电容电感测试系统设计开题报告

毕业设计（论文） 开题报告 题目名称：基于微处理器的电容电感测试系统的设计 目录1课题研究意义和目的12 国内外该方向研究现状及分析13 系统总体方案论证1 3.1方案比较1 3.2方案论证24 系统硬件设计2 4.1 系统电路方框图及说明2 4.2 RC测量电路3 4.3 电容三点式振荡电路4 4.4 各部分测试电路45 系统软件设计55.1 主程序流程图55.2 测量子程序流程图66实施计划77系统拟解决问题78主要参考文献71.课题研究意义和目的 目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电阻，电容，电感的大小。另外，随着测量技术的飞速发展以及人们对电参数的测量精度要求的提高，目前教学实验中普遍采用的数字式万用表已不能满足测量要求，因此设计可靠，安全，便捷，测量精度更高的电阻，电容，电感测试仪具有广泛的使用价值和应用前景。 在目前的生产制造业中,与传统的手动交流电桥相比,数字LRC阻抗测量仪因其测量性能稳定可靠,无需进行反复的、复杂的手动平衡,还可以减少测量误差和结果计算,故已被越来越多地被应用于交流阻抗参数的测量。要保证LRC阻抗测量仪测量准确度,对其性能的考核就显得尤为重要。2.国内外研究现状及分析当今电子测试领域，电阻，电容和电感的测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。国内外电阻、电容和电感测试发展已经很久，方法众多，常用测量方法如下。1.电阻测量依据产生恒流源的方法分为电位降法、比例运算器法和积分运算器法。比例运算器法测量误差稍大，积分运算器法适用于高电阻的测量。2.传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。前者电路简单，速度快，但精度低；后者测量精度高，但速度慢。随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精度上有很大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法和比较法。3.电感测量可依据交流电桥法，这种测量方法虽然能较准确的测量电感但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量Q值确定电感的方法误差较大，所以电感的数字化测量常采用时间常数发和同步分离法。早在我国1997年05月21日中国航空工业总公司研究出一种电阻、电容、电感在线测量方法及装置等电位隔离方法，用于对在线的电阻、电容、电感元件实行等电位隔离。纵览目前国内外的LRC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LRC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LRC的测试虽然已经很成熟了，但是价格和操作简单特别是智能方面有待发展，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LRC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LRC测试仪，人机界面友好、操作方便的智能LRC测试仪，具有十分重要的意义。3 系统总体方案论证 3.1方案比较电阻、电容、电感测试仪的设计可用多种方案完成，例如利用模拟电路，电阻可用比例运算器法和积分运算器法，电容可用恒流法和比较法，电感可用时间常数发和同步分离法等、使用可编程逻辑控制器(PLC)、振荡电路与单片机结合或CPLD与EDA相结合等等来实现。在设计前对各种方案进行了比较：1)利用纯模拟电路虽然避免了编程的麻烦，但电路复杂，所用器件较多，灵活性差，测量精度低，现在已较少使用。 2)可编程逻辑控制器(PLC) 应用广泛，它能够非常方便地集成到工业控制系统中。其速度快，体积小，可靠性和精度都较好，在设计中可采用PLC对硬件进行控制，但是用PLC实现价格相对昂贵，因而成本过高。 3)采用CPLD或FPGA实现应用目前广泛应用的VHDL硬件电路描述语言，实现电阻，电容，电感测试仪的设计，利用MAXPLUSII集成开发环境进行综合、仿真，并下载到CPLD或FPGA可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。但相对而言规模大，结构复杂。4)利用振荡电路与单片机结合利用555多谐振荡电路将电阻，电容参数转化为频率，而电感则是根据电容三点式电路也转化为频率，这样就能够把模拟量近似的转换为数字量，而频率f是单片机很容易处理的数字量，一方面测量精度高，另一方面便于使仪表实现自动化，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性。系统扩展、系统配置灵活。容易构成各种规模的应用系统，且应用系统有较高的软、硬件利用系数。单片机具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现，而且设计时间短，成本低，可靠性高。3.2方案论证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量。基于此思路把电子元件的集中参数L、R、C转换成频率信号f，然后用单片机计数后再运算求出L、R、C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转换为数字量，频率是单片机很容易处理的数字量，这种数值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，从而达到仪表的高可靠性、高精度和多功能。 综上所述，利用振荡电路与单片机结合实现电阻、电容、电感测试仪更为简便可行，节约成本。所以，本次设计选定以单片机为核心来进行。4 系统硬件设计 4.1 系统电路方框图及说明系统分测量电路和控制电路,系统电路方框图如图1所示。被测电阻被测电容被测电感RC 振荡电路LC电容三点式量程自动切换电路单片机AT89S52LCD显示器RC 振荡电路图1.系统电路方框图 4.2 RC测量电路 测量仪采用RC振荡电路（如图2）把待测元件参数信号转换为脉冲频率信号，充分利用单片机能够精确捕捉采样脉冲频率信号的优势以及单片机强大的数据处理功能，有效节省资源的同时还提高了测量精度，简化了系统的硬件结构。图2.RC振荡电路 4.3 电容三点式振荡电路 振荡电路采用LC 振荡电路（如图3），振荡的频率由L 和C 确定。振荡管采用9014, Rb1和Rb2为基极偏置, Rc为限流电阻, 电容C1、C 2和电感L 构成正反馈选频网络, 反馈信号取自电容C2两端。该电路也称为电容3点式振荡电路。输入信号和反馈信号同相。在测量过程中, 当测量电感时, 输入电路自动把待测电感Lx 并联到L 的两端。当测量电容时, 输入电路自动把要测量的电容Cx 并联到C1 的两端。图3.振荡电路 4.4 各部分测试电路 （1）电阻测量电路 电阻的测量采用“ 脉冲计数法”, 由555 电路构成的多谐振荡电路,555 接成多谐振荡器的形式,其振荡周期为：得出即（2）电容测量电路电容的测量同样采用“脉冲计数法”,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。555 接成多谐振荡器的形式,其振荡周期为：T=t+t=(ln2)(R+R)C+(ln2)RC设R=R,得出即 （3）电感测量电路电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的。LC 回路中与发射极相连的两个电抗元件是同性质的,另外一个电抗元件为异性质的,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：得出即5 系统软件设计5.1 主程序流程图 本系统是通过定时器定时并在定时期间对LRC电路所产生的脉冲进行统计,通过内部程序计算出相应的值并在LCD上显示。主程序流程图如图4所示。 图4.主程序流程图5.2 测量子程序流程图图5.测量子程序流程图测量频率拟定为1秒钟，具体由显示效果确定。6实施计划第1周 定下方案，收集资料，准备开题；第2周第4周 指定实验方案，系统仿真；第5周第10周 硬件的焊接调试，实验数据的测试分析和系统的改进性研究；第11周第15周 期末验收及论文撰写；第16周 准备答辩；7系统拟解决问题 该系统需要解决振荡电路的起振、干扰和波形处理的问题。有时BJT的放大倍数不够则电路起振较难，不利于测试，具体BJT的选择需要靠实际测试确定。另外，也要考虑到振荡频率不能超过单片机的计数最高频率，也涉及到了晶振频率的选择问题。 另外，系统引入量程切换功能，对软件的编写来说也有一定的难度。同时系统的智能性也有待研究。8主要参考文献1 阎石.数字电子技术基础(第5 版)M高等教育出版社,2006.2 华成英,童诗白.模拟电子技术基础(第4 版)M.高等教育出版社,2006.3 闫玉德, 等.MCS:51 单片机原理与应用:C语言版M.机械工业出版社,2004.4 牛百齐. 基于单片机的电容测量仪设计J.仪器仪表用户,2005,12(4):29-30.5 刘明亮. 振荡器的原理和应用M.北京: 高等教育出版社,1983.6 刘军, 李智. 基于单片机的高精度电容电感测量仪J.国外电子测量技术,2007,26(6): 48-51.7 A l Dutche r. 使用少量元件的廉价易用电感测试仪 J.电子设计技术, 2007(7): 108- 111.8 陈江华, 杨霓清, 梁村梅. 一种实用的电容、电感和电阻自动测量仪 J. 计量与测试技术,2002,29(1):21-26.9 丁金林.智能LRC测量仪的设计.苏州市职业大学学报.2010年 第6期10 王恩贵. 采用单片机的便携式LRC参数测试仪.国外电子测量技术.2008年 第10期.11 李华等MCS-51单片机实用接口技术M北京航空航天大学出版社12 周民德.微机原理与接口技术.北京：人民邮电出版社，2002.13 黄川.智能电阻、电容、电感测试仪设计.科技资讯.2009.08.14 刘新如何正确使用LRC测试仪测量电子元件J.计量与测试技术,2006,33(5):2-4.15 阮德生.自动测试技术与计算机仪器系统设计M西安：西安电子科技大学出版社，199716 陈尚松,雷加,郭庆.电子测量与仪器M.北京:电子工业出版社,2005.17 韦以明.基于传感中低Q电感的测量J.现代电子技术,2007,1(11):138-140.18 P.HP4283APrecision LCR MeterOperation ManualZ.Japan:HP.199419 A High-Accuracy Automated Resistance Bridge for Measuring Quantum Hall Devices.Publication Year:1985,Page(s):320-322.20 Automated voltage/current technique for cost-effective impedance measurement J. J.W.Driscoll.ELECTRONICS & POWER MARCH 1985.