rlc参数自动测试仪的研究与设计硬件部分
本次设计给出了基于单片机的RLC测试仪的基本原理，设计思路和步骤。RLC测量仪的工作原理是将电阻，电容，电感等电子元件参数值通过各振荡电路转换为频率值，再把这些频率值输入到单片机，利用单片机对数据的处理功能就可以算出待测元件的参数值，并将其显示在1602液晶显示屏上。在测量不同电子元件时，通过按键选择不同的被测元件类型。本设计系统电路简单，易操作，成本低廉，利用单片机处理数据有较高准确度，因此有很大的研究意义和市场前景。关键词 555定时器，单片机，电容三点式振荡电路，CD4052
目 录
1 引言 2
1．1 课题背景及意义 2
1．2 设计要求 3
2 方案比较 3
2.1 总体方案设计 4
2.11 电桥法 4
2.12 谐振法 5
2.13 伏安法 6
3 系统硬件设计 7
3.1 定时器555的简介 7
3.11 555定时器管脚及内部结构 8
3.12 多谐振荡器工作原理 9
3.2 测量电阻电路的设计 10
3.3 测量电容电路的设计 12
3.4 测量电感电路的设计 13
3.5 单片机的选用与设计 15
3.6 模拟开关的设计 16
3.7 PROTEL99SE的介绍与PCB板的设计 17
3.61 Protel99SE的系统组成 17
3.62 Protel99SE的功能特性 18
3.63 用Protel99SE制作PCB板 18
3.8 LCD显示模块 19
4 系统硬件调试与仿真 20
总结 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
附录1 30
附录2 31
1 引言
1．1 课题背景及意义
RLC参数测量仪是用来测量电子元件电阻、电感和电容的测量仪器。当今电子科技飞速发展，电子产品越来越丰富，电子元器件也逐渐应用在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
各个领域，在应用中为了确保电子产品的质量，我们时常要测定各种电子元器件的大小。实现电子元件参数的精确测量是保证电子元件质量的前提，因此准确测量元件参数值有很大的实际意义。另外，当今电子高新产业迅猛发展，电子产品的质量突飞猛进，对电子元件的参数要求也愈来愈高，人们对于准确测量元件参数的要求日益提高。目前市场上出售和实验室里使用的数字式万用表已不能满足现代社会对精密仪器的要求，因此研制开发低成本，便携，测量精度更高的RLC测试仪具有广泛的科研价值和发展前景[1]。
国内外对电子元件参数电阻、电容和电感的测量方法的研究已经由来已久，各个研究总结的方法也不尽相同，比较主流的测量方法有：1.测量电阻的方法很多，常用的方法有以下三种：比例运算法，积分运算和电位降法。该三种方法中，对于高电阻的测量一般采用积分运算法，若对于精确度没有很高的电阻的测量比例运算法，该算法的误差较大。2.在总结国外以往测量电容的方法中，电桥法和谐振法最为常见。其中谐振法因其简单的电路可以实现快速测量电容，但难以达到高精度的要求。电桥法的优点是测量精度高，但其也存在电路复杂，不易实现快速测量的缺点。比较这两种方法，之后的研究则致力于在保证测量精度的情况下，提升测量的速度。近年来取得了巨大突破，恒流法和比较法是运用比较多的方法。3.通过交流电桥测量Q值来测电感，用电桥法能够达到很高的精确度但在判别电桥平衡时存在困难并且很难实现交流电桥的平衡。另外，交流电桥法是通过测量Q值从而确定电感，不是直接测量参数L，增大了计算与读数的误差。随着时间的推移，交流电桥法测电感的计算方法有了很大的改进，运用同步分离法和时间常数法可以减少测量中间量而带来的误差。而最具代表性的就是惠斯登电桥。1843年，惠斯登（C.Wheatstone）利用桥式电路，实现了电阻的直流比较（测量）。本世纪60年代以前，电桥电路元测仪飞速发展，主要代表有感应耦合比例臂电桥和四臂电桥。60年代中期已研制出全自动元测仪，发展到70年代时。而现今，以实现宽频带、宽频带、多参量、高精度、多功能、自校准、自校准等为特征的智能化元测仪，成为电子工业发展的主流，拥有广泛的前景和实际意义。
放眼国内，虽然市场上早已有出售微机产品以及集成电路的元测仪，但这些产品大都十分昂贵且体积较大，不易携带。国内自开始研究RLC测量仪经历了三个阶段：经典线路与手动测量阶段；数字技术与初步的自动测量阶段；微处理器与智能自动化阶段。但是在市场上运用单片机来制作元测仪的产品却不常见。因此，研发新型，便携，多功能。精确度高的RLC测量仪有着很大的发展前景和市场需求。
1．2 设计要求
本系统需要设计并制作一台测量参数的RLC测试仪，要求仪器能测量电阻、电容、电感三种参数，测量范围：R：10Ω～10MΩ，C：10pF～100uF，L：10uH～10H。测量频率1KHz，采用串联等效电路测量方式。显示值为4位十进制数，测量精度为1%。
示意框图如图1.1所示。
图1.1 RLC自动参数测试仪示意框图
2 方案比较
1)可编程逻辑控制器(PLC)
PLC这一方法深受市场欢迎，也是应用最为广泛的方法。PLC凭借高速、高精度以及高效率等优势成为备受青睐的测量方法，也是本系统对硬件实施控制所采用的方法。然而，PLC难以实现成本最低化，经济因素也是让其难以广泛被使用的不利因素。
2)采用FPGA实现
本方法使用硬件电路VHDL来测量电子元件的阻容值和电感，这一硬件所制造的途径是本设计的主要语言。在MaxplusⅡ上可以完成整个流程。从硬件设计到元件适配，再到时序仿真和功能仿真，最后编程下载都可以实现。另外，该软件提供的虚拟的设计环境，与硬件电路关系不大，由此可以让设计更加简洁、迅速，同时，也能快速处理设计失误与故障进行可靠的器件编程。不过，相对于其他方法结构复杂，工程繁琐。
目 录
1 引言 2
1．1 课题背景及意义 2
1．2 设计要求 3
2 方案比较 3
2.1 总体方案设计 4
2.11 电桥法 4
2.12 谐振法 5
2.13 伏安法 6
3 系统硬件设计 7
3.1 定时器555的简介 7
3.11 555定时器管脚及内部结构 8
3.12 多谐振荡器工作原理 9
3.2 测量电阻电路的设计 10
3.3 测量电容电路的设计 12
3.4 测量电感电路的设计 13
3.5 单片机的选用与设计 15
3.6 模拟开关的设计 16
3.7 PROTEL99SE的介绍与PCB板的设计 17
3.61 Protel99SE的系统组成 17
3.62 Protel99SE的功能特性 18
3.63 用Protel99SE制作PCB板 18
3.8 LCD显示模块 19
4 系统硬件调试与仿真 20
总结 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
附录1 30
附录2 31
1 引言
1．1 课题背景及意义
RLC参数测量仪是用来测量电子元件电阻、电感和电容的测量仪器。当今电子科技飞速发展，电子产品越来越丰富，电子元器件也逐渐应用在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
各个领域，在应用中为了确保电子产品的质量，我们时常要测定各种电子元器件的大小。实现电子元件参数的精确测量是保证电子元件质量的前提，因此准确测量元件参数值有很大的实际意义。另外，当今电子高新产业迅猛发展，电子产品的质量突飞猛进，对电子元件的参数要求也愈来愈高，人们对于准确测量元件参数的要求日益提高。目前市场上出售和实验室里使用的数字式万用表已不能满足现代社会对精密仪器的要求，因此研制开发低成本，便携，测量精度更高的RLC测试仪具有广泛的科研价值和发展前景[1]。
国内外对电子元件参数电阻、电容和电感的测量方法的研究已经由来已久，各个研究总结的方法也不尽相同，比较主流的测量方法有：1.测量电阻的方法很多，常用的方法有以下三种：比例运算法，积分运算和电位降法。该三种方法中，对于高电阻的测量一般采用积分运算法，若对于精确度没有很高的电阻的测量比例运算法，该算法的误差较大。2.在总结国外以往测量电容的方法中，电桥法和谐振法最为常见。其中谐振法因其简单的电路可以实现快速测量电容，但难以达到高精度的要求。电桥法的优点是测量精度高，但其也存在电路复杂，不易实现快速测量的缺点。比较这两种方法，之后的研究则致力于在保证测量精度的情况下，提升测量的速度。近年来取得了巨大突破，恒流法和比较法是运用比较多的方法。3.通过交流电桥测量Q值来测电感，用电桥法能够达到很高的精确度但在判别电桥平衡时存在困难并且很难实现交流电桥的平衡。另外，交流电桥法是通过测量Q值从而确定电感，不是直接测量参数L，增大了计算与读数的误差。随着时间的推移，交流电桥法测电感的计算方法有了很大的改进，运用同步分离法和时间常数法可以减少测量中间量而带来的误差。而最具代表性的就是惠斯登电桥。1843年，惠斯登（C.Wheatstone）利用桥式电路，实现了电阻的直流比较（测量）。本世纪60年代以前，电桥电路元测仪飞速发展，主要代表有感应耦合比例臂电桥和四臂电桥。60年代中期已研制出全自动元测仪，发展到70年代时。而现今，以实现宽频带、宽频带、多参量、高精度、多功能、自校准、自校准等为特征的智能化元测仪，成为电子工业发展的主流，拥有广泛的前景和实际意义。
放眼国内，虽然市场上早已有出售微机产品以及集成电路的元测仪，但这些产品大都十分昂贵且体积较大，不易携带。国内自开始研究RLC测量仪经历了三个阶段：经典线路与手动测量阶段；数字技术与初步的自动测量阶段；微处理器与智能自动化阶段。但是在市场上运用单片机来制作元测仪的产品却不常见。因此，研发新型，便携，多功能。精确度高的RLC测量仪有着很大的发展前景和市场需求。
1．2 设计要求
本系统需要设计并制作一台测量参数的RLC测试仪，要求仪器能测量电阻、电容、电感三种参数，测量范围：R：10Ω～10MΩ，C：10pF～100uF，L：10uH～10H。测量频率1KHz，采用串联等效电路测量方式。显示值为4位十进制数，测量精度为1%。
示意框图如图1.1所示。
图1.1 RLC自动参数测试仪示意框图
2 方案比较
1)可编程逻辑控制器(PLC)
PLC这一方法深受市场欢迎，也是应用最为广泛的方法。PLC凭借高速、高精度以及高效率等优势成为备受青睐的测量方法，也是本系统对硬件实施控制所采用的方法。然而，PLC难以实现成本最低化，经济因素也是让其难以广泛被使用的不利因素。
2)采用FPGA实现
本方法使用硬件电路VHDL来测量电子元件的阻容值和电感，这一硬件所制造的途径是本设计的主要语言。在MaxplusⅡ上可以完成整个流程。从硬件设计到元件适配，再到时序仿真和功能仿真，最后编程下载都可以实现。另外，该软件提供的虚拟的设计环境，与硬件电路关系不大，由此可以让设计更加简洁、迅速，同时，也能快速处理设计失误与故障进行可靠的器件编程。不过，相对于其他方法结构复杂，工程繁琐。
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