智能電阻電容電感測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

摘要：設(shè)計(jì)了以單片機(jī)MSP430為控制核心的智能電阻電容電感(RLC)測(cè)量?jī)x，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)元器件的自動(dòng)識(shí)別及參數(shù)測(cè)量。系統(tǒng)采用多個(gè)繼電器，通過(guò)切換不同的激勵(lì)信號(hào)得到采樣電阻上不向的響應(yīng)來(lái)判別被測(cè)器件的屬性，通過(guò)切換不同的采樣電阻來(lái)擴(kuò)大測(cè)量范圍以及測(cè)量精度。系統(tǒng)的顯示部分采用128×64點(diǎn)陣式液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示被測(cè)元器件的屬性和實(shí)測(cè)的值。此系統(tǒng)具有操縱簡(jiǎn)單和參數(shù)測(cè)量范圍廣等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：RLC測(cè)量?jī)x；數(shù)字控制；自動(dòng)測(cè)量

0 引言
    目前有三種實(shí)現(xiàn)RLC測(cè)量的方法。1)電橋法，它具有較高的測(cè)量精度，被廣泛采用，現(xiàn)己派生出許多類型。但電橋法測(cè)量需要反復(fù)進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，很難實(shí)現(xiàn)快速的自動(dòng)測(cè)量。2)諧振法，它要求較高頻率的激勵(lì)信號(hào)，一般不容易滿足高精度的要求。由于測(cè)試頻率不固定，測(cè)試速度也很難提高。3)伏安法，它是最經(jīng)典的方法，其測(cè)量原理來(lái)源于阻抗的定義，顯然純電阻可由直流分壓，但對(duì)于阻抗、容抗則必須采用頻率較高的交流，電路較為復(fù)雜，使得該方案未得到認(rèn)可。本系統(tǒng)采用伏安法，相對(duì)簡(jiǎn)化了電路，具有較好的人機(jī)互動(dòng)。

1 系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)
    整體設(shè)計(jì)思想為在待測(cè)網(wǎng)絡(luò)器一端加入激勵(lì)信號(hào)，另一端加入采樣電阻到地，通過(guò)頻率的自動(dòng)切換使AD讀到不同的采樣電壓，我們可以根據(jù)激勵(lì)信號(hào)對(duì)應(yīng)的AD采樣電壓，判別出待測(cè)元器件的屬性，進(jìn)一步切換采樣電阻，從而準(zhǔn)確測(cè)量出待測(cè)元器件的大小。這一系列操作均為自動(dòng)完成。系統(tǒng)原理實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

2 硬件實(shí)現(xiàn)
2．1 硬件電路總圖
    系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示，考慮到模擬開(kāi)關(guān)有內(nèi)阻，我們選取繼電器作為檔位的切換，為了測(cè)量的準(zhǔn)確，本文采用了多個(gè)電壓跟隨，防止電流過(guò)大在信號(hào)源端分壓。

2．2 真有效值電路
    系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示，考慮到模擬開(kāi)關(guān)有內(nèi)阻，我們選取繼電器作為檔位的切換，為了測(cè)量的準(zhǔn)確，本文采用了多個(gè)電壓跟隨，防止電流過(guò)大在信號(hào)源端分壓。
2．3 自制測(cè)試用信號(hào)源電路
    根據(jù)需要取截正頻率為1kHz、10kHz、100kHz的低通無(wú)源濾波器，將單片機(jī)輸出的PWM或方波(因?yàn)镸SP430該單片機(jī)不能輸出太大頻率的PWM，我們通過(guò)直接輸出10kHz和10kHz的方波，通過(guò)一個(gè)低通濾波器，濾掉二次諧波及以上分量，得到其基波分量)整形為正弦波，用繼電器切換不同的濾波器，來(lái)獲取不同信號(hào)，每一個(gè)頻點(diǎn)濾波后接一級(jí)運(yùn)放；放大到相同幅度，為了能滿足放大100kHz的信號(hào)的增益帶寬積和壓擺率，運(yùn)放采用TL084。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，無(wú)源濾波電阻采用逐級(jí)增大，電容采用逐級(jí)減小，濾波效果最好，所以通過(guò)仿真得到參數(shù)如圖4所示的濾波放大電路圖。

3 軟件實(shí)現(xiàn)
3．1 算法數(shù)學(xué)描述
    電阻測(cè)量可以直接用一個(gè)直流分壓可得到，其公式為：
     R=(V／Vad-1)*R0         (1)
    電容測(cè)量可以通過(guò)一個(gè)適中的低頻f，此時(shí)電容的阻抗較大，對(duì)于電容因?yàn)橛?90°的相移，所以我們對(duì)其整體取模，簡(jiǎn)化可得計(jì)算電容公式為：
   
3．2 軟件流程圖
    根據(jù)以上算法分析本文的軟件程序圖如圖5所示：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    電路設(shè)計(jì)完成后，本文給出了三組實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，分別為表1、表2和表3所示，其中表1為電阻網(wǎng)絡(luò)測(cè)試數(shù)據(jù)，表2為電容網(wǎng)絡(luò)測(cè)試數(shù)，表3為電感網(wǎng)絡(luò)測(cè)試數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，除了電感測(cè)量誤差相對(duì)較大之外，其它的測(cè)量能夠較準(zhǔn)確地反映待測(cè)元器件的屬性以及大小，可以滿足一般的實(shí)際需求。

5 結(jié)論
    本文設(shè)計(jì)了基于數(shù)字控制的智能電阻、電感和電容測(cè)量?jī)x，電路設(shè)計(jì)完成后通過(guò)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，除了電感測(cè)量誤差相對(duì)較大之外，其它的測(cè)量能夠較準(zhǔn)確地反映待測(cè)元器件的屬性以及大?。煌ㄟ^(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)電感在不同的頻率點(diǎn)的大小不同，也就是說(shuō)電感的大小與對(duì)應(yīng)測(cè)的頻點(diǎn)有關(guān)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只取了三個(gè)頻點(diǎn)，且最大頻率為100kHz，所以誤差較大，我們可以通過(guò)增加頻點(diǎn)個(gè)數(shù)和最大頻率以及增加采樣電阻來(lái)減小該誤差。