智能電阻電容電感測量儀的設(shè)計與開發(fā)

摘要：設(shè)計了以單片機(jī)MSP430為控制核心的智能電阻電容電感(RLC)測量儀，實(shí)現(xiàn)了被測元器件的自動識別及參數(shù)測量。系統(tǒng)采用多個繼電器，通過切換不同的激勵信號得到采樣電阻上不向的響應(yīng)來判別被測器件的屬性，通過切換不同的采樣電阻來擴(kuò)大測量范圍以及測量精度。系統(tǒng)的顯示部分采用128×64點(diǎn)陣式液晶顯示屏實(shí)時顯示被測元器件的屬性和實(shí)測的值。此系統(tǒng)具有操縱簡單和參數(shù)測量范圍廣等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：RLC測量儀；數(shù)字控制；自動測量

0 引言
    目前有三種實(shí)現(xiàn)RLC測量的方法。1)電橋法，它具有較高的測量精度，被廣泛采用，現(xiàn)己派生出許多類型。但電橋法測量需要反復(fù)進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，測量時間長，很難實(shí)現(xiàn)快速的自動測量。2)諧振法，它要求較高頻率的激勵信號，一般不容易滿足高精度的要求。由于測試頻率不固定，測試速度也很難提高。3)伏安法，它是最經(jīng)典的方法，其測量原理來源于阻抗的定義，顯然純電阻可由直流分壓，但對于阻抗、容抗則必須采用頻率較高的交流，電路較為復(fù)雜，使得該方案未得到認(rèn)可。本系統(tǒng)采用伏安法，相對簡化了電路，具有較好的人機(jī)互動。

1 系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)
    整體設(shè)計思想為在待測網(wǎng)絡(luò)器一端加入激勵信號，另一端加入采樣電阻到地，通過頻率的自動切換使AD讀到不同的采樣電壓，我們可以根據(jù)激勵信號對應(yīng)的AD采樣電壓，判別出待測元器件的屬性，進(jìn)一步切換采樣電阻，從而準(zhǔn)確測量出待測元器件的大小。這一系列操作均為自動完成。系統(tǒng)原理實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

2 硬件實(shí)現(xiàn)
2．1 硬件電路總圖
    系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示，考慮到模擬開關(guān)有內(nèi)阻，我們選取繼電器作為檔位的切換，為了測量的準(zhǔn)確，本文采用了多個電壓跟隨，防止電流過大在信號源端分壓。

2．2 真有效值電路
    系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示，考慮到模擬開關(guān)有內(nèi)阻，我們選取繼電器作為檔位的切換，為了測量的準(zhǔn)確，本文采用了多個電壓跟隨，防止電流過大在信號源端分壓。
2．3 自制測試用信號源電路
    根據(jù)需要取截正頻率為1kHz、10kHz、100kHz的低通無源濾波器，將單片機(jī)輸出的PWM或方波(因為MSP430該單片機(jī)不能輸出太大頻率的PWM，我們通過直接輸出10kHz和10kHz的方波，通過一個低通濾波器，濾掉二次諧波及以上分量，得到其基波分量)整形為正弦波，用繼電器切換不同的濾波器，來獲取不同信號，每一個頻點(diǎn)濾波后接一級運(yùn)放；放大到相同幅度，為了能滿足放大100kHz的信號的增益帶寬積和壓擺率，運(yùn)放采用TL084。通過測試發(fā)現(xiàn)，無源濾波電阻采用逐級增大，電容采用逐級減小，濾波效果最好，所以通過仿真得到參數(shù)如圖4所示的濾波放大電路圖。

3 軟件實(shí)現(xiàn)
3．1 算法數(shù)學(xué)描述
    電阻測量可以直接用一個直流分壓可得到，其公式為：
     R=(V／Vad-1)*R0         (1)
    電容測量可以通過一個適中的低頻f，此時電容的阻抗較大，對于電容因為有-90°的相移，所以我們對其整體取模，簡化可得計算電容公式為：
   
3．2 軟件流程圖
    根據(jù)以上算法分析本文的軟件程序圖如圖5所示：

4 實(shí)驗結(jié)果及分析
    電路設(shè)計完成后，本文給出了三組實(shí)驗測試數(shù)據(jù)，分別為表1、表2和表3所示，其中表1為電阻網(wǎng)絡(luò)測試數(shù)據(jù)，表2為電容網(wǎng)絡(luò)測試數(shù)，表3為電感網(wǎng)絡(luò)測試數(shù)據(jù)。實(shí)驗數(shù)據(jù)表明，除了電感測量誤差相對較大之外，其它的測量能夠較準(zhǔn)確地反映待測元器件的屬性以及大小，可以滿足一般的實(shí)際需求。

5 結(jié)論
    本文設(shè)計了基于數(shù)字控制的智能電阻、電感和電容測量儀，電路設(shè)計完成后通過實(shí)際測量數(shù)據(jù)可以看出，除了電感測量誤差相對較大之外，其它的測量能夠較準(zhǔn)確地反映待測元器件的屬性以及大?。煌ㄟ^查閱資料發(fā)現(xiàn)電感在不同的頻率點(diǎn)的大小不同，也就是說電感的大小與對應(yīng)測的頻點(diǎn)有關(guān)，本系統(tǒng)的設(shè)計只取了三個頻點(diǎn)，且最大頻率為100kHz，所以誤差較大，我們可以通過增加頻點(diǎn)個數(shù)和最大頻率以及增加采樣電阻來減小該誤差。