数字式的元件参数测试仪的设计.doc
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1、(完整word)数字式的元件参数测试仪的设计毕 业 设 计 论 文 题 目:数字式的元件参数测试仪的设计研究 Title The design and research on digital component parameters tester 院 系: 专 业: 姓 名: 指导教师: 2010年 6 月 6 日摘 要此设计是基于51和C语言编程的数字式电阻电容电感测试仪的制作.类似于万用表的功能,我们不是直接测量这些未知量,而是用电压电流等这些容易测量的已知量来进行转化。设计当中将一些芯片组合起来并用编程控制产生了幅值稳定的直流电源以及交流电源,选择合适的标准RLC,根据串联分压的原理分别
2、测量出标准电阻电容电感的电压,这样根据串联电路的等量关系很容易知道需要测量的RLC,最后用显示装置把未知RLC显示出来.这种方法比较直接,通俗易懂,程序也都比较直接,在很多仪器仪表的制作工艺当中都有所用到。设计的关键是要产生合适的电压信号,选择合适的标准电阻电容和电感,还有用51与C语言程序来实现的未知变量与已知变量之间的等量关系.关键词编程、标准电阻电容电感、测试仪、A/D转换、显示ABSTRACTThis design is based on the 51 and C language programming of the production of the digital resista
3、nce capacitance and inductance tester. Similar to the multimeter functions, we are not directly measuring the unknown quantity, but with these easy to measure as voltage and current of a known quantity to be converted。In the design,it combines a number of chips and produces amplitude control of a st
4、able DC power and AC power with programming。 According to the principle of series voltage divider , select the appropriate standard of RLC, resistance and capacitance are measured in the standard inductor voltage。 Thus, according to the series volume, it is very easy to know the value of the RLC. At
5、 last, use a display device to display the unknown RLC. This method is relatively straightforward and easy to understand, the program is also relatively straightforward, and many instruments have used the production technology。 The key is designed to produce the appropriate voltage signal, select th
6、e appropriate standard resistance capacitance and inductance, as well as with 51 and C language program to implement the known and unknown variables and equal relationships between variables.Key wordsprogramming, standard resistance capacitance inductance tester, A / D converter, display目 录摘要1Abstra
7、ct1一、 绪论31.1 课题背景31。2 国内外研究现状31.3 研究目的3二、 算法概要42。1流程图及简单的电路图42.2算法简述4三、 电阻元件的测量53。1 A/D转换的原理53。2直流电压的测量73.3直流电压的产生103。4电阻值的测量及显示13四、 电感电容元件的测量164。1 交流电压的产生164.2 交流电压峰峰值的测量194.3 电容值的测量及显示264.4 电感值的测量及显示27致谢30参考文献31附录程序32一 绪论1.1课题背景目前使用的电感测量方法是用数字LRC 测量仪, 但数字LRC 测量仪的数字化程度并不高,其参量分离是靠同步检波器实现的。 随着单片机技术的发
8、展,其在智能化测量仪表中的应用越来越广泛,利用单片机的软件来代替硬件的功能,可以实现仪表测量的自动化,并能进行数据分析处理,以达到仪表的高可靠性、高精度、多功能。 本文提出了一种利用MCS- 51 及其他系列的芯片和C语言编程来实现对电阻电容电感的测量。1.2国内外研究现状通常的测量仪器采用阻抗矢量电压法测量电容, 需进行稳压、交流供电。 近年来随着计算机技术的广泛运用, 电容测量方法有了较大的进展, 但常用的方式是利用占用口线较多且价格昂贵的A D 转换器将模拟信号输入计算机进行测量。根据一阶线性暂态电路理论, 可以有一种占用资源少且能方便地实现模拟信号的检测方法, 设计了电路和软件编程简单
9、、口线较少且无需交流供电的单片机电容测量系统。在科学实验和生产中, 人们经常需要快速精密地测量电感和电容器件的值, 一般的测量大都是采用交流电桥法和谐振法, 即模拟法.然而这些方法的测量时间较长, 不适于专业化测量。我看过笔者提出了一种用P IC16C62 单片机测量L、C 的一种新的数字方法, 这种测量方法的精度只取决于对相位的测量, 且这种测量方法的速度快, 特别适用于专业化流水线测量.1.3研究目的万用表大家都知道它有三个基本的功能,测量电压电阻电流。将万用表进行各种不同的合适设置,能够很方便的测量出来.类似的,数字电路参数测试仪也是用来测量各种电路元件包括电阻电容和电感的。本实验中需要
10、用单片机编程来进行简单的电阻电容电感的测量,也很方便。同时在示波器以及信号发生器中也可以根据波形的测量间接地知道电阻电容电感的数值。等等,这些电子元件都用不同的方法进行了测量达到了目的。二 算法概要2。1流程图及简单的电路图被测R、L、C经过欧姆电压转换电路,转换成所需要的模拟电压,并将其放大到AD转换器的规范值,由AD 转换器转换成数字量 再送入单片机.由单片机根据需要进行一系列处理(如非线性校正;四则运算:计算最大值和最小值等),处理后以数字显示测量结果。以下是RLC测量电路的流程图以及电路图,三个可以统一加交流电,也可以在测量电阻时用直流信号,消除电容和电感的影响.在本设计当中,电阻的测
11、量采用标准的直流电压信号,电容电感的测量采用标准的正弦波信号,下面分别进行叙述。 下面是整个设计当中的设计流程图以及简单的电路设计图:2。2算法简述 在测量电容时,加入交流电压信号,将电容电感转换成容抗或者感抗1/wC或者wL 由串联分压可以知道未知电容和未知电感的计算公式 同样 = 在测量电阻时,加入直流电压信号,根据串联电路分压关系推算我们可以得到未知电阻的计算公式。 其中U是输入的电压信号,分别是待测电阻电容电感 、分别是标准的电阻电容和电感。在这个过程当中标准电阻电容电感的选择需要遵循一定的原则,为了充分利用A/D转换的效率,提高测量的精确度,要尽量选择比较合适的阻抗使测量的电压信号比
12、较接近5V。要达到这一个目的,我们就需要用程序来控制标准电阻电容电感的选择,使尽量多档位的电抗值被选到而达到控制电压的目的。这时我们可以用继电器分档进行选择,以下几章会分别详细介绍。三 电阻元件的测量3.1 A/D转换的原理工程实际中需要测量的信号,一般都是模拟信号,而计算机系统只能对数字信号进行运算、处理和存储。因此要用计算机系统测量模拟信号,必须先将模拟电压信号转换为数字信号,这一过程称为模/数(A/D)转换.实现A/D转换的原理电路有多种,下面简单介绍并联比较法A/D转换的原理.并联比较法将输入的模拟信号转换为二位数字信号输出的原理电路如3.1图所示: 图3.1。1 A/D转换原理在图3
13、。1。1中有三个比较器,各比较器的参考电压分别为(1/4)VREF、(2/4)VREF、(3/4)VREF,比较器的输出为电平信号(数字信号).利用比较器将输入模拟电压信号和各自参考电压进行比较,从而把模拟信号转换成数字信号.输入模拟电压Ui处于不同的范围,对应于不同的比较器输出数字信号Q0、Q1、Q2,如表3.1.2所示。 表3.1。2 输入模拟信号和输出数字信号关系输入模拟信号电压范围比较器输出Q2 Q1 Q0转换结果输出D1 D00(1/4)VREF0 0 00 0(1/4)VREF(2/4)VREF0 0 10 1(2/4)VREF(3/4)VREF0 1 11 0(3/4)VREF(
14、4/4)VREF1 1 11 1比较器输出的数字信号Q0、Q1、Q2,并不是二进制数码,只是反映一定电路状态的电平信号,还需要经过一定的逻辑运算电路,将Q0、Q1、Q2电平信号转换成二进制代码D0、D 1才能作为转换结果输出.实现从Q0、Q1、Q2到D0、D1转换的逻辑运算。因此,并联比较式A/D转换电路,实际上是根据输入模拟信号的电压范围,产生相应的数字信号输出.按此原理增加比较器及相应的电路元件数量,就可以增加输出数字信号的位数。输出数字信号位数越多,输入电压的范围划分则越细,输出数字信号就越能够准确地反映输入模拟信号的量值。输出数字信号的位数,常用于表征A/D转换器件的精度。常见的A/D
15、转换器件的精度有8位、10位、12位等。将模拟信号转换为数字信号,需要一定的时间,称为转换时间。转换时间也是选用A/D转换器件的一项重要指标,常见A/D转换器件的转换时间一般为几十纳秒到几十微妙。由于A/D转换过程需要一定的时间,如果需要转换的是一个交流信号,则转换开始时和转换结束时信号的电压值是不同的,由此将会造成A/D转换的误差,如图3。1。3(a)所示。抑制A/D转换过程延时误差的办法是增加一个采样保持电路,如图3。1。3(b)所示。图3。1.3(b)中,外部被测电路等效为一个戴维南信号源电路,us为被测电压,Rs为等效电阻. (a)转换误差 (b)采样/保持电路原理 图3。1。3 A/
16、D转换误差及采样/保持电路原理 在采样/保持电路中,先将开关K合上,外部信号源对电容C充电(放电),待电容C上的电压uc与被测电压us相等(接近)时,再断开开关K.在电容C和输出引脚之间,连接有一个电压跟随器,由于电压跟随器的输入阻抗可以看作无穷大,所以开关K断开后,uc和uo等于开关K断开时刻的被测电压us值,并且维持不变.开关K合上的过程,称为信号的采样,采样结束后开关K断开的过程称为保持.采样/保持电路有时也简称S/H(Sample/Hold)电路.采样过程所需的时间T,取决于Rs、C电路的时间常数。当电容C的值确定时,取决于外部信号源的电阻Rs值。通过对开关K从导通到断开的时间控制,实
17、现对采样时间的控制。信号的采样时间,应该根据外部信号源的电阻Rs值,维持最小采样时间。从理论上说,采样时间T越长,us和uc的值越接近,因此采样时间越长越好。工程实际中一般取时,近似认为us和uc相等。 MAXIM ICL 7109 是单片三态控制、二进制形式输出的12 位A/ D 转换器,具有极性和过量程指示.MAXIM 公司在ICL 7109 的基础上增加了零积分阶段,保证过载时快速恢复,消除过载残余、串扰和滞后作用; 通过增大ICL 7109 的电流源容量,加强了总线驱动能力,能够快速驱动单片机总线上可能出现的较大电容。MAXIM ICL 7109 的封装形式为DIP40 ,引脚功能见下
18、表3.2 直流电压的测量直流电压的实用测量电路如图3.2.1, 由单片机AT89C51 、A/D 转换器、MAXIM ICL 7109组成。将MODE 引脚接地,使MAXIM ICL 7109 工作于直接输出方式。将RUN/ HOLD引脚与AT89C51的P14 引脚相连,用程序位控制转换过程。将STA2TUS 引脚与AT89C51 的INT1引脚相连,转换结束时请求中断.采用6MHz 晶振,MAXIM ICL 7109 完成一次转换所用时间T = 8192 58/ 6MHz = 7912ms ,即转换速率为12.6 次/ 秒. 3.2。1 直流电压测量电路上图中, 读高、低字节测量数据的地址
19、分别为FD00H 和FE00H ,电压高、低字节测量数据分别寄存在单片机片内RAM 单元39H 和38H ,供应用程序使用.实现一次基本量程的电压测量程序见附录. 电压高、低字节测量数据分别寄存在单片机片内RAM 单元39H 和38H中,现在需要进行转换把二进制的数值转换成十进制数值的电压信号,然后将数字电压信号转换成模拟的电压信号。在利用计算机的电气测量与控制系统中,有时只要将测量、计算的结果以数字量的方式显示、存储,或者直接以数字信号输出的方式控制输出开关,起到控制的作用;有时则需将数字信号转换成模拟电压信号输出。将数字信号转换成模拟电压信号的过程称为数/模(D/A)转换。转换原理如下 一
20、个多位二进制数中每一位的1所代表的数值大小称为这一位的权。如果一个n位二进制自然数用aDn-1Dn2D1D0B(B为二进制数标记)表示,从最高位Dn1(简写作MSB)到最低位D0 (简写作LSB)的权依次为2n-1、2n2、21、20.4位权电阻网络DA转换器原理如图6。2.1所示,由权电阻网络、4个电子开关和1个加法放大器组成。S3、S2、S1、S0是4个电子开关,其状态分别受4位输入二进制代码D3、D2、Dl、D0的取值控制,代码为1时开关触点连接到参考电压VREF上,代码为0时开关触点接地。 图3.2.2 D/A转换原理根据加法放大器的原理可得: (351) 显然上式括号中的值即为输入二
21、进制数值,也就是说输出模拟电压值对应于输入二进制数值.增加权电阻和电子开关的数量,就可以增加输入数据的位数,输出模拟电压值能够反映更多位数输入二进制数字的值,从而提高D/A转换的精度。从式(351)中可知,输出电压uo始终为负值,要想得到正的输出电压,可以将VREF取为负值,或者在输出端增加一级模拟反相器。图3。2.2中的电子开关,通常称为模拟开关,其作用是通过数字信号控制模拟信号的选择性导通和截止,在D/A转换集成电路器件内部,设计有相应的模拟开关电路。由以上原理可以得出用C语言写出下列将二进制的数字电压信号转换成十进制的模拟电压信号,程序如下 将39H 和38H单元中的二进制数转化成十进制
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