数字电桥

简易数字式电阻、电容、电感测量仪

摘要

如今电路设计的工作人员或者学生大多数使用万用表来测量一些元件参数或者电路中的电压电流。然而万用表有一定的局限性，它只能测量有限种类的元器件的参数，对于电容和电感等一些电抗元件就无能为力了。所以制作一种简便而准确的电阻、电容、电感测量仪显得尤为重要，方便电路设计人员或者高校电子类专业的学生测量电路中需要用到的电阻、电容及电感的具体值。

本次设计的思想是基于以上原因提出来的。本系统以TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F169为控制核心，搭配必要的外围电路设计了一个简单而准确的数字式电桥，对电阻、电容和电感参数进行测量。本系统的基本原理是将电阻阻值、电容容值、电感感值的变化均转换成方波脉冲频率的变化，利用计数器测频后通过单片机做运算，最后计算出待测元件的各个参数并在128×64液晶屏幕上显示。本系统使用按键设置及选择系统参数，使用128×64液晶屏作为显示部分，使用继电器完成自动量程转换，实现了全自动化测量。测量时，只需将待测元件引脚夹在测试仪的输入端，用按键操作需要测量的元件名称，便可以很快测出被测元器件的参数，简便易用。实验测试结果表明，本系统性能稳定，测量精度高。

关键词：MSP430F169单片机、电阻测量、电容测量、电感测量、液晶显示

准确、稳定

1 系统设计和分析

1.1 简易电阻、电容电感测量仪的原理

本系统的基本工作原理是将电阻，电容，电感的变化量最终变成脉冲波频率的变化量，通过MSP430F169单片机内部定时计数器可以很方便的计算出脉冲波的频率，确定频率之后可以通过相应的公式计算出各个器件的参数。

系统可以分为三部分：即电阻测量部分、电容测量部分、电感测量部分。每个部分对应一块模拟电路，实现了相应元件的参数转换为脉冲波频率的变化。电阻测量的核心芯片是ADVFC32，该芯片功能是将电压的变化转换为随电压线性变化的频率的变化。电容测量电路采用由555电路构成的多谐振荡器。电感测量电路的核心是LC震荡电路，电路由已知电容和被测电感组成震荡回路，产生频率随被测电感值变化的正弦波，经过运放进行放大再通过比较器后得到方波脉冲波。

1.2 简易电阻、电容电感测量仪的系统分析

简易电阻、电容电感测量仪系统主要包括电阻值到方波脉冲频率的转换，电容值到方波脉冲频率的转换，电感值到方波脉冲频率的转换。转换后的各路方波脉冲经过继电器选择后送入MSP430F169单片机内部定时计数器，计算出检测到方波脉冲的频率。得到频率值后，单片机根据相应元器件参数的计算公式计算出元器件的参数并且在128×64宽屏液晶上面显示出结果。

系统一开机128×64液晶显示提示信息，提示用户选择需要测量的元件，选择后继电器会跳动，选择相应的测量档位，然后系统进入等待状态中。当用户插入需要测量的元件之后系统会在1s内测出元器件的所有参数，并且在液晶屏上显示出来，完成自动量程转换。

经过分析，该系统的重点和难点在于测量电路的精确性和稳定性，测量精度完全取决于测量电路的特性，所以我们决定使用标准精密电阻电容作为标称元件，用它们和实际待测元件进行对比计算，从而得到被测元件的实际值。

2.3 简易电阻、电容电感测量仪的系统框图

本设计的原理框图如下图2.1所示，系统以MSP430F149单片机为控制核心，按键和

128×64液晶实现了人机交互。

图2.1系统原理框图

2 系统的控制部分及人机交互处理

2.1 MSP430F149单片机 2.1 MSP430F149单片机简介

TI 公司的MSP430系列是一个特别强调超低功耗的单片机品种，很适合应用于采用电池供电的长时间工作场合。在这个系列中有很多型号，它们是由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成。MSP430系列的CPU 采用16位精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高的代码效率。它采用数字控制振荡器（DCO ），使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6us 。其中MSP430x41x 系列微控制器设计有一个16位定时器，一个比较器，96段LCD 驱动器和48个通用I/O 引脚。

典型应用：捕获传感器的模拟信号转换为数据加以处理后发送到主机。其中芯片中的比较器和定时器是工业仪表、计数装置和手持式仪表等产品设计中的理想选择。

MSP430F149单

片机

按键 电容、电感 测量电路

频率计数器

量程切换

待测电容 或电感

128×64液晶

电阻测量电路

量程切换

待测电阻

2.2 128×64液晶显示器

12864液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312码简体中文字库（16X16 点阵）、128 个字符（8X16 点阵）及64X256点阵显示 RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式[6]。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

图2.2LCD13864显示电路

2.3 键盘原理简介

键盘是人机交互的重要组成部分，通过按键可以选择需要测量的对象，设置系统参数等。和按键相连的单片机端口都用一个10K电阻拉高，可以保证在没有按键按下时单片机端口有稳定的电平。没有按键按下时端口保持高电平，当按下按键时，端口跳为低电平，可以被单片机检测到。按键原理图如图3.13所示：

图2.3按键原理图

2.4 频率测量工作原理

3 模拟电路设计

正如之前所说的一样，检测仪的测量精度是最重要的，然而检测仪的测量精度完全取决于硬件电路的特性。所以对硬件电路需要如下要求：

（1）电路可靠性要高，应不随温度或者外界磁场的影响而改变

（2）配备的标定元件需要有极高的稳定性和精度，它们的精度将直接影响待测元件的精度

（3）LC震荡回路需远离继电器或者变压器等强磁场元件，最好加入磁屏蔽盒以保证震荡出的波形或者频率不受到干扰

（4）由于本系统中需要一些高精度运放实现信号处理和放大，所以系统供电电源必须稳定可靠，直流纹波需小于8mV

（5）单片机时钟电路必须稳定，因为在做精确测频时会用到定时器做精确定时

以上这些要求是保证测量精确度的前提，下面将详细介绍测量电路的原理及组成部分。

3.1 电阻测量电路 3.1.1 电阻测量原理介绍

由于电阻范围较广，常用电阻的范围是1Ω-10M Ω，所以采用通常的恒流源的办法至少需要六个档位的切换才能满足该范围的要求。如果再使用自动换挡功能的话，这无疑会使硬件电路规模大增，而且系统的功耗也会增加。在此，我们使用了一片ADVFC32芯片，利用精密电阻搭成的电阻网络将被测电阻阻值的变化量变成0-9(V)的电压变化，该电压经过运算放大器OP37跟随后接入ADVFC32的电压控制端，ADVFC32会输出一个频率随控制电压线性变化的脉冲波，脉冲波频率的范围是0-38（KHz ）。最后通过计数器和单片机计算出具体频率值，根据ADVFC32的输入电压和输出频率之间的线性关系还有精密电阻分压比可以求出待测电阻的阻值。

3.1.2 电阻的计算方法及简单原理图

图3.1.2 电阻测量简易原理图

图3.1.2所示电路为电阻测量简易原理图由原理图可以看出，被测电阻x R 和已知电阻0R 是串联关系，当x R 发生改变时，x R 两端电压x U 就会发生变化。然而实际电路中我们要把x U 经过OP37运算放大器跟随后再输入到压频变换芯片ADVFC32的电压控制端，然后ADVFC32频率输出端会产生频率x f 与输入电压呈线性关系的方波脉冲，x f 可以通过频率计数器和单片机得到。相关计算如下：

00

U R R R U x x

x +=

? x x x U U R U R -=

00 (1) 其中0U 是已知电压，V U 100=。 3800010x x f U = ? 3800010x

x f U = (2) 其中10是ADVFC32电压控制端的电压满刻度值，38000是满电压值对应的输出频率满刻度值。由（1）式和（2）式可知，只要知道x f ，便可以求出被测电阻x R 的值。

图3.1.3 电阻测量电路原理图

3.1.4 ADVFC32原理简介

ADVFC32是一个低功耗压频转换芯片，可以完成电压到频率转换或者频率到电压的转换。具有良好的线性度，工作频率可达500KHz 。输入正电压或者负电压就可以转换输出相应比例的频率，这个过程只需要很少的外围电路就可以完成。用相同的外围电路亦可以完成频率到电压的转换，加入一个简单的偏置网络就可以调节输入逻辑电平的范围。图3.1.4所示为ADVFC32芯片的管脚图，图3.1.5所示为ADVFC32芯片的外围电路：

图3.1.4 ADVFC32管脚图

图3.1.5 ADVFC32外围电路

3.2 电容测量电路

3.2.1 电容测量原理介绍

我们一个由555电路构成的多谐振荡器电路。其振荡周期为：T＝T1＋T2＝（In2）（R1＋2R2）CX。图2中的R1、R2的阻值相等，则f＝1／[3（ln2）R1Cx]。改变R1、R2的阻值可得到不同的量程，这样取值使电容挡的测量范围很宽。因为RC振荡的稳定度可达10－3，而单片机频率最多误差一个脉冲，所以由单片机测量频率值引起的误差在1％以下。量程转换原理为：单片机在第一个频率的记录中发现频率过小，即通过继电器转换量程，再测频率，计算出CX值。在电路中采用精密的金属膜电阻，其值的变化能够满足1％左右的精度。

图3.2.1所示电路为电容测量电路原理图

3.3 电感测量电路 3.3.1 电感测原理介绍

由电容和电感构成在电容三点式振荡器，而震荡频率只和电容值和电感值有关，它们之间的关系为：LC

F π21=

。利用这个公式，只需令C 已知，通过测量F 就可以求出L 的值。

所 如图3所示，在电容三点式振荡器中，C1、C2分别采用1000pF 和2000pF 的独石电容，其电容值远远大于晶体管极间电容，所以极间电容可以忽略。电路的稳定性主要取决于电容，在此电路中采用性能较好的独石电容，这样使得电路的误差精度可以保持在5％以内。由标称元件和对应的待测元件组成的振荡回路会震荡出频率稳定的正弦波，该正弦波经过放大器MAX4430和比较器MAX9203之后会产生相应频率的方波脉冲。接下来通过MSP430F169单片机测频就可以实现对电感元件的测量任务。

图4.2所示电路为电感测量电路原理图

3.4 继电器驱动电路

本系统中采用单片机控制继电器，来实现自动的切换量程。其继电器的1、2端为常闭端，1、3端常开端。当4、5端通过一定电流后，线圈产生的磁效应将接通1、3和6、8端。通过4、5端得电流由S8050NPN 型三极管来提供，当单片机控制端给三极管的基极一个高电平时，三极管导通，继电器4、5端有电流通过，继电器吸合，当单片机给三极管一个低电平时，三极管截止，继电器4、5端没有电流通过，继电器断开。在继电器的4、5端反相接了一个二极管，当使用电磁继电器时必须连接，原因如下：线圈通电正常工作时，二极管对电路不起作用，当继电器线圈在断电的一瞬间会产生一个很强的反向

电动势，在继电器线圈的两端反相并联一个二极管，就是用来消耗这个反向电动势的，如果不加这个二极管，反向电动势就会直接作用在三极管上，很容易将三极管烧坏。

4 系统电源电路设计

4.1 电源电路的基本要求

本系统中使用了MAX4430，OP37等运算放大器构成了放大电路和跟随电路。由于运算放大器对电源的要求比较高，所以电源质量的好坏会直接影响电路的工作的稳定性。本系统中用到的电源共有±5，±12，我们选择了线性三端稳压芯片7805/7905、7912/7812来构成电源电路核心。首先通过一个变压器将220V市电变成24V的交流电，经过整流桥和滤波电容之后，分别通过稳压芯片之后就得到了我们需要的几路电压。稳压芯片之后

还需要加电容电感来构成滤波电路，这个滤波电路很重要，必须将输出的直流电压中交流纹波滤除到8mV以下才能保证运算放大器和其他模拟芯片的正常工作。其次，焊接和布线对电源质量也有很大关系。焊接导线时需保持焊点光滑，不能有毛刺，特别是稳压芯片管脚上的焊点，有时候焊点的毛刺会带来很大的纹波干扰。布线时，尽量避免粗导线交叉，不同电源之间的导线应留有一定距离，尽量将线间干扰降到最低。

图4.1系统电源德的电路图

5 软件设计

5.1 中断程序流程图

测试电阻并显示 按键扫描

判断按键值

OK 键键值=1? 进入选择档位界面

档位键值变化? 电阻档

电容档

电感档

OK 键键值=0 ?

显示主界面

测试电容并显示 测试电感并显示

Y

Y

N

Y N

N

5.2 主程序流程图

开始

单片机时钟初始化

单片机端口初始化

定时器初始化

液晶初始化显示开机界面

开启总中断

进入按键扫描

6 系统测试

6.1 数据测试

6.1.1 测量工具及方法

测试工具包括：数字万用表，HF2817型LCR数字电桥，GDS--2202双踪数字示波器等。测量时，先将待测元件用标准工具HF2817型LCR数字电桥比如等测量出来，然后用本系统进行测量，最后计算出误差。

6.1.2 电阻测试数据

表6-1所示数据是通过标准数字电桥测量的电阻值与本系统测量的电阻值对比。

表6-1 电阻测试数据

待测电阻值（标称）/Ω本系统测量值/Ω电桥测量值/Ω误差

11 11.11 11.24 1.15%

72 72.92 72.63 0.30%

100 100.37 100.18 0.18%

720 726.25 726.2 0.19%

1000 980.31 980.5 0.01%

10K 9.895K 9.941K 0.46%

120K 121.60K 121.72K 0.09%

1000K 1009.90K 1004.3K 0.55%

10M 9.99M 10.15M 1.57% 6.1.3 电容测试

表6-2所示数据是通过标准数字电桥测量的电容值与本系统测量的电容值的比较

表6-2 电容测试数据

待测电容值（标称）本系统测量值电桥测量值误差100p 104p 102p 1.93%

1000p 1028p 1015p 1.28%

3000p 3053p 3018p 1.16%

10000p 10223p 10057p 1.65%

30000p 31003p 30323p 2.24%

100000p 104445p 101253p 3.15%

470000p 479303p 470643p 3.14%

6.1.4 电感测试

表6-3所示数据是通过标准数字电桥测量的电感值与本系统测量的电感值的对比

表6-3 电感测试数据

待测电感值（标称）本系统测量值电桥测量值误差

9.0uH 9.1uH 9.5 uH 4.20%

100uH 91.36 uH 90.87 uH 0.52%

330uH 330.4 uH 332.4 uH 0.60%

3300uH 452.4 uH 439.2 uH 3.00%

10000uH 1018.0 uH 996.7 uH 2.13%

6.2 误差分析

系统误差来源较多，比如环境温度和湿度，电源的稳定性，还有测试电路中标准元件的精确度等等。但是，主要误差是电源质量和标准元件的精度造成的，为了克服这个问题，就要采取多种措施来减小误差。本系统中采用的方法是多次测量求平均值来减小误差，然后在软件中加入修正值。在硬件方面，采取将信号敏感部分的电路加屏蔽盒的措施，然后电源部分加入π型滤波器滤除纹波干扰，并且得到了稳定的直流电压。

经过以上措施后，系统的误差降到了题目要求的范围之内。

6.3 总结

总结

通过这次数字电桥的制作，我们对电子设计有了更进一步的理解，很多问题开始的时候觉得很简单，但是随着作品的深入，出现的问题就会越来越多，也越来越难以解决，从课本上学到的知识到了实际应用的时候就会发觉课本的知识与实际问题有很大的差别，单单应用课本的知识是不能完全解决实际的问题的，有很多的时候经验比课本知识

更重要。比如元器件的选择、电路的走线等等，都需要一定的经验才能做得很好。在以后的电子设计当中，我们会更加注意课本知识与实践的相结合。

致谢

在参加这次科技文化节暨机器人设计大赛，非常感谢我们的老师为我们指出了需要查阅的相关书籍以及在后面会遇到的主要问题，使我们受益匪浅！在设计过程中遇到了很多我们无法解决的问题，在莫老师的耐心辅导和同学的热心帮助下，问题才能够得到解决！所以，本作品设计的完成，除了我们自己的努力之外，也离不开老师和同学的帮助！

此外，还要感谢我们的父母，是他们给予了我们学习和锻炼的机会！同时也要感谢玉林师范学院，给了我们一个很好的锻炼机会和展现自我的平台！

参考文献

[1]杨素行主编.模拟电子技术简明教程（第三版）.北京：高等教育出版社，2009.3

[2]高吉祥主编.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程.北京：电子工业出版社，2007.6

[3]谭浩强著.C语言程序设计（第三版）.北京：清华大学出版社，2005.7

[4]黄智伟编著.全国大学生电子设计竞赛制作实训.北京：北京航天航空大学出版社，

2007.2

[5]曹磊编著.MSP430单片机C语言程序设计与实践.北京：北京航天航空大学出版社，

2007.7