电阻电容电感测试仪Word文档格式.docx
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(1)
设计中我们采用了与测量电阻一样的方法——电压比例法[2]来测量电感和电容;
因为电感与电容是电抗元件,所以应采用交流信号来产生测量信号;
在角频率为
的交流信号的作用下电容电感获得的容抗和感抗:
(2)
(3)
C、L为待测电容和电感.这样一来,标准元件的选择就有许多种方法.但为了提高测量精度和降低成本,该测量仪采用了标准电阻,且与电阻测量共用一套标准电阻.所以有电感:
(4)
(5)
电容:
(6)
测量Q值时,加入交流信号测量出电感Q值
(7)
(8)
两个方程联立,求得电感
(9)
(10)
(11)
为电感在电路中角频率为
的等效阻抗,
的等效阻抗,L为电感量,
为电感的等效电阻.
为保证测量精度,必须保证电阻的精度和
的高稳定值.为此,我们在该设计中采用MAX038单片压控函数发生器[1]产生高精度的正弦波信号,同时输出缓冲器采用了运算放大器,为保证波形精度采用了闭环深度负反馈方式,无失真的放大正弦信号.
3.系统方案
3.1系统总体方案设计与结构框图
本电路由电源模块、正弦信号发生器、标准电阻和电感或电容串联分压电路、多路开关、电压跟随器、高精度交流/有效值转换、A/D转换、单片机、液晶显示、键盘等模块组成.系统主要模块流程图如图1所示:
图1系统流程图
3.2方案设计与论证
3.2.1电阻电感电容测试采样模块
电阻电感电容测试采样模块的设计方案有很多,例如利用纯模拟电路来实现、电阻可用比例运算器法、电容可用恒流法和比较法、电感可用时间常数法和同步分离法等.
方案一利用纯模拟电路
虽然避免了编程的麻烦,但是电路复杂,所用的元器件较多,制作较麻烦并且测量精度低,调试困难,现已很少使用.
方案二可编程序控制器(PLC)
应用广泛,它能够非常方便的集成到工业控制系统中.可编程控制器度快,体积小,可靠性和精度都比较好,在此系统中可以使用PLC对硬件进行控制,但是PLC的价格相当昂贵,因而成本过高,应用于要求比较高的场合.
方案三利用震荡电路与单片机结合
利用555多谐振荡电路将电阻、电容转化为频率,而电感则是根据电容三点式电路也转化为频率,这样就把模拟量近似转化为数字量了,而频率是单片机很容易处理的数字量,该方案测量精度较高易于实现仪表的自动化,而且单片机构成的系统可靠性高,硬件的描述完全可用软件来实现,成本低.
方案四电压比例法
采用与标准电阻相比较的的方法,其原理是在待测原件与标准原件的串联电路中加以电流I,这样被测元件与标准元件上得到的电压分别为Vx与Vi;
通过计算得出被测值,此方法精度高,需要一个具有输出频率稳定的信号源来提供激励.
3.2.2正弦信号发生器模块
正弦信号源发生器模块是决定系统误差的重要部分,要求有稳定的频率,另外为了测试系统的可靠性还要求正弦信号发生器的频率和电压具有可调性,本系统要求频率范围1HZ~1MHZ,电压大于5V.
方案一555信号发生器
采用555信号发生器制作的发生器,其外围电路较复杂.
这种方法能实现快速频率变换,具有低噪声以及所有方法中最高的工作频率.但由于必须采用大量地倍频、分频、混频和滤波环节,导致结构复杂、体积大、成本高并且难以达到较高的频谱纯度而使测量误差加大.
方案二单片机信号发生器[4]
使用单片机编程实现正弦波的产生简单易行.可以在外围电路不变的情况下通过程序来改变输出电压的幅值和频率.由于输出的是数字信号,可以做得很高,产生的信号精度及其性价比比较高,集成度也高并且需求电压低,功耗低.
方案三DDS信号发生器[11]
利用直接合成DDS芯片的函数发生器,能产生任意波形并能达到很高的频率并且频率的稳定性比较好.但成本较高,主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益与灵敏度等.按不同的性能与用途分为低频信号发生器、高频信号发生器、频率合成式信号发生器等.
方案四MAX038信号发生器
采用MAX038单片压控函数发生器[1].MAX038可以产生正弦波、三角波、锯齿波、方波与脉冲波等波形;
改变外接电阻或电容值就可改变输出频率的值,频率范围0.001~20MHZ,输出频率稳定,幅值经过一个放大器就可以调节.因为不用编程可以节省较多的时间.本设计采用此方案.
3.2.3显示模块
方案一采用LED数码管显示.数码管显示具有亮度高、夜视效果好等优点,但显示信息量小,且自身功耗较大.
方案二LCD液晶显示器[7]可轻松实现字母、汉字的显示,控制简单,能耗小,可以中文输出便于人际交流显示内容丰富.所以采用此方案.
4硬件电路
4.1稳压电源模块
图2稳压电源
4.2正弦信号发生器
图3正弦信号发生器
4.3采样电路
如图4所示,高精度的正弦波信号流过串联的标准电阻和待测元件,待测元件一端接地.仪器通过继电器转换分别从标准电阻的两端测量电压.由于AD637的输入电阻较低,为了降低其分压产生的误差,被测的交流电压先通过精密运算放大器ICL765构成的电压跟随器,然后才通过高精度交流/有效值转换芯片AD637[8]转换成有效值,进过ADC转换成数字信,在单片机中完成比例运算,得到电容电感数值.测量不同数值电感电容时,可以选择相应的标准电阻和改变MAX038输出信号的频率来分压,这通过单片机控制继电器切换电路和编程来实现.
图4采样电路
4.3液晶显示模块
本设计采用常用的2行16个字的1602液晶显示器来显示电阻电感电容值.图5是1602液晶模块与51单片机的连接图.
图51602液晶模块与51单片机的连接图
单片机的P1口与1602液晶模块的数据口连接传输数据,P2口分别控制RS、RW和使能端E.RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器,低电平时选择指令寄存器.RW为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作.当RW和RS同时为低时,可以写入指令或显示地址;
当RS为低,RW为高时,可以读忙信号;
当RS为高RW为低时,可以写入数据.E端为使能端,当E端有高电平跳变到低电平时,液晶模块执行命令.D0~D7为8位双向数据线.V0为液晶显示器对比度调节端,接正电源时对比度弱,接地是对比度高,使用时要通过一个10KΩ的电位器调整对比度.
5系统软件设计
5.1控制测量程序模块
单片机控制测量程序不仅担负着量程的识别与转换,而且还负责数据的修正和传输;
因此主控制器的工作状态直接决定着整个测量系统能否正常工作,所以控制测量程序对整个测量来说至关重要.控制测量流程图如图6所示.
图6控制测量程序流程图
5.2按键处理程序模块
按键处理程序的主要功能是设置测量的类型和测量的档位,当有按键被按下时就执行相应的按键功能,流程如图7所示.
图7按键处理程序流程图
5.3电阻电感电容计算程序
单片机根据A/D转换得到的电压值计算出电阻、电感或者电容值,该程序流程图如图8所示.
图8电阻电感电容计算程序流程图
5.4液晶显示程序模块
该程序模块只有一个功能,就是对测量结果清晰正确的显示出来,并能够保持稳定.程序流程图如图9所示.
图9液晶显示程序模块流程图
6系统测试与结果分析
测试仪器:
双踪示波器和数字万用表.
6.1对正弦信号源的测试
我们使用示波器对信号源进行测试,发现波形和频率显示平稳,并得到了一些数据由测量数据经我们分析计算得出此信号发生器输出电压幅值U≧5∨;
并且大小可以调节;
自制信号源的测试结果如表1所示.
表1自制信号源测试结果
信号源设定频率(Hz)
示波器测试频率(Hz)
测试相对误差
1
频率过低示波器无法识别
10
100
1K
1.007K
0.007
10K
10.014K
0.0014
100K
99.889K
-0.00111
1M
1.0051M
0.0051
10M
10.4483M
0.0283
6.2对电阻电容电感的测量
我们对于各种性质的元件(电阻电容电感)分别找了足够量的元件;
用高精度数字万用表测量出其阻值(容值或感值)取多个相同电阻的平均值作为参考量;
然后用我们自制的仪表进行测量,测量多个阻值不同的电阻,算出其误差,最后求平均误差.电容和电感的测量同理.
表2电阻测试结果
电阻箱阻值(Ω)
测试值(Ω)
1.02
0.02
10.18
0.018
98.50
-0.015
1.010K
0.010
9.805K
-0.0195
101.312K
0.01312
1.006M
0.006
10.121M
0.0121
表3电容测试结果
电容箱电容值
测试值
10PF
9.56PF
-0.044
100PF
103.00PF
0.0300
1nF
997.05PF
-0.00295
10nF
10.05nF
0.005
100nF
100.78nF
0.0078
1uF
998.78nF
-0.00122
10uF
9.85uF
100uF
102.98uF
0.0298
表4电感测试结果
标准电感箱
10uH
10.41
0.021
100uH
101.54
0.0154
1mH
965.35
-0.03465
10mH
10.23
0.023
100mH
97.32
-0.0268
6.3误差分析
本测量仪的测量范围较宽,并且达到了很好的精度,
信号源测试结果分析:
由于示波器精度所限,频率低于10Hz示波器无法识别信号.经计算自制信号源最大相对误差为0.4%,我们的信号源范围更宽.
电阻测试结果分析:
测量电阻阻值误差较小,最大误差为2%,用16位AD采样直流分压信号极为精确.
电容测试结果分析:
电容测试最大误差为3%.
电感测试结果分析:
电感测试最大误差小于4%.
在实际测量中,由于测试环境,测试仪器,测试方法等都对测试值有一定的影响,都会导致测量结果或多或少地偏离被测量的真值,为了减小本设计中误差的大小,主要利用修正[12]的方法来减小本测试仪的测量误差.所谓修正的方法就是在测量前或测量过程中,求取某类系统误差的修正值.在测量的数据处理过程中选取合适的修正值很关键,修正值的获得有三种途径.第一种途径是从相关资料中查取;
第二种途径是通过理论推导求取;
第三种途径是通过实验求取.本测试修正值选取主要通过实验求取,对影响测量读数的各种影响因素,如温度,电源电压等变化引起的系统误差.通过对相同被测参数的多次测量结果和不同被测参数的多次测量选取平均值,最后确定被测参数公式的常数K值,从而达到减小本设计系统误差的目的.由于振荡电路外围器件由电容电阻分立元件搭接而成,所以由振荡电路产生的被测参数对应的频率有一定的误差,所以只能通过多次实验测量,选取合适的修正值来尽可能的减少本测试系统的误差.
7总结
毕业论文是一次非常好的将理论与实际相结合的机会,通过对电阻、电容、电感测试仪的课题设计,锻炼了我的实际动手能力,增强了我解决实际工程问题的能力,同时也提高我查阅文献资料、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平.
本设计的硬件电路图简单,成本低;
采用单片机可以提高系统的可靠性和稳定性,缩小系统体积,调试与维护方便,而且以51单片机最小系统为核心的控制系统能满足整个系统的要求,经过测试系统工作正常,完成了设计任务的全部要求.
当然本系统还存在着许多需要改进的地方,比如还可以继续提高测量的精度和加大测量的范围.因为是采用单片机实现的,利用其可以编程的特性,使测量的值结合一些数据处理方式使测量更加接近真实值.
本系统也还有许多可以扩展的功能,可以增加语音功能,每次测量值稳定的时候就通过语音报告出来;
也可以增加在线测量的功能,这样就更能够测量出元件工作时的正常值,而不仅仅是静态时的值.
参考文献
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