1、R、L、C 测量仪 - 1 - R、L 、C 测量仪摘要：把 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 R、L 、C measure instrumentLiu zaile Zhou qunwei Lv xiaojuan （Nanhua University HengYang Hunan 421001）Teacher：Wang Yan Abstract: The resistance、the inductance and the c
2、apacitance are translated into frequency on account of RC surging circuit and LC surging circuit。 Single chip was measured frequency and computed each parameter value from this frequency，showing the parameter。Key words: RC surging circuit LC surging circuit.目 录第一章 系统设计 311 设计要求 3111 设计任务 3R、L、C 测量仪
3、- 2 - 112 技术要求 312 方案比较 313 方案论证 4131 总体思路 4132 设计方案 4第二章 主要电路设计与说明 521 TS556 芯片简介 5211 芯片的顶视图及各引脚的功能 5212 芯片的等效功能方框图及工作原理 522 CD4066 芯片的简介 723 测 的 RC 振荡电路 7XR231 用 556 时基电路构成多谐振荡器 7232 测量电阻的电路模块 924 测 的 RC 振荡电路 10XC25 测 的电容三点式振荡电路 11L第三章 软件设计 11第四章 系统测试 1241 测试仪器 1242 指标测试及误差分析 12421 电阻的测量 12422 电容
4、的测量 13423 电感的测量 13第五章 总结 13参考文献 13附 录 14附录 1 元器件清单 14附录 2 程序清单 15附录 3 总体电路图 17附录 4 印制板图 18附录 5 系统使用说明 19第一章 系统设计11 设计要求111 设计任务R、L、C 测量仪 - 3 - 设计并制作一台数字显示的电阻、电容和电感参数测试仪，示意框图如下：112 技术要求基本要求（1）测量范围电阻 1001M电容 100 pF10000 pF电感 100 H10 mH（2）测量精度+5（3）制作 4 位数码管显示器，显示测量数值，并用发光二极管分别指示所测元件的类别和单位发挥部分（1）扩大测量范围（
5、2）提高测量精度（3）测量量程自动转换12 方案比较目前，测量电子元件集中参数 R、L、C 的仪表种类较多，方法也各不相同，这些方法都有其优缺点。电阻 R 的测试方法最多。最基本的就是根据 R 的定义式来测量。在如图 1.2.1 中，分别用电流表和电压表测出通过电阻的电流和通过电阻的电压，根据公式 求得电阻。/RUI这种方法要测出两个模拟量，不易实现自动化。而指针式万用表欧姆档是把被测电阻与电流一一对应，由此就可以读出被测电阻的阻值，如图 1.2.2 所示。这种测量方法的精度变化大，若需要较高的精度，必须要较多的量程，电路复杂。能同时测量电器元件 R、L、 C 的最典型的方法是电桥法（如图 1
6、.2.3 ） 。电阻 R 可用直流电桥测量，电感 L、电容 C 可用交流电桥测量。电桥的平衡条件为 1 2() ()1 2n xj jn xZeZe通过调节阻抗 、 使电桥平衡，这时电表读数为零。根据平衡条件以及一些已知2R、L、C 测量仪 - 4 - 的电路参数就可以求出被测参数。用这种测量方法，参数的值还可以通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。Q 表是用谐振法来测量 L、C 值（如图 1.2.4） 。它可以在工作频率上进行测量，使测量的条件更接近使用情况。但是，这种测量方法要求频率连续可调，直至谐振。因此它对振荡器的要求
7、较高，另外，和电桥法一样，调节和平衡判别很难实现智能化。图 1.2.4用阻抗法测 R、L、C 有两种实现方法：用恒流源供电，然后测元件电压；用恒压源供电，然后测元件电流。由于很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们适用的测量范围很窄。很多仪表都是把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。基于此思想，我们把电子元件的集中参数 R、L、C 转换成频率信号 f,然后用单片机计数后在运算求出 R、L、C 的值，并送显示，转换的原理分别是 RC 振荡和 LC 三点式振荡。其实，这种转换就是把模拟量进拟地转化为数字量，频率 f 是单片机很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于使仪表实现智能化
8、，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。13 方案论证131 总体思路本设计中把 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，单片机根据所选通道，向模拟开关送两路地址信号，取得振荡频率，作为单片机的时钟源，通过计数则可以计算出被测频率，再通过该频率计算出各个参数。然后根据所测频率判断是否转换量程，或者是把数据处理后，把 R、L、C 的值送数码管显示相应的参数值，利用编程实现量程自动转换。132 设计方案该设计方案的总体方框图如图 1.3.1 所示。图 1.3.1 设计的总体方框图R、L、C 测量仪 - 5 - 第二章 主要电路设计与说明21 T
9、S556 芯片简介方案选择中，利用 555 时基电路构成多谐振荡器来测量电阻 R、电容 C，为了测量两个物理量需要两块 555 时基电路，为节省一部分硬件空间，以一片 556 时基电路来代替。211 芯片的顶视图及各引脚的功能556 双时基集成是 COMS 型的，内含两个相同的 555 时基电路，它的顶视图如下图2.1.1 所示，双列直插 14 脚封装。图 2.1.1 555 时基电路顶视图顶视图各引脚的功能分别为：1、13 脚：放电；2、12 脚：阈值；3、11 脚：控制；4、10 脚：复位；5、9 脚：输出；6、8 脚：置位触发；7 脚：GND；14 脚：+ 电源 Vcc。212 芯片的等
10、效功能方框图及工作原理芯片的等效功能方框图如下图 2.1.2 所示，由于 556 双时基集成块内含两个相同的 555时基电路，它的等效功能方框图与一个 555 时基电路的等效功能方框图相同，在下面的分析中，可就 个 556 芯片单独分析。R、L、C 测量仪 - 6 - 图 2.1.2 555 时基电路等效功能方框图芯片的工作原理TS556 的等效功能框图中包含两个 COMS 电压比较器 A 和 B，一个 RS 触发器，一12个反相器，一个 P 沟道 MOS 场效应管构成的放电开关 SW，三个阻值相等的分压电阻网络，以及输出缓冲级。三个电阻组成的分压网络为上比较器 A 和下比较器 B 分别提供
11、Vcc 和23Vcc 的偏置电压。当上比较器 A 的同相输入端 R 高于反相输入端电位 Vcc 时，A 输出13为高电平，RS 触发器翻转，输出端 Vo 为逻辑“0”电平。即当 VTH Vcc 时，V o 为 “0”电平，处于复位状态；而当置位触发端 的电位，即 VS Vcc 时，下比较器 B 的S13输出为“1” ，RS 触发器置位，输出端 Vo 为“1”电平。即当 VS Vcc 时，V o 为 “1”电平，处于置位状态。可见，该 TS556 的等效功能框图相当一个置位复位触发器。在2RS 触发器内，还设置了一个强制复位端 ，即不管阈值端 R 和置位触发端 处于何种MRS电平，只要使 =“0
12、”，则 RS 触发器的输出必为“1” ，从而使输出 Vo 为“0”电平。从MR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） （置位触发）SR（复位触发） Vo（输出）0 01 0 11 1 1 01 1 0 保持原电平注：“0” 电平 Vcc3“1” 电平 Vcc2“”表示任意电平R、L、C 测量仪 - 7 - 22 CD4066 芯片的简介在电路中采用 CD4066 四路模拟开关来实现不同量程的相互转换。CD4066 芯片（全称：四路模拟开关集成电路）内部含有 A、B、C、D 四路模拟开关，A 路模拟开关由引脚 1
13、3 控制、 B 路模拟开关由引脚 5 控制、C 路模拟开关由引脚 6 控制、D 路模拟开关由引脚 12 控制。所有的控制引脚由软件编程控制，当控制线由软件置“1”时，该模拟开关闭合，当控制线由软件置“0”时，该模拟开关断开，且四路模拟开关可独立使用。CD4066 的内部结构图如图 2.2.1 所示：图 2.2.1 CD4066 的内部结构图23 测 的 RC 振荡电路XR231 用 556 时基电路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 2.3.1（a）所示，将 556 与三个阻、容元件如图连接，便构成无稳态多谐振
14、12荡模式。图 2.3.1（a ） 电路图R、L、C 测量仪 - 8 - 图 2.3.1（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，输出端CV12（5/9）呈高电平“1” ，而内部的放电 COMS 管截止， 通过 和 对其充电，6/8 脚电CARB位随 上端电压的升高呈指数上升，波形如图 2.3.1（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 A 翻转，使23RS 触发器置位，经缓冲级倒相，输出 呈低电平“0” 。此时，放电管饱和导通， 上的OVC电荷经 至放电管放电。当 放电使其电压降至 Vcc 触发电平（6/8
15、脚）时，下比较器BRC1B 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，O形成无稳态多谐振荡。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 上的电压从1tVcc 充电到 Vcc 所需的时间，故 两端电压的变化规律为132/() /()()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2tC3/()BtRCCUtVe从上式中求得 ，并设 ，则2t2BR221ln0.69
16、3tR、L、C 测量仪 - 9 - 一般简写为 20.693Bt那么电路的振荡周期 为T121.().(2)ABt RC振荡频率 ，即/f .43/ABf Hz输出振荡波形的占空比为 1()/(2)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时间常数，即仅 、 、 的值有关。 （2）振荡波的占空比与 的大小无关，而仅与 、CARB CAR的大小比值有关。BR232 测量电阻的电路模块图 2.3.2 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程在 100121M 的电阻。该电路的振荡周期为 1()(2)(2)xx xTtInRCInR
17、InRC其中 为输出高电平的时间， 为输出低电平的时间。则：1t 2t1()xIf=( 1(2)/2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，需选择合适的 C0kHz:和 R 的值。第一个量程选择 ，第二个量程选择2,0.2RCuF。这样，第一个量程中， 时20,1kCpF10XR6().430.21(02)fInkHZ第二个量程中， 时 936(2)1.40(20)7XfInCRkHZ因为 RC 振荡的稳定度可达 10-3，单片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。在电路中之所以选用可调电位器是因为 CD4066 的内阻并不清楚，在进行测量之前需要
18、进行校准。把标准电阻插在 JP2 插接口上，调节电位器，使数码管显示标称阻值。在以后的测量过程中，便可直接测量电阻。利用 P1.0（TR1 ） 、 P1.1（TR2 ）口通过软件编程的R、L、C 测量仪 - 10 - 方法来控制 CD4066 的改变，实现量程的转换图 2.3.2 测量电阻的电路24 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 2.4.1 所示。若 = 或者 = ，则24R825 9R13(ln2)XfRC两个量程的取值分别为第一量程： =510248K第一量程： =1059其分析过程如测量电阻的方法一样，这里就不在赘述了。图 2.4
19、.1 测量电容的电路R、L、C 测量仪 - 11 - 25 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 2.5.1 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 12fL45C则电感的感抗为 24f在测量电感的时候，发现电感起振频率非常的高，大致到达 3MHz 左右，而
20、单片机的最大计数频率大约为 500KHz，在频率方面达不到测量电感频率，于是我们把测电感的电容三点式电路得出的频率经过由两片 74LS160 组成八位计数器作为分频电路对该频率进行分频，有 ，满足单片机计数要求。8302179图 2.5.1 测量电感的电路第三章 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，进行测量。R、L、C 测量
21、仪 - 12 - 图 3.1 软件设计的主流程图第四章 系统测试41 测试仪器测试仪器如下表 4.1.1。表 4.1.1序号 名称、型号、规格 数量 备注1 DT9205A 数字万用表（3 位半） 142 指标测试及误差分析4.2.1 电阻的测量电阻的一组测量数据如下表 4.2.1 所示：表 4.2.1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.
22、81误差分析：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。R、L、C 测量仪 - 13 - 4.2.2 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 5
23、85nf 5.7930Pf 31pF 29pF 6.45误差分析： 相对误差计算公式 10%R万 仪万从上面的数据可以看出，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。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。4.2.3 电感的测量电感的一组测量数据如下表 4.2.3 所示：表 4.2.3电感标值 本仪表读数22mH 25mH1mH 0.9mH第五章 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
24、参数测试仪，满足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。参考文献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
25、编（1999）.北京：北京理工大学出版社，2000 年R、L、C 测量仪 - 14 - 附 录附录 1 元器件清单序号 元件 数量 序号 元件 数量1 74HC373 1 14 电位器 502 22 AT89S52 1 15 电位器 503 33 74AHC138 1 16 电容 103 14 CD4066BCJ 3 17 电容 104 75 TS556MN 1 18 电容 30pF6 74LS160 2 19 电解电容 22uF 27 发光二极管 4 20 电容 0.1uF 18 晶振 12M 1 21 电阻 1K 29 9014 2 22 电阻 2K 210 9012 8 23 电阻 10
26、K 211 共阳四位一体数码管 2 24 电阻 100K 212 轻触开关 4 25 插接件 313 电位器 103 1 26 电源插接件 2附录 2 程序清单-本设计程序由 C 语言编写主程序名： RLCTest.h程序实现的主要功能：把 R、L、C 转换的频率，通过编程求出其值，送 LED 显示-#include#include“RLCTest.h“union countstruct clockTwounsigned char clockH;unsigned char clockL;clockTwo;unsigned int clock;count; /定义频率字unsigned char
27、 code disdata16=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e; unsigned char data dismem8;/定义 LED 显示频段-系统初始化-void init(void)stateR=0;testR=1;stateC=1;testC=0;stateL=1;testL=0;largeR=1;smallR=0;largeC=1;smallC=0;void delay4us(unsigned int time)while(-time);void delay
28、2us(unsigned char time)while(-time);void inittime(void)TMOD=0x15;/C/T 0 为计数器，用于频率计数。C/T 1 为定时器。用于动态R、L、C 测量仪 - 15 - 显示TH1=0xF8;/timer1=2msTL1=0x2f;ET1=1;EA=1;TR1=1; TR0=1;ET0=1;/timer 2T2CON=0x04;T2MOD=0x00;TH2=0x3C;TL2=0xB0;RCAP2H=0x3C;RCAP2L=0xB0;TR2=1;ET2=1;-按键处理-void keyprocess(void)if (keyR=0)d
29、elay2us(20);if (keyR=0)stateR=0;testR=1;stateL=1;testL=0;stateC=1;testC=0;Tstate=1;while(keyR=0);else if (keyC=0)delay2us(20);if (keyC=0)stateR=1;testR=0;stateL=1;testL=0;stateC=0;testC=1;Tstate=1;while(keyC=0);else if (keyL=0)delay2us(20);if (keyL=0)stateR=1;testR=0;stateL=0;testL=1;stateC=1;testC=
30、0;Tstate=1;while(keyL=0);else if (keyT=0)delay2us(20);if (keyT=0)Tstate=Tstate;while(keyT=0); -主函数-void main()unsigned int freq;inittime();init();dokeyprocess();delay4us(65535);freq=count.clock;/(clockH*256)+clockL;if (stateC=0)freq=48000/freq;dismem0=freq/10000;freq=freq%10000;dismem1=freq/1000;R、L
31、、C 测量仪 - 16 - freq=freq%1000;dismem2=freq/100;freq=freq%100;dismem3=freq/10;freq=freq%10;dismem4=freq;while(1);/动态显示void tim1timer(void) interrupt 3/占用定时器 1static unsigned char inittime=1;/中段次数计数ET1=0;TH1=0xF8;TL1=0x2f;switch (inittime)case 1:ledbitA=0;ledbitB=0;ledbitC=0;ledbitCS=0;ledseg=disdatadi
32、smem0;break;case 2:ledbitA=1;ledbitB=0;ledbitC=0;ledbitCS=0;ledseg=disdatadismem1;break;case 3:ledbitA=0;ledbitB=1;ledbitC=0;ledbitCS=0;ledseg=disdatadismem2;break;case 4:ledbitA=1;ledbitB=1;ledbitC=0;ledbitCS=0;ledseg=disdatadismem3;break;case 5:ledbitA=0;ledbitB=0;ledbitC=1;ledbitCS=0;ledseg=disda
33、tadismem4;break;case 6:ledbitA=1;ledbitB=0;ledbitC=1;ledbitCS=0;ledseg=disdatadismem5;break;case 7:ledbitA=0;ledbitB=1;ledbitC=1;ledbitCS=0;ledseg=disdatadismem/timer=2ms 6;break;default :ledbitA=1;ledbitB=1;ledbitC=1;ledbitCS=0;ledseg=disdatadismem7;inittime =0;break;ET1=1;TR1=1;inittime+;void timer2timer(void) interrupt 5EA=0;TF2=0;/定时器 2 须由软件清中断标志位TR0=0;TR2=0;count.clockTwo.clockH=TH0;count.clockTwo.clockL=TL0;TH0=0;TL0=0;TR2=1;TR0=1;P1_7=P1_7;EA=1;R、L、C 测量仪 -
