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湖南商学院《电子综合设计实验》实验报告题目简易电阻、电容和电感测试仪姓名:赵豪廖玉柱学号:110910021110910026专业:电子信息工程班级:电信1101指导教师:何静职称:讲师计算机与信息工程学院2014年11月评审表姓名赵豪廖玉柱学号110910021110910026题目简易电阻、电容和电感测试仪评审意见评审成绩赵豪廖玉柱指导教师签名评审时间年月日1目录1系统方案论证..........................................21.1电阻测试方案论证.......................................21.2电容测量方案论证.......................................31.3电感测量方案论证.......................................32理论分析与计算........................................42.1电阻测量的分析及计算...................................42.2电容测量的分析与计算...................................52.3电感测量的分析与计算...................................63电路与程序设计........................................73.1整形模块电路设计.......................................73.2模拟开关模块电路设计...................................74程序设计..............................................85系统测试及结果分析....................................95.1测试使用的仪器设备.....................................95.2测试方法...............................................95.3测试数据..............................................105.4测试结果分析..........................................106小结.................................................1121系统方案论证1.1电阻测试方案论证方案一:电阻分压法。图1.1电解分压法结构图如1.1所示,将待测电阻Rx和基准电阻R串联在电路中。由于电阻分压的作用,当串联到电路上的电阻Rx的值不同时其Rx上分的压降也不同。通过测量上Vx便可求得Rx。)(XXXVVCCRVR该方案原理简单,理论上只要参考电阻精确,就可以测量任何阻值的电阻,但实际上由于AD的分辨率有限,当待测电阻的很大或是很小时就很难测出Rx上的压降Vx,从而使测量范围缩小,要提高测量范围和精度就需要对电阻分档测试和提高AD的分辨率。这无疑会增加系统的复杂性和成本。方案二:电桥法。图1.2电桥法结构图如1.2所示Rx=R2*R3/R1电桥法又称零示法。它利用指零电路作为测量的指示器,工作频率很宽,能在很大程度上消除或削弱系统误差的影响,精度很高。但为保证电桥的平衡,要求信号源的电压和频率稳定,特别是波形失真要小,增大硬件电路的难度。3方案三:555RC多谐振荡。利用RC和555定时器组成的多谐振荡电路,通过测量输出振荡频率的大小即可求得电阻的大小,如果固定电阻值,该方案硬件电路实现简单,通过选择合适的电容值即可获得适当的频率范围,再交由单片机处理。综合比较,本设计采用方案三,采用低廉的NE555构建RC多谐振荡电路,电路简单可行,单片机易控制。1.2电容测量方案论证方案一:利用RC充电原理,根据电路原理电容充电的时间常数τ=RC。通过选择适当的参考电容,通过测量充电到一个固定电压时所需的时间即可以测量出相应的电阻阻值。此方案下测量大电容较准,但在电容容量较小时,电容在极短的时间内就能充满,即充电时间较短,所以很难测准。方案二:同样利用RC和555定时器组成的多谐振荡电路,通过测量输出振荡频率的大小即可求得电容的大小,如果固定电阻值,该方案硬件电路实现简单,能测出较宽的电容范围,能够较好满足题目的要求。综合比较,本设计采用方案二,采用低廉的NE555构建RC多谐振荡电路,电路简单可行,单片机易控制。1.3电感测量方案论证方案一:采用平衡电桥法测量电感。将待测电感和已知标准电阻电容组成电桥,通过单片机控制调节电阻参数使电桥平衡,此时,电感的大小由电阻和电桥的本征频率即可求得,该方案测量精准,同时可以测量电容和电阻的大小,但其电路电路复杂,实现起来较为困难。方案二:采用LC配合三极管组成三点式震荡振荡电路,通过测输出频率大小的方法来实现对电感值测量。该方案成本低,其输出波形为正弦波,将其波形整形后交给单片机测出其频率,并转换为电感值。综合比较,本设计采用方案二,电路简单,性价比高。42理论分析与计算2.1电阻测量的分析及计算根据题目要求,如图2.1,采用555多谐振电路,将电阻量转化为相应的频率信号值。考虑到单片机对频率的敏感度,具体的讲就是单片机对10Hz-10KHz的频率计数精度最高。所以要选用合理的电阻和电容大小。同时又要考虑到不能使电阻的功率过大,所以在选第一个量程时取R=1KΩ,C=1uF(此时Rx=100欧为测量下限);在第二个量程取R=20KΩ,C=10nF(此时Rx=1兆欧为测量上限)。因为RC振荡的稳定性可达0.001,单片机测频率最多误差一个脉冲,因此由单片机测频率引起的误差在0.01以下。量程自动转换原理:单片机在第一个频率的记录中发现频率过小,即通过继电器转换量程。再测频率,求Rx值。误差分析:因为R+2Rx=1/((ln2)Cf)所以2△Rx=-△f/((ln2)Cf*f)-△C/((ln2)Cf*f)于是|△Rx/(R/2+Rx)|=|△f/f|+|△C/C|经分析知:因为|△f/f|相当小,在千分之几的数量级,远小于仪表所需要的精度,所以可以忽略不计。|△Rx/Rx|的精度取决于|△C/C|,即电容的稳定性。由于电路中采用了稳定性良好的独石电容,从理论上讲只要使|△C/C|小于1%,所测电阻的精度也能小于1%。又由于单片机程序中采用了多位数的浮点运算,其计算精度可远小于1%。电路分为了两个档:(1)100≤Rx≤20000欧:R1=1千欧,C=1微法:Rx=1.443/[1e-6*f*2]-1000/2(2)20000≤Rx≤10兆欧:R1=20千欧,C=0.01微法:Rx=1.443/[1e-8*f*2]-20000/25A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIR11kΩRx1kΩC11µFC20.01µFVDD5VXSC1Tektronix1234TGPJ1Key=SpaceJ2Key=SpaceR220kΩC30.01µF图2.1555多谐振电路2.2电容测量的分析与计算测量电容采用的RC振荡电路与测电阻的振荡电路完全一样,如图2.2。同样也选用两个量程。第一个量程R1=R2=1兆欧;第二个量程R1=R2=1千欧。这样可使电容挡的测量范围很宽。误差分析:同Rx的测量,有:|△Cx/Cx|=|△f/f|+|△R/R|已知|△f/f|能满足1%以下的精度,而精密的金属膜电阻,其阻值的变化率|△R1/R1|亦满足1%左右的精度。这样电容的测量精度也可以做的比较高。注意:由于建立RC稳定振荡的时间较长,在测量电容和电阻时,应在显示稳定后再读取参数值。电容的测量采用“脉冲计数法”,由555电路构成的多谐振荡路,通过计算振荡电路的输出频率计算被测电容的大小。电路分为了两个档:(1)100≤Cx≤1000pF:R1=R2=1MΩ:Cx=1.443/(3000000*f)(2)10000pF≤Cx≤47uF:R1=R2=1KΩ:6Cx=1.443/(3000*f)A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIR11kΩR41kΩC11µFC20.01µFVDD5VXSC1Tektronix1234TGPJ1Key=SpaceJ2Key=SpaceR21MΩR31MΩ图2.2RC震荡电路2.3电感测量的分析与计算依据电感的特点,三点式振荡电路把电感值转换为相对应的频率值,如图2.3。在此处这个三点式振荡电路中,C3,C4分别采用0.1u和1u的独石电容,因其电容值远远大于晶体管极间电容值,所以可把极间电容值忽略。这样根据振荡频率公式可以确定电感值:则L=[1/(2*3.14*fx)]^2/CC=C3*C4/(C3+C4)误差分析:因为L=1/(4*3.14*3.14*f*f*C)所以|△L/L|=|2△f/f|+|△C/C|由此可见,因为|2△f/f|相当小,|△L/L|的精度主要取决于电容值的稳定性,从理论上讲,只要|△C/C|小于1%,|△L/L|也就能达到相应的水平。一般而言,电容的稳定性,特别是像独石电容一类性能比较好的电容,|△C/C|都可以满足小于5%的要求,这样误差精度就能保持在-5%—+5%以内。7图2.3三点式震荡电路3电路与程序设计3.1整形模块电路设计三点式振荡电路输出的是正弦波,通过LM393整形电路整成矩形波。如图3.1。图3.1LM393整形电路3.2模拟开关模块电路设计用模拟开关CDA4052来进行通道选择,其工作原理如图3.2,电路图如图3.3。8图3.2图3.3模拟开关4程序设计电阻、电容和电感参数测试仪主程序流程图如图4.1。根据按键选择测量状态,进入相应的测试程序。9开始主界面显示键值检测Key=1Key=5Key=9进行电阻测量进行电容测量否否是是Key=6Key=2Key=3Key=7第一档测量第二档测量第一档测量第二档测量进行电感测量否是是是是否是显示结束图4.1流程图5系统测试及结果分析5.1测试使用的仪器设备测试使用的仪器设备如表4-1所示。表4-1测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注示波器DS10621—EDU1无万用表DM30511无稳压电源APS3003S-3D1无RCL电桥测量仪ZC2817D1无5.2测试方法在系统设计中,以MSP430F149单片机为核心的电阻、电容、电感测试仪,将电阻,电容,电感,使用对应的振荡电路转化为频率实现各个参数的测量。其中电阻和电容是采用555多谐振荡电路产生的,而电感则是根据电容三点式产生的,通过定时并且计数可以计算出被测频率,再通过该频率计算出被测参数。使用C语言编程编写了系统应用软件;包括主程序模块、显示模块、电阻测试模块、电容测试模块和电感测试模块、键10盘模块、整形模块、模拟开关模块。在测试时将被测参数通过本系统测量出来的示值与参数的标称值进行对比,进而可以知道本系统的测试精度。5.3测试数据我们RLC测试的量程为电阻:100Ω至10MΩ;电容:100pF至47uF;电感:10uH至15mH。测量数据如表4-2。表4-2RLC测量数据电阻测量电容测量电感测量实测值标称值误差实测值标称值误差实测值标称值误差96.85Ω99.828Ω-3.074996.76pF96.69pF0.072311.4uH11.49uH0.78329195.65Ω198.8Ω-1.61910.5pF913.5pF-0.32942.62uH42.13uH-1.1631486.79Ω504.8Ω-3.699710.929nF10.714nF1.9672143.95uH141.3uH-1.8754960.22Ω981.9Ω-2.257897.1nF97.4nF-0.309223.35uH219.32uH-1.83751.97KΩ1.99KΩ-1.0
本文标题:简易电阻电容电感测试仪
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