电阻电容电感测试仪2010山东

电阻电容电感测试仪的设计与制作

参赛院校：青岛大学自动化工程学院 参赛学生：焦安山 王俊林 刘斌

山东省二等奖

摘 要

以低功耗32位ARM单片机LPC1114为总控制核心，直接数字式频率合成器（DDS）AD9850搭配高速运放LM6172获取频率幅值连续可调的正弦波信号。

在正弦信号激励下，将测量对象L/C/R与标准电阻串联，以串联阻抗分压原理实现对L/C/R及特定频率下电感Q值的测量。以真有效值转换芯片AD637搭配LPC1114板载12位A/D转换器精确采集交流电压值。通过自动控制继电器分档选择标准电阻，实现高精度宽范围测量；

系统显示结果采用12864点阵液晶，显示信息齐备。测试对象，信号频率以按键方式可调。 经测试，本系统操作方便，性能稳定，测量精度高。

关键词：ARM; DDS;真有效值转换

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1 方案论证与比较

根据设计要求，系统硬件最核心部分为正弦信号产生电路和L/C/R测量电路。主控制芯片及外设电路则可灵活选取。

1.1 正弦信号产生电路

1.1.1 频率可调的正弦信号

正弦信号发生器是LCR测量仪的重要组成部分，在测量电容和电感时，正弦波的失真直接影响测量精度。

方案一∶采用振荡电路产生正弦波。由于振荡电路起振需满足较苛刻条件，要设计1Hz-1MHz范围内均可工作的正弦振荡电路几乎不可能。

方案二：采用压控振荡器产生方波信号后，经低通滤波器转换为正弦波。此方案频率稳定，成本低。缺点是正弦波的谐波分量很大，对于电感电容测量会带来很大的误差。

方案三：采用AD9850构成的DDS模块，直接输出频率可调正弦波。采用直接数字式频率合成的方法获取正弦波，频率极其稳定，而且所获得正弦波谐波含量小，是目前信号发生器电路的主流方案。

综合比较，为了达到1-1MHz完美正弦信号的要求，必须选择方案三。 1.1.2 正弦信号的调幅放大

方案一：直接在DDS编程时，改变正弦表参数，直接输出幅值可调的正弦波。此方法看似可以简化电路设计，但是这种方法达不到题目要求的幅值，而且还需要外加输出隔离电路以达到50欧的输出阻抗，仍然需要外接高速运放。

方案二：DDS只负责输出固定幅值正弦波，外接高速运放构成比例放大电路。运放不仅完成了幅值调节，而且可以满足50欧的输出阻抗要求。对于DDS来说，仅输出固定幅值有利于芯片的稳定工作。

综合对运放的选型，我们选择方案二，采用1片高速运放LM6172来达到要求。LM6172带宽为100M，开环输出阻抗14欧，完全满足需求。

1.2 LRC的测量

方案一：基于模拟振荡电路的测量仪。将待测L/C/R接入振荡电路中，通过测量RC或LC振荡频率来计算L/C/R值。此方案成本低，但是无法做到宽范围内振荡电路正常工作，远达不到题目的量程范围。

方案二：采用串联阻抗分压的方法。利用最基本的欧姆定律，在正弦交流电压下，把电容、电感、电阻的阻抗值和串联的标准电阻作分压。通过测量串联电路的电流（通过标准电阻的分压），和待测元件的电压，求的待测元件的阻抗，进而计算出电感或电容值。

方案二的自动化程度高，可实现宽范围的自动测量。选取足够档位的标准电阻，以及高精度的交流电压采集芯片，可以达到宽范围高精度测量。我们选择方案二，并使用控制继电器选择标准电阻档位，使用真有效值转换芯片AD637精确采集交流电压。使用拥有丰富外设的低功耗ARM处理器LPC1114为主控芯片，板载AD同时可采集模拟电压量。

2 理论分析与计算

2.1 宽频可调幅正弦信号发生器

通过单片机控制的DDS模块AD9850可以很容易产生一个频率可调的稳定的正弦信号，采用同向比例运算放大器，可以实现幅值调节。

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设定DDS模块产生的正弦信号的幅值为1V，根据题目要求的5V以上输出，根据

uo?(1?RfR)?uI，我们选择R=1.5k?， Rf使用10k?的电位器。

2.2 测试档位的分配

对不同量程选用不同标准电阻可以显著提高测量精度。对于未知的待测元件，我们采取的策略是，使用所有标准电阻测试一遍数据，将最“合理”的档位测试数据显示出来。档位“合理”的判断依据见表1-表2。举例说明，如果测得某电阻在ABCDE档测得电阻分别为4.7k?、4.8k?、5.1k?、5.2k?、4.6k?，那么根据表1，应取D档数据5.2K作为最终测试数据。 2.2.1 测试电阻

如图1所示，在测量待测电阻的阻值时，我们把选定的标准电阻和待测电阻串联，并在电路两端加直流电压，通过测试待测电阻两端的电压Rtest?Vtest?RREF，即分压法计算得出Rtest

Vcc?Vtest的值。通过在面包板上的试测，我们对标准电阻的“合理”档位进行了分类，结果如表1所示。

表1 电阻测试合理档位判断表 档位 标准电阻/? A 51 B 100 C 510 D 7.5k E 510k 待测阻抗值/? 1-10 10-100 100-1k 1k-50k 50k-5M 图1 电阻电压测试点

2.2.2 测试电容

如图2所示，在测量待测电容的值时，我们把选定的标准电阻和待测电容串联，并在电路两端加交流信号，有效值为V，频率为f，通过转换采集测量得电容两端电压的有效值Vtest，于是有ZC?1?1，推得

?C2?fCV2?Vtest （1） C?Vtest?2?f?Rref2在测量电容时，我们选择的标准电阻固定，我们通过改变所加交流信号的频率来改变电容的容抗，从而提高测试精度。电容测试合理档位判断表如表2所示。

表2 电容测试合理档位判断表 档位 测试频率/Hz A 1M B 100k C 10k D 1k E 100 F 10 图2 电容电压测试点

待测阻电容/F 10-100p 100-1000p 1-10n 10-100n 100-1000n 1-10u 2.2.3 测试电感

如图3所示，在测量待测电感的值时，我们把选定的标准电阻和待测电感串联，并在电路两端加有效值为V、频率为f的交流信号，通过转换采集测量电感两端电压的有效值Vtest，于是有ZL??L?2?f?L，推得

图3 测量电感

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L?Vtest*RrefV?Vtest*2?f22 （2）

在测量电感时，分为自动测量电感量，和手动输入频率测量Q值。

在自动测量电感时，我们选择的标准电阻也是固定的，通过改变所加交流信号的频率来实现量程自动匹配，以期感抗与标准电阻在同一数量级。

手动输入频率测量电感的Q值时，则需选择不同标准电阻以期感抗和标准电阻在同一数量级。

在电阻和电感的串联电路中加直流信号，如图4所示，可

以求得电感的直流电阻RDC?V2test?RrefVcc?V2test，于是得电感Q值

2?fL （3） Q?RDC图4 测量电感内部电阻 3 各模块硬件电路设计

3.1 自制正弦信号发生器

3.1.1 频率可调的正弦信号

设计要求自制一个正弦信号发生器，首先我们用LPC1114单片机对DDS模块进行控制，很容易产生一个频率连续可调的稳定正弦信号。

3.1.2 幅值放大可调的正弦信号

如图5所示，搭建运放LM6172构成同相比例运算电路。在放大电路的输入端加一个100uF隔直电容，输出的正弦交流信号作为交流电源提供待测主回路。

3.2 测量主电路

测量主电路如图5所示，测量对象接在图中图5 高速运放构成的同相比例放大电路 所示位置，测量电阻时，开关s接直流电源一端， 测量电容电感时开端s接正弦信号。测量电阻时，

为了提高测量精度，测量不同范围的电阻时应选择不同的标准电阻，通过开关s1-s6来选择，开关S1-S6均为继电器。 图6 测试主电路

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3.3 电压采集转换测量部分

电路的测试原理全部基于电压的精确测量，所以针对直流和交流电压分别用AD直接采集和通过真有效值转换芯片转换后采集。

3.3.1 测电阻时电压的采集

由于测电阻时我们采用的直流信号，因此待测电压可以直接用单片机自带的AD进行采集。 3.3.2 测电容、电感时电压的采集

测量电容、电感时使用的是正弦交流信号，直接用AD采集计算误差较大，因此我们采用了真有效值转换芯片AD637，现将交流信号转换成等有效值的直流信号，再通过AD采集。真有效值转换电路如图7所示。

3.4 键盘设定和液晶显示

测试对象的选择、设定信号的频率以及量程的选择可以通过按键来进行切换。通过LCD驱动程序对LPC1114处理后的结果数据进行稳定显示，并且可以同时显示测试元件类型、参数，利用时钟芯片DS1302同时显示测量时间。

图7 真有效值转换芯片AD637

4 系统测试

4.1 测试仪器

标准电容箱（电容 10pF ～ 10μF ），标准电阻箱（电阻 1 Ω ～ 5M Ω ），标准电感组（电感 10 μ H ～ 100mH ），万用电桥，数字存储示波器，普通频率计。

4.2 测试方法和测试结果

4.2.1自制信号发生器的测试

（1）用示波器观察自制信号发生器输出信号的波形，调节其频率和幅值，用示波器观察是否满足设计要求的频率和幅值范围。经实测，频率范围可从1Hz到10MHz，幅值可达5V以上，频率极其稳定，超过设计要求。

（2）测量信号发生器的输出阻抗，首先在LM6172输出开路时测得输出电压有效值记为V，然后输出经一个最大值为100Ω的电位器接地，调节电位器由大到小，同时测试输出电压，当电压达V/2时，测出电位器此时的值即为输出电阻，经测试输出阻抗为18Ω，满足设计要求。 4.2.2电阻电容电感的测试

（1）将标准电阻箱分别调到1Ω-5MΩ中不同范围内的若干个值，用自制的电阻电容电感测试仪进行测量，从液晶上读出电阻值，与标准箱上的值进行比较，测试结果如表3所示。

表3 电阻测试数据 标称值 1 ? 10 ? 100? 1k? 测试值 1.05? 10.13? 101.25? 1.025k? 误差 5% 1.3% 1.25% 2.5% 4

10k? 100k? 1M? 5M? 10.02k? 101.18k? 1.014M? 5.06M? 0.2% 1.18% 1.4% 1.2% （2）将标准电容箱分别调到10pF ～ 10μF中不同范围内的若干个值，用自制的电阻电容电感测试仪进行测量，从液晶上读出电容值，与标准箱上的值进行比较，测试结果如表4所示。

表4 电容测试数据 标称值 10pF 100pF 1nF 10nF 100nF 1uF 10uF 测试值 10.48 pF 103.12 pF 1.024 nF 10.08nF 100.4nF 1.023uF 10.05uF 误差 4.8% 3.12% 2.4% 0.8% 0.4% 2.3% 0.5% （3）将标准电感组分别调到10 μ H ～ 100mH中不同范围内的若干个值，用自制的电阻电容电感测试仪进行测量，从液晶上读出电感值，与标准箱上的值进行比较，测试结果如表？所示。

表5 电感测试数据

标称值 测试值 误差 10uH 10.36 uH 3.6% 100uH 100.12uH 1.2% 1mH 0.995mH 0.5% 10mH 10.23mH 2.3% 100mH 98.55mH 1.45% （4）12864液晶显示时，可调出最近十次的测量结果显示，同时显示测试的时间、元件类型、参数。

图8 电阻电容测试显示界面

（5）在测试电感时，可以同时显示电感的L、DCR以及Q值，同时显示测量时的频率，Q值范围在20-300.

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图9 电感显示界面

(6)测试对象、测试信号频率可以通过键盘设定，量程可以自动转换。

4．3 测试结果分析

以上的测试结果表明，系统基本可以实现设计的所有要求，并且测量的误差在5%之内。

5 参考文献

【1】童诗白，华成英.模拟电子技术基础,4版.北京：高等教育出版社,2006 【2】阎石,数字电子技术基础,4版.北京：高等教育出版社，1998 【3】海纳电子资讯网，DDS短波信号发生器

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/azlv.html