简易电阻、电容和电感测试仪设计

元器件参数测量仪的设计 一、一、课程目的 课程目的 1．加深对电路分析、模拟电路、数字逻辑电路、微处理器等相关课程理论知识的理解； 2．掌握电子系统设计的基本方法和一般规则； 3．熟练掌握电路仿真方法； 4．掌握电子系统的制作和调试方法； 二、二、设计任务设计任务 1． 设计并制作一个元器件参数测量仪。 2． （基本要求）电阻阻值测量，范围：100 欧~1M 欧； 3． （基本要求）电容容值测量，范围：100pF~10 000pF； 4． （基本要求）测量精度：正负5% ； 5． （基本要求）4 位显示对应数值，并有发光二极管分别指示所测器件类型； 6． （提高要求）增加电感参数的测量； 7． （提高要求）增加三极管直流放大倍数的测量； 8． （提高要求）扩大量程； 9． （提高要求）提高测量精度； 10． （提高要求）测量量程自动切换； 三、任务说明：三、任务说明： 电阻电容电感参数测量常用电桥法，该方法测量精度，但是电路复杂。也可为简化起见，电阻测 量也可采用简单的恒流法，电容采用555 定时电路； 1 1、绪论、绪论 在现代化生产、学习、实验当中，往往需要对某个元器件的具体参数进行测量，在这之中万用表 以其简单易用，功耗低等优点被大多数人所选择使用。然而万用表有一定的局限性，比如： 不能够测量 电感， 而且容量稍大的电容也显得无能为力。 所以制作一个简单易用的电抗元器件测量仪是很有必要的。 现在国内外有很多仪器设备公司都致力于低功耗手持式电抗元器件测量仪的研究与制作， 而且精 度越来越高，低功耗越来越低，体积小越来越小一直是他们不断努力的方向。 该类仪器的基本工作原理是将电阻器阻值的变化量， 电容器容值的变化量， 电感器电感量的变化量通过 一定的调理电路统统转换为电压的变化量或者频率的变化量等等，再通过高精度AD 采集或者频率检测 计算等方法来得到确定的数字量的值，进而确定相应元器件的具体参数。 2 2、电路方案的比较与论证、电路方案的比较与论证 2.1 电阻测量方案 方案一：利用串联分压原理的方案 VCC RxR0 GND 图 2-1 串联分压电路图 根据串联电路的分压原理可知，串联电路上电压与电阻成正比关系。测量待测电阻Rx 和已知电阻 R0上的电压，记为 Ux和 U0. R x  U xR 0 U 0 方案二：利用直流电桥平衡原理的方案 VCC G R3 Rx GND R1 R2 图 2-2直流电桥平衡电路图 根据电路平衡原理，不断调节电位器R3，使得电表指针指向正中间，再测量电位器电阻值。 R x  R 2 R 3 R 1 1 方案三：利用 555 构成单稳态的方案 图 2-3555 定时器构成单稳态电路图 根据 555 定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得出频率， 通过公式换算得到电阻阻值。 由f  1 ln2*(R 1 2R x )*C 11 得R x *( R 1) 2ln2* f *C 上述三种方案从对测量精度要求而言，方案一的测量精度极差，方案二需要测量的电 阻值多，而且测量调节麻烦，不易操作与数字化，相比较而言，方案三还是比较符合要求 的，由于是通过单片机读取转化，精确度会明显的提高。故本设计选择了方案三。 2.2 电容测量方案 方案一：利用串联分压原理的方案（原理图同图 2-1） 通过电容换算的容抗跟已知电阻分压，通过测量电压值，再经过公式换算得到电容的 2 值。原理同电阻测量的方案一。 方案二：利用交流电桥平衡原理的方案（原理图同图 2-2） Z 1 Z 2 ej(12) Z 2 Z x ej(2x) 通过调节 Z1、Z2 使电桥平衡。这时电表的读数为零。通过读取 Z1、Z2、Zn 的值， 即可得到被测电容的值。 方案三：利用 555 构成单稳态原理的方案 图 2-4555 定时器构成单稳态电路图 根据 555 定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得出频率，通 过公式换算得到电容值。 由f  1 ln2*(R 1 2R 2 )*C x 1 3ln2* f *R 1 若 R1=R2,得C x  上述三种方案从对测量精度要求而言，方案一的测量精度极差，方案二需要测量的电 容值多，而且测量调节麻烦、电容不易测得准确值，不易操作与数字化，相比较而言，方 3 案三还是比较符合要求的，由于是通过单片机读取转化，精确度会明显的提高。故本设计 选择了方案三。 2.3 电感测量方案 方案一：利用交流电桥平衡原理的方案（原理图同图 2-2） 方案二：利用电容三点式正弦波震荡原理的方案 由 图 2-5 电容三点式正弦波震荡电路图 f  1 C 1 *C 22*L x C 1 C 2 得 L x  1 2 C 1 *C 2(2f ) C 1 C 2 4 上述两种方案从对测量精度要求而言，方案二需要测量的电感值多，而且测量调节麻 烦、电感不易测得准确值，不易操作与数字化，相比较而言，方案二还是比较符合要求的， 由于是通过单片机读取转化，精确度会明显的提高。故本设计选择了方案二。 3 3、核心元器件介绍、核心元器件介绍 3.1 LM317 的介绍 LM317 可输出连续可调的正电压，可调电压范围 1.2V—37V，最大输出电流为 1.5A， 内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠、应用方便、性能优良等特点。 引脚图： 典型电路： ViVO R 1、R2 组成电压输出调节电路，输出电压U O 表达式为： 5 U O 1.25(1 R 2) V R 1 电容C 2 与R 2 并联组成滤波电路，减小输出的纹波电压。二极管D 2 的作用是防止输出端 与地短路时，电容C 2 上的电压损坏稳压器。 3.2 LM337 的介绍 与 LM317 正好相反，LM337 可输出连续可调的负电压，可调电压范围 1.2V—37V， 最大输出电流为 1.5A，内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠、应用方便、性能优 良等特点。 引脚图： 典型电路： R 1、R2 组成电压输出调节电路，输出电压U O 表达式为： U O  -1.25(1 6 R 2) V R 1 3.3 NE555 的介绍 555 集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做 555 定时器或 555 时基电路。但后来 经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计 量检测。此外，还可以组成脉冲震荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电 源变换、频率变换、脉冲调制等。它由于工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被用于各 种电子产品中，555 集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S 触发器、 放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体。 555 集成电路内部结构图： 引脚图： 7 管脚介绍： 555 集成电路是 8 脚封装，双列直插型，如图（A）所示，按输入输出的排列可看成如 图（B）所示。其中6 脚称阈值端（TH） ，是上比较器的输入；2 脚称触发端，是下比较器 的输入；3 脚是输出端（VO） ，它有 0 和 1 两种状态，由输入端所加电平决定；7 脚是放电 端（DIS） ，它