MAX038+单片机实现电容电感测试仪的设计论文下载

本设计是一种基于单片机(89C51)的高精度电阻电感电容测量仪器的设计.本设计采用MAX038单片压控函数发生器产生高精度的正弦波信号流经待测的电容或者电感和标准电阻的串连电路,利用电压比例计算的方法推算出电容值或者电感值,利用51单片机控制测量和计算结果,采用1602液晶模块实时显示数值,可以手动调节量程,正弦信号发生器可以实现幅值和频率的调整,为了提高精度,我们把被测的交流电压先通过ICL7650来消除因为AD637输入电阻较低产生的误差.

实验测试结果表明,本设计性能稳定,测量精度高.

1 引言

现代电子产品正以前所未有的速度,向着多功能化、体积最小化、功耗最低化的方向发展,机电产品广泛应用于家电、通信、一般工业乃至航空航天和军事领域.无论是日常生活还是高端科技领域,电子技术的应用均日益深入.掌握必备的电子技术基础设计制作基础知识和基本技能,能够满足我国目前产业结构对广大技术工人、工程技术人员基本素质的要求,而且能为从事高端电子系统开发培养能力和素质,适应信息时代的需要.

目前市面上测量电子元器件参数R、C和L的仪表种类较多,方法和优缺点也各有不同.一般的测量方法都存在计算复杂,不易实现自动测量而且很难实现智能化等缺点.

电阻电容电感测量方法较多(谐振法,电桥法,电压比例法等)但因为对于测量仪器来说精度越高越好,所以本设计选择精度比较高的电压比较法做电阻电感电容测试仪,它的原理是将一定频率的交流信号经过串联分压电路转化为电压信号,然后经过电路处理变成频率信号经过单片机进行比例运算,最后将计算出的测量值输送给显示模块并显示各参量对应的量纲.

2电压比例法测量原理

电阻高精度测量较好的方法之一是采用与标准电阻相比较的方法.其主要原理:是在待测电阻与标准电阻的串联电路中加一直流电压V,AD采样得到Rx上电压,则测量电阻为:

                             2-1

设计中我们采用了与测量电阻一样的方法——电压比例法[1-2]来测量电感和电容;因为电感与电容是电抗元件,所以应采用交流信号来产生测量信号;在角频率为的交流信号的作用下电容电感获得的容抗和感抗:

                             2-2

                              2-3

C、L为待测电容和电感.这样一来,标准元件的选择就有许多种方法.但为了提高测量精度和降低成本,该测量仪采用了标准电阻,且与电阻测量共用一套标准电阻.所以有电感:

                      2-4

                       2-5

电容:

                          2-6

测量Q值时,加入交流信号测量出电感Q值

                             2-7

                             2-8

两个方程联立,求得电感

                               2-9

                       2-10

                                    2-11

为电感在电路中角频率为的等效阻抗,为电感在电路中角频率为的等效阻抗,L为电感量,为电感的等效电阻.

为保证测量精度,必须保证电阻的精度和的高稳定值.为此,我们在该设计中采用MAX038单片压控函数发生器[3-4]产生高精度的正弦波信号,同时输出缓冲器采用了运算放大器,为保证波形精度采用了闭环深度负反馈方式,无失真的放大正弦信号.

3.系统方案

3.1系统总体方案设计与结构框图

图3.1  设计框图

本电路由电源模块、正弦信号发生器、标准电阻和电感或电容串联分压电路、多路开关、电压跟随器、高精度交流/有效值转换、A/D转换、单片机、液晶显示、键盘等模块组成.系统主要模块流程图如图3.1所示:

图1系统流程图

3.2方案设计与论证

3.2.1电阻电感电容测试采样模块

电阻电感电容测试采样模块的设计方案有很多,例如利用纯模拟电路来实现、电阻可用比例运算器法、电容可用恒流法和比较法、电感可用时间常数法和同步分离法等.

方案一 利用纯模拟电路

虽然避免了编程的麻烦,但是电路复杂,所用的元器件较多,制作较麻烦并且测量精度低,调试困难,现已很少使用.

方案二 可编程序控制器(PLC）

应用广泛,它能够非常方便的集成到工业控制系统中.可编程控制器速度快,体积小,可靠性和精度都比较好,在此系统中可以使用PLC对硬件进行控制,但是PLC的价格相当昂贵,因而成本过高,应用于要求比较高的场合.

方案三 利用震荡电路与单片机结合

利用555多谐振荡电路将电阻、电容转化为频率,而电感则是根据电容三点式电路也转化为频率,这样就把模拟量近似转化为数字量了,而频率是单片机很容易处理的数字量,该方案测量精度较高,易于实现仪表的自动化,而且单片机构成的系统可靠性高,硬件的描述完全可用软件来实现,成本低.但由于必须采用大量地倍频、分频、混频和滤波环节,导致结构复杂、体积大、成本高并且难以达到较高的频谱纯度而使测量误差加大,外围电路非常复杂.且不符合需要一个独立信号发生器的要求.

方案四 电压比例法

采用与标准电阻相比较的的方法,其原理是在待测原件与标准原件的串联电路中加以电流I，这样被测元件与标准元件上得到的电压分别为Vx与Vi;通过计算得出被测值,此方法精度高,需要一个具有输出频率稳定的信号源来提供激励.本设计采用此方案.

3.2.2正弦信号发生器模块

正弦信号源发生器模块是决定系统误差的重要部分,要求有稳定的频率,另外为了测试系统的可靠性还要求正弦信号发生器的频率和电压具有可调性,本系统要求频率范围1HZ～1MHZ,电压大于5V.

方案一 555信号发生器

采用555信号发生器制作的发生器,其外围电路较复杂.

这种方法能实现快速频率变换,具有低噪声以及所有方法中最高的工作频率.但由于必须采用大量地倍频、分频、混频和滤波环节,导致结构复杂、体积大、成本高并且难以达到较高的频谱纯度而使测量误差加大.

方案二 单片机信号发生器[5]

使用单片机编程实现正弦波的产生简单易行.可以在外围电路不变的情况下通过程序来改变输出电压的幅值和频率.由于输出的是数字信号,可以做得很高,产生的信号精度及其性价比比较高,集成度也高并且需求电压低,功耗低.

方案三 DDS信号发生器[6]

利用直接合成DDS芯片的函数发生器,能产生任意波形并能达到很高的频率并且频率的稳定性比较好.但成本较高,主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益与灵敏度等.按不同的性能与用途分为低频信号发生器、高频信号发生器、频率合成式信号发生器等.

方案三 DDS信号发生器MAX038是MAXIM公司生产的一个只需要很少外部元件的精密高频波形产生器，他能产生准确的高频正弦波、三角波、方波。输出频率和占空比可以通过调整电流、电压或电阻来分别地控制.MAX038引脚排列如图3.2所示.

图3.2MAX038引脚排列

所需的输出波形可由地址A0和A1的输入数据进行设置，如表3.1所示。波形切换可通过程序控制在任意时刻进行，而不必考虑输出信号当时的相位.其中X表示任意状态，1为高电平,0为低电平.

表3.1 输出波形控制

采用MAX038单片压控函数信号发生器产生正弦波,改变外接电阻或电容值就可改变输出频率的值,其频率范围从0.1Hz到20MHz,最高可达40MHz,输出频率稳定.各种波形的输出幅度均为2V,幅值经过一个放大器就可以调节.占空比的调节范围宽,占空比和频率均可进行单独调节,互不影响.占空比最大调节范围10％～90％.波形失真小.正弦波失真度小于0.75％.因为不用编程可以节省较多的时间.本设计采用此方案.

3.2.3显示模块

方案一 采用LED数码管显示.数码管显示具有亮度高、夜视效果好等优点,但显示信息量小,且自身功耗较大.

方案二 LCD液晶显示器[7]可轻松实现字母、汉字的显示,控制简单,能耗小,可以中文输出便于人际交流显示内容丰富.所以本设计采用此方案.

4 硬件电路

4.1稳压电源模块

图4.1稳压电源

4.2正弦信号发生器

该电路的核心器件为MAX038,具有输出频率范围宽、波形稳定、失真小、使用方便等特点.

图4.2正弦信号发生器

4.3采样电路

ICL7650是斩波稳零式高精度运算放大器[8],它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点.

ICL7650采用14脚双列直插式和8脚金属壳两种封装形式,图4.3所示是最常用的14脚双列直插式封装的引脚排列图.

图4.3  ICL7650引脚排列图

ICL7650的工作原理如图4.4所示

图4.4  ICL7650的工作原理

如图4.5所示,高精度的正弦波信号流过串联的标准电阻和待测元件,待测元件一端接地.仪器通过继电器转换分别从标准电阻的两端测量电压.由于AD637的输入电阻较低,为了降低其分压产生的误差,被测的交流电压先通过精密运算放大器ICL7650构成的电压跟随器,然后才通过高精度交流/有效值转换芯片AD637[9]转换成有效值,进过ADC转换成数字信号,在单片机中完成比例运算,得到电容电感数值.测量不同数值电感电容时,可以选择相应的标准电阻和改变MAX038输出信号的频率来分压,这通过单片机控制继电器切换电路和编程来实现.

图4.5  采样电路

4.4液晶显示模块

本设计采用常用的2行16个字的1602液晶显示器来显示电阻电感电容值.图8是1602液晶模块与51单片机的连接图.

图4.61602液晶模块与51单片机的连接图

单片机的P1口与1602液晶模块的数据口连接传输数据,P2口分别控制RS、RW和使能端E.RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器,低电平时选择指令寄存器.RW为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作.当RW和RS同时为低时,可以写入指令或显示地址;当RS为低,RW为高时,可以读忙信号;当RS为高RW为低时,可以写入数据.E端为使能端,当E端有高电平跳变到低电平时,液晶模块执行命令.D0-D7为8位双向数据线.V0为液晶显示器对比度调节端,接正电源时对比度弱,接地是对比度高,使用时要通过一个10KΩ的电位器调整对比度.

5系统软件设计

5.1控制测量程序模块

单片机控制测量程序不仅担负着量程的识别与转换,而且还负责数据的修正和传输;因此主控制器的工作状态直接决定着整个测量系统能否正常工作,所以控制测量程序对整个测量来说至关重要.控制测量流程图如图5.1所示.

5.2 按键处理程序模块

按键处理程序的主要功能是设置测量的类型和测量的档位,当有按键被按下时就执行相应的按键功能,流程如图5.2所示.

图5.2  按键处理程序流程图

5.3电阻电感电容计算程序

单片机根据A/D 转换得到的电压值计算出电阻、电感或者电容值,该程序流程图如图5.3所示.

图5.3电阻电感电容计算程序流程图

5.4液晶显示程序模块

该程序模块只有一个功能,就是对测量结果清晰正确的显示出来,并能够保持稳定.程序流程图如图5.4所示.

图5.4  液晶显示程序模块流程图

6  系统测试与结果分析

测试仪器:双踪示波器和数字万用表.

6.1对正弦信号源的测试

我们使用示波器对信号源进行测试,发现波形和频率显示平稳,并得到了一些数据.由测量数据经我们分析计算得出此信号发生器输出电压幅值大于等于5∨,并且大小可以调节.自制信号源的测试结果如表6.1所示.

表6.1自制信号源测试结果

6.2对电阻电容电感的测量

我们对于各种性质的元件(电阻电容电感)分别找了足够量的元件;用高精度数字万用表测量出其阻值(容值或感值）取多个相同电阻的平均值作为参考量;然后用我们自制的仪表进行测量,测量多个阻值不同的电阻,算出其误差,最后求平均误差.电容和电感的测量同理.

表6.2电阻测试结果

续表6.2

表6.3  电容测试结果

表6.4  电感测试结果

6.3误差分析

本测量仪的测量范围较宽,并且达到了很好的精度,

信号源测试结果分析:由于示波器精度所限,频率低于10Hz示波器无法识别信号.经计算自制信号源最大相对误差为0.4%,我们的信号源范围更宽.

电阻测试结果分析:测量电阻阻值误差较小,最大误差为2%,用16位AD采样直流分压信号极为精确.

电容测试结果分析:电容测试最大误差为3%.

电感测试结果分析:电感测试最大误差小于4%.

在实际测量中,由于测试环境,测试仪器,测试方法等都对测试值有一定的影响,都会导致测量结果或多或少地偏离被测量的真值,为了减小本设计中误差的大小,主要利用修正[15]的方法来减小本测试仪的测量误差.所谓修正的方法就是在测量前或测量过程中,求取某类系统误差的修正值.在测量的数据处理过程中选取合适的修正值很关键,修正值的获得有三种途径.第一种途径是从相关资料中查取;第二种途径是通过理论推导求取;第三种途径是通过实验求取.本测试修正值选取主要通过实验求取,对影响测量读数的各种影响因素,如温度,电源电压等变化引起的系统误差.通过对相同被测参数的多次测量结果和不同被测参数的多次测量选取平均值,最后确定被测参数公式的常数K值,从而达到减小本设计系统误差的目的.由于振荡电路外围器件由电容电阻分立元件搭接而成,所以由振荡电路产生的被测参数对应的频率有一定的误差,所以只能通过多次实验测量,选取合适的修正值来尽可能的减少本测试系统的误差.

7 总结

毕业论文是一次非常好的将理论与实际相结合的机会,通过对电阻、电容、电感测试仪的课题设计,锻炼了我的实际动手能力,增强了我解决实际工程问题的能力,同时也提高我查阅文献资料、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平.

本设计的硬件电路图简单,成本低;采用单片机可以提高系统的可靠性和稳定性,缩小系统体积,调试与维护方便,而且以51单片机最小系统为核心的控制系统能满足整个系统的要求,经过测试系统工作正常,完成了设计任务的全部要求.

当然本系统还存在着许多需要改进的地方,比如还可以继续提高测量的精度和加大测量的范围.因为是采用单片机实现的,利用其可以编程的特性,使测量的值结合一些数据处理方式使测量更加接近真实值.

本系统也还有许多可以扩展的功能,可以增加语音功能,每次测量值稳定的时候就通过语音报告出来;也可以增加在线测量的功能,这样就更能够测量出元件工作时的正常值,而不仅仅是静态时的值.

致谢

本文是作者在临沂大学大学理学院做毕业设计期间学习的总结,是在导师刘怀强老师指导下完成的.

在这几个月毕业设计的学习和工作中,导师的精心指导和培养使我在各个方面都受益非浅.在分析问题、解决问题及独立工作的能力有了很大的提高.此前在做本设计时,李岩老师提出了很多有益的建议并给予我很大帮助.在此谨向李岩老师表示衷心的感谢.

在理学院这个学习氛围活跃、团结友爱的集体里,大家互相帮助,彼此讨论问题,共同提高.在此也要感谢我的各位同学,有了大家的支持和帮助使得论文研究工作得以顺利的进行.

最后,再次向刘怀强老师以及帮助过我的同学们表示最真诚的谢意！