基于單片機的電阻電容測量儀

河南職業技術學院 王 彪 婁學輝

1.引言

在對電子元器件使用時，必須首先了解它的參數，電阻有阻值、電容有容值。這就要求能夠對元器件的參數進行精確的測量。電阻的阻值相對比較容易測量，用伏—安法就可以精確的測量出來。但是對電容的測量就比較麻煩了，最初人們還是通過萬用表來對電容值進行估算，這種方法不但麻煩而且測量精度也比較低。隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術的快速發展及其在電子測量技術與儀器上的應用，新的測試理論、新的測試方法、新的測試領域以及新的儀器結構不斷涌現。人們對儀器的要求也在逐漸提高，本文設計了一款更智能化、體積更小、功能強大的便攜式RC測量儀。

2.硬件電路設計與實現

總體硬件電路主要包括四部分：正弦信號電路、前端控制電路、單片機控制電路、LCD顯示電路。

2.1 主控芯片

本系統采用PIC16F877單片機作為控制核心，PIC16F877單片機是PIC系列單片機的中級產品，采用RISC指令系統，一共只有35條單字指令，簡單易用；工作速度快，可接收DC-20MHz時鐘輸入，指令周期可達到200ns；存貯空間大，具有高達8K字的FLASH程序存儲器和368字節的數據存儲器。除此之外，它具有14個內部/外部中斷源和8級硬件堆棧，便于編程；帶有片內RC振蕩器的監視定時器，保證其可靠工作；可根據不同需要選擇不同的振蕩器工作方式以減小功耗，同時在保持低價的前提下增加了A/D、內部EEPROM存儲器、比較輸出、捕捉輸入、PWM輸出、SP1接口、異步串行通信(USART)接口、模擬電壓比較器、LCD驅動等許多功能。

2.2 正弦信號電路設計

測量儀是以正弦波做為測量信號供單片機進行正交采樣，正弦波的頻率直接影響到測量的精度，要求正弦波頻率精度高，并且頻譜純度和穩定度也要高。因此本系統采用DDS合成芯片AD9850來產生正弦波。AD9850是美國AD公司生產的高集成度的DDS合成芯片。它采用32位相位累加器，截斷成14位，輸入正弦查詢表，查詢表輸出截斷成10位，輸入到DAC。DAC輸出兩個互補的模擬電流，接到濾波器上。但是AD9850直接產生的信號幅度只有2V左右，而且是單極性的。而測試的時候需要的是雙極性的正弦信號，因此DDS輸出的信號還要經過隔直和放大。AD9850輸出的信號經過RC高通濾波器，將直流分量濾除，輸出交流信號，再經放大器放大，電壓跟隨，輸出幅度適當、帶載能力較強的信號源。電路如圖1所示。

圖1 系統電路原理圖一

2.3 前端電路模塊

前端電路主要是實現量程電阻的切換，增益控制。本方案采用電阻分壓法，量程電阻與待測元件進行分壓，再由單片機控制模擬開關分別選通量程電阻和待測元件的信號通道，將它們分壓所得到的信號分別送入差分式放大電路。將由差分式放大電路出來的正弦波經過電位提升電路后，再由單片機采集，在此過程中，量程電阻的自動切換，以及減小模擬開關對測試過程帶來的誤差是設計的難點。前端電路是影響系統測量范圍和測量精度的關鍵。

圖2 系統電路原理圖二

圖3 軟件流程圖

2.3.1 量程電阻選擇方案設計

量程電阻R的切換是通過單片機控制模擬開關CD4052來實現。模擬開關存在導通電阻和漏電流，如果太大會對測試精度產生很大影響。當RS+Zx較小時，模擬開關的導通電阻就不可忽略。因此消除導通電阻對電路的影響十分重要。通過實驗，采用如圖2所示的原理電路。圖2中選用4X2的模擬開關，Ron(1,2,3,4)、Ron(1,2,3,4)是模擬開關的導通電阻；Rs(1,2,3,4)為標準電阻；Z為被測元件。采用該電路減小了導通電阻對測試精度的影響。

2.3.2 增益控制

在測量時，如果由于某種原因使得正弦信號幅度變小，那么在分壓的時候就有可能出現某個元件分壓得到的信號非常微小的情況。由于單片機可以對0—5V的模擬信號進行8位的A/D轉換，所以A/D轉換的精度可以算得為5/256=0.02V，也就是說如果信號過于微小而低于0.02V時，A/D轉換就會產生轉換誤差，所以我們需要對增益進行控制，以使測量儀在正弦信號的幅度變化時依然能正常工作。

增益控制電路如圖2所示，經過分壓后的信號都會送入一個由集成運放所構成的差分式放大電路。因為差分式放大電路是對兩個輸入端之間的差值進行放大，而且對干擾信號輸入的共模信號有很強的抑制作用，所以使用其做為放大電路可以有效的提高測量精度和測量儀的抗干擾性。

2.4 電位提升電路

本次設計采用的是PIC的ADC模塊實現模擬信號的數據采集，并選擇了電源電壓(5V)作為參考基準電壓，所以單片機只能夠正確采集0到5伏之間的電壓，而正弦波輸入的是一個交流信號，在負半周期是負電位，使得單片機不能正確的采樣，所以在將信號送入單片機以前需要對交流信號進行電位提升，使整個正弦信號任意時刻的電位都大于或等于0，電位提升電路。

將輸入信號通過一個放大倍數為1的集成運放，在運放的信號輸入腳3上由R1和R3提供一個直流電位，通過改變R1的阻值將直流電位調節到的2.5V，這樣正弦信號就可以調節到如圖2所示的形狀，再供給單片機采樣。

單片機采樣經過電位提升以后的信號所得到的值并不能直接進行計算，而還需要將這些值減掉2.5V的直流電位才可以計算。

2.5 LCD顯示電路

顯示電路選用的是LCD模塊RC1602，液晶顯示模塊主要由點陣式液晶顯示屏(LCD)、微控制器、驅動電路三部分組成。電路如圖1所示。

3.軟件設計與實現

根據各部分功能要求，整個系統的軟件程序由初始化程序，量程電阻選擇程序，AD轉換程序，增益控制程序，數據處理程序，ASII碼轉換程序以及顯示程序等子程序組成。最后調用各模塊，將它們聯系起來，形成一個有機的整體，從而實現對儀器的全部管理功能。以上面所述的思路為基礎，通過研究最后得到整個軟件程序設計的流程圖，如圖3所示。

4.結語

本測量儀能自動的識別出待測元件是電阻還是電容。由單片機控制根據待測元件電抗值的大小自動轉換到合適的基準電阻檔位，以實現量程的自動轉換。解決了舊的測量儀器在測量前需要人工判斷待測元件參數范圍，然后再手動的選擇合適量程檔位的弊端。

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