LCR自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 娟，馬利祥

(安徽信息工程學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241199)

近年來(lái)，電子產(chǎn)品的功能智能化、體積小型化以及功耗最低化正以前所未有的速度發(fā)展[1-3]。目前市面上存在的測(cè)量參數(shù)電感L、參數(shù)電容C以及參數(shù)電阻R的測(cè)量方法眾多且優(yōu)缺點(diǎn)各不相同，傳統(tǒng)的測(cè)量參數(shù)電感L、參數(shù)電容C以及參數(shù)電阻R的各類(lèi)測(cè)量設(shè)備多數(shù)都存在精度低、響應(yīng)速度較慢且測(cè)量的量程相對(duì)較小等缺點(diǎn)[4]。其中，文獻(xiàn)[4]中的參數(shù)電感L、參數(shù)電容C以及參數(shù)電阻R的測(cè)量系統(tǒng)需要使用恒流源和可控電流源作為激勵(lì)電源替代電壓信號(hào)，使得測(cè)量系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜；而文獻(xiàn)[5]中高精度測(cè)量電阻的測(cè)量系統(tǒng)人機(jī)交互界面相對(duì)復(fù)雜，且缺少自動(dòng)測(cè)量功能；文獻(xiàn)[6]中的測(cè)試系統(tǒng)雖然能夠測(cè)試參數(shù)電阻、參數(shù)電容和參數(shù)電感，但在其測(cè)量電感的模式中采用反相器構(gòu)成的皮爾茲緩沖振蕩器，這種情況下一旦電源電壓發(fā)生波動(dòng)則系統(tǒng)的振蕩頻率幅度變化會(huì)很大且極不穩(wěn)定；文獻(xiàn)[7-10]中的測(cè)量系統(tǒng)只能測(cè)試參數(shù)電阻R元件，其中，當(dāng)信號(hào)回路接觸不良時(shí)電阻R測(cè)量值的誤差較大；文獻(xiàn)[11]只能測(cè)試電阻元件和電容元件而不能測(cè)試電感元件；文獻(xiàn)[12]則只能測(cè)量電容元件和電感元件而不能測(cè)量電阻元件;文獻(xiàn)[13]采用LC振蕩電路測(cè)量電容元件參數(shù)，再以測(cè)量得到的電容參數(shù)為基礎(chǔ)去測(cè)量電感元件參數(shù)，這種測(cè)量系統(tǒng)其測(cè)量參數(shù)的方法存在先后順序，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量參數(shù)的響應(yīng)速度很慢，且該系統(tǒng)不能夠測(cè)量電阻元件；文獻(xiàn)[14]中電阻參數(shù)測(cè)量是在LABVIEW的基礎(chǔ)上采用傅里葉變換和頻譜分析的特性及相位差計(jì)算得出，該算法過(guò)程以及計(jì)算方法非常復(fù)雜且硬件電路比較龐大；文獻(xiàn)[15]中的測(cè)量系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)量參數(shù)電感L、參數(shù)電容C以及參數(shù)電阻R，采用的測(cè)量方法是伏安法，這種方法的電路結(jié)構(gòu)和計(jì)算也都比較復(fù)雜且電感參數(shù)的數(shù)值測(cè)量誤差比較大。綜上所述，一般的測(cè)量方法普遍存在計(jì)算復(fù)雜、電路復(fù)雜且不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量等缺點(diǎn)。文中通過(guò)將參數(shù)電感L、參數(shù)電容C以及參數(shù)電阻R的數(shù)值轉(zhuǎn)化為頻率的方法，不僅能夠使測(cè)量精度大大提高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)量，且硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠。該LCR自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)不僅體積小、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且成本很低。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案

所設(shè)計(jì)的LCR自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的電路模塊主要由產(chǎn)生信號(hào)電路模塊、處理信號(hào)電路模塊、采集信號(hào)電路模塊、控制電路模塊、顯示數(shù)據(jù)電路模塊和電源電路模塊組成，其中，電源電路模塊對(duì)整個(gè)LCR自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)供電，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

LCR自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示，該測(cè)量系統(tǒng)以51單片機(jī)作為整個(gè)控制核心。系統(tǒng)主要由測(cè)量轉(zhuǎn)換電路模塊、自動(dòng)選擇電路模塊、控制模塊和顯示電路模塊組成。測(cè)量轉(zhuǎn)換電路模塊的主要功能是測(cè)量被測(cè)參數(shù)電阻、電容和電感，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換電路把參數(shù)轉(zhuǎn)換為頻率；自動(dòng)選擇電路模塊通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)自動(dòng)選擇測(cè)量參數(shù)，通過(guò)控制模塊處理傳送到單片機(jī)中的控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)電感、電容和電阻測(cè)量參數(shù)的轉(zhuǎn)換以及邏輯功能的轉(zhuǎn)換；顯示電路模塊采用發(fā)光二極管顯示和液晶共同指示和顯示測(cè)量的電感、電容和電阻參數(shù)值及其參數(shù)的單位。該系統(tǒng)能夠通過(guò)程序控制改變電感、電容和電阻參數(shù)的測(cè)量值范圍，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程，同時(shí)自動(dòng)顯示小數(shù)點(diǎn)和單位。本設(shè)計(jì)的核心是基于單片機(jī)的程序控制，應(yīng)用多諧振蕩電路將參數(shù)電阻、參數(shù)電容轉(zhuǎn)化為頻率，而電感參數(shù)的測(cè)量則是根據(jù)考畢茲振蕩電路轉(zhuǎn)化為頻率，采用單片機(jī)處理轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的頻率數(shù)字量，不僅能夠使測(cè)量精度大大提高，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)量且硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

該系統(tǒng)是由單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)，具有較高的可靠性。測(cè)量參數(shù)的值轉(zhuǎn)換為頻率參數(shù)信號(hào)，再通過(guò)輸入單片機(jī)AT89C52控制555振蕩電路頻率的自動(dòng)選擇，輸入輸出控制采用鍵盤(pán)輸入控制電路、發(fā)光二極管顯示測(cè)量對(duì)象、LCD1602顯示測(cè)量對(duì)象的參數(shù)值以及測(cè)量參數(shù)的單位，如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電路

圖3是測(cè)量電路模塊的原理，分別測(cè)量參數(shù)電阻、參數(shù)電容和參數(shù)電感。

圖3中的P1端口是測(cè)量外部電阻RX的端口，系統(tǒng)中測(cè)量參數(shù)電阻部分采用脈沖計(jì)數(shù)法，由555電路構(gòu)成多諧振蕩電路，通過(guò)計(jì)算振蕩輸出的頻率計(jì)算被測(cè)電阻的大小。

圖3 測(cè)量電路

根據(jù)圖3配置的參數(shù)，代入由555接成的多諧振蕩器的振蕩周期公式，得出

T=(R5+RX)×C5×ln2+RX×C5×ln2=

(R5+2RX)C5×ln2.

(1)

由式(1)得出

(2)

由式(2)得出

(3)

圖3中P2端口是測(cè)量參數(shù)電容的端口，參數(shù)電容的測(cè)量同樣采用脈沖計(jì)數(shù)法。

根據(jù)圖3中的參數(shù)，代入由555接成的多諧振蕩器的振蕩周期公式，得出

T=R8×CX×ln2.

(4)

由式(4)得出

(5)

由式(5)得出

(6)

圖3中的P3端口用來(lái)測(cè)量參數(shù)電感，應(yīng)用了考畢茲振蕩電路工作原理。當(dāng)振蕩器接通供電電源以后，由于電路中的電流從無(wú)到有，則有脈動(dòng)的電信號(hào)產(chǎn)生，而脈動(dòng)的電信號(hào)包含很多不同頻率的諧波，由于振蕩電路只有一個(gè)LC諧振回路，也就是需要測(cè)量的參數(shù)電感L具有選頻的功能，當(dāng)LC諧振回路的固有頻率與某一個(gè)諧波頻率相同時(shí)電路會(huì)產(chǎn)生諧振。文中的LCR自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電路參數(shù)的設(shè)置，使得晶體管處在放大狀態(tài)和負(fù)反饋狀態(tài)，所以即使電信號(hào)脈動(dòng)的信號(hào)程度可能很微弱，配置的晶體管的放大作用和負(fù)反饋?zhàn)饔媚軌蜃屚ㄟ^(guò)LC選頻電路選出來(lái)的特定頻率的脈動(dòng)幅值不斷地增大，最終使晶體管進(jìn)入飽和區(qū)，產(chǎn)生自給偏壓，然后放大器的倍數(shù)開(kāi)始減小，最終達(dá)到平衡狀態(tài)，也就是AF等于1的狀態(tài)，此時(shí)信號(hào)的振動(dòng)幅值不再增大。也是因?yàn)檎袷幤髦粫?huì)在特定的某一個(gè)頻率下才滿(mǎn)足振蕩的條件，所以通過(guò)這種方法得到的頻率是唯一的。

根據(jù)圖3中的參數(shù)設(shè)置可計(jì)算得到考畢茲振蕩電路的諧振頻率為

(7)

由式(7)得出

(8)

這種方法得到的頻率的優(yōu)點(diǎn)在于電路的反饋電壓取自于電容，而電容對(duì)晶體管非線性產(chǎn)生的高次諧波則會(huì)呈現(xiàn)出低阻抗性，這樣在電壓的反饋中存在的高次諧波分量就會(huì)很小，輸出的波形比較好。

2.2 自動(dòng)選擇電路

圖4是自動(dòng)選擇電路模塊原理圖，利用CD4052實(shí)現(xiàn)測(cè)量參數(shù)類(lèi)型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，采用單片機(jī)控制CD4052實(shí)現(xiàn)被測(cè)頻率的自動(dòng)選擇。當(dāng)選擇某一個(gè)測(cè)量參數(shù)通道的頻率以后，輸出頻率通過(guò)單片機(jī)的T1送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)程序控制單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，最終得到需要測(cè)量參數(shù)的值。

圖4 自動(dòng)選擇電路

2.3 輔助電路

圖5(a)是程序下載電路。單片機(jī)在下載程序的時(shí)候需要供電，也需要電源VCC和GND，下載線需要連接單片機(jī)的串行通訊P3.0(單片機(jī)的第十引腳)和P3.1(單片機(jī)的第十一引腳)。

圖5(b)是5 V電源供電電路。其中，J0是DC電源接口，用來(lái)連接外部電源，SW1是電源總開(kāi)關(guān)，它是一個(gè)自鎖開(kāi)關(guān)，J0電源接口供電以后，按下SW1自鎖開(kāi)關(guān)，開(kāi)始對(duì)整個(gè)電路供電。

圖5 輔助電路

2.4 控制和顯示電路

圖6是控制模塊和顯示電路模塊的原理圖，控制模塊主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、程序和按鍵選擇通道等部分組成，利用單片機(jī)的I/O口P3.3、P3.4和P3.6直接與發(fā)光二極管相連接，控制程序放在單片機(jī)的ROM中。由于測(cè)試指示燈為發(fā)光二極管，陽(yáng)極與電源正極相接且每個(gè)發(fā)光二極管的陰極加限流電阻，所以為共陽(yáng)極，因此，I/O口輸出低電平時(shí)，與之相連的相應(yīng)指示燈會(huì)亮；I/O口輸出高電平時(shí)，相應(yīng)的指示燈會(huì)滅。圖中S1是測(cè)量電阻鍵，測(cè)量電阻時(shí)黃燈亮；S2是測(cè)量電容鍵，測(cè)量電容時(shí)綠燈亮;S3是測(cè)量電感鍵,測(cè)量電感時(shí)藍(lán)燈亮，測(cè)量的參數(shù)值和單位由LCD1602液晶顯示。同時(shí)利用單片機(jī)的I/O口P1.3、P1.4和P1.5分別和S1，S2，S33個(gè)測(cè)量按鍵相連接，控制程序也放在單片機(jī)的ROM中，用于啟動(dòng)各個(gè)被測(cè)參數(shù)程序的調(diào)整。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖7是程序功能流程，系統(tǒng)上電時(shí)先初始化且清屏,然后再對(duì)每個(gè)按鍵按下進(jìn)行掃描、分析按下的按鍵來(lái)自動(dòng)確定測(cè)量哪個(gè)參數(shù)，然后通過(guò)單片機(jī)的開(kāi)中斷到定時(shí)器設(shè)置，再到通道和指示燈的設(shè)置以及采集計(jì)算,最后液晶顯示出測(cè)量的參數(shù)值，這些功能都是通過(guò)單片機(jī)的程序進(jìn)行控制。

圖7 程序功能流程

4 電路仿真

電路仿真如圖8所示，圖8(a)中黃色發(fā)光二極管D1指示測(cè)量電阻，圖8(b)中綠色發(fā)光二極管D2指示測(cè)量電容，圖8(c)中藍(lán)色發(fā)光二極管D3指示測(cè)量電感。測(cè)量參數(shù)的值在LCD1602液晶顯示屏顯示，第一行MEASURERX(CX或LX)代表測(cè)量參數(shù)電阻(電容或電感)的符號(hào);第二行顯示對(duì)應(yīng)測(cè)量的值和單位。通過(guò)仿真，驗(yàn)證了程序和硬件電路的可行性。

圖8 仿真結(jié)果

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖9為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖9(a)、圖9(b)、圖9(c)分別為測(cè)量電阻、電容和電感的結(jié)果。本設(shè)計(jì)中電阻的測(cè)量單位顯示為K，小數(shù)點(diǎn)保留3位；電容的測(cè)量單位為pF，保留小數(shù)點(diǎn)1位；電感的單位為uH，保留整數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性和正確性。

圖9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中對(duì)LCR測(cè)量系統(tǒng)的電阻、電容和電感分別取樣進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1、表2和表3所示。表1給出電阻的測(cè)試數(shù)據(jù)，表2給出電容的參數(shù)設(shè)計(jì)，表3給出電感的參數(shù)設(shè)計(jì)。這里沒(méi)有考慮元器件電阻、電容和電感自身的誤差，其中,取樣的電阻、電容和電感的精度均為±5%。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知LCR測(cè)試的測(cè)量精度較高。

表1 電阻測(cè)量

表2 電容測(cè)量

表3 電感測(cè)量

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該系統(tǒng)采用51單片機(jī)作為整個(gè)控制核心，能夠測(cè)量參數(shù)電阻R、參數(shù)電感L和參數(shù)電容C，通過(guò)程序可調(diào)控測(cè)量范圍，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程，測(cè)量的參數(shù)值由二極管指示和液晶顯示共同完成，通過(guò)程序控制自動(dòng)顯示小數(shù)點(diǎn)和單位。由于單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)具有可編程性，所以很多需要硬件實(shí)現(xiàn)的功能大多數(shù)可在軟件上操作實(shí)現(xiàn)，這就使得硬件設(shè)計(jì)的可靠性大大提高且成本低。文中設(shè)計(jì)的LCR自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)過(guò)keil程序仿真驗(yàn)證、Proteus仿真驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證均證實(shí)本設(shè)計(jì)的正確性和可行性。