《基于单片机的电阻、电容、电感测试仪.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的电阻、电容、电感测试仪.doc（62页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、摘 要随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电阻，电容，电感的大小。因此，设计可靠，安全，便捷的电阻，电容，电感测试仪具有极大的现实必要性。在系统硬件设计中，以MCS-51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，将振荡频率送入AT89C52的计数端端，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。在系统的软件设计是以Keil51为仿真平台，使用C语言与汇编语言混合编程编写了系
2、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。最后，实际制作了一台样机，在实验室里进行了测试，结果表明该样机的功能和指标得到了设计要求。关键词：单片机，555多谐振荡电路，LED动态显示模块，电容三点式振荡ABSTRACTWith the development of electronic industry，electronic components rapidly increased the scope of electronic components widely up gradually，in applications we often measured
3、 resistors，capacitors，inductors size. Therefore,the design of reliable，safe，convenient resistance，capacitance，inductance tester of great practical necessity.In the system hardware design，take the MCS-51 monolithic integrated circuit as the core resistance，the electric capacity，the inductance reflect
4、oscope reflector，the resistance，the electric capacity，the inductance，the use correspondences oscillating circuit transforms for the frequency realizes each parameter survey.And the resistance and the electric capacity are use 555 multiresonant circuits to produce，but the inductance is produces accor
5、ding to the electric capacity bikini，the oscilation frequency will send AT89C52 the counting to be neat，through and fixed time counts may calculate by the frequency measurement rate，figures out again through this frequency meter is measured the parameter.In systems software design is take Keil51 as
6、the simulation platform，used the C language and the assembly language mix programming has compiled the system application software；including master routine module，display module，resistance test module，electric capacity test module and inductance test module.Finally，the actual production of a prototy
7、pe，tested in the laboratory results show that the prototype of the functions and indicators are the design requirements.KEY WORDS: Single slice of machine，555 resonance swings circuit，LED dynamic display module，Capacitance three-point shock目 录1 前言11.1 设计的背景及意义11.2 电阻、电容、电感测试仪的发展历史及研究现状11.3 本设计所做的工作3
8、1.4 本论文的结构安排32 电阻、电容、电感测试仪的系统设计52.1 电阻、电容、电感测试仪设计方案比较52.2 系统的原理框图53 电阻、电容、电感测试仪的系统硬件设计73.1 MCS-51单片机电路的设计73.2 LED数码管电路与键盘电路的设计93.3 测量电阻、电容电路的设计133.3.1 555定时器简介133.3.2 测量电阻电路的设计153.3.3 测量电容电路的设计163.4 测量电感电路的设计及仿真173.4.1 测量电感电路的设计173.4.2 测量电感电路的仿真183.5 多路选择开关电路的设计204 电阻、电容、电感测试仪的软件设计224.1 I/O口的分配224.2
9、 主程序流程图224.3 频率参数计算的原理245 PCB板的设计与系统的调试265.1 PROTEL99SE的介绍与PCB板的设计265.2 系统调试与系统测试285.2.1 系统软件调试285.2.2 系统硬件调试285.2.3 系统测试326 结论与展望34致谢36参考文献37附录38附录一系统原理图及PCB38附录二源程序40 1 前言1.1 设计的背景及意义目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电阻，电容，电感的大小。因此，设计可靠，安全，便捷的电阻，电容，电感测试仪具有极大的现实必要性。通常情况下，电路参数的数字化测
10、量是把被测参数传换成直流电压或频率后进行测量。电阻测量依据产生恒流源的方法分为电位降法、比例运算器法和积分运算器法。比例运算器法测量误差稍大，积分运算器法适用于高电阻的测量。传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。前者电路简单，速度快，但精度低；后者测量精度高，但速度慢。随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精度上有很大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法和比较法。电感测量可依据交流电桥法，这种测量方法虽然能较准确的测量电感但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量Q值确定电感的方法误差较大，所以电感的数字化测量常采用时间常数发和同步分离法。由于测量电阻，电容，电感方法多并具有一定的复杂性，所以本
11、次设计是在参考555振荡器基础上拟定的一套自己的设计方案。是尝试用555振荡器将被测参数转化为频率，这里我们将RLC的测量电路产生的频率送入AT89C52的计数端端，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各个参数。1.2 电阻、电容、电感测试仪的发展历史及研究现状当今电子测试领域，电阻，电容和电感的测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。电阻、电容和电感测试发展已经很久，方法众多，常用测量方法如下。电阻测量依据产生恒流源的方法分为电位降法、比例运算器法和积分运算器法。比例运算器法测量误差稍大，积分运算器法适用于高电阻的测量。传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。前者电路简
12、单，速度快，但精度低；后者测量精度高，但速度慢。随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精度上有很大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法和比较法。电感测量可依据交流电桥法，这种测量方法虽然能较准确的测量电感但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量Q值确定电感的方法误差较大，所以电感的数字化测量常采用时间常数发和同步分离法。在我国1997年05月21日中国航空工业总公司研究出一种电阻、电容、电感在线测量方法及装置等电位隔离方法，用于对在线的电阻、电容、电感元件实行等电位隔离，其特征在于，(1)将一个运算放大器的输出端与其反相输入端直接连接，形成一个电压跟随器；(2)将基准精密电阻(R)的一端与被隔离
13、的在线元件(Zx)的一端通过导线连接，基准精密电阻(R)的另一端与信号源(Vi)或者地连接，被隔离的在线元件(Zx)的另一端通过导线与地或者信号源(Vi)连接，基准精密电阻(R)与被隔离的在线元件(Zx)连接的一端同时与运算放大器的同相输入端连接；(3)通过导线将运算放大器的输出端与线路板上所有的隔离点(C)连接，隔离点(C)的确定方法是：在线路板上凡是与被隔离的在线元件(Zx)靠近信号源(Vi)的一端(A)相连的电阻、电容、电感元件的另一端均为隔离端(C)。中国本土测量仪器设备发展的主要瓶颈。尽管本土测试测量产业得到了快速发展，但客观地说中国开发测试测量仪器还普遍比较落后。每当提起中国测试仪
14、器落后的原因，就会有许多不同的说法，诸如精度不高，外观不好，可靠性差等。实际上，这些都还是表面现象，真正影响中国测量仪器发展的瓶颈为：1.测试在整个产品流程中的地位偏低。由于人们的传统观念的影响，在产品的制造流程中，研发始终处于核心位置，而测试则处于从属和辅助位置。关于这一点，在几乎所有的研究机构部门配置上即可窥其一斑。这种错误观念上的原因，造成整个社会对测试的重视度不够，从而造成测试仪器方面人才的严重匮乏，造成相关的基础科学研究比较薄弱，这是中国测量仪器发展的一个主要瓶颈。实际上，即便是研发队伍本身，对测试的重视度以及对仪器本身的研究也明显不够。 2.面向应用和现代市场营销模式还没有真正建立
15、起来。本土仪器设备厂商只是重研发，重视生产，重视狭义的市场，还没有建立起一套完整的现代营销体系和面向应用的研发模式。传统的营销模式在计划经济年代里发挥过很大作用，但无法满足目前整体解方案流行年代的需求。所以，为了快速缩小与国外先进公司之间的差距，国内仪器研发企业应加速实现从面向仿制的研发向面向应用的研发的过渡。特别是随着国内应用需求的快速增长，为这一过渡提供了根本动力，应该利用这些动力，跟踪应用技术的快速发展。3.缺乏标准件的材料配套体系。由于历史的原因，中国仪器配套行业的企业多为良莠不齐的小型企业，标准化的研究也没有跟上需求的快速发展，从而导致仪器的材料配套行业的技术水平较低。虽然目前已有较
16、大的改观，但距离整个产业的要求还有一定距离。所以，还应把标准化和模块化的研究放到重要的位置。还有，在技术水平没有达到的条件下，一味地追求精度或追求高指标，而没有处理好与稳定性之间的关系。上述这些都是制约本土仪器发展的因素。近年来我国测量仪器的可靠性和稳定性问题得到了很多方面的重视，状况有了很大改观。测试仪器行业目前已经越过低谷阶段，重新回到了快速发展的轨道，尤其最近几年，中国本土仪器取得了长足的进步，特别是通用电子测量设备研发方面，与国外先进产品的差距正在快速缩小，对国外电子仪器巨头的垄断造成了一定的冲击。随着模块化和虚拟技术的发展，为中国的测试测量仪器行业带来了新的契机，加上各级政府日益重视
17、，以及中国自主应用标准研究的快速进展，都在为该产业提供前所未有的动力和机遇。从中国电子信息产业统计年鉴中可以看出，中国的测试测量仪器每年都以超过30%以上的速度在快速增长。在此快速增长的过程中，无疑催生出了许多测试行业新创企业，也催生出了一批批可靠性和稳定性较高的产品。1.3 本设计所做的工作本设计是以555为核心的振荡电路，将被测参数模拟转化为频率，并利用单片机实现计算频率，所以，本次设计需要做好以下工作：(1)学习单片机原理等资料。(2)学习PROTEL99E, KEL3.0等工具软件的使用方法。(3)设计测量电阻，电容，电感的振荡电路。(4)设计测量LED动态显示电路。(5)设计测量频率
18、程序，设置程序。(6)用PROTEL软件绘制电原理图和印刷电路版图。(7)安装和调试，并进行实际测试，记录测试数据和结果。(8)撰写毕业论文。(9)完成英文翻译。1.4 本论文的结构安排本论文的结构安排为：第1章 前言，第2章 电阻、电容、电感测试仪的系统设计，第3章 电阻、电容、电感测试仪的系统硬件设计，第4章 电阻、电容、电感测试仪的软件设计，第5章 PCB板的设计与系统的调试，第六章 结论与展望。2 电阻、电容、电感测试仪的系统设计2.1 电阻、电容、电感测试仪设计方案比较电阻、电容、电感测试仪的设计可用多种方案完成，例如利用模拟电路，电阻可用比例运算器法和积分运算器法，电容可用恒流法和
19、比较法，电感可用时间常数发和同步分离法等、使用可编程逻辑控制器(PLC)、振荡电路与单片机结合或CPLD与EDA相结合等等来实现。在设计前对各种方案进行了比较：1)利用纯模拟电路虽然避免了编程的麻烦，但电路复杂，所用器件较多，灵活性差，测量精度低，现在已较少使用。 2)可编程逻辑控制器(PLC) 应用广泛，它能够非常方便地集成到工业控制系统中。其速度快，体积小，可靠性和精度都较好，在设计中可采用PLC对硬件进行控制，但是用PLC实现价格相对昂贵，因而成本过高。 3)采用CPLD或FPGA实现应用目前广泛应用的VHDL硬件电路描述语言，实现电阻，电容，电感测试仪的设计，利用MAXPLUSII集成
20、开发环境进行综合、仿真，并下载到CPLD或FPGA可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。但相对而言规模大，结构复杂。4)利用振荡电路与单片机结合利用555多谐振荡电路将电阻，电容参数转化为频率，而电感则是根据电容三点式电路也转化为频率，这样就能够把模拟量近似的转换为数字量，而频率f是单片机很容易处理的数字量，一方面测量精度高，另一方面便于使仪表实现自动化，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性。系统扩展、系统配置灵活。容易构成各种规模的应用系统，且应用系统有较高的软、硬件利用系数。单片机具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现，而且设计时间短，成本低，可靠性高。综上所述，利用振荡电路与单
21、片机结合实现电阻、电容、电感测试仪更为简便可行，节约成本。所以，本次设计选定以单片机为核心来进行。2.2 系统的原理框图本设计中，考虑到单片机具有物美价廉、功能强、使用方便灵活、可靠性高等特点，拟采用MCS - 51系列的单片机为核心来实现电阻、电容、电感测试仪的控制。系统分四大部分：测量电路、控制电路、通道选择和显示电路。通过P1.3和P1.4向模拟开关送两位地址信号，取得相应的振荡频率，然后根据所测频率判断是否转换量程，或者是把数据进行处理后，得出相应的参数值。系统设计框图如图2-1如下所示。图2-1 系统设计框图框图各部分说明如下：1)控制部分：本设计以单片机为核心，采用89C51单片机
22、，利用其管脚的特殊功能以及所具备的中断系统，定时/计数器和LED显示功能等。LED灯：本设计中，设置了1盏电源指示灯，采用红色的LED以共阳极方式来连接，直观易懂，操作也简单。数码管显示：本设计中有1个74HC02、2个74LS573、1个2803驱动和6个数码管，采用共阳极方式连接构成动态显示部分，降低功耗。键盘：本设计中有Sr，Sc，SL三个按键，可灵活控制不同测量参数的切换，实现一键测量。2)通道选择：本设计通过单片机控制CD4052模拟开关来控制被测频率的自动选择。3)测量电路：RC震荡电路是利用555振荡电路实现被测电阻和被测电容频率化。电容三点式振荡电路是利用电容三点式振荡电路实现
23、被测电感参数频率化。通过51单片机的IO口自动识别量程切换，实现自动测量。3 电阻、电容、电感测试仪的系统硬件设计3.1 MCS-51单片机电路的设计在本设计中，考虑到单片机构成的应用系统有较大的可靠性，容易构成各种规模的应用系统，且应用系统有较高的软、硬件利用系数。还具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现。另外，本设计还需要利用单片机的定时计数器、中断系统、串行接口等等，所以，选择以单片机为核心进行设计具有极大的必要性。在硬件设计中，选用MS-51系列单片机，其各个I/O口分别接有按键、LED灯、七位数码管等，通过软件进行控制。 MCS-51单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)
24、、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在分别加以说明：1)中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。2)数据存储器(RAM)：内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型
25、表。3)程序存储器(ROM)：共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。4)定时/计数器(ROM)：有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。5)并行输入输出(I/O)口：共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。6)全双工串行口：内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。7)中断系统：具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串口中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。8)时钟电路：内置最高频率达12
26、MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序。本设计中单片机的设计电路如下图3-1所示： 图3-1 单片机的设计电路本电路使用单片机内部振荡器，11.0592MHz的晶体谐振器直接接在单片机的时钟端口X1和X2，电路中C2、C3为振荡器的匹配电容。该电路简单，工作可靠 。另外本系统的容阻上电复位，就是利用RC电路的充电过程来给单片机复位。RC电路的时间常数计算公式：T=RC (3-1)即：T=RC=10u*10k=100ms。当需要复位时，也可以按下复位按键，进行复位。3.2 LED数码管电路与键盘电路的设计在电阻、电容、电感测试系统中，用LED灯来显示测量参数的类别和电源指示，既简单又
27、显而易见。与小白炽灯泡和氖灯相比，LED的特点是：工作电压很低(有的仅一点几伏)；工作电流很小(有的仅零点几毫安即可发光)；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中常常用作光源。在本设计中，利用单片机的P1.0、P1.1和P1.2口直接和发光二极管相连接，控制程序放在 MCS-51单片机的ROM中。由于测试指示灯为发光二极管且阳极通过限流电阻与电源正极相接，所以为共阳极。因此 I/0口输出低电平时，与之相连的相应指示灯会亮；I/0口输出高电平时，相应的指示灯会灭。发光二极管的接口电路如图3-2所示： 图
28、3-2 发光二极管的接口电路发光二极管的设计中，每个二极管与单片机接口间有一个电阻，其阻值至少为180欧。按3.3V时的工作电流15mA来计算，需要让与之串联的电阻，分去VCC 5V电压中的2.7V电压，则得到R=U/I=2.7V/0.015A=180欧，且电阻的功率为P=UI=2.7V*0.015A=0.041W。另外，在本设计中，LED应用于七位数码管中，实现了被测参数的显示，七位数码管以共阴极的方式经过74LS573锁存器与单片机的P0口相连。六位数码管显示被测参数的示值从左到右依次代表十万、万、千、百、十和个位，这样显示结果更为简单可行。数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各
29、个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。1)静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动，静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动使编程简单，显示亮度高。2)动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管
30、会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。经过对两种显示方式的比较分析：静态方式需要大量I/O，而动态扫描显示方式能够节省大量的I/O口，且电
31、路结构也比较简单，显示效果良好，因此最终采用动态扫描显示方式。系统核心电路(AT89S52最小系统)的P0口以总线方式与二片数据锁存器(74HC573)相连接，二片74HC573的片选使能端(LE)分别连接在或非门(74HC02)的1、4管脚，三个或非门相类似，都是两个输入端的其中一端接在单片机的16管脚(WR)，而另一端分别接在P2.5P2.6。单片机片选电路如图3-3所示。图3-3 单片机片选电路或非门片选电路分析：当单片机通过P0口总线输出数据时，16管脚(WR)为低电平“0”，片选信号端P2.5P2.7中，要被片选端为“0”，其它为“1”，这样三个或非门中，只有需要片选中或非门的输出为
32、高电平“1”，其它两个或非门的输出信号为低电平“0”。另外，74HC573数据锁存器的LE使能端为高电平有效，与之前电路结合可以实现片选功能。在本设计中，LED显示接口电路如下图3-4所示：图3-4 LED显示接口电路电路由6个共阴极数码管、两个74HC573和一个ULN2803组成。两个74HC573分别作为段码和位码的数据锁存器，它们的片选信号来自最小系统AT89S52的P2.5和P2.6，由此可以计算出它们的片选地址：段码片选地址为C000HDFFFH，位码片选地址为A000HBFFFH。ULN2803是达林顿管，在电路中能起到大电流输出和高压输出的作用。由于电路使用的是共阴极动态显示方
33、式，ULN2803在位码数据锁存器后连接八个数码管的COM端，可以增强驱动数码管的能力，使数码管的显示效果更好。本设计中设置了Sr,Sc,SL三个按键，利用单片机的P1.0、P1.1和P1.2口直接和按键相连接，控制程序放在 MCS-51单片机的ROM中用于启动各个被测参数程序的调整。见图3-5按键电路所示图3-5 按键电路控制R、L、C的三个按键接入一个10K大小的上拉电阻，起限流保护作用。当有键按下时为低电平，无键按下时则为高电平。3.3 测量电阻、电容电路的设计3.3.1 555定时器简介555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的
34、阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。1)555定时器内部结构555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路,其内部结构如图3-6(A)部分及管脚排列如图(B)部分所示。图3-6 定时器内部结构它由分压器、比较器、基本R-S触发器和放电三极管等部分组成。分压器由三个5K的等值电阻串联而成。分压器为比较器A1、A2提供参考电压，比较器A1的参考电压为，加在同相输入端，比较器A2的参考电压为，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放A1、A2组成。高电平触发信号
35、加在A1的反相输入端，与同相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R-S触发器端的输入信号；低电平触发信号加在A2的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果作为基本R-S触发器端的输入信号。基本R-S触发器的输出状态受比较器A1、A2的输出端控制。2)多谐振荡器工作原理由555定时器组成的多谐振荡器如图3-7(C)部分所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图(D)部分所示。 图3-7 震荡器工作原理设电容的初始电压Uc0，t0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端VTHVTL0，比较器A1输出为高电平，A2输出为低电平，即=1，=0(1表示高电位，0表示低电位)
36、，R-S触发器置1，定时器输出u0=1此时，定时器内部放电三极管截止，电源Vcc经R1，R2向电容C充电，uc逐渐升高。当uc上升到时，A2输出由0翻转为1，这时=1，R-S触发顺保持状态不变。所以0tt1期间，定时器输出u0为高电平1。时刻，uc上升到，比较器A1的输出由1变为0，这时=0，=1，R-S触发器复0，定时器输出u0=0。期间，放电三极管T导通，电容C通过R2放电。uc按指数规律下降,当时比较器A1输出由0变为1，R-S触发器的=1，Q的状态不变，u0的状态仍为低电平。时刻，uc下降到，比较器A2输出由1变为0，R-S触发器的=1，=0，触发器处于1，定时器输出u0=1。此时电源
37、再次向电容C放电，重复上述过程。通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出u0=1，电容放电时，u0=0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。3)振荡周期由图(D)可知，振荡周期T=T1+T2。T1为电容充电时间，T2为电容放电时间。充电时间： (3-2)放电时间： (3-3)矩形波的振荡周期： (3-4)因此改变R1、R2和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比q，q=(脉宽tw)/(周期T)，tw指输出一个周期内高电平所占的时间。图（C）
38、所示电路输出矩形波的占空比： (3-5)3.3.2 测量电阻电路的设计定时器555是一种用途很广的集成电路，只需外接少量R、C元件，就可以构成多谐、单稳及施密特触发器。电阻的测量采用“脉冲计数法”，由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电阻的大小。555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为： (3-6) 得出： (3-7)即： (3-8) 电路分为2档：1、100Rx1000 ：按下电阻测试建Sr，闭合开关Srd,R2=330,C2=0.22uF： (3-9)2、1000Rx 1M ：按下电阻测试建Sr，闭合开关Srg,R1=20K,C3=103pF： (3-10)电阻
39、测试电路见图3-8所示。图3-8 电阻测试电路3.3.3 测量电容电路的设计电容的测量同样采用“脉冲计数法”，由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电容的大小。555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为： (3-11)我们设置 R1=R2,得出： (3-12) 即： (3-13)电路分为1档：R4=510K,R4=R6； (3-14)电容测试电路见图3-9所示。图3-9 电容测试电路3.4 测量电感电路的设计及仿真3.4.1 测量电感电路的设计电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的。电容三点式振荡电路又称考毕兹振荡电路，三点式振荡电路是指：LC回路中与发射极相连的两
40、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，而与发射级相连的两个电抗元件同为电容式的三点式振荡电路，也就是射同基反的构成原则成为电容三点式振荡电路。其振荡频率为： (3-15) 即： (3-16) (3-17)电感测试电路见图3-10所示。图3-10 电感测试电路3.4.2 测量电感电路的仿真PSpice仿真软件简介：这次设计中主要用到Pspice软件中的电路原理图编辑程序Schematics模块和输出结果绘图程序Probe模块。其中在电路原理图编辑程序Schematics模块中PSPICE的输入有两种形式，一种是网单文件(或文本文件)形式，一种是电路原理图形式，相对而言后者比前
41、者较简单直观，它既可以生成新的电路原理图文件，又可以打开已有的原理图文件。电路元器件符号库中备有各种原器件符号，除了电阻，电容，电感，晶体管，电源等基本器件及符号外，还有运算放大器，比较器等宏观模型级符号，组成电路图，原理图文件后缀为.sch。图形文字编辑器自动将原理图转化为电路网单文件以提供给模拟计算程序运行仿真。而在输出结果绘图程序Probe模块中Probe程序是PSPICE的输出图形后处理软件包。该程序的输入文件为用户作业文本文件或图形文件仿真运行后形成的后缀为.dat的数据文件。它可以起到万用表，示波器和扫描仪的作用，在屏幕上绘出仿真结果的波形和曲线。随着计算机图形功能的不断增强，PC
42、机上windows95,98,2000/XP的出现，Probe的绘图能力也越来越强。利用PSpice仿真软件对电容三点式振荡电路的仿真原理如图3-11，双击XSC1后可查看仿真波形，仿真波形如图3-12所示。图3-11仿真原理图图3-12仿真波形图由仿真结果可知该输出波形为正弦波，为了方便频率测量，把该波形通过555构成的施密特触发器整形为方波，送入单片机T1口进行频率计算。3.5 多路选择开关电路的设计利用CD4052实现测量类别的转换，CD4052是差分四通道数字控制模拟开关器件，有A0和A1两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止电流。当INH输入端=“1”时所有通道
43、截止，二位二进制输入信号选通四对通到中的一通道。当选择了某一通道的频率后，Y输出频率通过T1送入单片机进行计数，通过计算得到要被测值，多路选择开关控制如表3-1 所示。表3-1 多路选择开关控制 P1.4 P1.3 测量类别00Y0-R01Y1-C10Y2-L11*表3-1中*表示未定义此功能。多路选择开关硬件电路如图3-13所示。图3-13 多路选择开关4 电阻、电容、电感测试仪的软件设计4.1 I/O口的分配P1.0 R测量程序的选择P1.1 C测量程序的选择P1.2 L测量程序的选择P1.3-P1.4多路选择开关控制选择P1.0、P1.1和P1.2按键输入及测量指示灯开始结束初始化执行键
44、功能有无按键操？作？有无在本设计的模块中，模块是以单片机为核心，再通过按键控制测量的被测参数在数码管显示，按键主流程图如4-1所示。图4-1按键主程序流程图4.2 主程序流程图在电阻、电容、电感测试仪的设计中，便于直观性，在数码管上显示被测参数的选择，被测参数各个灯的选择以及具体设置。通过三个按键Sr,Sc,SL来进行灵活控制，具体操作流程如4-2所示。 开始初始化键扫描健分析，置状态R测试状态C测试状态L测试状态开中断定时器设置通道及指示灯的设置采值并计算显示结束NoYes图4-2 RLC测试仪的软件流程图首先插入被测元件，开关打开以后，按下SET键，进行复位，然后进行按键选择，选择被测参数类别，之后单片机根据按键类别启动相应的参数测试程序，测试完毕后将结果送入数码管显示。4.3 频率参数计算的原理 本设计频率的计算采用单片机外部中断 ，对外触发电路产生的脉冲频率的测量，再通过对测量数据的校正来完成。单片机对频率测量的原理如下图4-3所示。图4-3 测频率原理图示说明：图4-3中t1时刻检测到高电平开定时器1，开始计数；t2时刻等待检测低电平；t3时刻第二次检测到高电平时关定时器停止计数。利用GATE=1,TR1=1,只有 引脚输入高电平时，T1才允许计数，利用此，将外部输入脉冲经 引脚上输入，等待高电平的到来，当检测到高电
