張秀再　黃建松　張方方

(1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心，南京 210044；3.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京 210044；4.徐州市氣象局，徐州 221002)

0　引言

目前，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件急劇增加，電子元器件的適用范圍也逐漸廣泛起來，在應(yīng)用中常常要測定電阻、電容、電感的大小。電阻測量依據(jù)產(chǎn)生恒流源的方法[1]分為電位降法、比例運(yùn)算器法和積分運(yùn)算器法[2]。比例運(yùn)算器法測量誤差稍大，積分運(yùn)算器法適用于高電阻的測量[3]。傳統(tǒng)的測量電容方法有諧振法[4]和電橋法[5]兩種。前者電路簡單，速度快，但精度低；后者測量精度高，但速度慢。電感測量可依據(jù)交流電橋法[6]，這種測量方法雖然能較準(zhǔn)確的測量電感但交流電橋的平衡過程復(fù)雜，而且通過測量Q值確定電感的方法誤差較大。因此，設(shè)計可靠，安全，便捷的電阻、電容、電感測試儀具有很大的必要性。

由于測量電阻，電容，電感的方法較多并具有一定的復(fù)雜性，為了方便于測定電阻、電容、電感的大小，本文設(shè)計了一種基于555振蕩器和LC振蕩電路的電阻、電容、電感自動檢測的儀器。該LCR自動測量儀可以將電阻、電容和電感加在對應(yīng)的振蕩電路上轉(zhuǎn)化為頻率信號，再將頻率信號送入AT89S52的計數(shù)端口，通過定時和計數(shù)可以計算出振蕩信號頻率，通過頻率大小和待測參數(shù)的關(guān)系反演出被測參數(shù)。

1　LCR測量原理

1.1　測量電阻

555定時器是一種用途很廣的集成電路，只需外接少量R、C元件，就可以構(gòu)成多諧、單穩(wěn)及施密特觸發(fā)器[7]。電阻的測量采用“脈沖計數(shù)法”，由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路如圖1所示，通過計算振蕩輸出的頻率來計算被測電阻的大小。振蕩電路輸出的信號頻率為

(1)

圖1　多諧振蕩電路

即被測電阻為

(2)

1.2　測量電容

電容的測量同樣采用“脈沖計數(shù)法”，由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路[7]，通過計算振蕩輸出的信號頻率來計算被測電容的大小。由555接成的多諧振蕩電路如圖1所示，若將圖中的RX、C分別改為R2、CX，則振蕩電路輸出的信號頻率表示為

(3)

即被測電容為

(4)

1.3　測量電感

電感的測量是采用電容三點(diǎn)式振蕩電路[8]來實(shí)現(xiàn)的。電容三點(diǎn)式振蕩電路如圖2所示，輸出信號為正弦信號，其振蕩頻率為

(5)

(6)

圖2　電容三點(diǎn)式振蕩電路

2　系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)及測量電路設(shè)計

2.1　系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。系統(tǒng)分四大部分：測量電路、控制電路、通道選擇和顯示電路。通過單片機(jī)的P1.3和P1.4向模擬開關(guān)送兩位地址信號，取得相應(yīng)的振蕩頻率，然后根據(jù)所測頻率來判斷是否轉(zhuǎn)換量程，或者是把數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得出相應(yīng)的參數(shù)值。系框圖各部分說明如下：

圖3　系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

1)控制部分：以AT89S52單片機(jī)為核心，利用其管腳的特殊功能以及所具備的中斷系統(tǒng)，定時/計數(shù)器和顯示功能等。設(shè)置了1盞電源指示燈，采用紅色的LED以共陽極方式來連接，直觀易懂，操作也簡單。數(shù)碼管顯示中有1個74HC02、2個74LS573、1個2803驅(qū)動和6個數(shù)碼管，采用共陽極方式連接構(gòu)成動態(tài)顯示部分，降低功耗。鍵盤有Sr，Sc，SL三個按鍵，可靈活控制不同測量參數(shù)的切換，實(shí)現(xiàn)一鍵測量。

2)通道選擇：通過單片機(jī)控制CD4052模擬開關(guān)來控制被測頻率的自動選擇。

3)測量電路：R、C測量電路是利用555振蕩電路實(shí)現(xiàn)被測電阻和被測電容的頻率化。電感測量電路是利用電容三點(diǎn)式振蕩電路實(shí)現(xiàn)被測電感參數(shù)的頻率化。通過單片機(jī)的IO口自動識別量程切換，實(shí)現(xiàn)自動測量。

2.2　電阻測量電路

如圖4所示，電阻測量電路是由555芯片及測試電阻構(gòu)成的多諧振蕩器，其振蕩頻率信號從端口3輸出接入單片機(jī)的P1.0口。該測量電路可分為2檔：

1)當(dāng)100≤Rx<1000 Ω：按下電阻測試建Srg，閉合開關(guān)Srd，R2=330Ω，C2=0.22μF：則測量電阻可以根據(jù)式(7)計算得出。

圖4　電阻測量電路圖

(7)

2)1000≤Rx<1M Ω：斷開開關(guān)Srd，閉合開關(guān)Srg、Sw1，R1=20kΩ，C3=0.01F：則測量電阻可以根據(jù)式(8)計算得出，測量結(jié)果可以由單片機(jī)顯示電路顯示。

(8)

2.3　電容測量電路

電容測量電路如圖5所示，是由555芯片及測試電容構(gòu)成的多諧振蕩器，其振蕩頻率信號從端口3輸出并接入單片機(jī)的P1.1口，單片機(jī)進(jìn)行頻率測量，由測量的頻率值并且根據(jù)表達(dá)式(9)計算出所測量的電容值，測量結(jié)果可以由單片機(jī)顯示電路顯示。

(9)

圖5　電容測量電路圖

2.4　電感測量電路

電感測量電路采用電容三點(diǎn)式振蕩電路如圖6所示，其振蕩信號為正弦信號，振蕩輸出的正弦信號再通過由555芯片構(gòu)成的施密特電路轉(zhuǎn)換為同頻率的方波，方波從端口3輸出接入單片機(jī)的P1.2口，由單片機(jī)測量信號頻率并由表達(dá)式可以計算出所測量的電感值。

(10)

圖6　電感測量電路圖

3　軟件設(shè)計

在LCR測試儀的設(shè)計中，為便于直接觀察測試的參數(shù)值，由單片機(jī)控制通過數(shù)碼管顯示被測參數(shù)值，被測參數(shù)各個燈的選擇以及具體設(shè)置，通過三個按鍵Sr、Sc、SL來進(jìn)行靈活控制，具體操作流程如圖7所示。首先插入被測元件，開關(guān)打開以后，按下SET鍵，進(jìn)行復(fù)位，然后進(jìn)行按鍵選擇，選擇被測參數(shù)類別，單片機(jī)根據(jù)按鍵類別啟動相應(yīng)的參數(shù)測試程序，測試完畢后將結(jié)果送入數(shù)碼管顯示。

圖7　LCR測試的軟件流程圖

4　測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)是反映系統(tǒng)性能的重要依據(jù)，選擇不同數(shù)值的電阻、電容和電感分別進(jìn)行5次測試實(shí)驗(yàn)取平均值，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　電阻、電容、電感測試數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合系統(tǒng)測量原理及測試計算公式可知：測量誤差的主要原因是所測量的頻率值存在誤差，因此，計算出的元件參數(shù)存在誤差；所測量的元件標(biāo)稱值越小則測量誤差越??；電感的測量誤差相對于電容、電阻的測量誤差較大，是由測量頻率值計算電感時表達(dá)式中存在頻率的平方率造成。

5　結(jié)論

LCR自動測量儀采用單片機(jī)為核心控制部分可提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,利于調(diào)試和維護(hù)。采用555振蕩器實(shí)現(xiàn)了被測電阻和被測電容參數(shù)的頻率化，電容三點(diǎn)式振蕩電路實(shí)現(xiàn)了被測電感參數(shù)的頻率化，被測頻率信號通過CD4052模擬開關(guān)送入單片機(jī)進(jìn)行計數(shù)，由執(zhí)行軟件計算被測參數(shù)，再經(jīng)過顯示電路顯示被測參數(shù)的值。程序可以用C語言在線編程，根據(jù)具體情況啟動被測參數(shù)的執(zhí)行程序,能靈活控制被測參數(shù)的檔位切換。該設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)對電阻、電感和電容的自動測量，使用方便，有一定的實(shí)際意義。

[1]蔣獻(xiàn)豐，費(fèi)國斌，趙玲玲.一種用于低電阻測量的直流精密恒流源[J].計量技術(shù)，2008(12)

[2]李建新.基于恒流源的電阻測量[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，19(9)

[3]陶蓓，朱靜，劉玉濤.高精度電阻測量方法及其應(yīng)用[J].計量與測試技術(shù)，2011，38(10)

[4]張少謙，馬辰，李恩全，趙睿.一種基于DDS與單片機(jī)的自動電容測量系統(tǒng)設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10(25)

[5]鹿桂蘭.利用電橋法測量電容[J].中國教育技術(shù)裝備，2009(23)

[6]王敦慶.一種基于微控制器的半平衡電橋法測量電容、電感、電阻[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2000(1)

[7]余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2010

[8]沈偉慈.通信電路[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011