电阻电容电感测试仪

简易电阻、电容、电感测试仪1.1 基本设计要求(1)测量周长：电阻100Ω～1MΩ；；电容100pf～10000pf；电感为100μh～10mh。

(2)测量精度：5%。

(3)做4位数码管显示，显示测量值。

原理框图1.2 设计要求发挥作用(1)扩大测量范围；(2)提高测量精度；(3) 量程自动转换。

本系统采用555多谐振荡器电路将电阻、电容参数转换为频率，电感通过电容的三点振荡转换为频率，使模拟量近似转换为数字量，频率f 为数字量单片机可轻松处理，测量精度高，易于实现自动化。

而且，由单片机组成的应用系统具有很高的可靠性。

系统扩展和灵活的系统配置。

什么样的应用系统容易构建，应用系统的软硬件利用率高。

单片机可编程，硬件的功能描述完全可以用软件实现，设计时间短，成本低，可靠性高。

综上所述，将振荡电路与单片机结合实现电阻、电容、电感测试仪更加简单可行，节约了成本。

因此，本设计基于单片机。

关键词: 单片机, 555多谐振荡器电路, 电容三点振荡一、 系统演示1. 电阻测试方案演示 方案一：电阻分压法。

图 1.1结构如图 1.1 所示。

待测电阻Rx 和参考电阻R 串联在电路中。

由于电阻分压的影响，当串联在电路中的电阻Rx 的阻值不同时，Rx 两端的压降也不同。

Rx 可以通过测量 Vx 获得。

)(X X X V VCC R V R -=这个方案的原理很简单。

理论上，只要参考电阻准确，您就可以测量任何电阻。

但在实际应用中，由于AD 的分辨率有限，当待测电阻非常大或非常小时，很难测量Rx 上的压降Vx ，从而缩小了测量范围。

为了提高测量范围和精度，需要分阶段测试电阻，提高AD 的分辨率。

这无疑会增加系统的复杂性和成本。

选项 2：桥接法。

图 1.2结构如图 1.2 所示。

Rx=R2*R3/R1电桥法又称零位指示法。

它采用归零电路作为测量指标，工作频率较宽，能在很大程度上消除或减弱系统误差的影响，精度高。

但是为了保证电桥的平衡，信号源的电压和频率要稳定，特别是波形失真要小，增加了硬件电路的难度。

方案3：555RC多谐振荡器。

使用RC和555定时器组成的多谐振荡器电路，可以通过测量输出振荡频率得到阻值。

如果电阻值固定，该方案的硬件电路实现简单，通过选择合适的电容值即可得到合适的频率范围，再由单片机处理。

总体上，本设计采用第三种方案，采用低成本的NE555构建RC多谐振荡器电路。

电路简单可行，单片机易于控制。

2.电容测量方案演示方案一：利用RC充电原理，根据电路原理，电容充电的时间常数τ=RC。

通过选择合适的参考电容，可以通过测量充电到固定电压所需的时间来测量相应的电阻值。

在这种方案下，测量大电容是准确的，但是当电容很小的时候，电容可以在很短的时间内充满电，即充电时间短，所以很难准确测量。

方案二：利用RC和555定时器组成的多谐振荡器电路，通过测量输出振荡频率即可得到电容值。

如果电阻值固定，该方案的硬件电路实现简单，可以测量很宽的电容范围，更能满足课题的要求。

总体上，本设计采用第二种方案，采用低成本的NE555构建RC多谐振荡器电路。

电路简单可行，单片机易于控制。

3.电感量测方案演示方案一：采用平衡电桥法测量电感。

被测电感与已知标准电阻电容组成电桥，通过单片机控制调整电阻参数，使电桥平衡。

这时，电感可以从电阻和电桥的固有频率得到。

该方案可以准确测量电容和电阻，但电路复杂，实现难度大。

方案二：由LC和三极管组成三点振荡电路，通过测量输出频率来测量电感值。

该方案成本低，输出波形为正弦波。

波形整形后送单片机测量其频率，转换成电感值。

综合来看，本设计采用第二种方案，电路简单，性价比高。

二、理论分析计算1.电阻测量分析计算根据题目要求，如图2.1所示，采用555多谐振电路将电阻转换成相应的频率信号值。

考虑到单片机对频率的敏感性，具体来说，单片机的频率计数精度最高为10Hz-10KHz。

因此，应选择合理的电阻和电容。

同时考虑到电阻的功率不能太大，选择第一档时应取R=1kω，C=1uF（此时Rx=100Ω为测量下限）；在第二个范围内，r=20k ω，C=10nF（此时Rx=1mω是测量的上限）。

由于RC振荡的稳定性可以达到0.001，单片机测频误差最多为一个脉冲，所以单片机测频造成的误差在0.01以下。

自动量程转换原理：MCU在第一个频率的记录中发现频率太小，即通过继电器进行量程转换。

重新测量频率并找到Rx 值。

误差分析：因为R+2Rx=1/((ln2)Cf)因此，2 △rx =-△f/((LN2) cf * f)-△c/((LN2) cf * f)因此|△Rx /(R/2+Rx)|=|△f/f|+|△C/C|分析表明|△f/f|相当小，在千分之几的量级，远远低于仪器要求的精度，所以可以忽略不计。

|△Rx/Rx|的精度取决于|△C/C|，即电容器的稳定性。

因为电路中使用了稳定性好的独石电容，理论上只要|△C/C|小于1%，测量电阻的精度可以小于1%。

由于单片机程序采用多位浮点运算，其计算精度可远低于1%。

电路分为两个阶段：1)、100≤Rx≤20000ω：R1=1kω，C=1微法：Rx=1.443/[1e-6*f*2]-1000/22)、20000≤Rx≤10兆欧：R1=20千欧，C=0.01微法：Rx=1.443/[1e-8*f*2]-20000/2Key = Space图 2.12.电容测量分析计算用于测量电容的RC 振荡电路与用于测量电阻的RC 振荡电路完全相同，如图 2.2 所示。

还选择了两个范围。

第一范围R1=R2=1兆欧；第二范围R1=R2=1kω。

这可以使电容器块的测量周长变宽。

误差分析：与Rx的测量相同，有：|△Cx/ Cx |= |△f /f |+|△R/R|已知|△f /f |可以满足小于1%的精度，而精密金属膜电阻器，其阻值变化率|△R1/R1|也能满足1%左右的精度。

这种电容测量精度也可以做得比较高。

注意：由于建立RC 稳定振荡需要较长时间，所以在测量电容和电阻时，应在显示稳定后读取参数值。

电容测量采用“脉冲计数法”，由555个电路组成的多谐振荡器电路，通过计算振荡电路的输出频率计算出被测电容。

电路分为两个阶段：1)、100≤Cx≤1000pF：R1=R2=1MΩ：Cx =1.443/（3000000*f）2)、10000pF≤Cx≤47uF：R1=R2=1KΩ：Cx =1.443/（3000*f）图 2.23.电感量测分析计算三点振荡电路根据电感的特性，将电感值转换为相应的频率值，如图2.3所示。

这里，在三点振荡电路中，C3和C4分别采用0.1u和1u的独石电容。

由于它们的电容值远大于晶体管的电容值，因此可以忽略电极间电容值。

这样就可以根据振荡频率公式确定电感值：那么l = [1/(2 * 3.14 * FX)] 2/cc = C3 * C4/(C3+C4)误差分析：因为L=1/(4*3.14*3.14*f*f*C)因此|△L/ L |= |2△f/f|+|△C/C|因此，因为|2△f/f|很小，精度为|△L/ L |主要取决于电容值的稳定性。

理论上，只要|△C/C|小于1%，|△L/L |可以达到相应的水平。

一般来说，电容的稳定性，尤其是独石电容等性能较好的，|△C/C|可以满足小于5%的要求，使误差精度保持在-5%-+5%。

图 2.3三、电路和程序设计1.整形电路设计三点振荡电路的输出为正弦波，经LM393整形电路整形为矩形波。

如图 3.1 所示。

图 3.12.模拟开关模块电路设计模拟开关CDA4052用于通道选择，其工作原理如图3.2所示，电路图如图3.3所示。

图 3.2图 3.3四、编程电阻电容电感参数测试仪主程序流程图如图4.1所示。

按键选择选择测量状态，进入相应的测试程序。

图 4.1五、系统测试及结果分析1.用于测试的仪器和设备测试所用仪器设备见表4-1。

表4-1 测试使用的仪器和设备2.测试方法在系统设计中，基于MSP430F149单片机的电阻、电容、电感测试仪通过相应的振荡电路将电阻、电容、电感转换为频率，实现各种参数的测量。

电阻和电容由555多谐振荡器电路产生，电感由三点电容产生。

测量的频率可以通过定时和计数来计算，然后通过这个频率计算测量的参数。

系统应用软件采用C语言编写。

包括主程序模块、显示模块、电阻测试模块、电容测试模块和电感测试模块、键盘模块、整形模块和模拟开关模块。

测试时，将该系统测得的被测参数的指示值与该参数的标称值进行比较，即可得知该系统的测试精度。

2.测试数据我们的RLC测试范围是电阻：100 ωto 10 MΩ；电容：100pF至47uF；；电感：10uH 至15mH。

实测数据见表4-2。

4、测试结果分析我们不仅完成了测试要求的基础部分，而且达到了充分发挥的各项指标。

数据中的一些小误差是由于测试环境、测试仪器、测试方法等原因，都会对测量值产生一定的影响，会导致测量结果或多或少偏离测量的真实值。

为了减小本设计中的误差，主要采用校正方法来减小本测试仪的测量误差。

所谓修正法，就是在测量前或测量过程中得到某种系统误差的修正值。

在数据处理过程中，选择合适的校正值非常重要。

获得校正值的方法有以下三种。

第一种方法是从相关信息中查找；第二种方式是通过理论推导；第三种方法是通过实验得到它。

本次测试的修正值主要是通过实验得到的，由温度、湿度、电源电压等各种影响因素引起的系统误差对测量读数的影响。

通过选取同一被测参数的多次测量值和不同被测参数的多次测量值的平均值，最终确定被测参数公式的常数K值，从而达到降低本设计系统误差的目的。

由于振荡电路的外围器件被电容和电阻分立元件重叠，振荡电路产生的测量参数对应的频率存在一定的误差。

因此，只有通过多次实验测量选择合适的修正值，才能尽可能地降低该测试系统的误差。

六、总结本系统基于MSP430F149单片机，采用555多谐振荡器电路和电容三点电路，能有效满足测量范围和误差要求。

通过电阻、电容、电感测试仪的课题设计，锻炼了我们的动手能力，增强了解决实际工程问题的能力，同时提高了我们查阅文献、设计规则、计算机制图的专业能力水平。

设计的硬件电路图简单，可以降低生产成本。

单片机可以提高系统的可靠性和稳定性，减小系统的体积，便于调试和维护。

而且，以MSP430F169单片机为核心的设计可以满足整个系统的工作要求。

555振荡器实现被测电阻电容参数的频率，电容三点振荡电路实现被测电感参数的频率。

测得的频率通过模拟开关CD4052送至单片机进行计数。

然后，被测参数的测量值由显示电路显示出来，软件用C语言编写。

根据具体情况，可控制启动被测参数的相应程序，灵活控制被测参数的档位切换。

经测试，系统各模块可以正常组装，成功满足设计的硬件要求。