简易幅频特性测试仪.doc

简易幅频特性测试仪
摘要
根据题目要求，设计了一种幅频特性测试仪。采用精度为8位的DAC芯片DA0832，产生有效值为1V的正弦波。采用具有10位ADC功能的单片机STC12C5A60S2，实现被测信号的检测。采用运算放大电路，实现提高输入阻抗和降低输出阻抗的目的。采用按键功能，可设定输出正弦波的频率。经测试，该幅频测试仪能够输出有效值为1V的正弦波、无明显失真、全频段幅度误差在%，输出正弦波的频率范围为100-10kHZ、误差为%，交流信号的测量精度为%、分辨率为0.01V，输出阻抗小于10Ω，输入阻抗大于100k。
关键词： DAC0832 10位ADC 频率可调正弦波

目录
1方案论证与比较 1
1.1总体思路 1
1.2各模块方案的选择与论证 2
2 系统设计 5
2.1 总体设计 5
2.2 硬件电路设计 5
2.2.1拉力值测量模块 5
2.2.2电机驱动模块 8
2.2.3 透明胶被拉动距离测量模块 8
3 软件设计 10
3.1 算法的标定实验 10
3.2 软件流程 14
4系统测试 16
4.1 测试仪器、设备 16
4.2 测试方法步骤与结果分析 17
4.2.1拉力值的测试 17
4.2.1拉伸距离的测试 17
5 结论 18
参考文献： 19
附录： 20
附1：电路图 20
附2：实验测试图 21
附3：实物图 22

1方案论证与比较
1.1总体思路
根据题目的要求，该幅频特性测试仪的功能是能够输出可调频率的正弦波给被测电路，并测量经过测量电路后的正弦波信号的变化，从而得出被测电路的幅频特性。
其原理：当被测电路的输入为正弦信号时,则输出的稳态响应也是一个正弦信号,其频率和输入信号的频率相同,但幅度和相位发生了变化,而变化取决于角频率X。若把输出的稳态响应和输入正弦信号用复数表示,并求它们的复数比,则得公式（1-1）：
（1-1）
其中G（j）称为频率特性,A（）是输出信号的幅值与输入信号幅值之比,称为电路网络幅频特性。ej()是输出信号的相角与输入信号的相角之差,称为相频特性。其中,电路幅频特性是电路网络的一个重要特性,本文探讨电路网络幅频特性参数的测试。在实际测量中,用一个随着时间按一定规律,并在一定频率范围内扫动的信号对被测电路进行快速、定性或定量的动态测量,给出被测电路网络的电路网络幅频特性实时测量结果。测量原理见图1-1：

图1-1 测量原理
为了显示被测电路在不同频率下，输出信号对输入信号的放大倍数图像，必须要有显示模块。
为了能控制仪器输出不同范围的频率，必须要有按键输入模块。

图1-2 幅频特性测试仪原理框图
经以上总体思路分析，得出以下系统原理图，如图1-2所示。由本系统产生正弦激励信号去激励被网络，通过采集输入被测网络之前的信号幅值与从被测网络出来的信号的幅值，相除得到被测对各频率正弦信号的增益情况，从而得出被测网络的电路网络幅频特性。
1.2各模块方案的选择与论证
根据幅频特性测试仪原理框图可知，该测试仪主要由四部分组成，分别为正弦波发生模块、控制模块、交流信号幅值检测模块和显示模块。下面对这四部分进行方案的选择与论证。
（1）正弦扫频信号发生模块方案
正弦扫频信号发生器是本设计的核心部分。要求能产生优于5HZ误差的频率，且在100HZ~10KHZ范围内,步进为100HZ。
方案一：采用传统的直接频率合成法合成。经过混频、倍频、分频网络和带通滤波器完成对频率的算术运算。但由于采用大量的模拟环节，导致直接频率合成器的结构复杂，体积庞大，成本高，而且容易引入干扰，影响系统的稳定性，难以达到较高的频谱稳定性。
方案二：采用锁相环间接频率合成（PLL）。虽然具有工作频率高、宽带、频谱质量好的优点，但是由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长，很难满足系统要求的高速度指标。另外，由于模拟方法合成的正弦波参数都很难控制，不易实现。
方案三：采用直接数字式频率合成（DDS）。其原理如图1-3所示，用控制芯片的存储器储存的所需波形量化数据，按不同频率要求，以频率控制字为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据，经过D/A转换和幅度控制，再滤波即可得到所需波形。由于DDS具有带宽很宽，频率转换时间极短（小于20μs），频率分辨率高，全数字化结构便于集成等优点，以及输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控，完全可以满足本题目的要求。DDS有着较多的优点，但是DDS技术也有内在的缺陷——杂散噪声。

图1-3 DDS原理框图
为了全面实现题目的要求，选择最合适的三号方案作为正弦波扫频信号发生器的核心，实现高速、高精度、高稳定性的正弦信号输出。
（2）控制模块方案
方案一：用FPGA等可编程器件作为控制模块的核心。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，体积小，稳定性高，易于功能扩展，采用并行的输入/输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。就FPGA的制造工艺而言，FPGA掉电后数据会丢失，上电后必须进行一次配置，因此FPGA在应用中需要配置电路和一定的程序，并且FPGA器件作为一个数字逻辑器件，竞争和冒险正是数字逻辑器件较为突出的问题，因此在使用时必须注意毛刺的消除及抗干扰性，从而增大了电路或程序的复杂程度和可实施性。
方案二：用STC12C5A60S2单片机为系统的主控核心。单片机具有体积小，使用灵活，拥有较强的指令寻址和运算功能等优点，而且单片机的功耗低，价格低廉。
采用单片机作为控制器比FPGA更适合本系统的规模。充分考虑到综合性价比和控制的方便程度，确定选择方案二作为系统的控制核心模块方案。
（3）交流信号幅值测量方案
方案一：采用真有效值转换芯片（如AD637）。将输入信号转换成有效值的形式输出，供后级的A/D采样。此种方案的测量精度较高，但由于有效值转换芯片转换的过程相对较长（一般为几十到几百个ms），对于幅频特性，需要采集很多个点，此种方案的测量过程将是很长的。
方案二：采用ADC测量方式。这种方案只要将经过被测电路的信号输入经过ADC转换，在控制芯片中对数据进行处理，筛选出幅值。该方案的优点是电路和程序控制都简单易行。缺点是赋值的测量精度取决于ADC转换芯片的转换速度和控制芯片的运算速度。
综合所有的因素，采用方案二更适合本设计。
（4）显示模块方案
方案一：采用LED数码管显示。虽然功耗低，控制简单，但显示能力有限，人机界面较差。
方案二：采用12864液晶屏显示。可以显示多种字符，并能同时显示多组数据、汉字，字符清晰，人机界面友好。
方案二的液晶显示方式有效解决LED只能显示数字等几个简单字符的缺点，具有性能好，控制方便，显示方式多的优点。因此本设计采用方案二的12864液晶显示屏作为显示模块。

2 系统设计
2.1 总体设计
系统总体框架如图2-1所示，由STC12C5A60S2单片机处理器控制DAC转换芯片DAC0832产生正弦激励信号去激励被网络，将信号进行处理后输送给具有ADC功能的单片机，实现从被测网络出来的信号的幅值的采集与处理目的，即可得到被测电路对各频率正弦信号的增益情况，从而得出被测电路的幅频特性。

图2-1 系统总体框架
2.2 硬件电路设计
系统的核心硬件电路主要由两个部分组成，分别为正弦波信号发生模块和信号预处理模块。下面对这两个模块进行理论分析与参数计算。
2.2.1正弦波信号发生模块
正弦波信号发生模块的具体硬件结构由两个部分组成，分别为基准源电路和DAC0832转换电路，下面对这两部分做详细的介绍。
（1）基准源电路
TL431 的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。如图2-2所示的电路中，当 R1和R2的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若V o增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时有公式（2-1）：
（2-1）
选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1 mA 。本设计采用的是TL431作为DAC0832的电压基准源+2.5V，根据公式（2-2）可得当R1取零，R2取无穷时，输出电压为+2.5V。
（2-2）

图2-2 TL431典型应用图
（2）DAC0832转换电路
DAC0832 是一款转换精度为8位，转换速度为1的D/A 转换器芯片。Vref 引脚为芯片提供参考电压；RFB为反馈电阻引出端,与运算放大器输出端相连接；DI7~ DI0 数字量输入信号，其中DI0为最低位，DI7为最高位；CS为片选信号, 低电平有效；WR1为写信号1，低电平有效；XFER为转移控制信号，低电平有效；WR2为写信号2，低电平有效；IOUT1为模拟电流输出端1，当输入数字为全1时, 输出电流最大，全0时, 输出电流为0，如公式（2-3）：
（2-3）
IOUT2为模拟电流输出端2，其与 IOUT1的关系如公式（2-4）
IOUT1 + I OUT2 = C （常数） （2-4）
如图2-3所示，通过控制片选端、写数据端和数据位，从而控制DA0832输出模拟量，
本仪器采用如图2-3所示的单缓冲工作方式应用图，一个输入寄存器工作于直通状态，DAC寄存器工作于受控状态，此时只需一次写操作，就开始转换，转换后直接输出数据，提高了D/A的数据吞吐量。

图2-3单缓冲工作方式应用图
其调幅的原理为：当数据口输入的数字量为0FFH=255时，有公式（2-5）所示的电流量输出：
（2-5）
输出电压如公式（2-6）所示：
（2-6）

断电和串口时钟输入端为PD_SCK。通过控制输入该端口电平的不同时序，可以实现数据输入、输出和增益通道的选择，时序图如图2-4所示。

图2-4 DAC0832 时序图

2.2.2电机驱动模块[2]
在电机驱动模块的方案讨论中拟定采用LM298芯片驱动直流减速电机。其硬件电路如图2-5所示。
LM298内有两个H桥式电机驱动电路，可用来驱动两个直流电机，本方案中只用其中的一个H桥，标号为A。在该电路中，电机的两端各安装有两个二极管，这些二极管都是从驱动器的输出端连接到电机的电源端，或者接地端，其作用能限制和消除感应尖峰电压。
其驱动原理：LM298芯片的1EN是标号为A的H桥的使能端，1A1和1A2可以控制电机的正反转。在控制电机的时候，当使能端1EN置高电平时，1A1和1A2置不同的高低电平时，电机实现正或反向转动。当使能端1EN置低电平时，不管1A1和1A2的电平如何变化，电机均停止转动，从而实现电机正反向转动和停止的控制。

图2-5 LM298电机驱动电路
2.2.3 透明胶被拉动距离测量模块[3]
该模块的主要硬件电路是编码盘和光电传感器，如图2-6和图2-7所示。硬件结构为：将黑白颜色块相互间隔的编码盘安装在电机的转轴上，编码盘穿过微型槽型对射光电传感器。其原理：当电机转动时，编码盘穿过对射式光电传感器的槽型对射光电开关旋转，当编码盘上的黑色部分挡住光线时，输出低电平，当光线透过编码盘的白色部分时，输出高电平，从而产生高低电平变化的脉冲，即把电机的旋转角度转换为脉冲数的大小。将脉冲输送给单片机的中断功能进行计数即可得到拉动的距离。
根据如图所示的编码盘，从白色部分和相邻黑色部分依次穿过槽型对射光电开关的时候，将产生一个从高电平到低电平的下降沿，输送给单片机的外部中断输入端从而触发中断。根据标定实验发现，进入中断的次数与透明胶被拉动的距离是成线性关系的。因此，累计进入中断的次数，即可得到透明胶带被拉动的距离。

图2-6 编码盘

光电传感器的核心部件为红外发光二极管和硅平面光电三极管，发光二极管不间断地发送红外光束，当编码盘的黑色部分挡住光束时，光电三极管不导通，输出低电平，反之输出高电平。输出脉冲经过TTL电平转换电路，如图2-5中运算放大器、R3和R4所示，其构成一个单限比较器，输出即为TTL电平脉冲，满足单片机的检测需要。

图2-7 光电传感器原理图

3 软件设计
3.1 算法的标定实验
在该仪器的测量中，硬件电路测量出拉力传感器的输出电压值的数字量，光电传感器输出脉冲量，要测量出透明胶带被拉伸的拉力和距离，需要软件程序算法来实现。以下两个标定实验为算法的实现奠定基础。
（1） 拉力值与转换后的电压值的关系
实验方法与步骤：如附图4所示，将仪器放在水平的平面上，将拉力传感器的上端固定在金属支架的上端，使用电子秤称出质量为M的沙子，使用示波器测量拉力传感器的输出端的电压值V。即质量为M的沙子所产生的拉力F对应转换后的电压值V。重复以上的步骤，从1mg-5kg，以1mg为步进进行测量。质量M的沙子与产生拉力F的关系如公式（3-1）所示。
（3-1）
测试物体与转换后的电压值关系实验数据如表3-1所示，通过MATLAB对数据进行线性拟合分析得到如图3-1所示质量与电压值的关系图像。
表3-1 测试物体质量与电压值标定实验
测试物体质量/kg
电压值/V
ADC值
0.14
0.6
89
0.305
1
139
0.445
1.1
175
0.58
1.4
215
0.67
1.5
240
0.785
1.6
273
0.96
1.8
329
1.02
2
354
1.24
2.2
403
1.385
2.5
443
1.51
2.6
480
1.66
2.9
523
1.815
3.2
564
1.935
3.3
601
2.015
3.4
630
2.195
3.6
676
2.33
3.8
719
2.41
4
750
2.62
4.2
793
2.71
4.3
820
2.82
4.5
850
2.91
4.6
875
2.995
4.8
895
3.125
4.8
930

图3-1 测试物体质量与电压值的关系图像
从图3-1所示图像可以得出结论，排除测量和机械误差带来的影响，拉力传感器将拉力转换成电压值，两个变量之间的关系是线性的。
通过MATLAB对数据进行线性拟合分析得到如图3-2所示的质量与ADC值的关系图像。

图3-2 测试物体质量与ADC值的关系图像
从图3-2所示图像可以得出结论，排除测量和机械误差带来的影响，ADC测量值与拉力值之间的关系是线性的，如公式（3-2），其中y为质量值，x为ADC值。
（3-2）
（2） 拉动距离与转换后的脉冲数目的关系
实验方法与步骤：如附图5所示，将仪器放在水平的平面上，游标卡尺倒置后，将其游标部分捆绑在仪器的金属支架上端，将细线的一端缠绕在减速电机的导轮上，另一端捆绑在游标卡尺的主尺上。设定好所要测量的脉冲数目N后，首先读取当前游标卡尺的数值X1，开启电机运转，当达到脉冲数目N时由单片机自动控制电机停止。此时，记录下游标卡尺上的数值X2，即所要测量的脉冲数N产生的拉动距离△X为公式（3-3）：
（3-3）
为了使实验的结果更加准确可靠，从少到多不同的脉冲数目都进行实验。实验的数据结果如下表3-2、表3-3、表3-4、表3-5所示。
表3-2 130个脉冲标定实验
脉冲数目N/个
拉动距离△X/cm
N/△X(个/mm)
128
1.49
8.590604
129
1.51
8.543046
129
1.52
8.486842
129
1.5
8.6
128
1.49
8.590604
129
1.488
8.669355
129
1.52
8.486842
130
1.518
8.5639
129
1.502
8.588549
129
1.52
8.486842

则得平均每毫米产生的脉冲数目为公式（3-4）：
8.560658 （3-4）
表3-3 320个脉冲标定实验
脉冲数目N/个
拉动距离△X/cm
N/△X(个/mm)
323
3.79
8.522427441
321
3.75
8.56
322
3.77
8.541114058
322
3.76
8.563829787
322
3.77
8.541114058
321
3.76
8.537234043
320
3.74
8.556149733
322
3.72
8.655913978
323
3.78
8.544973545
320
3.73
8.579088472

则得平均每毫米产生的脉冲数目为公式（3-5）：
8.560184512 （3-5）
表3-4 420个脉冲标定实验
脉冲数目N/个
拉动距离△X/cm
N/△X(个/mm)
420
4.96
8.467742
419
4.902
8.547532
421
4.928
8.543019
419
4.862
8.617853
420
4.939
8.503746
421
4.91
8.574338
421
4.936
8.529173
419
2.878
14.55872
421
4.97
8.470825
420
4.918
8.540057
则得平均每毫米产生的脉冲数目为公式（3-5）：
8.532698 （3-5）
表3-5 520个脉冲标定实验
脉冲数目N/个
拉动距离△X/cm
N/△X(个/mm)
520
6.096
8.530184
522
6.116
8.53499
522
6.1
8.557377
521
6.128
8.501958
523
5.172
10.11214
523
6.206
8.427328
521
6.116
8.51864
524
6.136
8.539765
523
6.134
8.526247
521
6.122
8.510291
则得平均每毫米产生的脉冲数目为公式（3-6）：
8.516309 （3-6）
根据以上数据可得到结论：一次拉动的距离越长，每毫米产生的脉冲数目就约少，但都维持在每毫米产生大概8.5个脉冲，误差小于0.1个脉冲。
产生误差的原因在于减速电机从启动到匀速转动和从匀速转动到停止都需要一定的时间、细绳本身的弹性拉伸、测量过程中游标卡尺的晃动和读取游标卡尺数值时的误差。
根据题目的要求，测量拉动的范围为0-5cm，精度为1mm，如果按每毫米8.5个脉冲计算，则允许最大的脉冲误差个数为公式（3-7）：
（3-7）
由于0.17大于标定实验时的最大误差0.1，因此将8.5个脉冲作为每毫米产生的脉冲个数是准确的。
3.2软件流程
软件部分采用C语言编写，为了配合串口通信，采用的晶振频率为11.0592MHZ。由调度模块，ADC模块，外部中断子程序，键盘服务程序和显示服务子程序构成。主程序如图3-3所示，进入主程序后，首先进行ADC功能、外部中断和液晶的初始化，然后进入开机显示，最后进入大循环，循环内不断执行按键的检测，当有键按下时，执行按键功能，否则直接返回。
外部中断服务程序的功能是在测量的时候对光电传感器的脉冲进行计数，每1mm时计算拉动的距离，并读取ADC值转换为拉力，当ADC值小于55时，即表示透明胶带被拉断，此时关闭电机。将拉动距离与拉力两者结合在液晶显示屏上绘点，并储存该数据，最后通过串口发送信息给上位机，其程序流程如图3-4所示。
ADC中断中检测输送给单片机的电压值，其程序流程如图3-5所示。

图3-3 主程序流程图

图3-5 ADC中断程序流程图 图3-4 外部中断程序流程图
主程序中实时检测按键功能，按键有四位，Function键可实现不同功能间的切换，加减键可在查询功能时翻阅前后历史数据，确定键可实现置位、测量和量程切换功能。根据功能标志位Function的不同，进入不同的按键功能，总共有4种功能，分别为置位、测量、量程切换和查阅历史等功能。具体程序流程如图3-6所示：
图3-6 键盘服务程序
4系统测试
4.1 测试仪器、设备
示波器
型号：DS1052E
性能：带宽50MHz；时基精度50ppm；
垂直灵敏度2 mV/div ～ 5 V/div；
垂直分辨率8 bits； 图4-1 DS1052E示波器
作用：在拉力与转换后电压值的标定实验中用于测量电压值的大小。

万用表：
型号：DT9205
性能: 直流电压测量200mv-200v；准确度±0.5%；
直流电流测量2mA-200mA；准确度±1.2%
电阻测量200Ω-2MΩ；准确度±0.8%；
作用：在方案讨论中论证电机的负载电流是否超出LM298的最大
驱动电流。
在系统测试时用于检测制作的电路板参数。 图4-2 DT9205万用表

电子秤
型号：ACS30
性能：量程：1g-30kg；
精度：1g；
作用：在拉力与转换后电压值的标定实验和仪器参数测试实验中
用于测量实验重物的重量。 图4-3 ACS30电子秤

游标卡尺
性能：量程：0-18cm；
精度：0.02mm
作用：在拉动距离与转换后脉冲数目的标定实验和仪器参数测试
实验中用于测量实际的拉动距离。 图4-4 游标卡尺

4.2 测试方法步骤与结果分析
4.2.1拉力值的测试
（1）测试方法与步骤：
如附图4所示，将仪器放在水平的平面上，拉力传感器的上端固定在金属支架的上端，透明胶带通过细线和拉力传感器的下端连接，细线的另一端缠绕在减速电机的导轮上。首先将透明胶带的下端位置在金属支架上进行定标，开启电机运转，手动控制按键使电机停转，用游标卡尺测量定标处与拉伸后透明胶带下端的距离即为实际拉动距离△X。此时记录液晶显示屏拉力的数值F1。使用沙子作为重物拉伸透明胶带，使用游标卡尺测量使其拉伸也为△X，此时用电子秤称出质量重物质量为M。重复以上的步骤，从1mg-5kg，分散测量10组数据。质量为M的沙子与产生拉力Fo 的关系如公式（4-1）所示。
（4-1）
（2）测试结果与分析：
按照以上测试步骤，得出如表4-1所示结果。
表4-1 实际拉力值与显示拉力值测试
显示值/kg
实际值/kg
绝对误差/kg
标称相对误差/%
满量程相对误差/%
1.3055
1.305
0.0005
0.038314
0.015456
1.4291
1.43
-0.0009
-0.06294
-0.02782
1.5456
1.545
0.0006
0.038835
0.018547
1.6444
1.645
-0.0006
-0.03647
-0.01855
1.7715
1.78
-0.0085
-0.47753
-0.26275
1.8703
1.875
-0.0047
-0.25067
-0.14529
1.9656
1.96
0.0056
0.285714
0.173107
2.2056
2.205
0.0006
0.027211
0.018547
2.3716
2.365
0.0066
0.27907
0.204019
2.541
2.56
-0.019
-0.74219
-0.58733
2.8729
2.865
0.0079
0.275742
0.244204
2.9823
3
-0.0177
-0.59
-0.54714
3.1729
3.165
0.0079
0.249605
0.244204
数据分析：
误差分析：拉力的显示值与实际值的最大绝对误差为19g，最大标称相对误差为0.478%，最大的满量程相对误差为0.587%。
量程：测量的最大量程为3.165kg。重量大于该值后，显示值保持不变。
精度：测量的精度为100mg。
4.2.1拉伸距离的测试
（1）测试方法与步骤：
如附图5所示，将仪器放在水平的平面上，拉力传感器的上端固定在金属支架的上端，透明胶带通过细线和拉力传感器的下端连接，细线的另一端缠绕在减速电机的导轮上。首先将透明胶带的下端位置在金属支架上进行定标，开启电机运转，手动控制按键使电机停转，用游标卡尺测量定标处与拉伸后透明胶带下端的距离即为实际拉动距离△X。此时，查看液晶显示的拉动距离L。重复以上步骤，在1mm-5cm之间，分散测量10组数据。
（2）测试结果与分析：
按照以上测试步骤，得出如表4-2所示结果。
表4-2 实际拉动距离与显示距离测量数据
实际距离
显示距离
绝对误差/cm
标称相对误差/%
满量程相对误差/%
1.27
0.9
-0.37
-29.13385827
-7.4
2.09
1.8
-0.29
-13.87559809
-5.8
2.2
2.1
-0.1
-4.545454545
-2
2.3
2.5
0.2
8.695652174
4
3.2
3.5
0.3
9.375
6
3.34
3.2
-0.14
-4.191616766
-2.8
3.96
4
0.04
1.01010101
0.8
5.16
5.1
-0.06
-1.162790698
-1.2
5.91
5.8
-0.11
-1.861252115
-2.2
6.15
6.3
0.15
2.43902439
3
数据分析：
误差分析：距离的显示值与实际值的最大绝对误差为3.7mm，最大标称相对误差为29.13%，最大的满量程相对误差为7.4%。
量程：测量的最大量程为6.15cm。距离大于该值后，显示值保持不变。
精度：测量的精度为1mm。
5 结论
根据题目要求，设计了一种透明胶拉力特性测试仪。采用压力传感器，在其上下平面分别安装一个金属连接件使其成为一个拉力传感器。使用该拉力传感器，将透明胶带被拉伸的拉力的变化转换成直流电压值的变化。采用差分放大电路构成的三运放精密仪表放大器，实现直流电压值的精密放大。采用精度为24位的ADC芯片AD HX711，实现直流电压值的测量。采用LM298驱动芯片和直流减速电动机，构成电机运转系统。采用光电传感器和编码盘，将拴在与电机相连接的圆形导轮上的细线的拉动长度转换成高低电平的脉冲数。采用TTL转换电路，将脉冲信号转换成适合单片机测量的TTL电平信号。采用单片机的中断功能，实现脉冲数的计量。
通过标定实验发现拉伸透明胶带的拉力值与拉力传感器转换后的直流电压值，细线的拉动长度与电机转动对应的脉冲数都成线性关系，因此通过测得的直流电压值和脉冲数可分别得到拉力值和细线的拉动长度。
采用液晶显示功能，可显示位移和拉力的关系图像。采用按键功能，可切换1kg和5kg的量程进行测量，并可储存10个历史数据或查看最大拉力和拉伸长度。采用串口通信和Labview开发环境，实现电脑接收测量数据并显示拉力值与拉动距离的关系曲线。
经测试，该拉力测试仪能控制电机拉动一段1cm长的透明胶带，最长拉动范围为5cm，每拉动1mm，能够测量并记录透明胶的位移和拉力，拉力测量范围0~3.165Kg，测量精确到100mg。拉力值的测量误差为0.587%，拉伸距离的测量误差为7.4%。
参考文献：
[1]王勇． 步进电机与直流电机的比较:陕西渭河煤化工集团,2010
[2]唐国栋．于L297/L298芯片步进电机的单片机控制:中国科学院，2006
[3]朱仁盛．光电传感器及其应用:南京理工大学,2010
[4]钟伟生．拉力传感器及其应用:天津工程机械研究所,1978附录：
附1：电路图
画图软件: Altium Designerv 6.9

附图1 差分放大电路

附图2 单片机最小系统

附图3 电机驱动电路
附2：实验测试图

附图4

附图5
附3：实物图

附图6 实物图
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