1）振荡周期与电源电压无关，而取决于充电和放电的总
25、时间常数，即仅 、 、 的值有关。 （2）振荡波的占空比与 的CARB C大小无关，而仅与 、 的大小比值有关。AB222 测电阻电路图 2.2.2 是一个由 556 时基电路构成的多谐振荡电路，由该电路可以测出量12程在 1001M 的电阻。该电路的振荡周期为 12()(2)(2)xx xTtInRCInRInRC其中 为输出高电平的时间， 为输出低电平的时间。则：1t 2t1()xIf为了使振荡频率保持在 这一段单片机计数的高精度范围内，需选择10kHz:合适的 C 和 R 的值。选择 R1=10K，C2=0.1uF.- - 201(ln2)xfcfRRC 振荡的稳定度可达 10-3，单片
26、机测频率最多误差一个脉冲，所以用单片机测频率引起的误差在百分之一以下。图 2.2.2 测量电阻的电路23 测 的 RC 振荡电路XC测量电容的振荡电路与测量电阻的振荡电路完全一样。其电路图如图 2.3.1所示。若 R56=R31=10K，则 13(ln2)XfRC其分析过程如测量电阻的方法一样，这里就不在赘述了。- - 21图 2.3.1 测量电容的电路24 测 的电容三点式振荡电路XL电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的，如图 2.4.1 所示。三点式电路是指：LC 回路中与发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的，另外一个电抗元件必须为异性质的，而与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的
27、三点式电路，成为电容三点式电路。 在这个电容三点式振荡电路中，C 4 C5分别采用 1000pF、2200pF 的独石电容，其电容值远大于晶体管极间电容，可以把极间电容忽略。振荡公式：，其中 12fLC45C则电感的感抗为 24f- - 22图 2.4.1 测量电感的电路- - 23第三章 软件设计在开始工作的时候，初始化系统，LED 显示 0000。本系统软件设计的主流程图如图 3.1 所示。对系统初始化之后，判断是否有按键按下。以测电阻为例，测量的电阻经 RC 振荡电路转换为频率 f，根据测电阻的换算公式，利用单片机软件编程，测量出其阻值并送显示。如果量程不够大，按下量程转换键转换为大量程
28、，进行测量。图 3.1 软件设计的主流程图- - 24第四章 系统仿真4.1 系统仿真图仿真图如图 4.1 所示：图 4.1 测电容原理图此图中 C2 为被测电容4.2 仿真结果仿真结果如表 4.1序号 标值 读数 相对误差1 100 pF 100 pF 02 500 pF 503 pF 0.0063 1000 pF 1014 pF 0.0144 2000 pF 2003 pF 0.0015- - 255 4000 pF 4007 pF 0.001756 6000 pF 6011 pF 0.001837 8000 pF 8014 pF 0.001758 10000 pF 10031 pF 0.
29、0018表 4.1 仿真结果- - 26第五章 系统测试51 测试仪器测试仪器如下表 5.1.1。表 5.1.1序号名称、型号、规格 数量 备注1 DT9205A 数字万用表（3 位半） 152 指标测试及误差分析5.2.1 电阻的测量电阻的一组测量数据如下表 5.2.1 所示：表 5.2.1电阻标值 万用表读数 本仪表读数 相对误差330 325 317 2.462.4 K 2.36 K 2.32 K 1.6947 K 47.3 K 46.8 K 1.05100K 97.9 K 96 K 1.94220 K 217 K 213 K 1.841M 0.993 M 0.965 M 2.81误差分
30、析：相对误差计算公式 10%R万 仪万从上面的一组数据上来看，在测量低于 1 K 阻值和接近 1M 阻值的电阻时，相对误差会大一些。造成这个现象的主要原因是在设计中采用的CD4066（四路模拟开关）的内阻较大，经测量其内阻达到了 180 左右，这样在测量电阻值小的电阻时，它的内阻就不能忽略，造成测量误差的增大。5.2.2 电容的测量电容的一组测量数据如下表 4.2.2 所示：表 4.2.2电容标值 万用表读数 本仪表读数 相对误差%33nF 28.3nf 28.8nF 1.76100nf 101.4nf 99.0nf 2.36680nF 621nF 585nf 5.7930Pf 31pF 29
31、pF 6.45误差分析： 相对误差计算公式 10%R万 仪万能性原因：一是万用表本身存在着一定误差，二是元件本身也存在一定误差。受所用仪器，元期间的限制，测量精度并没有做的很高。从上面的- - 27数据可以看出，电容的标称值与用万用表测出的容值有较大的误差，其可注意：由于建立 RC 稳定振荡的时间较长，在测量电阻和电容时，应在显示稳定后再读出数值。5.2.3 电感的测量电感的一组测量数据如下表 5.2.3 所示：表 5.2.3电感标值 本仪表读数22mH 25mH1mH 0.9mH- - 28第六章 总 结本设计完成题目所给的设计任务，制作了一台数字显示的电阻器、电容器和电感器参数测试仪，满足
32、题目的基本要求和一部分发挥要求。运用单片机作为中央控制器和计算核心，使仪表有性能可靠、体积小、电路简单的特点。但是这种把元件参数转换成频率后测量的方法也有不足之处，主要是必须保证电路起振，并且振荡要稳定，否则会增加误差。总体来说，本次设计是成功的。这次的论文设计，初稿的完成，到完善。整个过程当中，老师和同学们一直在给我指导鼓励、加油。尤其是单片机控制系统这一块，他们给我的帮助无疑是非常巨大的。正是由于他们的不断给我的帮助。整个设计到仿真才获得了圆满的成功。到后来初稿出炉时，又经过伍老师的进一步提点。论文终于得以完成。在此，学生真心的谢谢你们！- - 29第七章 致 谢时光如白驹过隙。一晃便是三
33、年。如今，再不足月余就要转身离开。回望这三年来走过的，崎崎岖岖，沟沟坎坎，却也经历着事事非凡，段段传奇。 我怀念过去的我们，怀念我们留在湖工的三年年岁，怀念你们的一阵阵微笑激荡起来的风，夹杂着悲伤快乐和一去不再回头的昨天。浩浩荡荡的穿越着我们单薄的青春。明亮、伤感、幸福、无穷无尽！我怀念各位尊敬的老师。古语云“师者，父母也” 。而今，学生福泽厚缘，有幸得遇各位恩师。老师的谆谆教诲、循循善诱。让原本迷失在十字路口的学生，找回了所有前进的方向。三年来，在老师的教诲下，学生得以成长、学会稳重、收获睿智、获得宽容、拥有诚信。而这些都是学生梦寐以求的东西。今天，学生都可以有了。老师，谢谢你们，真的谢谢你
34、们。再过几天，学生就得离开这所给了我梦想的伊甸园。学生真的舍不得离开这里。心里感到一种来不及的难过。我忽然前所未有的想念。想念我们的学校。我们在这里笑过、风光过、也悲伤流泪过、去过，也要离开了。也许当有一天，我老了，我希望我回头来看我成长的时候，又见你们。我毕生都难以忘记的你们。那些闪耀着慈祥、善良的你们。然后对你们说“遇见你们，我真的很荣幸、很高兴，很幸福！”- - 30参考文献1 高吉祥.模拟电子技术M. 北京：电子工业出版社，2004 年High auspicious. Analog electronics technology M. Beijing: Electronic Indust
35、ry Press, 20042 高吉祥，黄智伟，丁文霞.数字电子技术M. 北京：电子工业出版社，2003 年High auspicious, HUANG Zhi-wei, DING Wen-xia. Digital electronic technology M. Beijing: Electronic Industry Press, 20033 全国大学生电子设计竞赛组委会.第一届（1994 年）第六届（2003 年）全国大学生电子 4 设计竞赛题目.2003.12Organizing Committee of the National Undergraduate Electronic De
36、sign Contest. Of the first (1994) Sixth (2003) 4 National Undergraduate Electronic Design Contest topic. W.2003.124 全国大学生电子设计竞赛组委会 . 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编M（1999）.北京：北京理工大学出版社，2000 年Organizing Committee of the National Undergraduate Electronic Design Contest. National Undergraduate Electronic Design Contest winning entries Selected M (1999). Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 20005 单片机的 C 语言应用程序设计M.（第四版） 北京：航空航天出版社 2007. 6C-MCU application design M. (Fourth edition) Beijing: Aerospace Press, 2007
