基于單片機(jī)的電阻電容測(cè)量?jī)x

河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王 彪 婁學(xué)輝

1.引言

在對(duì)電子元器件使用時(shí)，必須首先了解它的參數(shù)，電阻有阻值、電容有容值。這就要求能夠?qū)υ骷膮?shù)進(jìn)行精確的測(cè)量。電阻的阻值相對(duì)比較容易測(cè)量，用伏—安法就可以精確的測(cè)量出來(lái)。但是對(duì)電容的測(cè)量就比較麻煩了，最初人們還是通過(guò)萬(wàn)用表來(lái)對(duì)電容值進(jìn)行估算，這種方法不但麻煩而且測(cè)量精度也比較低。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)的快速發(fā)展及其在電子測(cè)量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測(cè)試?yán)碚?、新的測(cè)試方法、新的測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)。人們對(duì)儀器的要求也在逐漸提高，本文設(shè)計(jì)了一款更智能化、體積更小、功能強(qiáng)大的便攜式RC測(cè)量?jī)x。

2.硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

總體硬件電路主要包括四部分：正弦信號(hào)電路、前端控制電路、單片機(jī)控制電路、LCD顯示電路。

2.1 主控芯片

本系統(tǒng)采用PIC16F877單片機(jī)作為控制核心，PIC16F877單片機(jī)是PIC系列單片機(jī)的中級(jí)產(chǎn)品，采用RISC指令系統(tǒng)，一共只有35條單字指令，簡(jiǎn)單易用；工作速度快，可接收DC-20MHz時(shí)鐘輸入，指令周期可達(dá)到200ns；存貯空間大，具有高達(dá)8K字的FLASH程序存儲(chǔ)器和368字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。除此之外，它具有14個(gè)內(nèi)部/外部中斷源和8級(jí)硬件堆棧，便于編程；帶有片內(nèi)RC振蕩器的監(jiān)視定時(shí)器，保證其可靠工作；可根據(jù)不同需要選擇不同的振蕩器工作方式以減小功耗，同時(shí)在保持低價(jià)的前提下增加了A/D、內(nèi)部EEPROM存儲(chǔ)器、比較輸出、捕捉輸入、PWM輸出、SP1接口、異步串行通信(USART)接口、模擬電壓比較器、LCD驅(qū)動(dòng)等許多功能。

2.2 正弦信號(hào)電路設(shè)計(jì)

測(cè)量?jī)x是以正弦波做為測(cè)量信號(hào)供單片機(jī)進(jìn)行正交采樣，正弦波的頻率直接影響到測(cè)量的精度，要求正弦波頻率精度高，并且頻譜純度和穩(wěn)定度也要高。因此本系統(tǒng)采用DDS合成芯片AD9850來(lái)產(chǎn)生正弦波。AD9850是美國(guó)AD公司生產(chǎn)的高集成度的DDS合成芯片。它采用32位相位累加器，截?cái)喑?4位，輸入正弦查詢(xún)表，查詢(xún)表輸出截?cái)喑?0位，輸入到DAC。DAC輸出兩個(gè)互補(bǔ)的模擬電流，接到濾波器上。但是AD9850直接產(chǎn)生的信號(hào)幅度只有2V左右，而且是單極性的。而測(cè)試的時(shí)候需要的是雙極性的正弦信號(hào)，因此DDS輸出的信號(hào)還要經(jīng)過(guò)隔直和放大。AD9850輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)RC高通濾波器，將直流分量濾除，輸出交流信號(hào)，再經(jīng)放大器放大，電壓跟隨，輸出幅度適當(dāng)、帶載能力較強(qiáng)的信號(hào)源。電路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)電路原理圖一

2.3 前端電路模塊

前端電路主要是實(shí)現(xiàn)量程電阻的切換，增益控制。本方案采用電阻分壓法，量程電阻與待測(cè)元件進(jìn)行分壓，再由單片機(jī)控制模擬開(kāi)關(guān)分別選通量程電阻和待測(cè)元件的信號(hào)通道，將它們分壓所得到的信號(hào)分別送入差分式放大電路。將由差分式放大電路出來(lái)的正弦波經(jīng)過(guò)電位提升電路后，再由單片機(jī)采集，在此過(guò)程中，量程電阻的自動(dòng)切換，以及減小模擬開(kāi)關(guān)對(duì)測(cè)試過(guò)程帶來(lái)的誤差是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。前端電路是影響系統(tǒng)測(cè)量范圍和測(cè)量精度的關(guān)鍵。

圖2 系統(tǒng)電路原理圖二

圖3 軟件流程圖

2.3.1 量程電阻選擇方案設(shè)計(jì)

量程電阻R的切換是通過(guò)單片機(jī)控制模擬開(kāi)關(guān)CD4052來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬開(kāi)關(guān)存在導(dǎo)通電阻和漏電流，如果太大會(huì)對(duì)測(cè)試精度產(chǎn)生很大影響。當(dāng)RS+Zx較小時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻就不可忽略。因此消除導(dǎo)通電阻對(duì)電路的影響十分重要。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，采用如圖2所示的原理電路。圖2中選用4X2的模擬開(kāi)關(guān)，Ron(1,2,3,4)、Ron(1,2,3,4)是模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻；Rs(1,2,3,4)為標(biāo)準(zhǔn)電阻；Z為被測(cè)元件。采用該電路減小了導(dǎo)通電阻對(duì)測(cè)試精度的影響。

2.3.2 增益控制

在測(cè)量時(shí)，如果由于某種原因使得正弦信號(hào)幅度變小，那么在分壓的時(shí)候就有可能出現(xiàn)某個(gè)元件分壓得到的信號(hào)非常微小的情況。由于單片機(jī)可以對(duì)0—5V的模擬信號(hào)進(jìn)行8位的A/D轉(zhuǎn)換，所以A/D轉(zhuǎn)換的精度可以算得為5/256=0.02V，也就是說(shuō)如果信號(hào)過(guò)于微小而低于0.02V時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差，所以我們需要對(duì)增益進(jìn)行控制，以使測(cè)量?jī)x在正弦信號(hào)的幅度變化時(shí)依然能正常工作。

增益控制電路如圖2所示，經(jīng)過(guò)分壓后的信號(hào)都會(huì)送入一個(gè)由集成運(yùn)放所構(gòu)成的差分式放大電路。因?yàn)椴罘质椒糯箅娐肥菍?duì)兩個(gè)輸入端之間的差值進(jìn)行放大，而且對(duì)干擾信號(hào)輸入的共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制作用，所以使用其做為放大電路可以有效的提高測(cè)量精度和測(cè)量?jī)x的抗干擾性。

2.4 電位提升電路

本次設(shè)計(jì)采用的是PIC的ADC模塊實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，并選擇了電源電壓(5V)作為參考基準(zhǔn)電壓，所以單片機(jī)只能夠正確采集0到5伏之間的電壓，而正弦波輸入的是一個(gè)交流信號(hào)，在負(fù)半周期是負(fù)電位，使得單片機(jī)不能正確的采樣，所以在將信號(hào)送入單片機(jī)以前需要對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行電位提升，使整個(gè)正弦信號(hào)任意時(shí)刻的電位都大于或等于0，電位提升電路。

將輸入信號(hào)通過(guò)一個(gè)放大倍數(shù)為1的集成運(yùn)放，在運(yùn)放的信號(hào)輸入腳3上由R1和R3提供一個(gè)直流電位，通過(guò)改變R1的阻值將直流電位調(diào)節(jié)到的2.5V，這樣正弦信號(hào)就可以調(diào)節(jié)到如圖2所示的形狀，再供給單片機(jī)采樣。

單片機(jī)采樣經(jīng)過(guò)電位提升以后的信號(hào)所得到的值并不能直接進(jìn)行計(jì)算，而還需要將這些值減掉2.5V的直流電位才可以計(jì)算。

2.5 LCD顯示電路

顯示電路選用的是LCD模塊RC1602，液晶顯示模塊主要由點(diǎn)陣式液晶顯示屏(LCD)、微控制器、驅(qū)動(dòng)電路三部分組成。電路如圖1所示。

3.軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)各部分功能要求，整個(gè)系統(tǒng)的軟件程序由初始化程序，量程電阻選擇程序，AD轉(zhuǎn)換程序，增益控制程序，數(shù)據(jù)處理程序，ASII碼轉(zhuǎn)換程序以及顯示程序等子程序組成。最后調(diào)用各模塊，將它們聯(lián)系起來(lái)，形成一個(gè)有機(jī)的整體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的全部管理功能。以上面所述的思路為基礎(chǔ)，通過(guò)研究最后得到整個(gè)軟件程序設(shè)計(jì)的流程圖，如圖3所示。

4.結(jié)語(yǔ)

本測(cè)量?jī)x能自動(dòng)的識(shí)別出待測(cè)元件是電阻還是電容。由單片機(jī)控制根據(jù)待測(cè)元件電抗值的大小自動(dòng)轉(zhuǎn)換到合適的基準(zhǔn)電阻檔位，以實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。解決了舊的測(cè)量?jī)x器在測(cè)量前需要人工判斷待測(cè)元件參數(shù)范圍，然后再手動(dòng)的選擇合適量程檔位的弊端。

[1]蘇濤,強(qiáng)生斌,吳順君.數(shù)字正交采樣和脈壓的高效算法及實(shí)現(xiàn)[M].現(xiàn)代雷達(dá),2001,23(1):39-41.

[2]孫曉兵,保錚.中頻正交采樣理論[M].機(jī)載預(yù)警雷達(dá)技術(shù)交流會(huì),1993:189-196.

[3]康華光,陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].高等教育出版社(第4版),2000:394-440.

[4]康華光,鄒壽彬.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分[M].高等教育出版社(第4版),2000:300-470.

[5]莊紹雄,張迎春.單片機(jī)控制的電阻電容在線測(cè)量?jī)x[M].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),1993,7(4):40-45.