定时器应用研究-测电容电阻电感的资料.doc
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1、简易电阻、电感和电容的测试仪简易电阻、电感和电容的测试仪摘摘 要:要:本系统以 MSP430 单片机作为控制核心,由 555 构成多谐振荡电路实现对电阻和电容的测量,采用电容三点式振荡电路实现对电感的测量。控制继电器实现电阻、电容测量的档位自动切换,使测量精度满足指标要求;为使单片机精确测量待测频率,在电感测量模块中先进行整形和分频,然后测量,以提高测量精度。该系统设计简单,成本低,操作简单,在测量范围内误差很小,经电路仿真分析可达到题目要求的指标。关键词关键词:555 多谐振荡电路,电容三点式振荡,MSP430 单片机,继电器一、系统方案论证一、系统方案论证1.1 电阻测量模块方案论证电阻测
2、量模块方案论证方案一:伏安法。如图 1-1 所示,分别用电流表和电压表测出通过电阻的电流和电阻两端的电压,根据公式 R=U/I 求得电阻。这种测量方法虽然电路简单,但要同时测出两个模拟量,不易实现自动化,而电压表与电流表都存在内阻,测量误差大,精度不高。Rx方案二:电阻分压法。如图 1-2 所示,将待测电阻 Rx 和基准电阻 R 串联在电路中,由于电阻分压的作用,当串联到电路上的电阻 Rx 的值不同时其 Rx 上分的压降也不同。通过测量上 Vx 便可由公式 求得。)(XXXVVCCRVRXR该方案原理简单,理论上只要参考电阻精确,就可以测量任何阻值的电阻,但实际上由于 AD 的分辨率有限,当待
3、测电阻很大或是很小时就很难测出 Rx 上的压降 Vx,从而使测量范围缩小,要提高测量范围和精度就需要对电阻分档测试和提高 AD 的分辨率。这无疑会增加系统的复杂性和成本,所以也不可行。方案三:RC 和 555 定时器组成的多谐振荡电路。很多仪表都是把较难测量的物理AV图 1-2 电阻分压电路图 1-1 伏安法测量原理VccGNDVxRxR量转变成精度较高且较容易测量的物理量。基于此思路,我们把电阻阻值转换成频率信号,通过测量输出振荡频率的大小即可求得电阻的大小,如果固定电阻值,该方案硬件电路实现简单,通过选择合适的电容值即可获得适当的频率范围,同时输出波形为 TTL电平的方波信号所以不需要再对
4、信号做电平变换,即可直接供数字电路处理,这种处理一方面便于使仪表实现智能化,另一方面也避免了由指针读数引起的误差。综合比较,基于对精度要求较高,并从测量时操作的简便程度考虑,本设计采用方案三,用 RC 和 555 定时器组成的多谐振荡电路来实现要求。1.2 电容测量模块方案论证电容测量模块方案论证方案一:利用 RC 充电原理,根据电路原理电容充电的时间常数 =RC。通过选择适当的参考电容,通过测量充电到一个固定电压时所需的时间即可以测量出相应的电容大小。此方案下测量大电容较准,但在电容容量较小时,电容在极短的时间内就能充满,即充电时间较短,所以很难测准。方案二:电桥法是另一种经典的方法,如图
5、1-3 所示,可利用交流电桥来测量电容。电桥的平衡条件为:eexnj xj n)( 2)( 121ZZZZ通过调节阻抗 Z1、Z2 使电桥平衡,这时电表读数是零。根据平衡条件及一些已知的电路参数就可以求出被测参数。用这种测量方法,参数的值还要通过联立方程求解,调节电阻值一般只能手动,电桥平衡的判别亦难以用简单的电路实现。这样,电桥法不易实现自动测量。方案三:同样利用 RC 和 555 定时器组成的多谐振荡电路,通过测量输出振荡频率的大小即可求得电容的大小,如果固定电阻值,该方案硬件电路实现简单,能测出较宽的电容范围,完全满足题目的要求。同时输出波形为 TTL 电平的方波信号所以不需要再对信号做
6、电平变换。即可直接输入单片机处理。综合比较,基于对精度要求较高,并从测量时操作的简便程度考虑,本设计采用方案三,用 RC 和 555 定时器组成的多谐振荡电路来实现要求。1.3 电感测量模块方案论证电感测量模块方案论证方案一:采用电桥法测量电感。将待测电感和已知标准电阻电容组成电桥,通过单GVCCGNDZnZ1Z2Zx图 1-3 直流电桥平衡电路F1F2频率片机控制调节电阻参数使电桥平衡,电感的大小由电阻和电桥的本征频率求得,该方案测量精准,同时可以测量电容和电阻的大小,但其电路复杂,实现起来较为困难。方案二:用 555 定时器和被测电感利用电感储能以及充放原理构成多谐振荡器,通过测频率值确定
7、被测电感的值。该方案电路结构简单,输出波形为 TTL 电平的方波信号,简单分频后可获得较为理想的测试频率范围,方便单片机精确测量。方案三:采用 LC 配合三极管组成三点式振荡电路,通过测输出频率大小的方法来实现对电感值测量。该方案成本最低,但其输出波形为正弦波,需要将其波形整形后才能交给处理器处理,成本稍微高了。综合比较,基于方案二的设计误差太大,最终采用了方案三。1.41.4 频率测量方案论证频率测量方案论证方案一:直接测频法。该测量方法是把被测频率信号经过脉冲形成电路,计数器计数被测信号的脉冲周数,从而通过计算频率的公式得到被测信号的频率。此方案对低频信号的测量精度不是很高,对于高频信号的
8、测量也不是很准确,只在一定范围的频率内才能测得比较准确的数值。因此只适用于一定范围内的频率测量。方案二:测周期法。该测量方法是通过测量被测信号的周期来计算频率。被测信号经脉冲形成电路变成方波通过单片机的计数器计数,再根据计算公式即可获得被测信号的频率。该方案对低频信号的测量比较准确,但对于高频信号,测量误差较大,故只适合低频信号的测量。在比较两种方案之后,决定采用第一种方案来进行频率的测量。1.5 系统方案概述系统方案概述电阻谐振式测量电容谐振式测量电感三点式测量DIP 开开 关关MSP430单片机数 字 显 示量程切换量程切换分频电路图 1-4 系统设计总框图F3整形电路系统设计总框图如图
9、1-4 所示,本设计将电阻、电容和电感测量模块产生的不同频率的方波信号经整形和分频电路分别送至通道选择模块,根据测试的元件类型,单片机通过按键的输入选择相应的测试电路,并自动检测出待测元件的值所对应的频率范围,控制继电器实现对元件测量的自动换挡。同时单片机通过一定的计算后,在液晶显示屏上显示出元件的类型和测量值。二、理论分析与计算二、理论分析与计算2.1 电阻测量的分析与计算电阻测量的分析与计算电阻测量原理图如图 2-1 所示,是由 555 定时器和 R1、R2、C1 组成的多谐振荡电路。电路振荡产生的频率由 R1、Rx、C1 确定。电容 C1 的充电所需的时间,即脉冲维持时间: 2ln)(1
10、x11CRRt放电所用时间,即脉冲低电平时间: 2ln12CRtx所以脉冲周期时间为: )2(2ln1121xRRCttt故输出脉冲频率为: )2(2ln111xRRCf所以只要已知 R1、RX、C1 中的其中两项的参数再通过单片机测出振荡频率的大小就可以计算出剩下第三项的参数。本设计中通过固定 R1 和 C1 的参数将待测量的电阻作为 R2 接入电路中的方法来测量电阻。 为使振荡频率保持在 10-20kHz 这一段单片机计数的高精度范围内,需选择合适的C1 和 R1 的值,同时不能使电阻功耗太大。所以我们设计了两路电路,第一个量程选择;uFCR1,50011第二个量程选择; 这样,nFCKR
11、1,1822在第一个量程中,若时(下限) ,;100xRkHzRRCfx06. 2)2(2ln111图 2-1 电阻电容测量原理图R1RxC1Vout在第二个量程中,若时(上限) ,。MRx10kHzRRCfx72)2(2ln122因为 RC 振荡的稳定度可达 1/1000,单片机测频率最多误差一个脉冲,所以由单片机测频率值引起的误差在百分之一以下。量程自动转换原理:单片机在第一个频率的记录中发现频率过小,即通过继电器转换量程。再测频率,求的值。xR误差分析 : fCRRx222ln12fCCC ffCfRx2222ln2ln22222/CC ff RRRxx因为相当小,在左右,远小于仪表所需
12、要的精度,可忽略。这样,ff01001的精度取决于,即电容的稳定性。电路中采用了稳定性良好的独石电xxRR22CC容,理论上说,只要小于,所测电阻的精度亦能在以下。由于单片22CC10011001机程序中采用了多位数的浮点运算,计算精度可远高于。10012.2 电容测量的分析与计算电容测量的分析与计算电容测量的原理图也如图 2-1,同样由 555 电路构成的多谐振荡电路,通过计算振荡输出的频率来计算被测电容的大小。由 2.1 的分析知其振荡周期为:得出: ,即: )2()2(ln121RRCfx)2()2(ln1C21RRfxx为使频率在单片机高精度测量范围内,我们同样设计了两路电路,取值分别
13、为:第一量程:;第二量程:;MRkR10,121kRkR470,47043这样的取值使电容档的测量范围很宽,同样可通过继电器转换量程。误差分析:同的测量,有,xR11 RR ff CCxx已知能满足以下的精度,而精密的金属膜电阻其阻值的变化ff1001亦能满足左右的精度。这样,电容的精度也可以做得很高。11RR10012.3 电感测量的分析与计算电感测量的分析与计算电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的。三点式振荡电路是指:LC 回路中与发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的,另外一个电抗元件必须为异性质的,而与发射级相连的两个电抗元件同为电容式的三点式振荡电路,其振荡频率为:即: LCf
14、x21CffLxxx41如图 3-3 所示, C1 和 C2 分别采用 100nF 和 1uF 的独石电容,其电容值远大于晶体管的极间电容,可以把极间电容忽略,则uFCCCCC09.0)/()(2121单片机的高精度测量范围有限,因此在测电感这一档时,只能分频后送单片机计数。误差分析:CffLxxx41CffCCfCCLffLL22222422CC ff LL2由此可见,因为相当小,的精度主要取决于电容值的稳定性,从理ffLL论上讲,只要小于,也就能达到相当的水平。一般而言,电容的CC1001LL稳定性,特别是像独石电容一类性能比较好的电容,能满足小于的要求,CC1005这样误差精度就能保持在
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