数字式电感测试仪

摘要：本作品基于MSP430H49单片机为控制和处理平台，实现了简易L测量仪的功能，具有测量精度高、自动识别器件的优点。该测量仪是把电子元件的参数L转换成频率信号F，然后用单片机计数后再运算求出L，并送入显示。频率转换原理C三点式振荡。关键词：LRC数字电桥、电压比例法、液晶模块、MSP430H49、电感测量目录1.系统方案设计与选择11.1设计方案 1 1.2方案选择12.设计任务、要求、目的32.1设计任务32.2设计要求3 2.3设计目的3TOC\o"1-4"\h\z\u3.电路设计原理以及分析 33.1设计思路3.2设计原理框图43.3PCB版图设计43.4各具体电路设计分析 53.5整体总电路分析 74.设计制作与调试以及材料清单 84.1材料清单 84.2设计制作与调试 .85.小结 ...106.心得体会 127.参考文献 14-15-第1章系统方案设计与选择1.1系统方案设计电感测试仪的设计目前有多种方案可以实现，例如、使用可编程逻辑控制器CPLC)、振荡电路与单片机结合或CPLD与EDA相结合等等来实现。在设计前本文对各种方案进行了比较：方案一.基于模拟电路的测量仪利用模拟电路，电感可用时间常数发和同步分离法等，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。方案二.可编程逻辑控制器(PLC)此方案釆用PLC对硬件进行控制，应用较为广泛。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，在设计中可釆用PLC对硬件进行控制，但是用PLC实现价格相对昂贵，因而成本过局。方案三.釆用CPLD或FPGA实现此方案则釆用广泛应用的VHDL硬件电路描述语言，实现电感测试仪的设计，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。但相对而言设计规模大，系统结构复杂。方案四.利用LRC数字电桥与单片机结合利用LRC数字电桥将电感参数转化为电压模拟信号，此模拟量由高精度AD转换芯片转换为数字量。这样由单片机处理数字量，能够满足测量精度高、系统扩展、系统配置灵活，容易构成各种规模的系统。、易于实现自动化测量等设计需要，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性方案五.利用电容三点式振荡与单片机结合利用电容三点式振荡电路产生振荡波形然后通过施密特触发器讲其波形转换为矩形波，这样又单片机处理数字量，能够满足测量精度高、系统扩展、系统配置灵活，容易构成各种规模的系统。易于实现自动化测量等设计需要，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性。1.2方案选择通过对上述方案的比较，利用电容三点式振荡电路与单片机结合实现电感测试仪更为简便可行，节约成本。所以，本文选定以单片机为核心来实现对电感测量的设计。我们的测量仪是把电子元件的参数L转换成频率信号F，然后用单片机计数后再运算求出L，并送入显示器。频率转换原理是电容三点式振荡，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，这种数字化的处理便于使仪表实现自动化。方案中用到的MSP430149的CPU具有丰富的I/O和时基信号，为我们提供了极大的方便，其中可以利用I/O口高低电平来实现量程的转换。由于单片机MSP430149的定时器可以通过外部时钟源来计数，我们便可以将555电路或电容三点式振荡电路产生的频率作为MSP430149的定时器的时钟源，经过计算和处理后，得到被测L值。2.设计任务、要求、目的2.1设计任务设计并制作数字式电感测量仪2.2设计要求A、测量电感范围：，测量精度:;B、使用键来设置测量的种类和单位，并显示；C、自制电源。2.3设计目的进一步扩展量程，并提量精度。电路设计原理以及分析3.1设计思路此数字电感测量仪的设计流程图如图所示：测量信号产生电路测量信号产生电路（正弦波）待测元件与基准电阻分压电路仪用差分式放大电路（增益可控）25V的电位提升电路PIC单片机控制系统输出图1系统总体框图3.2设计原理图本设计中，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，采运用用MCS430单片机运用一定的软件系统将输入的频率信号转化为相应的被测量部分。系统分二大部分：测量电路和显示电路。单片机取得相应的振荡频率，把数据进行处理后，得出相应的参数值，系统设计框图如下所示：显示器89S52施密特触显示器89S52施密特触发器被测电路电容三点式振荡电路被测电路电容三点式振荡电路图2系统总体框图3.3PCB版图设计图3PCB电路3.4各具体电路设计分析A、电感测量电路（电容三点式振荡电路）以据电感的特点，三点式振荡电路把电感值转换为相对应的频率值。在此处这个三点式振荡电路中，C1，C2釆用10000皮法的独石电容，，，通过对一些标准电感的测量可得到的一些基准点，（），,当测量未知电容L得到相应的脉冲周期的平方为时，由直线插值法可得L=Li+因其电容值远远大于晶体管极间电容值，所以可把极间电容值忽略。这样根据振荡频率公式可以确定电感值。误差分析：因为L=l/4*3.14*3.14*f*f*c所以|L/L=2f/f|+|C/C|由此可见，因为|2f/f|相当小，|L/L|的精度主要取决于电容值的稳定性，从理论上讲，只要|C/C|小于1%，L/L也就能达到相应的水平。一般而言，电容的稳定性，特别是像独石电容一类性能比较好的电容，C/C都可以满足小于5%的要求，这样误差精度就能保持在_1%—+1%以内。电路图如下：图4电感测量电路B、施密特触发器（将振荡电路输出波形转换为矩形波）电路图如下：图5施密特触发器3.5整体总电路分析图6总体电路图4.设计制作与调试以及材料清单4.1材料清单4.2设计制作与调试在Multisim软件中调试得到的仿真波形与理论要求基本相符后开始制作实物。在材料准备好后，我开始着手实物的制作，首先我将要用到到工具准备好，然后查看电路板，心里找准元件的分布，将电阻，电感，电容依次烙在电路板上，再用电烙铁拉锡，连接好所有的电路元件，在连接时注意元件的分布布局合理性，注意不要短接电路。振荡电路仿真图如下：图7振荡电路仿真图小结该测量仪是一种基于单片机的智能测量仪，它能够智能地识别出待测元件电感；能精确的测量出电感的参数值；当测量正弦信号的幅度过小时，可以自动实现增益放大，从而不影响精度。通过采用正交采样算法，并由单片机控制实现在线测量、智能识别等多种功能，可大大提高测量仪的测量速度跟精度，扩大测量范围。本次设计先从设计原理出发，在图书馆和网上找到了相关内容，而且学习了一些数字电感仪基本的工作原理，还简单学习了protel99SE软件的基本使用方法。之后连电路生成PCB版图，从中深刻体会到了理论必须与实践相结合的道理，因为这过程中出现了很多大大小小的问题，所以做出来真是相当不容易。在试验过程中，无论从原始的理论计算，到后来的数值测量都存在一定的误差，通过实验所用器材根据电容三点式振荡电路得到的电感计算公式计算到所测电感72.38f=l/(2*pi*)sqrt(LC));c=cl*c2/(cl+c2)=10nf*10nf/(lOnf+lOnf)=5nf;L=lmH;f=72.38KHZ;Multisim的仿真的频率值为77.5KHZ；用频率计测得的频率为87KHZ‘由于在实际电路中电容的影响以及C1和C2的值很小，三级管的级间也会对频率产生影响，综合在焊接过程中其他因素的影响实际测量值与理论上的计算值存在误差，如电路的干扰，标准元件本身误差等。但在设计与制作中误差是在所难免的。心得体会两天时间的设计与制作，不过总算是顺利结束了。电路也设计出来了，从仿真的结果看，测量有些误差，不过还算可以。本次课设体会与其他几次课设最大的不同之处在于作品是几个人共同协作的成果。这种合作方式既有缺点又有优点。优点是各个人共同寻找资料、设计整体思路及各个单元模块的搭建，能提高效率，且将不同的方案从各个方面还有整体上进行分析对比，更有利于找到最优的解决方案。我们三人相互讨论，相互交流，对课题的理解有了一致的想法。我们最终选择了相对合理的现行方案，对各个模块的划分以及具体功能有了具体的分配。但是同时，三个人的工作分配、意见的统一也为设计带来了另一方面的问题。总之，此次课程设计锻炼了我们团结合作的能力。非常感谢学院能给我们提供这样的一个可以自己动脑、动手进行设计的机会，同时也大大加强了同学之间的沟通，以及学生与老师之间的交流，这是一个放飞自我的平台，也是我们理想与实际结合的升华，我想学院给我们提供的这些，教会我们的这些不仅仅在现在有用，对于我们今后步入社会也是同样有用的。而且，电子设计是一次非常好的将理论与实际相结合的机会，通过对电感测试仪的设计，锻炼了我们的动手能力，增强了我们解决实际工程问题得能力，同时也提高了我们查找文献资料，设计规范以及其他专业能力水平。这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究