简易数字式电阻、电容测量仪设计

1.2 总体方案设计

通过对方案的比较，利用LRC数字电桥与单片机结合实现电阻、电容测试仪更为简便可行，节约成本。所以，本文选定以单片机为核心来实现对电阻、电容测量的设计。

本系统包括硬件设计和软件设计两部分内容。

硬件设计主要分为七部分：第一部分采用AMS1117芯片制作的电源，输出稳定的3.3V电压。第二部分为ICL8038芯片产生正弦波。第三部分用RC和RL电路实现LRC数字电桥的功能。第四部分是对正弦波进行精密滤波的功能。第五部分利用MSP430F149单片机自带的AD实现模拟信号转换为数字信号的功能。第六部分为MSP430F149单片机接收转换后的数字信号并做相应的处理，根据按键状态控制测量的类型和单位。第七部分为测量结果显示部分，采用的是128*64液晶显示器。

软件由4 部分组成：

(1) 控制测量程序,单片机控制测量程序不仅担负着量程的识别与转换,而且还负责数据的修正和传输;因此主控制器的工作状态直接决定着整个测量系统能否正常工作,所以控制测量程序对整个测量来说至关重要;

(2) 按键处理程序，根据按键的状态做相应的功能设置;

(3) 电阻电容计算程序,单片机根据A/ D 转换得到的电压值计算出电阻或

者电容值;

(4) 液晶模块显示程序。本系统的程序框图如图2 所示。

图2 程序框图

3.设计方案

系统硬件总体框图如下：

3.1电源模块

输入的外部电源首先经过桥式整流、滤波电路滤波，再经过AMS1117芯片稳压成3.3V的直流电压，向MSP430F149主控制器供电。

3.2信号产生模块

标准正弦波是保证测量仪的重要条件，特别是在测量电抗元件电容时，正弦波的失真将产生难以修正的错误，直接影响测量精度，因此在该测量仪中为保证测量精度，采用了ICL8038芯片产生正弦波。ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制作成的单片集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、易用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可产生多种频率正弦波，其函数波形的频率受内部或外部电压控制。

3.3整流滤波模块

整流滤波模块采用LM324的集成运放和LC 电路对LRC 测试模块产生的信号进行整流滤波，因为测试模块产生的信号是正弦波，而AD 采样没办法采集负信号，所以要通过整流滤波给后面的AD 采样。因为整流滤波是高阻输入，但也不是无穷大，所以在做测试模块时，分压电阻最好小于100K 。

3.4 AD 采样模块

本模块利用MSP430F149单片机自带的AD 转换功能把整流滤波后的模拟信号转换为单片机能够处理的数字信号，并传送给处理器。

3.5主控制模块

本模块采用低功耗的MSP430F149微处理器控制AD 装换，并对转换结果数据进行接收和处理；通过按键控制测量的类型和单位。

3.6 显示模块

通过LCD 驱动程序对MSP430F149处理后的结果数据进行稳定显示，在测试期间显示能够保持稳定状态，当离开测试能够迅速归零

4理论分析与计算

电阻高精度测量较好的方法之一是采用与标准电阻相比较的方法。其主要原理：是在待测电阻R X 与标准电阻R 1的串联电路中加一电流I 。这样R X 和R 1上

将得到电压V X 和，则测量电阻为： R X ＝Ｒ１（ＶＸ／Ｖ１） (1)

在设计中，我们采用了与测量电阻相同的测量方法——电压相除法来测量电容。由于电容属电抗元件，因此不能采用直流来产生测量信号，而只能采用交流信号。在角频率为w 的交流信号的作用下，电容获得的电压为：

x cx jwC I U /

=

（2）

x C 为待测电容。这样一来，标准元件的选择就有许多种方法。但为了提高测

量精度和降低成本，该测量仪采用了标准电阻，且与电阻测量公用一套标准电阻。所以有：

1R I U RI =

（3）

经过计算可得：

cx RI x U wR U C 1/=

（4）

其中的模值。由公式其中RI U 、Cx U 和Lx U 分别为RI U 、Cx U 和Lx U

的模值，为保证测量精度，必须保证电阻的精度和w 的高稳定值。为此，我们在该设计中采用了高精度的ICL8038芯片产生正弦波，同时输出缓冲器采用了运算放大器。为保证波形精度采用了闭环深度负反馈方式。此外，本设计中还采用了运算放大器补偿实现无失真AC-DC 的转换，以确保测量精度。

5.系统硬件设计 5.1 电源电路

MSP430F149微处理器需要3.3V

电压供电，但是外部输入的电压通常

不是3.3V的电压源，所以需要设计

电路把外部输入电压转换为稳定的

3.3V电压，如图3所示，采用的是

AMS1117芯片，可以输出3.3V电压，

然后经过滤波输出稳定的3.3V供给

MSP430F149。

图4 稳压3.3V产生电路

5．2LRC测量电路

如图4所示，LRC各元件的测量

是通过基本的RR电路，RL电路和 RC

电路来进行的。当探针的两端接电阻

元件时，此电路就组成的是基本的RR

电路；当探针的两端接电容元件时，

此电路就组成的是基本的RC电路。

输入的正弦波可以接频率为100HZ、

1KZ和10KHZ。

5.3整流滤波电路

此电路采用LM324的集成运放和

LC电路对LRC测试模块产生的信号进

行整流滤波。因为测试电路产生的信

号是正弦波，而AD采样没办法采集

负信号，所以要通过电路整流滤波给

后面的AD采样，电路图如图5示。

图5 整流滤波电路

6、系统软件设计

6.1控制测量程序模块控制测量流程图如图6所示。

图6 控制测量程序流程图

6.2按键处理程序模块

按键处理程序的主要功能是设置测量的类型和测量的档位，当有按键被按下时就执行相应的按键功能，流程如图7所示。

图7 按键处理程序流程图

7. 系统总结

本系统采用单片机和LRC数字电桥结合的方式实现了一个简易数字式电阻、电容测量仪，到达了系统基本要求。本仪器利用单片机技术实现了电感电容测量的智能化设计,而且系统性能稳定,测量精度较高,相对误差小于1 % ,操作简单,具有较强的实用性。

当然本系统还存在着许多需要改进的地方，比如还可以继续提高测量的精度和加大测量的范围。因为是采用单片机实现的，利用其可以编程的特性，使测量的值结合一些数据处理方式使测量更加接近真实值。