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1、西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）基于富士通MCU的简易电容电感测试仪年 级:2008级学 号:20082594姓 名:专 业:电子科学与技术微电子方向指导老师: 2012年 5 月 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页院 系 信息科学与技术学院 专 业 电子科学与技术微电子方向 年 级 2008级 姓 名 陈铁铮 题 目 基于富士通MCU的简易电容电感测试仪 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页毕业设计（论文）任务书班 级 学生姓名 学 号 发题日期： 年 月 日
2、 完成日期： 月 日题 目 基于富士通MCU的简易电容电感测试仪 1、本论文的目的、意义 在电子电路的设计中，经常需要使用到电容，电感，而其标称值与实际值往往存在一定误差，这种误差有可能会影响到所设计的性能指标，因此如果能精确测量其值，将会对理论上的设计提供更加可靠的数据参考。此外，对一些自制的元器件而言，也可以较为便利的测试其值，为进一步的工作奠定基础。本设计的目的就是基于此，拟通过单片机来实现对一定范围的电容和电感值进行快速测量。 2、学生应完成的任务 要求所设计的测试仪的测量范围：电容100-10000pF；电感 100H-100mH 测量精度：5% 制作4位数码管显示器，显示测量数值，
3、并用发光二极管分别指示所测元件的类型和单位。 具备测量量程自动转换功能。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第III页3、论文各部分内容及时间分配：（共 16 周）第一部分 调研，查阅资料，了解相关知识，给出初步方案 (3周) 第二部分 学习富士通MCU相关知识。 ( 3周) 第三部分 修改并最终确定方案，着手编程和硬件设计。 (6周)第四部分 撰写毕业设计论文。 (3周) 第五部分 ( 周)评阅及答辩 ( 1周)备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第IV页摘 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
4、应用中我们常常要测定电容，电感的大小。因此，设计可靠，安全，便捷的电容，电感测试仪具有极大的现实必要性。在系统硬件设计中，以MCU单片机为核心的电容、电感测试仪，将电容，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。采用LM393（U3A）组成的LC振荡器，将振荡频率送入MCU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显示到数码管。在系统的软件设计是以F2MC-16 SOFTUNE V3 软件为仿真平台，使用C语言与汇编语言混合编程编写了系统应用软件；包括主程序模块、显示模块、电容测试模块和电感测试模块。本实验分别对555间接反馈型无稳态路，电容三点式振
5、荡和LM393（U3A）LC振荡电路进行了测试，分析测试结果，最终采用LM393（U3A）LC振荡电路。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：MCU MB95200单片机，555间接反馈型无稳态路，电容三点式振荡，LM393（U3A）LC振荡电路 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第V页AbstractWith the development of electronic industry, electronic components rapidly increased, the scope of electronic components widely up
6、gradually, in applications we often need to measure capacitance, inductance size. Therefore, the design of reliable, safe, convenient capacitance, inductance tester of great practical necessity.In the hardware design of the system, using MCU MCU as the core of capacitance, inductance tester, capacit
7、ance, inductance, using the corresponding oscillating circuit is converted to frequency parameters measurement. Using LM393( U3A ) consisting of LC oscillator, the oscillation frequency is fed into the MCU count end, through the timing and counting can be calculated from the measured frequency, then
8、 the frequency is calculated from the measured parameters to the digital tube display.In the software design of the system is based on F2MC-16SOFTUNE V3 software simulation platform, using C and assembly language programming to prepare the system application software; including the main program modu
9、le, display module, test module and test module capacitance inductance.The experiments were on555 indirect feedback without steady state road, the capacitance of the three point oscillator and LM393( U3A ) LC oscillating circuit testing, analysis of test results, finally using LM393( U3A ) LC oscill
10、ating circuit. Tested in the laboratory, the results show that the prototype of the functions and indicators are the design requirements.Key words: MCU MB95200 SCM,555 indirect feedback without steady state road, the capacitance of the three point oscillator, LM393( U3A ) LC oscillating circuit 西南交通
11、大学本科毕业设计(论文) 第VI页 目 录1 前言11.1 设计的背景及意义11.2 电容、电感测试仪的发展历史及研究现状21.3 本设计所做的工作32 电容、电感测试仪的系统设计42.1 电容、电感测试仪设计方案比较42.2 系统的原理框图53 电容、电感测试仪的系统硬件设计63.1 测量电容电路的设计63.1.1 555定时器简介63.1.2 测量电容电路的设计63.1.3 测量电容电路的仿真.73.1.4 测量电容电路的分析.93.2 测量电感电路的设计及仿真.103.2.1 电容三点式电路简介.103.2.2 测量电感电路的设计113.2.3 测量电感电路的仿真.123.2.4 测量电
12、感电路的分析13 3.3 LM393(U3A)LC振荡电路的设计及仿真.153.3 1 LM393运算放大器介绍.153.3 2 LC振荡电路的设计163.3.3 LC振荡电路的仿真183.3.4 LC振荡电路的分析.20 3.4 LED数码管电路与外部频率计数电路的设计214 电容、电感测试仪的软件设计254.1 I/O口的分配254.2 主程序流程图254.3 频率参数计算的原理以及流程图265 PCB板的设计与系统的调试275.1 ALTIUM DESIGNER的介绍与PCB板的设计275.2 系统调试与系统测试29 5.3 误差分析和处理.30 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 1
13、 页6 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 附录三 测试数据表以及误差 附录四 单片机原理图7 外文翻译 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 72 页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容，电感的大小。因此，设计可靠，安全，便捷的电容，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量是把被测参数传换成直流电压或频率后进行测量。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
14、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。由于测量电容，电感方法多并具有一定的复杂性，所以本次设计研究了多套测量电感电容测试电路的分析，分别对电容三点式振荡电路，555间接反馈型无稳态路，LM393（U3A）LC振荡电路进行了仿真分析。最终确定了用LM393(U3A)LC振荡电路进行测量，将测量频率送入富士通单片机IO口，对频率进行测量同时计算电容电感值，处理误差，输出
15、显示到数码管。1.2 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。国内外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：1.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了很大的改善，担任的数字化测量常采用恒流法和比较法。2.电感测量可根据交流电桥法，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，而且测量Q值确定电感确定的电感方法误差较大，所以电感的数字化测量常采用时间常数法和同步分离法。早在我们1997年5
16、月21日中国航空工业总公司研究出一种电阻电感电容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感电容元件实行等电位隔离。纵览目前国内外的LC测试仪，硬件电路往往比较复杂，体积比较庞大，不便携带，而且价格比较昂贵。例如传统的用阻抗法，Q表，电桥平衡法等测试LC的过程中不够智能而且体积笨重，价格昂贵，需要外围环境优越，测试操作过程中需要调很多参数，对于初学者来说很不方便，不便于普及。当今社会对于LC的测试虽然成熟了，但是价格和操作简单特别是智能方面有待发展，价格便宜和操作简单，智能化的仪表开发和应用存在巨大的发展空间，本系统正是应社会发展的要求，研制出一种价格相对便宜和操作很傻瓜，自动转换量
17、程，体检更小，功能强大，便于携带的LC测量仪，充分利用现代单片机技术，研究了基于单片机的智能LC测量仪，人机界面友好，操作傻瓜的智能LC测量仪，具有十分重要的意义。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。测量电器元件L、C的最典型的方法是电桥法。电感L、电容C可用交流电桥测量。电桥的平衡条件为通过调节阻抗、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
18、、C值。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较高，另外，和电桥法一样，调节和平衡判别很难实现智能化。用阻抗法测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L、C转换成频率信号f,然后用单片机计数后在运算求出L、C的值，并送显示，转换的原理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
19、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，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。本设计中把L、C转换成较易测量的频率信号f，转换的原理是LM393LC式振荡电路把电容电感量转换为频率信号，使电容、电感的测量归结为频率的测量，单片机根据所选通道，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。1.3 本设计所做的工作 本设计是以LM393（U3A)LC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
20、频率，所以，本次设计需要做好以下工作：(1)设计测量电阻，电容，电感的振荡电路。(2)学习Altium Designer、F2MC-16 SOFTUNE V3等工具软件的使用方法。(3)学习单片机原理等资料。(4)设计测量LED动态显示电路。(5)设计测量频率程序，设置程序。(6)用Altium Designer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。2 电容、电感测试仪的系统设计2.1 电容、电感测试仪设计方案比较电容、电感测试仪的设计可用多种方案完成，例如利用模拟电路，电容可用恒流法和比较法，电感可用时间常数发和同步分离法等
21、、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，实现电容，电感测试仪的设计，利用MAXPLUSII集成开发环境进行综合、仿真，并下载到CPLD或FP
22、GA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，LM393（U3A）LC振荡电路更是巧妙的使电容电感稳定起振，并将输出反馈回来进行比较输出一定频率的方波。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
23、计时间短，成本低，可靠性高。综上所述，利用振荡电路与单片机结合实现电容、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，下面章节将对不同的电路方案进行分析确定测量方案。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MCU_MB95200系列的单片机为核心来实现电容、电感测试仪的控制。系统分两大部分：测量电路、控制电路以及显示电路。系统设计框图如下所示。MCU单片机LED灯显示555间接反馈型无稳态路被测电容数码管显示被测电感电容三点式振荡按键选择电路LM393 LC振荡电路被测器件系统流程图框图各部分说明如下：（
24、1）控制部分与显示部分：本设计以单片机为核心，采用MCU_MB95200单片机，利用其管脚的基本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2盏Led指示灯，采用红色的LED指示nf和mH两个单位，绿色的LED指示pf和uH两个单位。数码管显示：本设计中有1个四位数码管，一片74LS48数码管显示芯片连接构成动态显示部分。 按键：本设计中有两个按键，一个是Rest，控制单片机重新测量，另外一个是测 试器件选择，按下开关表示电路可以测量电感，弹起开关表示电路可以测量电容。（2）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
25、点式振荡电路是利用电容三点式振荡电路实现被测电感参数频率化。LM393 LC振荡电路是利用电感和电容振荡实现被测器件频率化。通过51单片机的IO口自动识别量程切换，实现自动测量。3 电容、电感测试仪的系统硬件设计3.1 测量电容电路的设计3.1.1 555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。定时器内部结构3.1.2 测量电容电路的设计采用555间接反馈型无稳态电路
26、，根据电容量的不同充放电过程，振荡频率也不同，采用相对测量方式用单片机计算出被测电容的值，首先我们用单片机控制继电器控制开关J1测基准电容的振荡频率，再控制继电器测和并联后的振荡频率.通过以下公式算出电容量的大小，原理图如下：555间接反馈型无稳态路其中 或(1)或 (2) (3)化简后得出：可以计算出待测的电容值。（图中可以根据被测电容的大小通过继电器控制J2开关选择与电容相匹配的电阻进行合理充电）。3.1.3 测量电容电路的仿真（1）Multisim仿真软件简介： Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以
27、Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 这次主要利用软件建立原理图，对原理图进行仿真功能，使用模拟示波器观
28、察输出波形，总的来说，Multisim软件用起来很直观很简便，很容易上手。（2）利用Multisim仿真软件对电路仿真原理，双击XSC1后可查看仿真波形，仿真波形如下图所示 仿真可以看出，电路输出为标准的方波，单片机通过测量方波的频率即可测量电容值。但是具体该电路是否适用，下面做下简单的分析。3.1.4 分析原理图电路电路中为工作电容，电路将对进行充电放点产生振荡，或者为充电电阻。有仿真图可以看出输出是频率很稳定的方波，这也是555定时器间接反馈无稳态电路稳定的优点。但是有个前提条件就是要确保电路振荡频率在一定范围内，也就是充电时间要足够长，一旦电路充电时间很短，电路振荡频率过快，实际电路将很
29、难测出充电时间。虽然可以通过调节电阻与的阻值来控制充放电时间，但是实际中测量小电容的误差仍然很大。总结方案：该方案只适合测量uF级别的电解电容。本实验不采取该方案，读者可以适用该方案去测量大的电解电容。3.2测量电感电路的设计3.2.1电容三点式振荡电路介绍 电容三点式振荡电路又称考毕兹振荡电路,如图Z0808所示,其结构与电感三点式振荡电路相似,只是将电感、电容互换了位置。为了形成集电极回路的直流通路,增设了电阻RC。该电路的交流通路如图Z0809 所示。可以看出,它符合三点式振荡电路射同基反的构成原则,满足自激振荡的相位平衡条件。在LC谐振回路Q值足够高的条件下,电路的振荡频率为其中这种振
30、荡电路的特点是振荡频率可做得较高,一般可达到100MHz以上,由于C2对高次谐波阻抗小,使反馈电压中的高次谐波成分较小,因而振荡波形较好。电路的缺点是频率调节不便,这是因为调节电容来改变频率时,（既使C1、C2 采用双连可变电容）C1与C2也难于按比例变化,从而引起电路工作性能的不稳定。因此,该电路只适宜产生固定频率的振荡。用集成运放构成的电容三点式振荡电路,如Z0810所示。可以证明,其振荡频率为：3.2.2 测量电感电路的设计我们采用三点式振荡相对测量方式测频率法，原理图如下：电感测量电路我们首先通过控制继电器测基准电感的振荡频率，再控制继电器测基准电感和被测电感串联后的振荡频率，通过以下
31、公式可算出被测电感的电感量。振荡测频率法是采用三点式谐振电路来使电路发生谐振，对产生的正弦波进行整形，形成方波，再通过单片机对整形之后的信号进行频率测量，根据待测电感的振荡频率的大小，基准电容的大小,基准电感的大小， 基准频率的大小，则可得电感值的大小：因为=,又因为是已知的，假设如；=；化简后得出：；即综上所述，可求出的值。 电路简要分析：电路由8050三极管与电感电容组成的电容三点式振荡电路，输出为正弦波，电路上面部分为整流部分，将正弦波转化为方波进行频率测量。该电路是否适用于测量电容和电感值我们下面对其进行等效电路进行仿真和分析。3.2.3 测量电感电路的仿真 由于Multisim软件里
32、没有8050三极管，可以用2N2369也属于高频振荡管来代替，将图中的Lx直接赋予值Lx=5mH。Multisim原理图如下所示:电容三点式振荡电路 本原理图对后面整波部分进行了修改，利用LM393组成的电压比较器，调节VDD大小控制比较电压可以将正弦波转化为方波。下面我们看下输出波形：电容三点式仿真波形放大3.2.4 测量电感电路分析 将仿真波形放大，如上图，可以看到一个比较完整的方波，按理说我们可以对其频率进行测量，而且测量精度也是比较可靠的，但是由于电路时由高频振荡管与电感电容发生谐振电路，高频振荡管存在很多不稳定因素，下面我们看下仿真一段时间的完整波形。电容三点式仿真波形完整图 可以清
33、楚的看见电路存在很多毛刺，也就是所谓的杂波，处理这些杂波其实并不难，加个滤波电容可以试下，如下图：加滤波电容电路图 在输出电路和整波电路之间加了一个0.33uF的滤波电容对输出高频电路进行滤杂波。再一次对电路进行仿真，波形如下： 杂波少了很多，再将仿真波形放大如下图： 可以发现每个波形上面都有很小的毛刺，要消除这些毛刺，我们可以直接接稳压芯片，将电压控制在3V以下，这样一来上面高于3V的毛刺电压就全部被削掉。该电路存在很多不稳定因素，接下去将不对该电路进行过多的改进，读者可以自己加稳压芯片对电路进行改进。 方案总结：电路由高频振荡管2N2369和电容电感发生谐振，电路的不足之处很多，电路振荡不
34、稳定，杂波多，虽然都能通过一定的手段进行处理，但是也不能保证你的测量结果能准确，因为三极管是存在比较大的寄生电容和寄生电感，这些参数对电路振荡都存在比较大的影响，尤其是在测量小电容和小电感的时候，参数如果和三极管的寄生参数比较相近，那么误差将会非常大，但是该电路可以适用于测量比较大的电容和电感，这里不做试验，读者可以自行研究。3.3 LM3939(U3A)LC振荡电路的设计与仿真3.3 1 LM393运算放大器介绍LM393引脚图及内部框图采用双列直插8 脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8 脚塑料封装（SOP8）LM393内部结构图LM393引脚功能排列表：引出端序号功能符号引出端序号功能符号1 输出端1 OUT1 5 正向输入端2 1N+(2) 2
