简易LCR测量仪精编版.docx

简易LCR测量仪精编版.docx

《简易LCR测量仪精编版.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《简易LCR测量仪精编版.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

简易LCR测量仪精编版

公司标准化编码[QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]

简易LCR测量仪

2015大连理工大学电子设计竞赛

暨全国电子设计竞赛选拔赛

简易LCR测量仪（D题）

2015年6月5日

摘要

本设计中把R、L、C转换成频率信号f，转换的原理分别是RC振荡电路和LC电容三点式振荡电路，单片机根据所选通道，取得振荡频率，作为单片机的时钟源，通过测频法则可以计算出被测频率，再通过该频率计算出各个参数。

然后根据所测频率判断是否切换单位，或者是把数据处理后，把R、L、C的值送液晶屏，并显示相应的参数值。

简易LCR测量仪（D题）

【三只牛犊组】

1系统方案

本系统主要由电子元件集中参数R、L、C转频率模块、主控模块、R,L,C切换模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

测量方案的论证与选择

方案一：

电桥法

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。

电桥的平衡条件为

通过调节阻抗

、

使电桥平衡，这时电表读数为零。

根据平衡条件以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，参数的值还可以通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。

这样，电桥法不易实现自动测量。

方案二：

伏安法

伏安法有固定轴法和自由轴法两种，区别在于相敏检波器的相位参考基准选取的不同。

实际上，相敏检波的相位参考基准代表坐标轴的方向，相敏检波器的输出就是待测电压在坐标轴方向上的投影。

但此方案需要信号源，由于信号源的制作较为繁琐，不够简洁。

方案三：

谐振法

利用555的多谐震荡电路及电容三点式震荡电路将电子元件的集中参数R、L、C转换成频率信号f,然后用单片机计数后在运算求出R、L、C的值，并送显示，转换的原理分别是RC振荡和LC三点式振荡。

其实，这种转换就是把模拟量进拟地转化为数字量，频率f是单片机很容易处理的数字量，这种数字化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。

综合以上三种方案，我们组最后决定使用方案三。

R,L,C切换模块的论证与选择

方案一：

4路模拟开关CD4066

CD4066芯片（全称：

四路模拟开关集成电路）内部含有A、B、C、D四路模拟开关，A路模拟开关由引脚13控制、B路模拟开关由引脚5控制、C路模拟开关由引脚6控制、D路模拟开关由引脚12控制。

所有的控制引脚由软件编程控制，当控制线由软件置“1”时，该模拟开关闭合，当控制线由软件置“0”时，该模拟开关断开，且四路模拟开关可独立使用。

但由于其断开时不能完全断开而只是阻抗很大，因此在进行RLC切换时会出现信号干扰问题。

下图为CD4066的内部结构图：

方案二：

电磁继电器

电磁继电器是一种，它具有（又称）和被（又称），通常应用于中，它实际上是用较小的、较低的去控制较大、较高的的一种“”。

故在中起着、、等。

其开关的闭合与打开符合条件，不会出现信号干扰问题。

综合以上两种方案，我们组最后决定使用方案二。

控制系统的论证与选择

方案一：

STM32

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M内核但其编程较为复杂，价格也不占优势。

方案二：

STC89C52

·8位CPU·4kbytes程序存储器（）（52为8K）

·128bytes的数据存储器（）（52有256bytes的RAM）

·32条I/O口线·111条指令，大部分为单字节指令

·21个专用

·2个可编程定时/计数器·5个中断源，2个（52有6个）

·一个口

·外部数据为64kB

·外部寻址空间为64kB

·逻辑操作功能·双列直插40PinDIP封装

·单一+5V电源供电

：

由运算和控制逻辑组成，同时还包括和部分外部；

：

用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；

：

用以存放程序、一些原始数据和表格；

口：

四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出

T/C：

两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；

五个的中断；

一个（通用异步接收发送器）的I/O口，用于实现单片机之间或与之间的；

片内和产生电路，和需要外接。

最佳振荡频率为6M—12M。

由于此方案需要单片机完成的工作只有驱动液晶，测量频率及简单计算，51完全可以胜任，且51性价比不错.因此选用51作主控芯片。

综合以上两种方案，我们组最后决定使用方案二。

2系统理论分析与计算

LCR值转频率电路的分析

RC值转频率电路（NE555芯片构成的多谐振荡器）

电阻R1、R2和电容C1构成定时电路。

定时电容C1上的电压UC作为高触发端TH（6脚）和低触发端TL（2脚）的外触发电压。

放电端D（7脚）接在R1和R2之间。

电压控制端K（5脚）不外接控制电压而接入高频干扰旁路电容C2（）。

直接复位端R（4脚）接高电平，使NE555处于非复位状态。

多谐振荡器的放电时间常数分别为

tPH≈×（R1+R2）×C1

tPL≈×R2×C1

振荡周期T和振荡频率f分别为

T=tPH+tPL≈×（R1+2R2）×C1

f=1/T≈1/[×（R1+2R2）×C1]

值转频率电路

电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的，如图2.5.1所示。

三点式电路是指：

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，而与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式电路，成为电容三点式电路。

在这个电容三点式振荡电路中，C4C5分别采用1000pF、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。

振荡公式：

，其中C为C1C2串联容值

则电感的感抗为

LCR值转频率的计算

电阻计算公式：

R=7*（1/f）

单位：

电阻：

欧，频率：

Hz

电容计算公式：

C=*（1/f）

单位：

电容：

pf，频率：

Hz

电感计算公式：

L=（f*f）

单位：

电感：

H频率：

Hz

3电路与程序设计

电路的设计

系统总体框图

系统总体框图如下图所示：

LCR值转频率电路原理图

1、R值转频率电路原理图：

2、C值转频率电路原理图：

3、L值转频率电路原理图：

4、过零比较电路：

档位切换电路原理图

1、继电器部分切换电路：

电源

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。

为整个系统提供

5V或者

12V电压，确保电路的正常稳定工作。

这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。

程序的设计

程序功能描述与设计思路

1、程序功能描述

根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置，测频和显示。

1）键盘实现功能：

选择测量对象（R、C、L），按键切换单位，复位。

2）显示部分：

显示测量频率和所测元件值。

2、程序设计思路

对系统初始化之后，判断是否有按键按下。

以测电阻为例，若按下R开关，单片机输出高信号驱动继电器闭合。

测量的电阻经RC振荡电路转换为频率f，根据测电阻的换算公式，利用单片机软件编程，测量出其阻值并送显示。

使用外部中断实现按键切换单位和按键复位功能。

程序流程图

1、主程序流程图

4测试方案与测试结果

测试方案

1、硬件测试

LCR测试方法：

通过使用LCR测试仪，测量出较精确的LCR值，然后通过示波器读出所显示方波的频率，由此通过公式反推出LCR的理论值，再与实际测量的LCR值比对，调整参数。

2、软件仿真测试

通过信号发生器连接单片机，通过液晶屏读取频率值。

3、硬件软件联调

通过硬件组装，通过按键切换，用液晶屏显示理论值，与硬件测试时的理论值与实际值进行比对，记录数值，调整参数。

测试条件与仪器

测试条件：

仿真电路和硬件电路与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：

示波器，数字万用表，LCR测试仪。

测试结果及分析

测试结果（数据）

通过LCR测量的R值数据及通过液晶屏显示的频率数据：

通过公式算出的理论值及理论值与实际值的误差

通过excel图象拟合数据：

测试分析与结论

根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：

1、电阻的测量值与实际值的误差能控制在1%以内

2、

3、

综上所述，本设计达到设计要求。

附录1：

电路原理图

一．测

的RC振荡电路：

二．测Cx的RC的振荡电路：

三．测量Lx的电容三点式振荡电路：

过零比较电路：

四．部分仿真电路：

多谐振荡电路：

电容三点式振荡电路及方波变换电路：

五．继电器部分切换电路：

附录2：

源程序

#include""

#include<>

#include<>

#include<>

#definek6

sbitkeyR=P2^5;

sbitkeyC=P2^4;

sbitkeyL=P2^3;

sbittestR=P1^0;

sbittestC=P1^1;

sbittestL=P1^2;

sbitR_large=P1^3;

sbitR_small=P1^4;

sbitC_large=P1^5;

sbitC_small=P1^6;

sbitcounter=P3^4;

sbittimer=P3^5;

sbitflag=P3^2;

sbitreset=P3^3;

ucharidataf_display[20];

ucharidatadisplay_lcd[20];

uintflag_rcl;

uintflag_danwei;

uintflag_reset;

uinttimer_yichu=0,counter_yichu=0;

uintfenpin_rate,m,n,f_L;

voidinit（void）;

voidkeypress（void）;

voidcepin（void）;

voiddisplay（floatf）;

voidpanduan（void）;

voidmain（）

{

lcd_init（）;

init（）;

write_string（1,0,"designedby"）;

write_string（1,1,"threecalves"）;

delay_ms（1000）;

clear_screen（）;

while

（1）

{clear_screen（）;

flag_reset=0;

write_string（1,1,"waiting..."）;

while

（1）

{

keypress（）;

panduan（）;

if（flag_reset==1）

break;

}

}

}

voidinit（void）//初始化

{

TMOD=0x15;//T1定时器，T0计数器

TH1=0x3c;//定时50ms

TL1=0xb0;

TH0=0;

TL0=0;

IT0=1;//外部中断下跳沿触发

IT1=1;//外部中断下跳沿触发

ET1=1;

ET0=1;

EX0=1;

EX1=1;

EA=1;

TR1=1;

TR0=1;

PT0=1;//计数器中断优先

flag_rcl=0;

flag_danwei=0;

flag_reset=0;

}

voidkeypress（void）

{

while

（1）

{

if（keyR==0）

{

testR=1;

testC=0;

testL=0;

flag_rcl=1;

}

elseif（keyC==0）

{

delay_ms（5）;

if（keyC==0）

{

testR=0;

testC=1;

testL=0;

flag_rcl=2;

}

while（keyC==0）;

}

elseif（keyL==0）

{

delay_ms（5）;

if（keyL==0）

{

testR=0;

testC=0;

testL=1;

flag_rcl=3;

}

while（keyR==0）;

}

if（flag_rcl!

=0）

break;

}

}

voidpanduan（void）

{

if（flag_rcl==0）;

if（flag_rcl==1）

{

cepin（）;

}

elseif（flag_rcl==2）

{

cepin（）;

}

elseif（flag_rcl==3）

{

cepin（）;

}

}

voidcepin（void）

{

unsignedlongf_test;

timer_yichu=0;

counter_yichu=0;

TMOD=0x15;

TH1=0x3c;//初始50ms

TL1=0xb0;

TH0=0;

TL0=0;

TCON=0x50;

while（timer_yichu!

=20）;

TCON=0;

f_test=TH0*256+counter_yichu*65536+TL0;

display（f_test）;

}

voiddisplay（floatf）//液晶屏显示函数

{

floatvlaue_r0;

floatvalue_r;

floatvalue_c;

floatvalue_l;

clear_screen（）;

if（f>

sprintf（f_display,"Freq:

%",（f/）;

elseif（f>

sprintf（f_display,"Freq:

%",（f/）;

elsesprintf（f_display,"Freq:

%",f）;

write_string（0,0,f_display）;

if（flag_rcl==1）//R

{

vlaue_r0=7/;

if（vlaue_r0<300）

value_r=*vlaue_r0+;

elseif（（vlaue_r0>300）&&（vlaue_r0<500））

value_r=*vlaue_r0+;

elseif（（vlaue_r0>500）&&（vlaue_r0<1000））

value_r=*;

elseif（（vlaue_r0>1000）&&（vlaue_r0<5000））

value_r=*;

elseif（（vlaue_r0>5000）&&（vlaue_r0<10000））

value_r=*;

else

value_r=*vlaue_r0+;

if（flag_danwei==0）

sprintf（display_lcd,"R:

%o",value_r）;//需要修改

if（flag_danwei==1）

sprintf（display_lcd,"R:

%",value_r/1000）;

if（flag_danwei==2）

sprintf（display_lcd,"R:

%",value_r/1000000）;

}

if（flag_rcl==2）//C

{

value_c=f;

if（flag_danwei==0）

sprintf（display_lcd,"C:

%F",value_c/1000000）;//需要修改

if（flag_danwei==1）

sprintf（display_lcd,"C:

%pF",value_c）;

if（flag_danwei==2）

sprintf（display_lcd,"C:

%uf",value_c*1000000）;

}

if（flag_rcl==3）//L

{

value_l=600782/（f*f）;//电感公式

sprintf（display_lcd,"L:

%mH",value_l*1000）;//需要修改

}

write_string（0,1,display_lcd）;

}

voidtimer1（void）interrupt3//定时器服务函数

{

timer_yichu++;

TH1=0x3c;//重装载50ms

TL1=0xb0;

}

voidcounter0（void）interrupt1//计数器服务函数

{

counter_yichu++;

TH0=0;

TL0=0;

}

voidint0（void）interrupt0//外部中断切换单位服务函数

{

delay_ms（5）;//软件消抖

if（flag==0）

{

flag_danwei++;

while（!

flag）;//松手检测

}

if（flag_danwei==3）

flag_danwei=0;

}

voidint1（void）interrupt2//外部中断reset

{

delay_ms（5）;//软件消抖

if（reset==0）

{

flag_reset=1;

flag_rcl=0;

while（!

reset）;//松手检测

}

}