1、1 前言1.1 設(shè)計的背景及意義目前，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子元器件急劇增加，電子元器件的適用范圍也逐漸廣泛起來，在應(yīng)用中我們常常要測定電阻，電容，電感的大小。因此，設(shè)計可靠，安全，便捷的電阻，電容，電感測試儀具有極大的現(xiàn)實必要性。通常情況下，電路參數(shù)的數(shù)字化測量是把被測參數(shù)傳換成直流電壓或頻率后進行測量。電阻測量依據(jù)產(chǎn)生恒流源的方法分為電位降法、比例運算器法和積分運算器法。比例運算器法測量誤差稍大，積分運算器法適用于高電阻的測量。傳統(tǒng)的測量電容方法有諧振法和電橋法兩種。前者電路簡單，速度快，但精度低；后者測量精度高，但速度慢。隨著數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展，在測量速度和精度上有很大的改善，電容的數(shù)

2、字化測量常采用恒流法和比較法。電感測量可依據(jù)交流電橋法，這種測量方法雖然能較準確的測量電感但交流電橋的平衡過程復(fù)雜，而且通過測量Q值確定電感的方法誤差較大，所以電感的數(shù)字化測量常采用時間常數(shù)發(fā)和同步分離法。由于測量電阻，電容，電感方法多并具有一定的復(fù)雜性，所以本次設(shè)計是在參考555振蕩器基礎(chǔ)上擬定的一套自己的設(shè)計方案。是嘗試用555振蕩器將被測參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，這里我們將RLC的測量電路產(chǎn)生的頻率送入AT89C52的計數(shù)端端，通過定時并且計數(shù)可以計算出被測頻率再通過該頻率計算出各個參數(shù)。1.2 電阻、電容、電感測試儀的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀當今電子測試領(lǐng)域，電阻，電容和電感的測量已經(jīng)在測量技術(shù)和產(chǎn)品

3、研發(fā)中應(yīng)用的十分廣泛。電阻、電容和電感測試發(fā)展已經(jīng)很久，方法眾多，常用測量方法如下。電阻測量依據(jù)產(chǎn)生恒流源的方法分為電位降法、比例運算器法和積分運算器法。比例運算器法測量誤差稍大，積分運算器法適用于高電阻的測量。傳統(tǒng)的測量電容方法有諧振法和電橋法兩種。前者電路簡單，速度快，但精度低；后者測量精度高，但速度慢。隨著數(shù)字化測量技術(shù)的發(fā)展，在測量速度和精度上有很大的改善，電容的數(shù)字化測量常采用恒流法和比較法。電感測量可依據(jù)交流電橋法，這種測量方法雖然能較準確的測量電感但交流電橋的平衡過程復(fù)雜，而且通過測量Q值確定電感的方法誤差較大，所以電感的數(shù)字化測量常采用時間常數(shù)發(fā)和同步分離法。在我國1997年0

4、5月21日中國航空工業(yè)總公司研究出一種電阻、電容、電感在線測量方法及裝置等電位隔離方法，用于對在線的電阻、電容、電感元件實行等電位隔離，其特征在于，(1)將一個運算放大器的輸出端與其反相輸入端直接連接，形成一個電壓跟隨器；(2)將基準精密電阻(R)的一端與被隔離的在線元件(Zx)的一端通過導(dǎo)線連接，基準精密電阻(R)的另一端與信號源(Vi)或者地連接，被隔離的在線元件(Zx)的另一端通過導(dǎo)線與地或者信號源(Vi)連接，基準精密電阻(R)與被隔離的在線元件(Zx)連接的一端同時與運算放大器的同相輸入端連接；(3)通過導(dǎo)線將運算放大器的輸出端與線路板上所有的隔離點(C)連接，隔離點(C)的確定方法

5、是：在線路板上凡是與被隔離的在線元件(Zx)靠近信號源(Vi)的一端(A)相連的電阻、電容、電感元件的另一端均為隔離端(C)。中國本土測量儀器設(shè)備發(fā)展的主要瓶頸。盡管本土測試測量產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，但客觀地說中國開發(fā)測試測量儀器還普遍比較落后。每當提起中國測試儀器落后的原因，就會有許多不同的說法，諸如精度不高，外觀不好，可靠性差等。實際上，這些都還是表面現(xiàn)象，真正影響中國測量儀器發(fā)展的瓶頸為：1.測試在整個產(chǎn)品流程中的地位偏低。由于人們的傳統(tǒng)觀念的影響，在產(chǎn)品的制造流程中，研發(fā)始終處于核心位置，而測試則處于從屬和輔助位置。關(guān)于這一點，在幾乎所有的研究機構(gòu)部門配置上即可窺其一斑。這種錯誤觀念上的

6、原因，造成整個社會對測試的重視度不夠，從而造成測試儀器方面人才的嚴重匱乏，造成相關(guān)的基礎(chǔ)科學研究比較薄弱，這是中國測量儀器發(fā)展的一個主要瓶頸。實際上，即便是研發(fā)隊伍本身，對測試的重視度以及對儀器本身的研究也明顯不夠。 2.面向應(yīng)用和現(xiàn)代市場營銷模式還沒有真正建立起來。本土儀器設(shè)備廠商只是重研發(fā)，重視生產(chǎn)，重視狹義的市場，還沒有建立起一套完整的現(xiàn)代營銷體系和面向應(yīng)用的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的營銷模式在計劃經(jīng)濟年代里發(fā)揮過很大作用，但無法滿足目前整體解方案流行年代的需求。所以，為了快速縮小與國外先進公司之間的差距，國內(nèi)儀器研發(fā)企業(yè)應(yīng)加速實現(xiàn)從面向仿制的研發(fā)向面向應(yīng)用的研發(fā)的過渡。特別是隨著國內(nèi)應(yīng)用需求的快

7、速增長，為這一過渡提供了根本動力，應(yīng)該利用這些動力，跟蹤應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展。3.缺乏標準件的材料配套體系。由于歷史的原因，中國儀器配套行業(yè)的企業(yè)多為良莠不齊的小型企業(yè)，標準化的研究也沒有跟上需求的快速發(fā)展，從而導(dǎo)致儀器的材料配套行業(yè)的技術(shù)水平較低。雖然目前已有較大的改觀，但距離整個產(chǎn)業(yè)的要求還有一定距離。所以，還應(yīng)把標準化和模塊化的研究放到重要的位置。還有，在技術(shù)水平?jīng)]有達到的條件下，一味地追求精度或追求高指標，而沒有處理好與穩(wěn)定性之間的關(guān)系。上述這些都是制約本土儀器發(fā)展的因素。近年來我國測量儀器的可靠性和穩(wěn)定性問題得到了很多方面的重視，狀況有了很大改觀。測試儀器行業(yè)目前已經(jīng)越過低谷階段，重新

8、回到了快速發(fā)展的軌道，尤其最近幾年，中國本土儀器取得了長足的進步，特別是通用電子測量設(shè)備研發(fā)方面，與國外先進產(chǎn)品的差距正在快速縮小，對國外電子儀器巨頭的壟斷造成了一定的沖擊。隨著模塊化和虛擬技術(shù)的發(fā)展，為中國的測試測量儀器行業(yè)帶來了新的契機，加上各級政府日益重視，以及中國自主應(yīng)用標準研究的快速進展，都在為該產(chǎn)業(yè)提供前所未有的動力和機遇。從中國電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計年鑒中可以看出，中國的測試測量儀器每年都以超過30%以上的速度在快速增長。在此快速增長的過程中，無疑催生出了許多測試行業(yè)新創(chuàng)企業(yè)，也催生出了一批批可靠性和穩(wěn)定性較高的產(chǎn)品。1.3 本設(shè)計所做的工作本設(shè)計是以555為核心的振蕩電路，將被測參數(shù)

9、模擬轉(zhuǎn)化為頻率，并利用單片機實現(xiàn)計算頻率，所以，本次設(shè)計需要做好以下工作：(1)學習單片機原理等資料。(2)學習PROTEL99E, KEL3.0等工具軟件的使用方法。(3)設(shè)計測量電阻，電容，電感的振蕩電路。(4)設(shè)計測量LED動態(tài)顯示電路。(5)設(shè)計測量頻率程序，設(shè)置程序。(6)用PROTEL軟件繪制電原理圖和印刷電路版圖。(7)安裝和調(diào)試，并進行實際測試，記錄測試數(shù)據(jù)和結(jié)果。2 電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)設(shè)計2.1 電阻、電容、電感測試儀設(shè)計方案比較電阻、電容、電感測試儀的設(shè)計可用多種方案完成，例如利用模擬電路，電阻可用比例運算器法和積分運算器法，電容可用恒流法和比較法，電感可用時間常

10、數(shù)發(fā)和同步分離法等、使用可編程邏輯控制器(PLC)、振蕩電路與單片機結(jié)合或CPLD與EDA相結(jié)合等等來實現(xiàn)。在設(shè)計前對各種方案進行了比較：1)利用純模擬電路雖然避免了編程的麻煩，但電路復(fù)雜，所用器件較多，靈活性差，測量精度低，現(xiàn)在已較少使用。 2)可編程邏輯控制器(PLC) 應(yīng)用廣泛，它能夠非常方便地集成到工業(yè)控制系統(tǒng)中。其速度快，體積小，可靠性和精度都較好，在設(shè)計中可采用PLC對硬件進行控制，但是用PLC實現(xiàn)價格相對昂貴，因而成本過高。 3)采用CPLD或FPGA實現(xiàn)應(yīng)用目前廣泛應(yīng)用的VHDL硬件電路描述語言，實現(xiàn)電阻，電容，電感測試儀的設(shè)計，利用MAXPLUSII集成開發(fā)環(huán)境進行綜合、仿真

11、，并下載到CPLD或FPGA可編程邏輯器件中，完成系統(tǒng)的控制作用。但相對而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。4)利用振蕩電路與單片機結(jié)合利用555多諧振蕩電路將電阻，電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，而電感則是根據(jù)電容三點式電路也轉(zhuǎn)化為頻率，這樣就能夠把模擬量近似的轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而頻率f是單片機很容易處理的數(shù)字量，一方面測量精度高，另一方面便于使儀表實現(xiàn)自動化，而且單片機構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性。系統(tǒng)擴展、系統(tǒng)配置靈活。容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，且應(yīng)用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。單片機具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實現(xiàn)，而且設(shè)計時間短，成本低，可靠性高。綜上所述，利用振蕩電路與單片機結(jié)合實現(xiàn)電阻、電容

12、、電感測試儀更為簡便可行，節(jié)約成本。所以，本次設(shè)計選定以單片機為核心來進行。2.2 系統(tǒng)的原理框圖本設(shè)計中，考慮到單片機具有物美價廉、功能強、使用方便靈活、可靠性高等特點，擬采用MCS - 51系列的單片機為核心來實現(xiàn)電阻、電容、電感測試儀的控制。系統(tǒng)分四大部分：測量電路、控制電路、通道選擇和顯示電路。通過P1.3和P1.4向模擬開關(guān)送兩位地址信號，取得相應(yīng)的振蕩頻率，然后根據(jù)所測頻率判斷是否轉(zhuǎn)換量程，或者是把數(shù)據(jù)進行處理后，得出相應(yīng)的參數(shù)值。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2-1如下所示。圖2-1 系統(tǒng)設(shè)計框圖框圖各部分說明如下：1)控制部分：本設(shè)計以單片機為核心，采用89C51單片機，利用其管腳的特殊功能

13、以及所具備的中斷系統(tǒng)，定時/計數(shù)器和LED顯示功能等。LED燈：本設(shè)計中，設(shè)置了1盞電源指示燈，采用紅色的LED以共陽極方式來連接，直觀易懂，操作也簡單。數(shù)碼管顯示：本設(shè)計中有1個74HC02、2個74LS573、1個2803驅(qū)動和6個數(shù)碼管，采用共陽極方式連接構(gòu)成動態(tài)顯示部分，降低功耗。鍵盤：本設(shè)計中有Sr，Sc，SL三個按鍵，可靈活控制不同測量參數(shù)的切換，實現(xiàn)一鍵測量。2)通道選擇：本設(shè)計通過單片機控制CD4052模擬開關(guān)來控制被測頻率的自動選擇。3)測量電路：RC震蕩電路是利用555振蕩電路實現(xiàn)被測電阻和被測電容頻率化。電容三點式振蕩電路是利用電容三點式振蕩電路實現(xiàn)被測電感參數(shù)頻率化。通

14、過51單片機的IO口自動識別量程切換，實現(xiàn)自動測量。3 電阻、電容、電感測試儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 MCS-51單片機電路的設(shè)計在本設(shè)計中，考慮到單片機構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，且應(yīng)用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。還具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實現(xiàn)。另外，本設(shè)計還需要利用單片機的定時計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行接口等等，所以，選擇以單片機為核心進行設(shè)計具有極大的必要性。在硬件設(shè)計中，選用MS-51系列單片機，其各個I/O口分別接有按鍵、LED燈、七位數(shù)碼管等，通過軟件進行控制。 MCS-51單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)

15、、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元，以及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在分別加以說明：1)中央處理器：中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。2)數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。3)程序存儲器(R

16、OM)：共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。4)定時/計數(shù)器(ROM)：有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。5)并行輸入輸出(I/O)口：共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。6)全雙工串行口：內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。7)中斷系統(tǒng)：具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串口中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。8)時鐘電路：內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于

17、產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序。本設(shè)計中單片機的設(shè)計電路如下圖3-1所示： 圖3-1 單片機的設(shè)計電路本電路使用單片機內(nèi)部振蕩器，11.0592MHz的晶體諧振器直接接在單片機的時鐘端口X1和X2，電路中C2、C3為振蕩器的匹配電容。該電路簡單，工作可靠 。另外本系統(tǒng)的容阻上電復(fù)位，就是利用RC電路的充電過程來給單片機復(fù)位。RC電路的時間常數(shù)計算公式：T=RC (3-1)即：T=RC=10u*10k=100ms。當需要復(fù)位時，也可以按下復(fù)位按鍵，進行復(fù)位。3.2 LED數(shù)碼管電路與鍵盤電路的設(shè)計在電阻、電容、電感測試系統(tǒng)中，用LED燈來顯示測量參數(shù)的類別和電源指示，既簡單又顯而易見。與小白熾燈泡

18、和氖燈相比，LED的特點是：工作電壓很低(有的僅一點幾伏)；工作電流很小(有的僅零點幾毫安即可發(fā)光)；抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長；通過調(diào)制通過的電流強弱可以方便地調(diào)制發(fā)光的強弱。由于有這些特點，發(fā)光二極管在一些光電控制設(shè)備中常常用作光源。在本設(shè)計中，利用單片機的P1.0、P1.1和P1.2口直接和發(fā)光二極管相連接，控制程序放在 MCS-51單片機的ROM中。由于測試指示燈為發(fā)光二極管且陽極通過限流電阻與電源正極相接，所以為共陽極。因此 I/0口輸出低電平時，與之相連的相應(yīng)指示燈會亮；I/0口輸出高電平時，相應(yīng)的指示燈會滅。發(fā)光二極管的接口電路如圖3-2所示： 圖3-2 發(fā)光二極管的接

19、口電路發(fā)光二極管的設(shè)計中，每個二極管與單片機接口間有一個電阻，其阻值至少為180歐。按3.3V時的工作電流15mA來計算，需要讓與之串聯(lián)的電阻，分去VCC 5V電壓中的2.7V電壓，則得到R=U/I=2.7V/0.015A=180歐，且電阻的功率為P=UI=2.7V*0.015A=0.041W。另外，在本設(shè)計中，LED應(yīng)用于七位數(shù)碼管中，實現(xiàn)了被測參數(shù)的顯示，七位數(shù)碼管以共陰極的方式經(jīng)過74LS573鎖存器與單片機的P0口相連。六位數(shù)碼管顯示被測參數(shù)的示值從左到右依次代表十萬、萬、千、百、十和個位，這樣顯示結(jié)果更為簡單可行。數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們

20、要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。1)靜態(tài)顯示驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動，靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動使編程簡單，顯示亮度高。2)動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼

21、管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。經(jīng)過對兩種顯示方式的比較分析：靜態(tài)方式需要大量I/O，而動態(tài)掃描顯示方式能夠節(jié)省大量的I/O口，且

22、電路結(jié)構(gòu)也比較簡單，顯示效果良好，因此最終采用動態(tài)掃描顯示方式。系統(tǒng)核心電路(AT89S52最小系統(tǒng))的P0口以總線方式與二片數(shù)據(jù)鎖存器(74HC573)相連接，二片74HC573的片選使能端(LE)分別連接在或非門(74HC02)的1、4管腳，三個或非門相類似，都是兩個輸入端的其中一端接在單片機的16管腳(WR)，而另一端分別接在P2.5P2.6。單片機片選電路如圖3-3所示。圖3-3 單片機片選電路或非門片選電路分析：當單片機通過P0口總線輸出數(shù)據(jù)時，16管腳(WR)為低電平“0”，片選信號端P2.5P2.7中，要被片選端為“0”，其它為“1”，這樣三個或非門中，只有需要片選中或非門的輸出

23、為高電平“1”，其它兩個或非門的輸出信號為低電平“0”。另外，74HC573數(shù)據(jù)鎖存器的LE使能端為高電平有效，與之前電路結(jié)合可以實現(xiàn)片選功能。在本設(shè)計中，LED顯示接口電路如下圖3-4所示：圖3-4 LED顯示接口電路電路由6個共陰極數(shù)碼管、兩個74HC573和一個ULN2803組成。兩個74HC573分別作為段碼和位碼的數(shù)據(jù)鎖存器，它們的片選信號來自最小系統(tǒng)AT89S52的P2.5和P2.6，由此可以計算出它們的片選地址：段碼片選地址為C000HDFFFH，位碼片選地址為A000HBFFFH。ULN2803是達林頓管，在電路中能起到大電流輸出和高壓輸出的作用。由于電路使用的是共陰極動態(tài)顯示

24、方式，ULN2803在位碼數(shù)據(jù)鎖存器后連接八個數(shù)碼管的COM端，可以增強驅(qū)動數(shù)碼管的能力，使數(shù)碼管的顯示效果更好。本設(shè)計中設(shè)置了Sr,Sc,SL三個按鍵，利用單片機的P1.0、P1.1和P1.2口直接和按鍵相連接，控制程序放在 MCS-51單片機的ROM中用于啟動各個被測參數(shù)程序的調(diào)整。見圖3-5按鍵電路所示圖3-5 按鍵電路控制R、L、C的三個按鍵接入一個10K大小的上拉電阻，起限流保護作用。當有鍵按下時為低電平，無鍵按下時則為高電平。3.3 測量電阻、電容電路的設(shè)計3.3.1 555定時器簡介555定時器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，它性能優(yōu)良，適用范圍很廣，外部加接少量

25、的阻容元件可以很方便地組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，以及不需外接元件就可組成施密特觸發(fā)器。因此集成555定時被廣泛應(yīng)用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制等方面。1)555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)555定時器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-6(A)部分及管腳排列如圖(B)部分所示。圖3-6 定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)它由分壓器、比較器、基本R-S觸發(fā)器和放電三極管等部分組成。分壓器由三個5K的等值電阻串聯(lián)而成。分壓器為比較器A1、A2提供參考電壓，比較器A1的參考電壓為，加在同相輸入端，比較器A2的參考電壓為，加在反相輸入端。比較器由兩個結(jié)構(gòu)相同的集成運放A1、A2組成。高電平觸發(fā)信

26、號加在A1的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本R-S觸發(fā)器端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加在A2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本R-S觸發(fā)器端的輸入信號?；綬-S觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器A1、A2的輸出端控制。2)多諧振蕩器工作原理由555定時器組成的多諧振蕩器如圖3-7(C)部分所示，其中R1、R2和電容C為外接元件。其工作波如圖(D)部分所示。 圖3-7 震蕩器工作原理設(shè)電容的初始電壓Uc0，t0時接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端VTHVTL0，比較器A1輸出為高電平，A2輸出為低電平，即=1，=0(1表示高電位，0表示低電位

27、)，R-S觸發(fā)器置1，定時器輸出u0=1此時，定時器內(nèi)部放電三極管截止，電源Vcc經(jīng)R1，R2向電容C充電，uc逐漸升高。當uc上升到時，A2輸出由0翻轉(zhuǎn)為1，這時=1，R-S觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0<t<t1期間，定時器輸出u0為高電平1。時刻，uc上升到，比較器A1的輸出由1變?yōu)?，這時=0，=1，R-S觸發(fā)器復(fù)0，定時器輸出u0=0。期間，放電三極管T導(dǎo)通，電容C通過R2放電。uc按指數(shù)規(guī)律下降,當時比較器A1輸出由0變?yōu)?，R-S觸發(fā)器的=1，Q的狀態(tài)不變，u0的狀態(tài)仍為低電平。時刻，uc下降到，比較器A2輸出由1變?yōu)?，R-S觸發(fā)器的=1，=0，觸發(fā)器處于1，定時器輸出

28、u0=1。此時電源再次向電容C放電，重復(fù)上述過程。通過上述分析可知，電容充電時，定時器輸出u0=1，電容放電時，u0=0，電容不斷地進行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號輸入，卻能輸出矩形波，其實質(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔堋?)振蕩周期由圖(D)可知，振蕩周期T=T1+T2。T1為電容充電時間，T2為電容放電時間。充電時間： (3-2)放電時間： (3-3)矩形波的振蕩周期： (3-4)因此改變R1、R2和電容C的值，便可改變矩形波的周期和頻率。對于矩形波，除了用幅度，周期來衡量外，還有一個參數(shù)：占空比q，q=(脈寬tw)/(周期T)，tw指輸出一個周期內(nèi)高電平所

29、占的時間。圖（C）所示電路輸出矩形波的占空比： (3-5) 測量電阻電路的設(shè)計定時器555是一種用途很廣的集成電路，只需外接少量R、C元件，就可以構(gòu)成多諧、單穩(wěn)及施密特觸發(fā)器。電阻的測量采用“脈沖計數(shù)法”，由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計算振蕩輸出的頻率來計算被測電阻的大小。555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為： (3-6) 得出： (3-7)即： (3-8) 電路分為2檔：1、100Rx<1000 ：按下電阻測試建Sr，閉合開關(guān)Srd,R2=330,C2=0.22uF： (3-9)2、1000Rx <1M ：按下電阻測試建Sr，閉合開關(guān)Srg,R1=20K,C3=103

30、pF： (3-10)電阻測試電路見圖3-8所示。圖3-8 電阻測試電路 測量電容電路的設(shè)計電容的測量同樣采用“脈沖計數(shù)法”，由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計算振蕩輸出的頻率來計算被測電容的大小。555接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為： (3-11)我們設(shè)置 R1=R2,得出： (3-12) 即： (3-13)電路分為1檔：R4=510K,R4=R6； (3-14)電容測試電路見圖3-9所示。圖3-9 電容測試電路3.4 測量電感電路的設(shè)計及仿真 測量電感電路的設(shè)計電感的測量是采用電容三點式振蕩電路來實現(xiàn)的。電容三點式振蕩電路又稱考畢茲振蕩電路，三點式振蕩電路是指：LC回路中與發(fā)射極相連

31、的兩個電抗元件必須是同性質(zhì)的，另外一個電抗元件必須為異性質(zhì)的，而與發(fā)射級相連的兩個電抗元件同為電容式的三點式振蕩電路，也就是"射同基反"的構(gòu)成原則成為電容三點式振蕩電路。其振蕩頻率為： (3-15) 即： (3-16) (3-17)電感測試電路見圖3-10所示。圖3-10 電感測試電路 測量電感電路的仿真PSpice仿真軟件簡介：這次設(shè)計中主要用到Pspice軟件中的電路原理圖編輯程序Schematics模塊和輸出結(jié)果繪圖程序Probe模塊。其中在電路原理圖編輯程序Schematics模塊中PSPICE的輸入有兩種形式，一種是網(wǎng)單文件(或文本文件)形式，一種是電路原理圖形式

32、，相對而言后者比前者較簡單直觀，它既可以生成新的電路原理圖文件，又可以打開已有的原理圖文件。電路元器件符號庫中備有各種原器件符號，除了電阻，電容，電感，晶體管，電源等基本器件及符號外，還有運算放大器，比較器等宏觀模型級符號，組成電路圖，原理圖文件后綴為.sch。圖形文字編輯器自動將原理圖轉(zhuǎn)化為電路網(wǎng)單文件以提供給模擬計算程序運行仿真。而在輸出結(jié)果繪圖程序Probe模塊中Probe程序是PSPICE的輸出圖形后處理軟件包。該程序的輸入文件為用戶作業(yè)文本文件或圖形文件仿真運行后形成的后綴為.dat的數(shù)據(jù)文件。它可以起到萬用表，示波器和掃描儀的作用，在屏幕上繪出仿真結(jié)果的波形和曲線。隨著計算機圖形功

33、能的不斷增強，PC機上windows95,98,2000/XP的出現(xiàn)，Probe的繪圖能力也越來越強。利用PSpice仿真軟件對電容三點式振蕩電路的仿真原理如圖3-11，雙擊XSC1后可查看仿真波形，仿真波形如圖3-12所示。圖3-11仿真原理圖圖3-12仿真波形圖由仿真結(jié)果可知該輸出波形為正弦波，為了方便頻率測量，把該波形通過555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器整形為方波，送入單片機T1口進行頻率計算。3.5 多路選擇開關(guān)電路的設(shè)計利用CD4052實現(xiàn)測量類別的轉(zhuǎn)換，CD4052是差分四通道數(shù)字控制模擬開關(guān)器件，有A0和A1兩個二進制控制輸入端和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止電流。當INH輸入端

34、=“1”時所有通道截止，二位二進制輸入信號選通四對通到中的一通道。當選擇了某一通道的頻率后，Y輸出頻率通過T1送入單片機進行計數(shù)，通過計算得到要被測值，多路選擇開關(guān)控制如表3-1 所示。表3-1 多路選擇開關(guān)控制 P1.4 P1.3 測量類別00Y0-R01Y1-C10Y2-L11*表3-1中*表示未定義此功能。多路選擇開關(guān)硬件電路如圖3-13所示。圖3-13 多路選擇開關(guān)4 電阻、電容、電感測試儀的軟件設(shè)計4.1 I/O口的分配P1.0 R測量程序的選擇P1.1 C測量程序的選擇P1.2 L測量程序的選擇多路選擇開關(guān)控制選擇P1.0、P1.1和P1.2按鍵輸入及測量指示燈開始結(jié)束初始化執(zhí)行鍵

35、功能有無按鍵操？作？有無在本設(shè)計的模塊中，模塊是以單片機為核心，再通過按鍵控制測量的被測參數(shù)在數(shù)碼管顯示，按鍵主流程圖如4-1所示。圖4-1按鍵主程序流程圖4.2 主程序流程圖在電阻、電容、電感測試儀的設(shè)計中，便于直觀性，在數(shù)碼管上顯示被測參數(shù)的選擇，被測參數(shù)各個燈的選擇以及具體設(shè)置。通過三個按鍵Sr,Sc,SL來進行靈活控制，具體操作流程如4-2所示。 開始初始化鍵掃描健分析，置狀態(tài)R測試狀態(tài)C測試狀態(tài)L測試狀態(tài)開中斷定時器設(shè)置通道及指示燈的設(shè)置采值并計算顯示結(jié)束NoYes圖4-2 RLC測試儀的軟件流程圖首先插入被測元件，開關(guān)打開以后，按下SET鍵，進行復(fù)位，然后進行按鍵選擇，選擇被測參數(shù)

36、類別，之后單片機根據(jù)按鍵類別啟動相應(yīng)的參數(shù)測試程序，測試完畢后將結(jié)果送入數(shù)碼管顯示。4.3 頻率參數(shù)計算的原理 本設(shè)計頻率的計算采用單片機外部中斷 ，對外觸發(fā)電路產(chǎn)生的脈沖頻率的測量，再通過對測量數(shù)據(jù)的校正來完成。單片機對頻率測量的原理如下圖4-3所示。圖4-3 測頻率原理圖示說明：圖4-3中t1時刻檢測到高電平開定時器1，開始計數(shù)；t2時刻等待檢測低電平；t3時刻第二次檢測到高電平時關(guān)定時器停止計數(shù)。利用GATE=1,TR1=1,只有 引腳輸入高電平時，T1才允許計數(shù)，利用此，將外部輸入脈沖經(jīng) 引腳上輸入，等待高電平的到來，當檢測到高電平時開定時器開始計數(shù)，然后檢測低電平，當檢測到低電平時已

37、經(jīng)測得脈沖的脈寬，但我們測得是頻率，故在程序中藥繼續(xù)檢測等待下一個高電平的到來，此時關(guān)定時器停止計數(shù)，用此計數(shù)值乘以機器的周期數(shù)(晶振頻率已知)，得出觸發(fā)電路產(chǎn)生的周期，然后再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理便得到輸入信號的頻率。程序流程圖如圖4-4所示。開始程序初始化數(shù)據(jù)處理開定時器TR=1fw是否為1fw是否為1fw是否為0結(jié)束NNNYYY圖4-4 頻率計算程序流程圖6 結(jié)論與展望通過對電阻、電容、電感測試儀的課程設(shè)計，鍛煉了我的實際動手能力，增強了我們解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設(shè)計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平。本設(shè)計的硬件電路圖簡單,可降低生產(chǎn)成本。采用單片機可提高系統(tǒng)的可靠性

38、和穩(wěn)定性,縮小系統(tǒng)的體積,調(diào)試和維護方便，而且以MCS-51單片機最小系統(tǒng)為核心的設(shè)計能夠滿足了整個系統(tǒng)的工作需求，555振蕩器實現(xiàn)了被測電阻和被測電容參數(shù)的頻率化，電容三點式振蕩電路實現(xiàn)了被測電感參數(shù)的頻率化，被測頻率通過CD4052模擬開關(guān)送入單片機計數(shù)，再經(jīng)過顯示電路顯示被測參數(shù)的測量值，軟件用C語言編程，根據(jù)具體情況控制啟動被測參數(shù)的相應(yīng)程序,能靈活控制被測參數(shù)的檔位切換。經(jīng)過測試，系統(tǒng)各個模塊都能正常共組，成功地達到了設(shè)計的硬件要求。系統(tǒng)的軟件部分是系統(tǒng)實現(xiàn)各種工作狀態(tài)的關(guān)鍵。通過結(jié)合硬件電路，在Keil51的平臺上，使用C語言與匯編語言混合編程編寫了系統(tǒng)應(yīng)用程序，使程序能夠正常運行

39、，實現(xiàn)了設(shè)計的要求。總之，整個系統(tǒng)的工作正常，完成了設(shè)計任務(wù)的全部要求。雖然本系統(tǒng)完成了設(shè)計設(shè)計要求，但其中仍然存在著很多需要改進的地方。作品實測中，測量電容值有一定的誤差，而且C值越大時誤差越大，該誤差則是來源于振蕩電路產(chǎn)生的頻率和單片機程序上的誤差。希望在之后的設(shè)計之中能夠得到進一步解決。在人機交換方面，顯示部分可以改用顯示效果更好的液晶屏顯示，使系統(tǒng)工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)顯示更加清晰、更加人性化。附 錄附錄一系統(tǒng)原理圖附圖附錄二源程序源程序：#include <reg52.h>#include <stdio.h>#include <math.h>#includ

40、e <absacc.h>unsigned char inte=0; /頻率值溢出定時器值unsigned long int uu=0; /頻率相對應(yīng)的計數(shù)值unsigned long int ff=0; /實際頻率值typedef unsigned char uchar;typedef unsigned int uint; uchar key1; int m=0,w=0,q=0,b=0,s=0,g=0;#define LEDSEGXBYTE0xbfff#define LEDDATXBYTE0xdfff/* 按鍵 */sbit sl=P10;sbit sc=P11;sbit sr=P

41、12;sbit fw=P35;sbit srg=P15;sbit srd=P16; void delay_5ms()uchar i,j;for(j=0;j<5;j+)for(i=0;i<125;i+);void delay_50us() uchar i;for (i=0; i<6; i+);void display(uchar num,uchar seg)switch(num)case 1:num=0x06;break;case 2:num=0x5b;break;case 3:num=0x4f;break;case 4:num=0x66;break;case 5:num=0x

42、6d;break;case 6:num=0x7d;break;case 7:num=0x07;break;case 8:num=0x7f;break;case 9:num=0x6f;break;case 0:num=0x3f;break;default :num=0x00;break;switch(seg)case 1:seg=0x01;break;case 2:seg=0x02;break;case 3:seg=0x04;break;case 4:seg=0x08;break;case 5:seg=0x10;break;case 6:seg=0x20;break;default :seg=0x00;break;LEDSEG=seg;delay_50us();LEDDAT=num;delay_50us();void timer1(void) interrupt 3TL1=0x00;TH1=0x00;void cafrequent(void)reentrant long int l1=0x00; long int h1=0x00; float tt=0; /tt用于計算頻率 TMOD