简易电阻、电容和电感测量仪和程序代码(已验证)

方案三：RC和555定时器组成的多谐振荡电路。很多仪表都是把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。基于此思路，我们把电阻阻值转换成频率信号，通过测量输出振荡频率的大小即可求得电阻的大小，如果固定电阻值，该方案硬件电路实现简单，通过选择合适的电容值即可获得适当的频率围，同时输出波形为TTL电平的方波信号所以不需要再对信号做电平变换，即可直接供数字电路处理，这种处理一方面便于使仪表实现智能化，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。
方案二：测周期法。该测量方法是通过测量被测信号的周期来计算频率。被测信号经脉冲形成电路变成方波通过单片机的计数器计数，再根据计算公式即可获得被测信号的频率。该方案对低频信号的测量比较准确，但对于高频信号，测量误差较大，故只适合低频信号的测量。
在比较两种方案之后，决定采用第一种方案来进行频率的测量。
1.5
1.3
方案一:采用电桥法测量电感。将待测电感和已知标准电阻电容组成电桥，通过单片机控制调节电阻参数使电桥平衡，电感的大小由电阻和电桥的本征频率求得，该方案测量精准，同时可以测量电容和电阻的大小，但其电路复杂，实现起来较为困难。
方案二：用555定时器和被测电感利用电感储能以及充放原理构成多谐振荡器，通过测频率值确定被测电感的值。该方案电路结构简单，输出波形为TTL电平的方波信号，简单分频后可获得较为理想的测试频率围，方便单片机精确测量。
2.192M
2.217M1.1416k16K16.1k
0.62
9M
8.9M
8.376M
5.88
5.3.2
表4-3电容测量数据
标称值
(F)
电桥测量(F)
仪器测量(F)
误 差
（%）
标称值
(F)
电桥测量(F)
仪器测量(F)
误 差
（%）
10p
10p
10.5p
5.00
4.7n
4.9n
5.1n
4.08
100p
100p
3.
因为电感测量模块产生的信号是正弦信号，所以必须先整形成方波，又由理论分析可知电路的输出频率很高，所以也要对输出的信号分频，单片机才能处理。
3.3.1
图3-3电感测量电路
3.3.2
图3-4 整形电路
3.3.3
图3-5 10分频电路
3.4
电阻与电容的测量电路中均需要自动换挡，我们采用继电器来实现。继电器是一种电子控制器件，通常应用于自动控制电路中。当测量电路中所测频率过低时，单片机就会控制继电器转换量程。
为使振荡频率保持在10-20kHz这一段单片机计数的高精度围，需选择合适的C1和R1的值，同时不能使电阻功耗太大。所以我们设计了两路电路，
第一个量程选择 ；
第二个量程选择 ； 这样，
在第一个量程中，若 时（下限）， ；
在第二个量程中，若 时（上限）， 。
因为RC振荡的稳定度可达1/1000，单片机测频率最多误差一个脉冲，所以由单片机测频率值引起的误差在百分之一以下。
即：
如图3-3所示， C1和C2分别采用100nF和1uF的独石电容，其电容值远大于晶体管的极间电容，可以把极间电容忽略，则
单片机的高精度测量围有限，因此在测电感这一档时，只能分频后送单片机计数。
误差分析：
由此可见，因为 相当小， 的精度主要取决于电容值的稳定性，从理论上讲，只要 小于 ， 也就能达到相当的水平。一般而言，电容的稳定性，特别是像独石电容一类性能比较好的电容， 能满足小于 的要求，这样误差精度就能保持在 以。
误差分析：
同 的测量，有 ，
已知 能满足 以下的精度，而精密的金属膜电阻其阻值的变化 亦能满足 左右的精度。这样，电容的精度也可以做得很高。
2.3
电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的。三点式振荡电路是指：LC回路中与发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的，另外一个电抗元件必须为异性质的，而与发射级相连的两个电抗元件同为电容式的三点式振荡电路，其振荡频率为：
简易电阻、电感和电容的测试仪
摘 要：本系统以MSP430单片机作为控制核心，由555构成多谐振荡电路实现对电阻和电容的测量，采用电容三点式振荡电路实现对电感的测量。控制继电器实现电阻、电容测量的档位自动切换，使测量精度满足指标要求；为使单片机精确测量待测频率，在电感测量模块中先进行整形和分频，然后测量，以提高测量精度。该系统设计简单，成本低，操作简单，在测量围误差很小，经电路仿真分析可达到题目要求的指标。
量程自动转换原理：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，求 的值。
误差分析 ：
因为 相当小，在 左右，远小于仪表所需要的精度，可忽略。这样， 的精度取决于 ，即电容的稳定性。电路中采用了稳定性良好的独石电容，理论上说，只要 小于 ，所测电阻的精度亦能在 以下。由于单片机程序中采用了多位数的浮点运算，计算精度可远高于 。
2.05
100u
100.9u
102.7u
1.78
3.2m
3.298m
3.217m
2.45
330u
339.8u
340.6u
0.23
15m
15.4m
16m
3.89
5.4
电阻模块的测量结果显示在基本测量围误差均小于5%，而在拓展围误差偏大。
电容模块的测量结果显示所有测量的误差均在5%以。
电感模块的测量结果显示可以测量的围误差均小于5%，但拓展指标没有做到，10uH的电感已经测量不出来。
102p
2.00
33n
35n
36.3n
3.71
1n
0.98n
0.94n
4.08
100n
101n
105.5n
4.45
5.3.3
表4-4电感测量数据
标称值（H）
电桥测量（H）
仪器测量（H）
误 差
（%）
标称值（H）
电桥测量（H）
仪器测量（H）
误 差
（%）
30u
31.1u
30.85u
0.80
1m
1.02m
0.999m
测试R
KEY2
测试C
KEY5
测试L
KEY6
返回
该系统以MSP430作为控制平台，其主程序流程如图4-1所示。程序开始先对系统初始化，然后由键盘输入测试项目（如：1电阻测量；2电容测量；3电感测量），然后采集信号频率，在测量电阻和测量电容时要通过对信号频率进行分析来转换电路（量程转换），再将从新采集的信号频率进行计算，得到待测器件的参数，并由液晶屏输出参数。测量完成之后系统返回到初始化的状态。
系统设计总框图如图1-4所示，本设计将电阻、电容和电感测量模块产生的不同频率的方波信号经整形和分频电路分别送至通道选择模块，根据测试的元件类型，单片机通过按键的输入选择相应的测试电路，并自动检测出待测元件的值所对应的频率围，控制继电器实现对元件测量的自动换挡。同时单片机通过一定的计算后，在液晶显示屏上显示出元件的类型和测量值。
2.2
电容测量的原理图也如图2-1，同样由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电容的大小。
由2.1的分析知其振荡周期为：
得出： ，即：
为使频率在单片机高精度测量围，我们同样设计了两路电路，取值分别为：第一量程： ；第二量程： ；
这样的取值使电容档的测量围很宽，同样可通过继电器转换量程。
方案三：同样利用RC和555定时器组成的多谐振荡电路，通过测量输出振荡频率的大小即可求得电容的大小，如果固定电阻值，该方案硬件电路实现简单，能测出较宽的电容围，完全满足题目的要求。同时输出波形为TTL电平的方波信号所以不需要再对信号做电平变换。即可直接输入单片机处理。
综合比较，基于对精度要求较高，并从测量时操作的简便程度考虑，本设计采用方案三，用RC和555定时器组成的多谐振荡电路来实现要求。
Rx
方案二:电阻分压法。如图1-2所示,将待测电阻Rx和基准电阻R串联在电路中,由于电阻分压的作用，当串联到电路上的电阻Rx的值不同时其Rx上分的压降也不同。通过测量上Vx便可由公式 求得 。
该方案原理简单，理论上只要参考电阻精确，就可以测量任何阻值的电阻，但实际上由于AD的分辨率有限，当待测电阻很大或是很小时就很难测出Rx上的压降Vx，从而使测量围缩小，要提高测量围和精度就需要对电阻分档测试和提高AD的分辨率。这无疑会增加系统的复杂性和成本,所以也不可行。
如图3-6所示为继电器的原理图，其中，二极管是对其有保护作用，三极管有放大电流的作用。在具体电路中，继电器是1伏和3伏换挡，通过单片机来实现其自动化。
图3-6 继电器原理图
3.5 按键部分
通道的选择可以通过MSP430单片机上面的键盘控制。通道选择见表3-1 .
表3-1按键通道选择
按键
对应测试项
KEY1
六、小结
本次课题设计系统的基本原理是电阻、电容、电感与测量电路构成各自的震荡电路，产生的相应频率的脉冲方波，将该频率数据采集输入到单片机，利用电路中其他器件已知的参数，单片机对频率进行运算，可以算出待测元件的各个参数并显示在1602液晶屏幕上。系统使用按键选择被测元件类型，由于不同的电容、电阻、电感值的大小对应的谐振频率不同，通过测量振荡电路发出的频率计算出相应的电阻、电容和电感的值。该系统设计简单，成本低，性能基本符合题目要求指标，在测量围测量误差很小，且操作简单，人机界面友好。
图4-2按键程序流程图图4-3频率测量流程图
五、系统测试与结果分析
5.1
测试使用的仪器设备如表4.1所示。
表4-1 测试使用的仪器设备
序号
名称、型号、规格
数量
备注
1
RLC电桥测量仪
1
测量精度高
2
数字示波器
1