毕业设计（论文）-基于富士通单片机的电容电感测试仪.doc

西 南 交 通 大 学 本科毕业设计（论文） 基于富士通 mcu 的简易电容电感测试仪 年 级:2008 级 学 号:20082594 姓 名: 专 业:电子科学与技术微电子方向 指导老师: 2012 年 5 月 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页 院 系 信息科学与技术学院 专 业 电子科学与技术微电子方向 年 级 2008 级 姓 名 陈铁铮 题 目 基于富士通 mcu 的简易电容电感测试仪 指导教师 评 语 指导教师 (签章) 评 阅 人 评 语 评 阅 人 (签章) 成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 班 级 学生姓名 学 号 发题日期： 年 月 日 完成日期： 月 日 题 目 基于富士通 mcu 的简易电容电感测试仪 1、本论文的目的、意义 在电子电路的设计中，经常需要使用到电容，电感，而其 标称值与实际值往往存在一定误差，这种误差有可能会影响到所设计的性能指标， 因此如果能精确测量其值，将会对理论上的设计提供更加可靠的数据参考。此外， 对一些自制的元器件而言，也可以较为便利的测试其值，为进一步的工作奠定基础。 本设计的目的就是基于此，拟通过单片机来实现对一定范围的电容和电感值进行快 速测量。 2、学生应完成的任务 要求所设计的测试仪的测量范围：电容 100-10000pf；电感 100h-100mh 测量精度：5% 制作 4 位数码管显示器，显示测量数值，并用发光二极管分别指示所测元件的类 型和单位。 具备测量量程自动转换功能。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 iiiiii 页 3、论文各部分内容及时间分配：（共 16 周） 第一部分 调研，查阅资料，了解相关知识，给出初步方案 (3 周) 第二部分 学习富士通 mcu 相关知识。 ( 3 周) 第三部分 修改并最终确定方案，着手编程和硬件设计。 (6 周) 第四部分 撰写毕业设计论文。 (3 周) 第五部分 ( 周) 评阅及答辩 ( 1 周) 备 注 指导教师： 年 月 日 审 批 人： 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 iviv 页 摘 要 随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广 泛起来，在应用中我们常常要测定电容，电感的大小。因此，设计可靠，安全，便 捷的电容，电感测试仪具有极大的现实必要性。 在系统硬件设计中，以 mcu 单片机为核心的电容、电感测试仪，将电容，电感， 使用对应的振荡电路转化为频率实现各个参数的测量。采用 lm393（u3a）组成的 lc 振荡器，将振荡频率送入 mcu 的计数端端，通过定时并且计数可以计算出被测频率， 再通过该频率计算出被测参数显示到数码管。 在系统的软件设计是以 f2mc-16 softune v3 软件为仿真平台，使用 c 语言与 汇编语言混合编程编写了系统应用软件；包括主程序模块、显示模块、电容测试模 块和电感测试模块。 本实验分别对 555 间接反馈型无稳态路，电容三点式振荡和 lm393（u3a）lc 振 荡电路进行了测试，分析测试结果，最终采用 lm393（u3a）lc 振荡电路。在实验室 里进行了测试，结果表明该样机的功能和指标得到了设计要求。 关键词：mcu mb95200 单片机，555 间接反馈型无稳态路，电容三点式振荡， lm393（u3a）lc 振荡电路 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 v v 页 abstract with the development of electronic industry, electronic components rapidly increased, the scope of electronic components widely up gradually, in applications we often need to measure capacitance, inductance size. therefore, the design of reliable, safe, convenient capacitance, inductance tester of great practical necessity. in the hardware design of the system, using mcu mcu as the core of capacitance, inductance tester, capacitance, inductance, using the corresponding oscillating circuit is converted to frequency parameters measurement. using lm393( u3a ) consisting of lc oscillator, the oscillation frequency is fed into the mcu count end, through the timing and counting can be calculated from the measured frequency, then the frequency is calculated from the measured parameters to the digital tube display. in the software design of the system is based on f2mc-16softune v3 software simulation platform, using c and assembly language programming to prepare the system application software; including the main program module, display module, test module and test module capacitance inductance. the experiments were on555 indirect feedback without steady state road, the capacitance of the three point oscillator and lm393( u3a ) lc oscillating circuit testing, analysis of test results, finally using lm393( u3a ) lc oscillating circuit. tested in the laboratory, the results show that the prototype of the functions and indicators are the design requirements. key words: mcu mb95200 scm,555 indirect feedback without steady state road, the capacitance of the three point oscillator, lm393( u3a ) lc oscillating circuit 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 vivi 页 目 录 1 前言1 1.1 设计的背景及意义1 1.2 电容、电感测试仪的发展历史及研究现状2 1.3 本设计所做的工作3 2 电容、电感测试仪的系统设计4 2.1 电容、电感测试仪设计方案比较4 2.2 系统的原理框图5 3 电容、电感测试仪的系统硬件设计6 3.1 测量电容电路的设计6 3.1.1 555 定时器简介.6 3.1.2 测量电容电路的设计.6 3.1.3 测量电容电路的仿真.7 3.1.4 测量电容电路的分析.9 3.2 测量电感电路的设计及仿真10 3.2.1 电容三点式电路简介10 3.2.2 测量电感电路的设计.11 3.2.3 测量电感电路的仿真12 3.2.4 测量电感电路的分析.13 3.3 lm393(u3a)lc 振荡电路的设计及仿真.15 3.3 1 lm393 运算放大器介绍.15 3.3 2 lc 振荡电路的设计16 3.3.3 lc 振荡电路的仿真18 3.3.4 lc 振荡电路的分析.20 3.4 led 数码管电路与外部频率计数电路的设计.21 4 电容、电感测试仪的软件设计25 4.1 i/o 口的分配25 4.2 主程序流程图25 4.3 频率参数计算的原理以及流程图26 5 pcb 板的设计与系统的调试 27 5.1 altium designer 的介绍与 pcb 板的设计27 5.2 系统调试与系统测试29 5.3 误差分析和处理.30 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 1 页 6 结论与展望34 致谢36 参考文献37 附录38 附录一 系统原理图及 pcb38 附录二 源程序 40 附录三 测试数据表以及误差 附录四 单片机原理图 7 外文翻译 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 1 页 1 前言 1.1 设计的背景及意义 目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也 逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电容，电感的大小。因此，设计可靠，安 全，便捷的电容，电感测试仪具有极大的现实必要性。 通常情况下，电路参数的数字化测量是把被测参数传换成直流电压或频率后进 行测量。 传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。前者电路简单，速度快，但精度 低；后者测量精度高，但速度慢。随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精度 上有很大的改善，电容的数字化测量常采用恒流法和比较法。 电感测量可依据交流电桥法，这种测量方法虽然能较准确的测量电感但交流电 桥的平衡过程复杂，而且通过测量 q 值确定电感的方法误差较大，所以电感的数字 化测量常采用时间常数发和同步分离法。 由于测量电容，电感方法多并具有一定的复杂性，所以本次设计研究了多套测量电 感电容测试电路的分析，分别对电容三点式振荡电路，555 间接反馈型无稳态路， lm393（u3a）lc 振荡电路进行了仿真分析。最终确定了用 lm393(u3a)lc 振荡电路 进行测量，将测量频率送入富士通单片机 io 口，对频率进行测量同时计算电容电感 值，处理误差，输出显示到数码管。 1.2 电容、电感测试仪的发展历史及研究现状 当今电子测试领域，电容和电感的测量已经在测量技术和产品研发中应用的十 分广泛。国内外电容和电感测试发展已经很久，方法众多，常用测量方法如下： 1.传统的测量电容方法有谐振法和电桥法两种。前者电路简单，速度快，但精 度低；后者测量精度高，但速度慢。随着数字化测量技术的发展，在测量速度和精 度上有了很大的改善，担任的数字化测量常采用恒流法和比较法。 2.电感测量可根据交流电桥法，这种测量方法虽然能较准确的测量电感但交流 电桥的平衡过程复杂，而且测量 q 值确定电感确定的电感方法误差较大，所以电感 的数字化测量常采用时间常数法和同步分离法。 早在我们 1997 年 5 月 21 日中国航空工业总公司研究出一种电阻电感电容在线 测量方法及装置等电位隔离方法，用于对在线的电阻电感电容元件实行等电位隔离。 纵览目前国内外的 lc 测试仪，硬件电路往往比较复杂，体积比较庞大，不便携 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 2 页 带，而且价格比较昂贵。例如传统的用阻抗法，q 表，电桥平衡法等测试 lc 的过程 中不够智能而且体积笨重，价格昂贵，需要外围环境优越，测试操作过程中需要调 很多参数，对于初学者来说很不方便，不便于普及。当今社会对于 lc 的测试虽然成 熟了，但是价格和操作简单特别是智能方面有待发展，价格便宜和操作简单，智能 化的仪表开发和应用存在巨大的发展空间，本系统正是应社会发展的要求，研制出 一种价格相对便宜和操作很傻瓜，自动转换量程，体检更小，功能强大，便于携带 的 lc 测量仪，充分利用现代单片机技术，研究了基于单片机的智能 lc 测量仪，人 机界面友好，操作傻瓜的智能 lc 测量仪，具有十分重要的意义。 目前，测量电子元件集中参数 r、l、c 的仪表种类较多，方法也各不相同，这 些方法都有其优缺点。测量电器元件 l、c 的最典型的方法是电桥法。电感 l、电容 c 可用交流电桥测量。电桥的平衡条件为 12 ()() 12 nx jj nx zzezze 通过调节阻抗、使电桥平衡，这时电表读数为零。根据平衡条件以及一些 1 z 2 z 已知的电路参数就可以求出被测参数。用这种测量方法，参数的值还可以通过联立 方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥的平衡判别亦难用简单电路实现。这样， 电桥法不易实现自动测量。 q 表是用谐振法来测量 l、c 值。它可以在工作频率上进行测量，使测量的条件更接 近使用情况。但是，这种测量方法要求频率连续可调，直至谐振。因此它对振荡器 的要求较高，另外，和电桥法一样，调节和平衡判别很难实现智能化。用阻抗法测 l、c 有两种实现方法：用恒流源供电，然后测元件电压；用恒压源供电，然后测元 件电流。由于很难实现理想的恒流源和恒压源，所以它们适用的测量范围很窄。 很多仪表都是把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。基 于此思想，我们把电子元件的集中参数 l、c 转换成频率信号 f,然后用单片机计数 后在运算求出 l、c 的值，并送显示，转换的原理 lc 三点式振荡。其实，这种转换 就是把模拟量进拟地转化为数字量，频率 f 是单片机很容易处理的数字量，这种数 字化处理一方面便于使仪表实现智能化，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。 本设计中把 l、c 转换成较易测量的频率信号 f，转换的原理是 lm393lc 式振荡 电路把电容电感量转换为频率信号，使电容、电感的测量归结为频率的测量，单片 机根据所选通道，取得振荡频率，作为单片机的时钟源，通过计数则可以计算出被 测频率，再通过该频率计算出各个参数。然后根据所测频率判断是否转换量程，或 者是把数据处理后，把 l、c 的值送数码管显示相应的参数值，利用编程实现量程自 动转换。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 3 页 1.31.3 本设计所做的工作本设计所做的工作 本设计是以 lm393（u3a)lc 为核心的振荡电路，将被测参数模拟转化为频率， 并利用单片机实现计算频率，所以，本次设计需要做好以下工作： (1)设计测量电阻，电容，电感的振荡电路。 (2)学习 altium designer、f2mc-16 softune v3 等工具软件的使用方法。 (3)学习单片机原理等资料。 (4)设计测量 led 动态显示电路。 (5)设计测量频率程序，设置程序。 (6)用 altium designer 软件绘制电原理图和印刷电路版图。 (7)安装和调试，并进行实际测试，记录测试数据和结果。 (8)撰写毕业论文。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 4 页 2 电容、电感测试仪的系统设计 2.1 电容、电感测试仪设计方案比较 电容、电感测试仪的设计可用多种方案完成，例如利用模拟电路，电容可用恒 流法和比较法，电感可用时间常数发和同步分离法等、使用可编程逻辑控制器(plc)、 振荡电路与单片机结合或 cpld 与 eda 相结合等等来实现。在设计前对各种方案进 行了比较： 1)利用纯模拟电路 虽然避免了编程的麻烦，但电路复杂，所用器件较多，灵活性差，测量精度低， 现在已较少使用。 2)可编程逻辑控制器(plc) 应用广泛，它能够非常方便地集成到工业控制系统中。其速度快，体积小，可 靠性和精度都较好，在设计中可采用 plc 对硬件进行控制，但是用 plc 实现价格 相对昂贵，因而成本过高。 3)采用 cpld 或 fpga 实现 应用目前广泛应用的 vhdl 硬件电路描述语言，实现电容，电感测试仪的设计， 利用 maxplusii 集成开发环境进行综合、仿真，并下载到 cpld 或 fpga 可编程 逻辑器件中，完成系统的控制作用。但相对而言规模大，结构复杂。 4)利用振荡电路与单片机结合 利用 555 多谐振荡电路将电容参数转化为频率，而电感则是根据电容三点式电路也 转化为频率，lm393（u3a）lc 振荡电路更是巧妙的使电容电感稳定起振，并将输出 反馈回来进行比较输出一定频率的方波。 这样就能够把模拟量近似的转换为数字量，而频率 f 是单片机很容易处理的数 字量，一方面测量精度高，另一方面便于使仪表实现自动化，而且单片机构成的应 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 5 页 用系统有较大的可靠性。系统扩展、系统配置灵活。容易构成各种规模的应用系统， 且应用系统有较高的软、硬件利用系数。单片机具有可编程性，硬件的功能描述可 完全在软件上实现，而且设计时间短，成本低，可靠性高。 综上所述，利用振荡电路与单片机结合实现电容、电感测试仪更为简便可行， 节约成本。所以，本次设计选定以单片机为核心来进行，下面章节将对不同的电路 方案进行分析确定测量方案。 2.2 系统的原理框图 本设计中，考虑到单片机具有物美价廉、功能强、使用方便灵活、可靠性高等 特点，拟采用 mcu_mb95200 系列的单片机为核心来实现电容、电感测试仪的控制。 系统分两大部分：测量电路、控制电路以及显示电路。系统设计框图如下所示。 系统流程图 框图各部分说明如下： （1）控制部分与显示部分：本设计以单片机为核心，采用 mcu_mb95200 单片机， 利用其管脚的基本功能以及所具备的中断系统，定时/计数器和 led 显示功能等。 led 灯：本设计中，设置了 2 盏 led 指示灯，采用红色的 led 指示 nf 和 mh 两个单位，绿色的 led 指示 pf 和 uh 两个单位。数码管显示：本设计中有 1 个四位 数码管，一片 74ls48 数码管显示芯片连接构成动态显示部分。 按键：本设计中有两个按键，一个是 rest，控制单片机重新测量，另外一个是 测 试器件选择，按下开关表示电路可以测量电感，弹起开关表示电路可 被测电容 被测电感 555 间接反馈 型无稳态路 电容三点式振 荡 mcu 单片机 按键选择电路 数码管显示 led 灯显示 被测器件 lm393 lc 振荡 电路 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 6 页 以测量电容。 （2）测量电路：rc 震荡电路是利用 555 振荡电路实现被测电阻和被测电容频率化。 电容三点式振荡电路是利用电容三点式振荡电路实现被测电感参数频率化。lm393 lc 振荡电路是利用电感和电容振荡实现被测器件频率化。通过 51 单片机的 io 口自 动识别量程切换，实现自动测量。 3 电容、电感测试仪的系统硬件设计 3.1 测量电容电路的设计 3.1.1 555 定时器简介 555 定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良， 适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振 荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成 555 定时被广泛应用于 脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。 定时器内部结构 3.1.2 测量电容电路的设计 采用 555 间接反馈型无稳态电路，根据电容量的不同充放电过程，振荡频率也 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 7 页 不同，采用相对测量方式用单片机计算出被测电容的值，首先我们用单片机控制 1 c 继电器控制开关 j1 测基准电容的振荡频率，再控制继电器测和并联后 2 c 1 c 2 c 的振荡频率.通过以下公式算出电容量的大小，原理图如下：)( 21 cc 1 c 555 间接反馈型无稳态路 其中 或(1)crrt693 . 0 21 ）（ 充 crrt693. 0 13 ）（ 充 或 (2)crt693 . 0 2放 crt693 . 0 3放 (3) 放充 tt f 1 化简后得出： 2 0 1 ) 1(c f f c x 可以计算出待测的电容值。 （图中可以根据被测电容的大小通过继电器控制 j2 开关 选择与电容相匹配的电阻进行合理充电） 。 3.1.3 测量电容电路的仿真 （1）multisim 仿真软件简介： multisim 是加拿大图像交互技术公司（interactive image technoligics 简称 iit 公司)推出的以 windows 为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 8 页 工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的 仿真分析能力。 工程师们可以使用 multisim 交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。 multisim 提炼了 spice 仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的 spice 技术就 可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过 multisim 和虚拟仪器技术，pcb 设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到 原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 这次主要利 用软件建立原理图，对原理图进行仿真功能，使用模拟示波器观察输出波形，总的 来说，multisim 软件用起来很直观很简便，很容易上手。 （2）利用 multisim 仿真软件对电路仿真原理，双击 xsc1 后可查看仿真波形，仿 真波形如下图所示 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 9 页 仿真可以看出，电路输出为标准的方波，单片机通过测量方波的频率即可测量 电容值。但是具体该电路是否适用，下面做下简单的分析。 3.1.4 分析原理图电路 电路中为工作电容，电路将对进行充电放点产生振荡，或者为充电 2 c 2 c 2 r 2 r 电阻。有仿真图可以看出输出是频率很稳定的方波，这也是 555 定时器间接反馈无 稳态电路稳定的优点。但是有个前提条件就是要确保电路振荡频率在一定范围内， 也就是充电时间要足够长，一旦电路充电时间很短，电路振荡频率过快，实际电路 将很难测出充电时间。虽然可以通过调节电阻与的阻值来控制充放电时间，但 2 r 3 r 是实际中测量小电容的误差仍然很大。 总结方案：该方案只适合测量 uf 级别的电解电容。本实验不采取该方案，读者 可以适用该方案去测量大的电解电容。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 10 页 3.23.2 测量电感电路的设计测量电感电路的设计 3.2.1 电容三点式振荡电路介绍 电容三点式振荡电路又称考毕兹振荡电路,如图 z0808 所示,其结构与电感三点式 振荡电路相似,只是将电感、电容互换了位置。为了形成集电极回路的直流通路,增 设了电阻rc。该电路的交流通路如图 z0809 所示。可以看出,它符合三点式振荡电 路“射同基反“的构成原则,满足自激振荡的相位平衡条件。 在lc 谐振回路q值足够高的条件下,电路的振荡频率为 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 11 页 其中 这种振荡电路的特点是振荡频率可做得较高,一般可达到 100mhz 以上,由于c2 对高次谐波阻抗小,使反馈电压中的高次谐波成分较小,因而振荡波形较好。电路的 缺点是频率调节不便,这是因为调节电容来改变频率时,（既使c1、c2 采用双连可 变电容）c1 与c2 也难于按比例变化,从而引起电路工作性能的不稳定。因此,该电 路只适宜产生固定频率的振荡。 用集成运放构成的电容三点式振荡电路,如 z0810 所示。可以证明,其振荡频率 为： 3.2.2 测量电感电路的设计 我们采用三点式振荡相对测量方式测频率法，原理图如下： 电感测量电路 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 12 页 我们首先通过控制继电器测基准电感的振荡频率，再控制继电器测基准电感 0 l 和被测电感串联后的振荡频率，通过以下公式可算出被测电感的电感量。)( 0x ll x l 振荡测频率法是采用三点式谐振电路来使电路发生谐振，对产生的正弦波 进行整形，形成方波，再通过单片机对整形之后的信号进行频率测量，根据待测电 感的振荡频率的大小，基准电容的大小,基准电感的大小， 基准频率 x f 0 l 的大小，则可得电感值的大小：因为=,又因为是 0 f lc f 2 1 cl 2 1 c2 1 已知的，假设如；=；化简后得出：；即a c 2 1 lc f 2 1 l a 0 2 2 0 1 l l f f x x 0 2 2 0 ) 1(l f f l x x 综上所述，可求出的值。 x l 电路简要分析：电路由 8050 三极管与电感电容组成的电容三点式振荡电路，输 出为正弦波，电路上面部分为整流部分，将正弦波转化为方波进行频率测量。该电 路是否适用于测量电容和电感值我们下面对其进行等效电路进行仿真和分析。 3.2.3 测量电感电路的仿真 由于 multisim 软件里没有 8050 三极管，可以用 2n2369 也属于高频振荡管来代 替，将图中的 lx 直接赋予值 lx=5mh。multisim 原理图如下所示: 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 13 页 电容三点式振荡电路 本原理图对后面整波部分进行了修改，利用 lm393 组成的电压比较器，调节 vdd 大小控制比较电压可以将正弦波转化为方波。下面我们看下输出波形： 电容三点式仿真波形放大 3.2.4 测量电感电路分析 将仿真波形放大，如上图，可以看到一个比较完整的方波，按理说我们可以对 其频率进行测量，而且测量精度也是比较可靠的，但是由于电路时由高频振荡管与 电感电容发生谐振电路，高频振荡管存在很多不稳定因素，下面我们看下仿真一段 时间的完整波形。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 14 页 电容三点式仿真波形完整图 可以清楚的看见电路存在很多毛刺，也就是所谓的杂波，处理这些杂波其实并 不难，加个滤波电容可以试下，如下图： 加滤波电容电路图 在输出电路和整波电路之间加了一个 0.33uf 的滤波电容对输出高频电路进行 滤杂波。再一次对电路进行仿真，波形如下： 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 15 页 杂波少了很多，再将仿真波形放大如下图： 可以发现每个波形上面都有很小的毛刺，要消除这些毛刺，我们可以直接接稳 压芯片，将电压控制在 3v 以下，这样一来上面高于 3v 的毛刺电压就全部被削掉。 该电路存在很多不稳定因素，接下去将不对该电路进行过多的改进，读者可以自己 加稳压芯片对电路进行改进。 方案总结：电路由高频振荡管 2n2369 和电容电感发生谐振，电路的不足之处 很多，电路振荡不稳定，杂波多，虽然都能通过一定的手段进行处理，但是也不能 保证你的测量结果能准确，因为三极管是存在比较大的寄生电容和寄生电感，这些 参数对电路振荡都存在比较大的影响，尤其是在测量小电容和小电感的时候，参数 如果和三极管的寄生参数比较相近，那么误差将会非常大，但是该电路可以适用于 测量比较大的电容和电感，这里不做试验，读者可以自行研究。 3.3 lm3939(u3a)lc 振荡电路的设计与仿真 3.3 1 lm393 运算放大器介绍 lm393 引脚图及内部框图 采用双列直插 8 脚塑料封装（dip8）和微形的双列 8 脚塑料封装（sop8） 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 16 页 lm393 内部结构图 lm393 引脚功能排列表： 引出端序 号 功能符号引出端序号功能符号 1 输出端 1 out1 5 正向输入端 2 1n+(2) 2 反向输入端 1 1n- (1) 6 反向输入端 2 1n-(2) 3 正向输入端 1 1n+(1 ) 7 输出端 2 out2 4 地 gnd 8 电源 vcc 应用说明: lm393 是高增益,宽频带器件,象大多数比较器一样,如果输出端到输入端有寄生电 容而产生耦合,则 很容易产生振荡.这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时,输出电 压过渡的间隙.电源加旁路滤波并不能解决这个问题,标准 pc 板的设计对减小输入 输出寄生电容耦合是有助的.减小输入电阻至小于 10k 将减小反馈信号,而且增加甚至 很小的正反馈量(滞回 1.010mv)能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起 的振荡.除非利用滞后,否则直接插入 ic 并在引脚上加上电阻将引起输入输出在很 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 17 页 短的转换周期内振荡,如果输入信号是脉冲波形,并且上升和下降时间相当快,则滞回 将不需要. 注意：比较器的所有没有用的引脚必须接地. 3.3 2 lc 振荡电路的设计 （1）以上方案总结 555 间接反馈型无稳态路测量电路：该电路振荡稳定，利用对电容充电放电的 过程使电路起振，优点：电路振荡稳定，电路简单实用。缺点：电路只能用来测量 容值大的电容，电容值越大，充电时间越长，单片机能捕捉时间，电容较小的时候， 充电时间很短，这种电路方式将有很大误差，因此该方案适用于测量大电容。 电容三点式振荡：该电路利用高频振荡管 2n2369 和电容电感组成的电容三点式 振荡，理论上分析，该电路能测量电容和电感，但是由于高频管的不稳定性，电路 存在很大的杂波，这些杂波的来源有很多原因，通过滤波电容可以去除大部分的杂 波，再加上稳压芯片可以将电路整形成为比较稳定的振荡。尽管经过如此繁琐的操 作，电路最后精度依旧不高，因为三极管本来存在比较大的寄生参数，当测量小电 容和小电感值与寄生参数比较靠近的时候，测量将会出现很大的误差，因此，该方 案不适用测量小电容和小电感，该方案经过适当改进后可以测量大电容和大电感。 （2）lm393（u3a）lc 振荡电路设计 结合上面两个方案的优点和缺点，一个能测量电容电感的电路应该具备以下条件： 振荡稳定（输出频率稳定） ，被测电容和被测电感对电路的影响要尽量大，电路存在 额外的影响因素要小。下面这个电路是由 lm393 与电容电感构成的 lc 谐振电路： 电容、电感测量原理： lm39 lm393（u3a）lc 振荡电路 电路是一个由 lm393（u3a）组成的 lc 振荡器。由单片机测量 lc 震荡回路的频 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 18 页 率 f1；再用下列式子计算出电感 l1 的值。 这里电容器 c1 的容量的精确程度，基本上决定了整个测量过程的精度。应该选用 稳定性好精度高的电容器，这个制作选用了 1905pf 的云母电容器。 上述过程可称作为一个校准过程，由单片机控制每次开机时自动完成。 开机后，测量由 u3a、l1、c1 组成振荡器频率 f1；选择测量电容还是电感，将被 测器件连接在电路中测得的频率为 f2 电容 cx、电感 lx 的值，分别用下列式子计算： 3.3.3 lc 振荡电路的仿真 将电容接入被测电路，在 multisim 软件里画出原理图如下： 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 19 页 lm393（u3a）lc 振荡电路 xsc2 示波器观察输出波形如下： xsc1 示波器观察输出波形如下： 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 20 页 放大如下图所示 从仿真图可以看出，该电路所产生的频率方波无杂波现象而且振荡频率很稳定。 3.3.4 lc 振荡电路的分析 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 21 页 lc 振荡电路 该电路亮点之处就是 lm393 运放的利用，电路通过 r2 和 r3 两个阻值相等的 电阻，将 5v 的 vdd 分压，使输入运放的比较电压稳定的控制在 2.5v，r6 为上拉 电阻，电路通过对 c4 和 c2 两个耦合电容的充电和放电，使 c2 端输出为周期性的 方波，在 c2 端接电容和电感并联电路，电感和电容发生谐振，产生正弦波（见 3.3.3 图） ，通过耦合电容反馈给运算放大器，再由运算放大器比较电压，非常的稳 定的输出方波（见 3.3.3 图） 。 该电路与之前的方案相比较，有很大的优点：振荡稳定（输出频率稳定） ；不存在高 频振荡三极管寄生参数对电路的影响；电路通过先后测量未加被测器件的频率和加 上被测器件后的频率进行比较算的被测器件的值，这样就可以消除一些共同的额外 因素造成的误差；电路中 lm393 被运用的很巧妙，电路产生周期性的方波经过 lc 振 荡产生周期性的正弦波，再反馈给 lm393 进行电压比较输出方波，计算频率。电路 采用的 1905pf 的云母电容很大程度上决定了测量的精度，被测电容或者电感值有大 有小，均可以通过两次测得的频率之比再与云母电容值相比较而测出。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 22 页 3.4 led 数码管电路与外部频率计数电路的设计 原理图设计完之后也就是第一大部分基本已经完成，接下去对第二大部分，也 就是单片机模块的外围电路设计。该模块分为三个小部分。第一部分：外部频率计 数电路。第二部分：外部开关控制电路。第三部分：外部数码管和 led 灯显示电路。 下面依次设计外围电路。 （1）外部频率计数电路：单片机测量电路振荡频率是有范围的，根据单片机的 晶振可以计算单片机所能捕捉的频率，针对富士通 mb95200 使用的是 8m 的晶振， 针对整个实验，单片机主要来检测频率，再对频率进行计算，因此单片机测量频率 是否准确很大程度上决定了整个测量的误差。对于第三章中原理图中小电容和小电 感所产生的振荡频率最高在 400khz 左右，一般单片机测量频率采取脉冲计数或者 是脉宽测量，在电路振荡 400khz 的时候，富士通单片机使用输入捕捉功能，利用 其内部硬件电路捕捉一个周期的时候，从而算出频率，由于周期很短，因此输入捕 捉功能误差较大。本实验还是采取脉冲计数的方法使单片机产生外部中断来计数， 前提条件就是接受频率不能超过 40khz 左右，因为过高的频率，单片机 io 口是反 映不过来的。这里，我们用 4 位 74ls161 同步计数芯片，先将 400khz 的方波进行 16 分频，这样一来，单片机就可以精确测量到计数芯片输出的频率，再乘以 16 就 是原来电路的频率。 74ls161 芯片介绍： 74ls161 是 4 位二进制同步加法计数器，除了有二进制加法计数功能外，还具 有异步清零、同步并行置数 、保持等功能。74ls161 的逻辑电路图和引脚排列图如 图 1 所示，cr 是异步清零端，ld 是预置数控制端，d0 ，d1，d2，d3 是预置数 据输人端，p 和 t 是计数使能端，c 是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的 级 联提供了方便。74ls161 具有以下功能。 1）异步清零功能 当 cr0 时，不管其他输人端的状态如何（包括时钟信号 cp） ，4 个触发器的 输出全为零。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 23 页 2）同步并行预置数功能 在 cr1 的条件下，当 ld0 且有时钟脉冲 cp 的上升沿作用时， d3，d2，d1，d0 输入端的数据将分别被 q3q0 所接收。由于置数操作必须有 cp 脉冲上升沿相配合，故称为同步置数。 3）保持功能 在 cr=ld1 的条件下，当 tp0 时，不管有无 cp 脉冲作用，计数器都将 保持原有状态不变（停止计数） 。 4）同步二进制计数功能 当 crldpt1 时，74ls161 处于计数状态，电路从 0000 状态开始，连 续输入 16 个计数脉冲后，电路 将从 1111 状态返回到 0000 状态。 5）进位输出 c 当计数控制端 t1，且触发器全为 1 时，进位输出为 1，否则为零。 功能表 硬件电路设计如下： 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 24 页 74ls161 计数电路 本实验采取同步计数功能，因此 crldpt1，均接高电平，电阻 r6 为上拉 电阻，将输出电平拉高，电路的输出频率输进始终口进行计数，q3 端输出接单片机 p03 口，作为单片机的输入频率。 （2）外部开关控制电路 本实验有三个开关，其中两个开关在单片机开发板上，一个是电源开关，一个是复 位（rest）开关，只有一个开关在设计板上，就是选择测量电感还是电容开关，该 开关连接继电器，当测量者按下开关，继电器自动跳转到电感测量电路，当测量者 将开关弹起，继电器自动跳转到测量电容电路。设计电路如下： 开关和继电器中间接单片 p00 口，来控控制输入单片机的电平，告诉单片机是测量 电感还是测量电容。 （3）外部数码管和 led 灯显示电路 单片机接受频率之后，对频率进行计算，得到电容值或者电感值，在数码管上显示 出数值，并用 led 等指示单位。本实验使用的是四位数码管，由于单片机 i0 口有 限，本实验用了一块 74ls48 数码管显示芯片。 74ls48 芯片简介： bcd七段译码器/驱动器 ls48 是由与非门、输入缓冲器和7 个与或非门组成 的bcd-7 段译码器/驱动器。输出是高电平有效。7 个与非门和一个驱动器成对连 接，以产生可用的bcd 数据及其补码至7 个与或非译码门。剩下的与非门和3 个输 入缓冲器作为试灯输入(lt)端、灭灯输入动态灭灯输出(bi/rbo)端及动态灭灯输 (rbi)端。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 25 页 逻辑引脚图 电路设计如下图： 数码管电路 d3 和 d2 为显示单位的 led 灯，红灯表示被测器件为 nf 或者 mh，绿灯表示被测 器件为 pf 或者 uh。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 26 页 4 4 电容、电感测试仪的软件设计电容、电感测试仪的软件设计 4.1 i/o 口的分配 p00: 控制开关，选择测量电容还是电感 p03: 频率输入口（74ls161 计数芯片输出接该口） p04-p07：数码管段选，输出接 74ls48 芯片 p63，p62，pg2，pg1：数码管位选 p01: 数码管小数点 p02: led 灯 p64：led 灯 pf2-pf1：主时钟 4.24.2 主程序流程图主程序流程图 首先插入被测元件，开关打开以后，通过按键 sw 来进行控制测量电容还是测 量电感，按下 rest 键，进行测量，之后单片机根据按键类别启动相应的参数测试 程序，测试完毕后将结果送入数码管显示。 程序先判断按键知道是测量电感还是测量电容，然后执行主程序，若有按键 rest 键按下，就重新测量，输出结果。具体操作流程如下图所示： 主程序流程图 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 27 页 4.3 频率参数计算的原理 本设计频率的计算采用单片机外部中断 int03，输入信号接单片机 p03 口，当 单片机额检测到方波上升沿的时候就会产生中断进行脉冲计数。单片机对频率测量 的原理如下图所示。 测频率原理图示 说明：当单片机检测到中端口 int03 电平信号时，若为高电平，则单片机进入 中断，计数器开始累加，图中有三个时间点，t3，t2，t1，这三个时间段长短是由单 片机定时器控制的，本实验单片机设置为每个时间点定时为 131ms。单片机上电后， 经过 131ms 进入定时器中断，也就是此时的 t3 时刻，这时候单片机开启脉冲计数， 计算 int03 口的脉冲数，当时间再一次经过 131ms 时，也就是到达了 t2 时刻，这时 候再一次进入定时器中断，控制单片机关闭脉冲计数，保存脉冲计数值，这个值也 就是 t2-t3 时间段内输入信号的脉冲数 n。t2-t3 时间是有定时器控制的，本试验设置 单片机定时中断间隔为 131ms，也就是说在 131ms 内计数器测到了 n 个脉冲，那么 输入信号的频率就是。这个频率是经过 74ls161 分频计数得到的频率，nf* 131 1000 将 f 再乘以 16 就是电路原来的频率。测得频率之后，单片机再下一nf* 131 16000 次定时中断 t1 来临关闭中断，计数清零，等待下一次的测量。单片机将测得的频率 进行计算处理，最后将电容和电感值输出分别显示到 led 灯和数码管上。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 28 页 5 pcb 板的设计与系统的调试 5.1 altium designer 的介绍与 pcb 板的设计 一、 altium designer 简介： altium designer 提供了唯一一款统一的应用方案，其综合电子产品一体化开发 所需的所有必须技术和功能。altium designer 在单一设计环境中集成板级和 fpga 系统设计、基于 fpga 和分立处理器的嵌入式软件开发 以及 pcb 版图设计、编辑 和制造。并集成了现代设计数据管理功能,使得 altium designer 成为电子产品开发的 完整解决方案一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决方案。 提供了将设计数据管理置于设计流程核心地位的全新桌面平台 提供了新的维度，以供器件数据的搜寻和管理，确保输出到制造厂的设计数据 具有准确性和 可重复性 为设计环境提供供应链信息的智能链接，确保对元器件的使用有更好的选择 提供了涵盖整个设计与生产生命周期的器件数据管理方案，而结构性的输出流程 更是确保了输出信息的完整性 r10 系列的增强功能包括：输出 output job 编辑器、内电层分割加速改善、弹 出式的多边形铺铜管理器、atmel qtouch 支持、自定制的笛卡尔直角和极坐标栅格、 aldec hdl 仿真功能、实现比使用指针更多的 gui 增强，以及随着 altium designer10 临近发布日前，我们将构建其中的更多酷炫功能。而且，其平台稳定性 也得到了增强。 a