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1、基于单片机的智能RLC测试仪摘要：本系统是基于AT89S51单片机控制的智能RLC测试仪,利用单片机对R、L、C的参数进行测量,可以充分利用单片机的运算和控制功能,方便地实现测量,使测量精度得到提高。同时用软件程序代替一些硬件测量电路,可在硬件结构不变的情况下,修改软件以增加新的功能。能够很好的完成对RLC参数的测量,以满足现代测控系统的需要。本仪表通过插值算法使测量结果精度得到了有效的提高,同时通过数字惯性滤波法避免了读数的跳动,使得读取测量结果更加方便。关键词：智能化,RLC测试仪,插值算法,数字滤波0引言随着电子技术的发展,数字电路应用领域的扩展,软件技术的高度发展及其在电子测量技术与仪
2、器上的应用,新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现,产品智能化、数字化已成为人们追求的一种趋势,设备的性能,价格,发展空间等备受人们的关注,尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关注。在许多方面已经冲破了传统仪器的概念,电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。纵览目前国外的RLC测试仪,硬件电路往往比较复杂,体积比较庞大,不便携带,而且价格比较昂贵。例如传统的用阻抗法、Q表、电桥平衡法等测试RLC的过程中不够智能而且体积笨重,价格昂贵,需要外围环境优越,测试操作过程中需要调很多参数,对初学者来说很不方便,当今社会,对RLC的测试虽然已经很成熟了,但是价格和操作简单特别是智
3、能方面有待发展,价格便宜和操作简单、智能化的仪表开发和应用存在巨大的发展空间,本系统正是应社会发展的要求,研制出一种价格便宜和操作简单、自动转换量程、体积更小、功能强大、便于携带的RLC测试仪,充分利用现代单片机技术,研究了基于单片机的智能RLC测试仪,人机界面友好、操作方便的智能RLC测试仪,具有十分重要的意义。本系统是用振荡电路把RLC的参数转换成频率,再用单片机计算频率,然后对其值进行补偿后再显示RLC的值,所以用起来非常方便而且价格便宜、精确度高,测量误差保持在%5以。1 方案选择RLC参数的测量方法主要有电桥法、谐振法和伏安法。1.1 电桥法 电桥法是能同时测量电器元件R、L、C最典
4、型的方法,如图1所示。电阻R可用直流电桥测量,电感L、电容C可用交流电桥测量。电桥平衡的条件为GZ1Z2ZxZn图1 RLC测量电桥 通过调节阻抗Z1、Z2使电桥平衡,这时电表读数为零。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。1.2 谐振法谐振法可以用来测量L、C值,如图2所示。它可以在工作频率上进行测量,使测量的条件更接近使用情况。但是,这种测量方法要求的频率连续可调,直至谐振。因此它对震荡器要求较高,另外,和电桥法一样,调节和平衡判断很难实现
5、智能化。图2 谐振法测量L、C原理图1.3 伏安法 伏安法是测量电阻的最基本方法,如图3所示。分别用电流表和电压表测出通过电阻的电流和电压,根据公式R=U/I求得电阻。这种测量方法要同时测出两个模拟量,不易实现自动化。而指针式万用表欧姆挡是把被测电阻与标准电阻及电池串联,用电流表测出电流,由于被测电阻与电流一一对应,由此就可读出被测电阻阻值,如图4所示。这种测量的方法的精度变化大,若要较高的精度,必须较多的量程,电路复杂。AVRx图3 伏安法测量电阻原理图 图4 万用表测量电阻原理图以上各种方法都难以实现智能化,因此没有被本仪表采用。很多仪表都是把较难测量的物理量转变精度较高且较容易测量的物理
6、量。基于此思路,我们把电子元件的集中参数R、C、L转换成频率信号f,然后用单片机计数后再运算求出R、C、L的值 ,并显示,转换的原理分别是RC震荡和LC三点式振荡。其实,这种转换就是把模拟量近似地转化为数字量,另一方面也避免了由指针读数引起的误差。2系统原理框图系统原理框图如图5所示。单片机模拟开关Addr频率功能选择按键LCD显示器RC振荡器RC振荡器电容三点式振荡器被测电阻被测电容被测电感图5 系统原理框图 3. 单元电路设计31测电阻Rx的RC振荡电路图6是一由555电路构成的多谐振荡电路。它的振荡周期为即 式中,。为了避免直接采用式来计算时由于某种原因引起的非线性误差,本仪表引入了直线
7、插值算法,做法如下：用本仪表去测量标准电阻R0、R1Rn,记下测得相应的周期T0、T1Tn,得到基准点R0,T0、R1,T1Rn,Tn,则有测量未知电阻Rx时,测得的周期为T,若,则联立以上三式,得2用式2计算Rx时,结果与电路中的元件参数无关,这样可以避免电路元件带来的误差。通过选用高精度的基准电阻和增加基准点的个数,便可使测量结果的误差在允许的围。图6 测电阻Rx的RC振荡电路3.2测量电容Cx的RC振荡电路如图7所示,测量Cx的RC振荡电路与测Rx的振荡电路完全一样。取R1=R2,则式中。与测量电阻的过程相似,通过标准电容的测量可以得到基准点,当测量未知电容得到相应的脉冲周期为T时,有
8、3图7 测量电容Cx的RC振荡电路3.3测量电感Lx的电容三点式振荡电路如图8所示,在电容三点振荡电路中,C1、C2分别采用1000pF和2200pF的独石电容,其电容值远大于晶体管极间电容,可以把极间电容忽略。这样根据振荡频率公式: 其中对于10uH的电感由于单片采用12MHz晶振晶,最快只能计几百kHz的频率,因此在测电感这一档时,应分频后再送单片机计数。由式得,其中通过对一些标准电感的测量,可得到一些基准点,当测量未知电容得到相应的脉冲周期的平方为时,由直线插值法可得5 图8 测量电感Lx的电容三点式振荡电路4.软件设计主程序流程图如图9所示图9 主程序流程图不管是电阻、电容还是电感,都
9、是转为频率后再测量的,因此频率或周期的测量是本软件的核心,其精度会直接影响到本仪表的精度。频率或周期的测量可以利用单片的计时和计数功能来实现。4.1频率的测量方法和误差分析设在时间t检测到n个脉冲,则脉冲周期 T对t和n的全微分 T的相对误差 测量脉冲周期的测量,有定时计数和定数计时两种方法,利用AT89S51单片机里的T0和T1两个定时器/计数器可以实现,下面分别讨论这两种方法的测量精度。定时计数法 定时计数法的具体做法是：a. 将T0设为定时器,T1设为计数器。b. 设定T0的定时中断时间t并允许中断,将T1清0。c. 同时启动T0和T1,等待T0中断。d. 在T0的中断服务子程序中读出T
10、1的计数值n。e. 将t和n代入式求出脉冲周期T。采用定时计数法时,计时误差t可忽略,可认为dt=0,最大计数误差为一个脉冲,即,代入式得, 若要保证其相对误差不超过0.1%,即,则有或 若T0设为50ms中断,则由式得或 上式表明,定时计数法宜用在被测频率较高的场合。定数计时法a. 将T0设为定时器,T1设为计数器。b. 设定T1的计数中断次数n并允许中断,将T0清0。c. 同时启动T0和T1,等待T1中断。d. 在T1的中断服务子程序中读出T0的计时值t。e. 将t和n代入式求出脉冲周期T。采用定数计时法时,计数误差dn=0,最大计时误差为一个机器周期,本系统采用了12M晶振,机器周期为1
11、us,故us,代入式得, 若要保证其相对误差不超过0.1%,即,则有或us=1ms 由式得或 上式表明,定数计时法宜用在被测频率较低的场合。为了增大本仪表的测量围,应尽量增大频率的测量围,本系统将频率测量围定在1Hz-200KHz。为保证测量精度和缩短测量时间,应将频率测量围进行分量程,在不同的量程采用不同的测量方法。根据式和式,可将频率测量的围分为以下几量程量程1：1Hz-1KHz,采用1次定数计时法测量量程2：1KHz-20KHz,采用20次次定数计时法测量量程3：20KHz-200KHz,采用50ms定时计数法测量频率的测量主要由T0中断和T1中断来完成,其流程图分别如图10和图11所示
12、。图10 T0中断子程序流程图 图11 T1中断子程序流程图量程自动转换原理：单片机在某次测量频率后,若发现频率不在本次测量的量程,就根据所测量到的频率所在的围选择相应的测量方法,达到自动转换量程的目的。2、稳定读数要使振荡器输出的频率绝对不变是很难做到的,这将会使在测量的过程中读数不停地跳动而影响读数,待别是在某个整数附近跳动时比如在5000跳动时,读数就会在4999至5001中不停地跳动,每一位数字都是在变化的读数就更难看清楚了,因此很有需要去使读数稳定下来。在模拟电路中,用RC低通滤波电路可以使输出信号的波动减小,若用软件的方法模拟RC低通滤波电路,同样可以使输出的数值变得稳定一些,这就
13、是数字惯性滤波法。RC低通滤波电路如图12所示,为输入信号,为输出信号。 建立图4-4的微分方程得,将上式离散化,得 图12 RC低通滤波电路或令得 由上式可知,越大,就越平稳,但响应时间会增大。在本仪表中,若采用式进行稳定读数,仍会存在一些问题。为了使读数足够稳定,应选择较大的值,这必然会增大了读数的时间。为了克服这个问题,可将式进行如下改进式用流程图描述如图13所示。当系统测量到了一个精度高、稳定性好的频率值后,利用相应的公式即可准确地求出待测元件的值。图13 稳定读数子程序流程图5.测试报告电阻的一组测量数据如下表所示:电阻标值本仪表读数相对误差100100.20.21.2K1.203K
14、0.25360K360.1K0.032M2.000M0电容的一组测量数据如下表所示:电容标值本仪表读数相对误差301299.3pF-0.231021.045nF4.510310.05nF0.5104102.6nF2.6电感的一组测量数据如下所示:电感标值本仪表读数相对误差5.6uH5.607uH0.1310uH10.28uH2.8100uH101.6uH1.61mH1.028mH2.86.设计小结在设计制作本系统的过程中,我们深切体会到,实践是理论运用的最好检验。本次设计是对我们三年所学知识的一次综合性检测和考验,无论是动手能力还是理论知识运用能力都得到了提高,同时加深了我们对网络资源认识,大
15、大提高了查阅资料的效率,使我们有充足的时间投入到电路设计当中。本系统的研制主要应用到了模拟电子技术、数字电子技术、单片机控制技术、电子工艺等多方面的知识,本系统达预期的要求,操作方便、价格便宜、精确度高,误差保持在%5以。在调试方面,经过长时间不定地点的测试操作,稳定的性能得到了认可。同时此系统通过软件设计,减少误差的存在,大大提高了系统的精度。本次设计,为我们提供了展示自我能力的舞台,也使我们深切认识到自身知识能力尚存在许多不足,更让我们体会到了电子技术与设计的趣味,以及其强大深远的实用性。今后,我们将更加努力学习,为建设和谐社会和中华民族的伟大复兴做出自己应有的贡献。7.结束语随着科学的发
16、展,技术的不断进步,RLC测试仪会有更大的改进,例如在智能、价格、操作简单,测量精确方面,而且可以扩大量程、再减小体积,例如做成像电笔一样大可以随身携带,非常方便,也可以在RLC上加上语音心片,你叫它帮你测什么。它会自动转换成你要的状态,而且你把元件放入以后,它自动说出元件的参数。由于使用单片作为中央控制器和计算器件,本仪表有功能强、性能可靠、电路简单的特点,还可以方便地扩展其他功能,如频率计等。在频率测量时,对不同的频率段采用了不同的测量方法,从而提了测量精度。参考文献1曾喆昭,文卉.数值计算.:清华大学,20062高吉祥.模拟电子技术.:电子工业,20053 守义单片机应用技术：电子科技大学,20024 王福瑞单片微机测控系统设计大全：航空航天大学,19985 义府模拟电子技术基础：国防科技大学,2004
