基于振蕩的單片機(jī)RLc測試儀的設(shè)計

徐仲意 何建強(qiáng) 陳垚 邵昱博

摘 要：為克服傳統(tǒng)的外加交流測量法電源波動易引起偏差和文氏電橋測量法參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜等問題，文章設(shè)計了以89C51單片機(jī)系統(tǒng)為核心的RLC測試儀，實現(xiàn)RLC參數(shù)的自動測量和顯示，該測試儀具有自動量程轉(zhuǎn)換、實時顯示等功能。通過Multisim軟件，對電阻、電容以及電感所組成的振蕩電路進(jìn)行仿真設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、操作便捷，且測量準(zhǔn)確度高、響應(yīng)速度快、測量范圍廣

關(guān)鍵詞：振蕩；單片機(jī)；RLC測試儀

隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件急劇增加，在實際使用過程中，我們要對一些電感、電阻、電容值進(jìn)行測量。因此，設(shè)計出一款安全、便捷、可靠、精度高的無線鏈路層控制協(xié)議（Radio Link Control，RLC）測試儀，具有很大的實際意義。常見的電路參數(shù)數(shù)字化測量裝置都是先將被測參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，例如轉(zhuǎn)換成直流電壓或頻率，然后再進(jìn)行測量。諧振法和電橋法是測量電容值常用的兩種方法。諧振法電路結(jié)構(gòu)簡單，測量速度快，但精度低；電橋法精度高，但測量速度慢。目前，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字化測量裝置在精度和測量速度上有了很大的提高，恒流法和比較法是現(xiàn)在常用的電容測量方法，時間常數(shù)和同步分離法是電感測量常用的方法。

綜上所述，目前測量電阻、電容、電感的測量方法較多，并且相對復(fù)雜。所以本文以555振蕩器為基礎(chǔ)，利用555振蕩器將被測參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，利用等精度數(shù)字頻率計完成頻率的計數(shù)，然后再將結(jié)果送單片機(jī)運(yùn)算，再通過該頻率計算出各個參數(shù)。

1 整體設(shè)計

本設(shè)計中利用RC振蕩電路和LC電容三點式振蕩電路，先將R，L，C轉(zhuǎn)換為頻率信號，然后根據(jù)單片機(jī)所選通道，發(fā)送兩路地址信號給模擬開關(guān)，將獲得的振蕩頻率作為單片機(jī)的時鐘源。通過計數(shù)器即可獲取被測頻率，由該頻率就能計算出各個參數(shù)。是否轉(zhuǎn)換量程也可根據(jù)所測頻率來進(jìn)行判斷，或者是把數(shù)據(jù)處理后，把R，L，C的值送數(shù)碼管顯示相應(yīng)的參數(shù)值，利用編程實現(xiàn)量程自動轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)測量原理框如圖1所示。

2 RLC的測量原理

在數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)中，由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器最簡單的電路及電路工作波形如圖2所示。

以t=t7為起始點，可得充電時間Z為：

（l）

若以t為起始點，可得電容C的放電時間為：

（2）

由此可得，方波的周期為T=Tl+T2，頻率為：

（3）

所以，選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻R，和標(biāo)準(zhǔn)電容C后，該電路就能夠用來測量電阻，R2就是被測電阻。也就是將被測電阻Rx接在R.位置上。這樣，通過所測振蕩器的輸出頻率就可以通過上述公式計算出Rx。

當(dāng)測量電容C時，Ri和R2接標(biāo)準(zhǔn)電阻，原電路中C用被測電容Cx代替。同理，通過所測量的輸出頻率，利用上式算出Cx的值。

電容三點式振蕩電路的振蕩頻率為：

由公式可知，振蕩頻率f0大小由電感L和電容C的值來決定，因此，改變電容C即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。當(dāng)用該電路來測量電感值時，只需選擇標(biāo)準(zhǔn)電容C1和C2，L就是被測電感。這樣，利用所測振蕩器的輸出頻率通過上述公式就可以計算

3硬件電路設(shè)計

CPLD測量頻率模塊邏輯設(shè)計中在調(diào)試軟件Quartusll5.0中進(jìn)行邏輯電路的寫入，然后進(jìn)行編譯，生成代碼，經(jīng)JTAG下載至芯片中。

輸入信號調(diào)理電路由D觸發(fā)器、反相器和過零比較器構(gòu)成，經(jīng)過過零比較器后輸入信號變?yōu)榉讲ㄐ盘枺瑸榱烁纳品讲ǖ纳仙睾拖陆笛?，增加了兩個斯密特反向器構(gòu)成整形電路，整形后的信號作為預(yù)置閘門的同步信號。

4 軟件設(shè)計

在本測試儀的設(shè)計中，以單片機(jī)為核心，通過數(shù)碼管對被測參數(shù)進(jìn)行顯示，測試儀的軟件設(shè)計總流程如圖3所示。

該測試儀中無論是對電阻、電容還是電感的測量，都是先將被測信號轉(zhuǎn)換為頻率后再測量，因此，頻率的測量是本設(shè)計中軟件設(shè)計的核心，其測量精度會直接影響測試儀的測量精度。

5 測試結(jié)果

根據(jù)原理圖焊接CPLD底座及相關(guān)電路，檢查準(zhǔn)確無誤后，插入CPLD，給CPLD內(nèi)寫入片選邏輯代碼，用Quartusll5.0寫入CPLD，調(diào)試LED[7]。在Kei151平臺上，對單片機(jī)程序進(jìn)行調(diào)試、編譯，通過ISP燒錄入單片機(jī)中，并運(yùn)行。

當(dāng)參數(shù)選擇C=0.5nF時，測得f=477 kHz。選取100 yH-10 mH之間的若干電感標(biāo)稱值進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

6 結(jié)語

本測試儀利用RC振蕩電路和電容三點式振蕩電路，將RLC參數(shù)信號轉(zhuǎn)換為脈沖頻率信號，通過CD4052模擬開關(guān)送入單片機(jī)進(jìn)行計數(shù)，然后顯示被測參數(shù)的測量值。本設(shè)計充分利用AT89S52單片機(jī)能夠精確控制采樣脈沖頻率信號的優(yōu)勢，有效地提高了測試精度，并簡化了硬件結(jié)構(gòu)。軟件采用C語言進(jìn)行編程，根據(jù)實際情況控制被測參數(shù)的相應(yīng)程序，實現(xiàn)被測參數(shù)檔位的靈活切換。經(jīng)過測試，系統(tǒng)測量精度高、響應(yīng)快、測量范圍寬，克服了傳統(tǒng)的外加交流測量法電源波動易引起偏差和文氏電橋測量法參數(shù)調(diào)節(jié)復(fù)雜等問題。