简易电阻、电容、电感测试仪.pdf

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简易电阻、电容、电感测试仪pdf,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。
电阻、电容、电感测试仪 1电阻、电容、电感测试仪的系统设计 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 寳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,方面测量精度高,另·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、硬件利川系 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,而且设讣时 间短,成本低,可靠性髙 综上所述,利用振荡电路与单片机结合实现电阻、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。 电阻、电容、电感测试仪 1.2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 测量电路 通道选择 控制部分 被测电阻RC振荡电路‖F 系育 选择测量单片机 开关频率 被测电容 RC振荡电路山F LED显示 电容三点式‖‖ 被测电感 基电路 振汤电路 量程切换 图2-1系统设计框图 框图各部分说明如下 1)控制部分:本设训以单片机为核心,采用89C51单片机,利用其管脚的 特殊功能以及所具各的中断系统,定时/计数器等。液晶显示屏1602。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:本设计通过开关选择输入到单片机中,单片机通过信号判断 相应显示 3)测量电路:RC震荡电路是利用55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被测电感参数 频率化。 电阻、电容、电感测试仪 2电阻、电容、电感测试仪的系统硬件设计 2.151单片机电路的设计 在木设计中,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 和规模的应用系统,且应用系统冇较高的软、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。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LO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)、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 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表。 3)程序存储器(ROM) 共有40%6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IO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 电阻、电容、电感测试仪 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12MHz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: F1.0 F1.1 P1 P14 EFE 可卫卫 21456 F0.6 RESLT 80C51 P21 P夏RXD 0 TzD〕 P32 PPPPPP PP玛 LERT P下下T 121Hz AP 图3-1单片机的设计电路 本电路使用单片机内部振荡器,12MHz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。为外本系统的容阻上电复位,就是利川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 电阻、电容、电感测试仪 2.2测量电阻、电容电路的设计 221555定时器简介 555定吋器是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。 1)555定吋器内部结构 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。 电电值电压 源 输入控影 TH 6 UR 8 355 5k55 3n| 地触发输 输入出 ---------------------------- GvD 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5KΩ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的参考屯压为v,加在同相输入端,比较器A2的参考电压为V,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R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,其结果作为棊本R-S触发器5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 电阻、电容、电感测试仪 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。 R5.1KO 5. IKQ Vc 6 2/3vc 1/3 555 OU7 GND 0. 0luf = c C+0.01 图3-7震荡器工作原理 设电容的初始电压U=0,t-0时接通电源,由于电容电压不能突变,所 以高、低触发端VmH=Vπ=0<Vg,比较器A输出为高电平,A2输出为低电 平,即R-1,50(1表示高电位,0表示低电位),R-S触发器置1,定时器输 出u=1此时Q=0,定时器内部放电三极管截山,电源V经R1,R2向电容C 充电,u逐渐升高。当u上升到v时,A2输出由0翻转为1,这时R3-1 R-S触发顺保持状态不变。所以0-t<t1期间,定时器输岀u为高电平1。 t=t时刻,u上升到Ve,比较器A1的输出由1变为0,这时p=0,3=1 R-S铀发器复0,定时器输出u0。 1<t<t2期间,夏=1,放电三极管T导通,电容C通过R2放电。us按指 数规律下降,当u<2/3V时比较器A1输出由0变为1,R-S触发器的R3=1 Q的状态不变,uo的状态仍为低电平。 t=t2时刻,让下降到ve,比较器A输出由1变为0,R-S触发器的Rn=1, p=0,触发器处于1,定吋器输出u0-1。此时电源再次向电容C放电,重复上 电阻、电容、电感测试仪 述过程。 通过上述分析可知,电容充电时,定时器输出u=1,电容放电时,u0=0, 电容不断地进行充、放电,输岀端便获得矩形波。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 充电时间 T1=(R1+R2)CIm2≈0.7(R1+R2)C (3-2) 放电时间: T2=R2Cln2≈0.7R2C 矩形波的振荡周期 T=T+T2=n2(R1+2R2)C≈0.7(R+2R2)C (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qq=(脉 宽t)/(周期T),t指输出一个周期内高电平所占的时间。图C)所示电路输 出矩形波的室比: q R (3-5) T 22)测电阻电路的设计③ 定时器55是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,通过计算振荡输岀的频率来计算被测电阻的人小。 555接成多谐振荡器的形式,其振荡周期为 t2=(2)(R1+R2)*C1+(n2)R2*C1 (3-6) 得出 (In2)(R1+ 2Rx)C (3-7) 电阻、电容、电感测试仪 1 R 即: 〔ln2)c1*fx R1)/2 电路分为2档: 100≤Rx<1000g2:按下电阻测试建Sr,闭合开关Sd,R2-330g2,C2-0.22uF Rx=(656*(le+6/2*fx)-330/2 (3-9) 2、1000≤Rx<1MΩ:按下电阻测试建Sr,闭合开关Srg,R=20K92,C3=103pF: Rx=(1443*(le+8))/(2*fx)-e+4) 3-10) 电阻测试电路见图3-8所示。 20K 21.5 SW DPST D 3 TRIG OUT vcc Srd THR SW DPST LM555 C1 103 0.22 104 图3-8电阻测试电路 223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: t2=(n2)(R1+R +n2)R

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