单片机测试系统设计

摘　要　介绍了一种新颖的单片机控制电阻电容在线测试系统，并详细论述了系统组成，电阻、电容在线测试原理以及系统软件的设计思想。
　　关键词　电阻电容　在线测试　单片机　电隔离

1　引　言

　　在线测试是一种新颖的电子测量技术。在调试维修印刷电路板时，往往需要测量印刷电路板上的电阻或电容值。传统的做法是焊开元件再测量，以避免受板上其他元件的影响。这不仅麻烦，测试速度低，甚至可能损伤印刷板和元件。为此，我们采用“电隔离”技术，设计了一种用单片机控制的电阻电容在线测试系统，该系统无需焊开元件便可直接在印刷板上测量各元件的参数，即保持了印刷板和元件的完善无损，又大大提高了测试速度。

2　系统组成

单片机电阻电容在线测试系统原理如图1所示。　　　　　

　　

　　为了实现电阻电容在线测试过程的自动化，由8031单片机、2732EPROM、锁存器和8155扩展器构成控制部分；为了拓宽测试范围，系统设置了自动转换量程；为了进一步提高测试精度，采用了软件抗干扰措施。

3　电阻在线测试原理

电阻—电压转换电路原理如图2所示。

　　

　　图中R_x是印刷板上的待测电阻，R₁和R₂是R_x两端旁路的等效电阻，U_ref为基准电压，R_x为基准电阻。测试时用三根测试笔，其中一根将R₁和R₂的接点接地；第二根将R_x与R₁的接点接至运算放大器的反相输入端；第三根将R_x与R₂的接点接至运算放大器的输出端。由图2不难看到：根据理想运算放大器的“虚短”原理，R₁上的电压为零，因而没有电流通过；又根据深度电压负反馈时其输出电阻为零的特征，作为负载电阻R₂的数值大小，不会影响其输出电压U_r。
　　由图2得U_r＝－U_ref R_x／R_x　　
　　可见在基准电压U_ref和基准电阻R_x确定后，U_r只取决于R_x，而与R₁与R₂旁路电阻均无关，即对R₂实现了“电隔离”。这就将印刷电路板上的被测电阻R_x直接转换为相应的输出电压U_r。为了扩大测量范围，引进了基准电阻R_r1～R_r4和相应的开关S₁～S₄来转换量程，如图3所示。单片机根据R_x选择合适的R_r，通过控制S₁～S₄自动转化量程。若选用高精度的运算放大器（如OP07等），可以进一步提高测量精度。为了减少R₂的影响，输出级采用T₁和T₂复合管组成的射级输出器，可进一步减小输出电阻，并为R₂提供所需的电流。为了减小接触电阻的影响，三根测试笔均用双线结构，将通电流的导线（图3中用粗T₁线表示）和测电压的导线（图3中细线）分开。理论和实践都指出：在测量小电阻时，这种测试能有效地提高测试精度。

　　

4　电容在线测试原理

电容在线测试原理电路如图4所示。

　　

　　图中C_x为印刷板上被测电容，R_x为板上与C_x并联的电阻，Z₁和Z₂为板上C_x两端旁路的总等效阻抗，U_ref为基准的正弦波信号源，R_r为基准电阻。如同上述电阻在线测试所分析的那样，根据理想运算放大器的“虚短”原理及深度电压负反馈输出电阻为零的特征，可消除Z₁和Z₂的影响，实现对C_x和R_x并联阻抗Z_x的“电隔离”。由图4不难看出：

U_c＝－U_ref Z_x／R_x　　

在印刷电路板上，电容C_x通常与R_x之间并联，如何从并联电路中单独测得C_x值，这是电容在线测试的关键。为此，我们提高正弦波发生器U_ref的频率F，使C_x的容抗1／（ωC_x）＜＜R_x，则可忽略R_x，使并联阻抗Z_x近似等于C_x的容抗。即

式中R_r，U_ref和频率F均为已知，测得U_c，便可用上式求出C_x。我们称此法为“高频近似法”。分析可知，若R_x大于被测电容C_x的容抗Z_c的5倍，即若R_x≥5C_x，那么，按式C_x＝U_ref／（2лFR_r

U_c）求出C_x的误差不大于2％。考虑到测量中因其它因素引起的误差，整个误差总和也不大于5％。对于一般要求这种误差已经满足了。在实际电路中，电容量的范围很广，与电容器并联的电阻值差别也很大。为实现高频近似法测试C_x，应根据实际情况选择合适的信号频率。为了便于测量控制，又不使正弦波信号发生器过于复杂，采取的措施是将信号源的频率按5倍频分档，并使各档信号U_ref的幅度相等。由低向高按5倍关系逐档增高信号频率，同时测量响应的输出电压U_c，并计算相邻两档低频输出电压U_cl和高频输出电压U_ch的比值。分析证明，若该比值U_cl／U_ch≥3．6时，则可以用这个高档频率的信号测量C_x，此时的输出电压U_c＝U_ch。将此时的f，U_ref和U_c代入C_x＝U_ref／（2лfR_rU_c），便可求得C_x。而U_cl／U_ch≥3．6则可作为“高频近似法”选择测试频率的依据。

5　系统软件

　　该在线测试系统的软件，采用模块化结构，由主程序、若干子程序和中断程序组成，并且采用了数字滤波等软件抗干扰技术，提高了测试精度。系统主程序的流程图如图5所示。系统启动后，先初始化，然后判断测试C_x还是R_x，则分别进入各次的测试程序，开始在线测试。电阻在线测试过程为：被测电阻R_x通过R_x／U_r转换电路，将R_z转换为直流输出电压U_r，送入A／D转换器将模拟电压转换为数字量，输入单片机系统。单片机国家输入得数据，选择最佳量程，并控制量程转换开关，选择合适的基准电阻R_r，实现量程自动转化。在单片机控制下，进行多次（如8次）采样测试，并对各次测得的U_r求取平均值，然后计算出电阻R_x，最后送显示器显示。

　　电容在线测试过程为：将C_x／U_c转换电路，在正弦波信号发生器的作用下将C_x的数值转换为交流输出电压U_c，送入A／D转换器转换为数字量，送至单片机。单片机开展量程转换开关，选择最佳量程，获得与C_x相应的U_c值。单片机通过频率转换开关，控制正弦波信号发生器的振荡频率，从最抵挡频率开始，按5倍频逐级增频率。同时读入各档的相应U_c值，并对相邻两档频率的数据U_cl和U_ch求商U_cl／U_ch，判断U_cl／U_ch是否大于3．6，若不大于此值，则继续读入求商，直到U_cl／U_ch≥3．6，单片机就根据最后这次Fh和U_ch，按式C_x＝U_ref／（2лfhU_ch）求C_x值，并送显示器显示被测的电容量数值。

　　1　朱锡仁．电路测试技术与仪器．北京：清华大学出版社，1989
　　2　张卫平，张英儒．现代电子电路原理与设计．北京：原子能出版社，1997
　　3　何立民．MCS—51系列单片机应用系统设计．北京航空航天大学出版社，1990
　　4　王福瑞．单片机微机测控系统设计大全．北京航空航天大学出版社，1998
　　5　李华．MCS—51系列单片机实用接口技术．北京航空航天大学出版社，1993
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