基于振蕩的單片機RLc測試儀的設計

徐仲意 何建強 陳垚 邵昱博

摘 要：為克服傳統的外加交流測量法電源波動易引起偏差和文氏電橋測量法參數調節復雜等問題，文章設計了以89C51單片機系統為核心的RLC測試儀，實現RLC參數的自動測量和顯示，該測試儀具有自動量程轉換、實時顯示等功能。通過Multisim軟件，對電阻、電容以及電感所組成的振蕩電路進行仿真設計，系統結構合理、操作便捷，且測量準確度高、響應速度快、測量范圍廣

關鍵詞：振蕩；單片機；RLC測試儀

隨著電子工業的發展，電子元器件急劇增加，在實際使用過程中，我們要對一些電感、電阻、電容值進行測量。因此，設計出一款安全、便捷、可靠、精度高的無線鏈路層控制協議（Radio Link Control，RLC）測試儀，具有很大的實際意義。常見的電路參數數字化測量裝置都是先將被測參數進行轉化，例如轉換成直流電壓或頻率，然后再進行測量。諧振法和電橋法是測量電容值常用的兩種方法。諧振法電路結構簡單，測量速度快，但精度低；電橋法精度高，但測量速度慢。目前，隨著技術的不斷進步，數字化測量裝置在精度和測量速度上有了很大的提高，恒流法和比較法是現在常用的電容測量方法，時間常數和同步分離法是電感測量常用的方法。

綜上所述，目前測量電阻、電容、電感的測量方法較多，并且相對復雜。所以本文以555振蕩器為基礎，利用555振蕩器將被測參數轉化為頻率，利用等精度數字頻率計完成頻率的計數，然后再將結果送單片機運算，再通過該頻率計算出各個參數。

1 整體設計

本設計中利用RC振蕩電路和LC電容三點式振蕩電路，先將R，L，C轉換為頻率信號，然后根據單片機所選通道，發送兩路地址信號給模擬開關，將獲得的振蕩頻率作為單片機的時鐘源。通過計數器即可獲取被測頻率，由該頻率就能計算出各個參數。是否轉換量程也可根據所測頻率來進行判斷，或者是把數據處理后，把R，L，C的值送數碼管顯示相應的參數值，利用編程實現量程自動轉換。系統測量原理框如圖1所示。

2 RLC的測量原理

在數字電子技術基礎中，由555定時器構成的多諧振蕩器最簡單的電路及電路工作波形如圖2所示。

以t=t7為起始點，可得充電時間Z為：

（l）

若以t為起始點，可得電容C的放電時間為：

（2）

由此可得，方波的周期為T=Tl+T2，頻率為：

（3）

所以，選擇標準電阻R，和標準電容C后，該電路就能夠用來測量電阻，R2就是被測電阻。也就是將被測電阻Rx接在R.位置上。這樣，通過所測振蕩器的輸出頻率就可以通過上述公式計算出Rx。

當測量電容C時，Ri和R2接標準電阻，原電路中C用被測電容Cx代替。同理，通過所測量的輸出頻率，利用上式算出Cx的值。

電容三點式振蕩電路的振蕩頻率為：

由公式可知，振蕩頻率f0大小由電感L和電容C的值來決定，因此，改變電容C即可調節振蕩頻率。當用該電路來測量電感值時，只需選擇標準電容C1和C2，L就是被測電感。這樣，利用所測振蕩器的輸出頻率通過上述公式就可以計算

3硬件電路設計

CPLD測量頻率模塊邏輯設計中在調試軟件Quartusll5.0中進行邏輯電路的寫入，然后進行編譯，生成代碼，經JTAG下載至芯片中。

輸入信號調理電路由D觸發器、反相器和過零比較器構成，經過過零比較器后輸入信號變為方波信號，為了改善方波的上升沿和下降沿，增加了兩個斯密特反向器構成整形電路，整形后的信號作為預置閘門的同步信號。

4 軟件設計

在本測試儀的設計中，以單片機為核心，通過數碼管對被測參數進行顯示，測試儀的軟件設計總流程如圖3所示。

該測試儀中無論是對電阻、電容還是電感的測量，都是先將被測信號轉換為頻率后再測量，因此，頻率的測量是本設計中軟件設計的核心，其測量精度會直接影響測試儀的測量精度。

5 測試結果

根據原理圖焊接CPLD底座及相關電路，檢查準確無誤后，插入CPLD，給CPLD內寫入片選邏輯代碼，用Quartusll5.0寫入CPLD，調試LED[7]。在Kei151平臺上，對單片機程序進行調試、編譯，通過ISP燒錄入單片機中，并運行。

當參數選擇C=0.5nF時，測得f=477 kHz。選取100 yH-10 mH之間的若干電感標稱值進行測試，測試結果如表1所示。

6 結語

本測試儀利用RC振蕩電路和電容三點式振蕩電路，將RLC參數信號轉換為脈沖頻率信號，通過CD4052模擬開關送入單片機進行計數，然后顯示被測參數的測量值。本設計充分利用AT89S52單片機能夠精確控制采樣脈沖頻率信號的優勢，有效地提高了測試精度，并簡化了硬件結構。軟件采用C語言進行編程，根據實際情況控制被測參數的相應程序，實現被測參數檔位的靈活切換。經過測試，系統測量精度高、響應快、測量范圍寬，克服了傳統的外加交流測量法電源波動易引起偏差和文氏電橋測量法參數調節復雜等問題。