采用单片机的便携式RLC参数测试仪

己口口日１年ｌ口月●第己７卷第１口期综述

采用单片机的便携式ＲＬＣ参数测试仪王贵恩邦春香（广东交通职业技术学院广州５１０８００）

摘要：本文设计了基于单片机的电路元件参数测试仪，通过插值运算和数字惯性滤波法，有效地提高了测试精度和稳定性。本仪器具有自动量程转换、实时显示和自动节电等功能。试验结果显示，本测试仪操作简单，便于携带，精度误差保持在３％范围内，适用于电子元件参数测量、电路分析和电子产品检验等领域。关键词：单片机；ＲＬＣ测试仪；数字惯性滤波；插值中图分类号：ＴＰ２１６文献标识码：Ａ

ＰｏｒｔａｂｌｅＲＬＣｐａｒａｍｅｔｅｒａｐｐａｒａｔｕｓｂａｓｅｄＯｎｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ

ｃｏｍｐｕｔｅｒ

ＷａｎｇＧｕｉ’ｅｎＧｕｏＣｈｕｎｘｉａｎｇ

（ＧｕｎｇｄｏｎｇＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０８００）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｃｉｒｃｕｉｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒａｐｐａｒａｔｕｓｂａｓｅｄｏｎｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｃｏｍｐｕｔｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔＯｒａｉｓｅｔｅｓｔｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｗｉｔｈｖａｌｕｅｉｎｓｅｒｔｉｏｎａｎｄｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙｆｉｌｔｅｒ，ｗｈｉｃｈｈａｓａｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ｄｉｓｐｌａｙｉｎｒｅａｌｔｉｍｅａｎｄｐｏｗｅｒｄｏｗｎ．ＴｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｈａｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｉｔｃａｎｂｅａｐｐｌｉｅｄｉｎＲＬＣｐａｒａｍｅｔｅｒｔｅｓｔ，ｃｉｒｃｕｉｔｓａ—

ｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐｒｏｄｕｃｔｃｈｅｃｋ．ｆｏｒｓｉｍｐｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｍｉｎｉｖｏｌｕｍｅａｎｄ３％ｒａｎｇｅｅｒｒｏｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｆｌｓ：ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｃｏｍｐｕｔｅｒ；ＲＬＣｐａｒａｍｅｔｅｒａｐｐａｒａｔｕｓ；ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙｆｉｌｔｅｒ｝ｖａｌｕｅｉｎｓｅｒｔｉｏｎ

０引言传统的电路元件参数（包括电阻、电感和电容）测试一般采用阻抗法、Ｑ表、电桥平衡法等方法［１～，即将待测参数转化为电压和电流值，电路调节需手动控制，且需要连续调节的范围较宽，其电路平衡的判断很难实现智能化。测试

操作过程中往往需要调节很多参数，周围环境要求高，且仪器本身硬件电路复杂，体积庞大，不便携带，使用不便。同时，上述方法所测精度受环境影响，特别是温度变化的影响较大。需进行温度补偿。硬件电路相对复杂。本仪器利用现代单片机技术。具有操作简单、自动转换量程、体积更小、功能强大、便于携带和人机界面友好等特点。

１工作原理本测试仪采用由ＲＣ振荡器和电容三点式振荡器。将待测参数信号转换为频率信号的方法，便于单片机进行信号采集。同时频率信号不易受到环境温度的影响。１．１测量电阻与电容的ＲＣ振荡电路模型采用由ＮＥ５５５时钟电路构成多谐振电路∞（如图１），

其振荡周期为：图１测量电阻的ＲＣ振荡电路Ｔ＝ｌｒｄ（Ｒ４十匙）Ｇ＋ｌｒｄＲ√Ｃ＾＝ｌｎ２（Ｒ４＋２Ｒ）Ｇ（１）式中：忌为待测电阻，Ｇ为放电电容。将式（１）变形得：Ｒ＝及彘一譬＝惫Ｔ＋６（２）

式中；忌＝１／（２１ｔｒｉＣｋ），ｂ＝Ｒ４／２。

作者简介：王贵恩（１９６９一），男，博士，副教授，主要研究方向为自动测控技术。中国科技核心期刊一６３—

　万方数据综述由式（２）可见，待测电阻Ｒ与振荡周期呈线性关系。为了避免直接采用式（２）计算时引起的非线性误差，引入了直线插值算法如下：选取标准电阻Ｒｆ，采样图１振荡电路的振荡周期为丁ｆ，则在Ｔｆ≤Ｔ＜瓦，的条件下，待测电阻Ｒ与其振荡

周期Ｔ。存在如下关系：兄＝Ｒ；＋鲁噼（Ｔ—ｔ）

（３）』＊１一Ｊｉ

由式（３）可以看出，忌与电路元件参数无关，这样可

以避免电路元件带来的误差。选用高精度的基准电阻和增加基准点的个数，可使测量结果的误差保持在允许的范围内。测量电容的振荡电路与其相似。１．２测量电感的电容三点式振荡电路模型测量电感Ｌ的电容三点式振荡电路如图２所示，Ｃ。、ｃ２分别采用１０００ｐＦ和２２００ｐＦ的独石电容，其电容值远

大于晶体管极间电容，故可以忽略极间电容，则振荡周期为：

图２测理电感的电容三点式振荡电路Ｔ＝２丌￣／Ｌ￡（４）式中：ｃ＝撬

由式（６）可得：ｋ２彘。ｋＴ２（５）

与测量电阻和电容一样，通过测量基准电感的振荡周期并采用直线插值算法，可得待测电感Ｌ与其振荡周期ｔ存在：

Ｌｘ＝Ｌ。＋丧２［专（ｒ一砰）（６）

』“１一』ｉ

综合式（３）和式（６），得ＲＬＣ测量插值计算矩阵为：

－－－——６４—－－——

２硬件电路设计己口口吕年ｌ口月第己７卷第１口期

Ｒ＊１一Ｒ丁“１一瓦％一Ｃｉ

Ｔ斗ｌ—ｔＬ＊１一ＬｆＴ０。一碍

囱．Ｔ—Ｔ—Ｔｉｒ一砰

＋（７）本测试仪以ＡＴ８９Ｓ５２单片机为核心，主要由ＲＣ振荡电路、电容三点式振荡电路、模拟通道、功能按键和液晶显示器（Ｌ（’Ｄ）等组成，系统结构组成如图３所示。Ｉ竺篓兰兰卜—一模

哐

１．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一频率

监

Ｉ竺堡兰竺卜一拟

片开地址

睡ｉＬ关

机—戛

Ｉ振荡嚣厂一

图３系统结构由相关的振荡电路将待测参数转换为频率信号，经模拟开关与单片机接口，由单片机对其进行采样，经运算后，测试结果输出到ＬＣＤ显示。功能按键可实现待测参数选择、显示结果翻页显示和系统睡眠唤醒等功能，量程转换由单片机程序自动实现，使用方便。

３程序设计

中国科技核心期刊图４主程序流程图

蜀～ＬＧ—Ｌ厶一砰三三Ｅ忌瓦Ｇ瓦厶一砭●●Ｏ一．Ｏ０一．０Ｄ一２０囱ｏ『一也一也玉栅盟兀鱼兀Ｌ一砰

　万方数据己口口日年ｆ口月一第己７卷第１口期

本系统采用Ｃ５１语言编程，频率（或周期）的采样是程序设计的核心。其精度会直接影响到本测试仪的精度（主程序流程图参见图４）。频率的测量可以利用单片机的计时和计数功能来实现［４］。下面对频率的测量方法和测量误差做简要分析。３．１频率的测量方法和误差分析设在ｔ时间段内检测到ｒ／个脉冲，则其脉冲周期为Ｔ＝ｔ／ｎ。对ｔ和ｒＬ进行全微分，得：ｄＴ：娶０＋挈ｋ：一ｄｔ一丢出（８）

则Ｔ的相对误差为：下ｄＴ：＿ｄｔ一壶（９）丁２了一ｉＬ了Ｊ

可见，脉冲周期的测量误差主要受采样周期和采样次数的影响。由单片机程序可以很方便地实现采样周期和采样次数的精确控制，因而可提高测试精度。脉冲周期的测量，可采用定时计数和定数计时两种方法，利用ＡＴ８９ｓ５２单片机的ＴＯ和Ｔ１两个定时／计数器中断即可实现。３．２定时计数法定时计数法的设计思路为将ＴＯ设为定时器，Ｔ１设为计数器，设定ＴＯ的定时中断时间ｔ并允许中断，将Ｔ１清０，同时启动ＴＯ和Ｔ１，等待ＴＯ中断。在ＴＯ的中断服务子程序中读出Ｔ１的计数值理。即可求出脉冲周期Ｔ。采用定时计数法时，单片机计时误差ｔ可忽略，故可认为ｄｒ＝０，最大计数误差为一个脉冲，即如一＝１，代入式（９）得：ｌ孥ｌ：虹：上（１０）Ｔ一一

、１ｖ，

ｌ』ｌ∞ｘ行矩

若要保证其相对误差不超过０．１％，即Ｉ掣ｌ≤

０．１％。则有：土≤０．１％或丸≥１０００（１１）

若ＴＯ设为５０ｍｓ中断一次，则

丁一号≤罨嚣＝５０／ｚ或，＝｛≥２０ｋＨｚ（１２）

式（１２）表明，定时计数法适用于被测频率较高的场合。３．３定数计时法定数计时法的设计思路为将ＴＯ设为定时器，Ｔ１设为计数器，设定Ｔ１的计数中断次数以并允许中断，将ＴＯ清０，同时启动ＴＯ和Ｔ１，等待Ｔ１中断。在Ｔ１的中断服务子程序中读出ＴＯ的计时值ｔ，即可求出脉冲周期丁。采用定数计时法时，单片机计数误差ｄｎ＝０，最大计时误差为一个机器周期，本系统采用了１２ＭＨｚ晶振，则

单片机机器周期为１ｉｔｓ，故出一一１ｐｓ，代入式（９）得：ｌ孥｛：蛀：土（１３）Ｉ』Ｊ∞ｆｆ

若要保证其相对误差不超过０．１ＯＡ，即ｌ警Ｉ≤

综述ｏ．１％，则有÷≤０．１％或ｔ≥１０００／ｚｓ＝１ｍｓ（１４）

则Ｔ＝音≥丢（ｍｓ）或，一｛≤靠（ｋＨｚ）（１５）

式（１５）表明，定数计时法宜用在被测频率较低的场合。为了增大本仪表的测量范围，应尽量增大频率的测量范围，本系统将频率测量范围设定为１Ｈｚ～２００ｋＨｚ。为保证测量精度和缩短测量时间，将频率测量范围划分量程，在不同的量程内采用不同的测量方法。根据式（１３）和式（１６），可将频率测量的范围分为以下几个量程：量程１：１Ｈｚ～１ｋＨｚ，采用１次定数计时法测量；

量程２：１～２０ｋＨｚ，采用２０次次定数计时法测量；量程３：２０＂－－２００ｋＨｚ，采用５０ｍｓ定时计数法测量。频率的测量主要由单片机定时器Ｔｏ和Ｔ１中断来完成，在某次测量频率后。若发现频率不在本次测量的量程内，就根据所测量到的频率所在的范围选择相应的测量方法，这样就可实现自动量程转换。３．４采样数值滤波为避免采样数值波动引起显示跳动而产生的误差，应用数字惯性滤波法抑制采样数值的波动，即采用软件模拟ＲＣ低通滤波电路，以消除高次谐波分量的影响，实现数值稳定［５］。设ＲＣ低通滤波电路的输入信号为地，输出信号为ｚｌｏ。则ＲＣ低通滤波的微分方程为：也。．１１面十耐。一耐ｔ

将上式离散化，得：丝铲＋匆凶＝匆ｔ

（１６）趴“硅＝南州，＋南ａ（１７）令Ａ＝豆％测：

‰＝勉“扣１）＋（１一Ａ）“女（１８）由上式可知，Ａ越大，Ｕ。就越平稳，但响应时间会增大。为兼顾系统稳定性和缩短数值运算时间，软件设计中设定了门限误差ｅ，通过计算两次脉冲频率偏差是否达到ｅ，选择是否采用数字惯性滤波［６］。｛矗＝ｒＶｏ（“）＋（１一Ａ）＾，ｌ厶一厶㈨Ｉ＜ｅ．｛＾，Ｉ丘一＾川』≥￡×１９’

４测试结果．为实际检验系统的测试精度，在常温环境下，应用本仪器对一组电阻、电感和电容进行测试，并与Ｑ表（ＱＢＣ，－３Ｂ）测试的电阻、电感和电容值进行对比，其中Ｑ表电感测量精度为士ｏ．１ｔｔＨ，电容测量精度为士ｏ．２ｐＦ。测试结

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