集成电路电阻、电容、电感测试仪设计

电阻、电容、电感测试仪的系统设计摘要本次设计是在参考555振荡器基础上拟定的一套自己的设计方案。是尝试用555振荡器将被测参数转化为频率，这里我们将RLC的测量电路产生的频率送入AT89C52的计数器内，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各个参数。关键字555振荡器；AT89C52；定时计数；参数电阻、电容、电感测试仪的系统设计电阻、电容、电感测试仪设计方案比较电阻、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，电阻可用比例运算器法和积分运算器法，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：方案一：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。方案二：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，实现电阻，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。方案三：利用振荡电路与单片机结合利用555多谐振荡电路将电阻，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，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，利用方案三振荡电路与单片机结合实现电阻、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。1.2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MCS-51系列的单片机为核心来实现电阻、电容、电感测试仪的控制。系统分四大部分：测量电路、控制电路、通道选择和显示电路。通过P1.3和P1.4向模拟开关送两位地址信号，取得相应的振荡频率，然后根据所测频率判断是否转换量程，或者是把数据进行处理后，得出相应的参数值。系统设计框图如图1-1如下所示。框图各部分说明如下：1）控制部分：本设计以单片机为核心，采用89C51单片机，利用其管脚的特殊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1盏电源指示灯，采用红色的LED以共阳极方式来连接，直观易懂，操作也简单。数码管显示：本设计中有1个74HC02、2个74LS573、1个2803驱动和6个数码管，采用共阳极方式连接构成动态显示部分，降低功耗。键盘：本设计中有Sr，Sc，SL三个按键，可灵活控制不同测量参数的切换，实现一键测量。2）通道选择：本设计通过单片机控制CD4052模拟开关来控制被测频率的自动选择。3）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。通过51单片机的IO口自动识别量程切换，实现自动测量。电阻、电容、电感测试仪的系统硬件设计MCS-51单片机电路的设计在本设计中，考虑到单片机构成的应用系统有较大的可靠性，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。还具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现。另外，本设计还需要利用单片机的定时计数器、中断系统、串行接口等等，所以，选择以单片机为核心进行设计具有极大的必要性。在硬件设计中，选用MS-51系列单片机，其各个I/O口分别接有按键、LED灯、七位数码管等，通过软件进行控制。本设计中单片机的设计电路如下图2-1所示：

本电路使用单片机内部振荡器，11.0592MHz的晶体谐振器直接接在单片机的时钟端口X1和X2,电路中C2、C3为振荡器的匹配电容。该电路简单，工作可靠。另外本系统的容阻上电复位，就是利用RC电路的充电过程来给单片机复位。RC电路的时间常数计算公式：T=RC (3-1)即：T=RC=10u*10k=100ms。当需要复位时，也可以按下复位按键，进行复位。2.2LED数码管电路与键盘电路的设计在电阻、电容、电感测试系统中，用LED灯来显示测量参数的类别和电源指示，既简单又显而易见。在本设计中，利用单片机的P1.0、P1.1和P1.2口直接和发光二极管相连接，控制程序放在MCS-51单片机的ROM中。由于测试指示灯为发光二极管且阳极通过限流电阻与电源正极相接，所以为共阳极。因此I/O口输出低电平时，与之相连的相应指示灯会亮；I/O口输出高电平时，相应的指示灯会灭。发光二极管的接口电路如图2-2所示：图2-2发光二极管的接口电路发光二极管的设计中，每个二极管与单片机接口间有一个电阻，其阻值至少为180欧。按3.3V时的工作电流15mA来计算，需要让与之串联的电阻，分去VCC5V电压中的2.7V电压，则得到R=U/I=2.7V/0.015A=180欧，且电阻的功率为P=UI=2.7V*0.015A=0.041W。另外，在本设计中，LED应用于七位数码管中，实现了被测参数的显示，七位数码管以共阴极的方式经过74LS573锁存器与单片机的P0口相连。六位数码管显示被测参数的示值从左到右依次代表十万、万、千、百、十和个位，这样显示结果更为简单可行。静态方式需要大量I/O,而动态扫描显示方式能够节省大量的I/O口，且电路结构也比较简单，显示效果良好，因此最终采用动态扫描显示方式。系统核心电路(AT89S52最小系统)的P0口以总线方式与二片数据锁存器(74HC573)相连接，二片74HC573的片选使能端(LE)分别连接在或非门(74HC02)的1、4管脚，三个或非门相类似，都是两个输入端的其中一端接在单片机的16管脚(WR)，而另一端分别接在P2.5~P2.6。单片机片选电路如图2-3所示。或非门片选电路分析：当单片机通过P0口总线输出数据时，16管脚(WR)为低电平“0”，片选信号端P2.5~P2.7中，要被片选端为“0”，其它为T，这样三个或非门中，只有需要片选中或非门的输出为高电平“1”，其它两个或非门的输出信号为低电平“0”。另外，74HC573数据锁存器的LE使能端为高电平有效，与之前电路结合可以实现片选功能。在本设计中，LED显示接口电路如下图2-4所示

2:\2C__4_i\y： ■LLzIHDiaDJ环D-玫D'OEd运3QLQ2Q3Q*邺僅丫SJC1亠2:\2C__4_i\y： ■LLzIHDiaDJ环D-玫D'OEd运3QLQ2Q3Q*邺僅丫SJC1亠HC.23NaDlIHaIM-DJwa-OEa图2-4LED显示接口电路电路由6个共阴极数码管、两个74HC573和一个ULN2803组成。两个74HC573分别作为段码和位码的数据锁存器，它们的片选信号来自最小系统AT89S52的P2.5和P2.6，由此可以计算出它们的片选地址：段码片选地址为［COOOH~DFFFH］，位码片选地址为［AOOOH~BFFFH］。ULN2803是达林顿管，在电路中能起到大电流输出和高压输出的作用。由于电路使用的是共阴极动态显示方式，ULN2803在位码数据锁存器后连接八个数码管的COM端，可以增强驱动数码管的能力，使数码管的显示效果更好。本设计中设置了Sr,Sc,SL三个按键，利用单片机的Pl.O、P1.1和P1.2口直接和按键相连接，控制程序放在MCS-51单片机的ROM中用于启动各个被测参数程序的调整。见图2-5按键电路所示

.=1LEDScTIEDVCCHQL仝510二二二泊LC-jJ.=1LEDScTIEDVCCHQL仝510二二二泊LC-jJ图2-5按键电路p!QVTf*Pl.LKI.OPL.2K.LPUM2PL4MJPljM4Pt.6MJPl■R上M.7翫K!.OKTfK!.lK!.2ICK311W.4弍K.JKJ.^K!.?KZSItfTEXD：CTaUTCDSHALLALEGM)pbET控制R、L、C的三个按键接入一个10K大小的上拉电阻，起限流保护作用。当有键按下时为低电平，无键按下时则为高电平。2.3测量电阻、电容电路的设计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。555定时器内部结构

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电路,其内部结构如图2-6(A)部分及管脚排列如图(B)部分所示。啦屯風临和址图2-6定时器内部结构啦屯風临和址图2-6定时器内部结构它由分压器、比较器、基本R--S触发器和放电三极管等部分组成。分压器由三个5KQ的等值电阻串联而成。分压器为比较器A、A提供参考电压，比较12器A的参考电压为错误！未找到弓|用源。，加在同相输入端，比较器A的参考电12压为错误！未找到弓用源。，加在反相输入端。比较器由两个结构相同的集成运放A、A组成。高电平触发信号加在A的反相输入端，与同相输入端的参考电压121比较后，其结果作为基本R—S触发器错误！未找到引用源。端的输入信号；低电平触发信号加在A的同相输入端，与反相输入端的参考电压比较后，其结果2作为基本R--S触发器错误！未找到引用源。端的输入信号。基本R--S触发器的输出状态受比较器A、A的输出端控制。12多谐振荡器工作原理由555定时器组成的多谐振荡器如图2-7(C)部分所示，其中R、R和电容C12为外接元件。其工作波如图(D)部分所示。图2-7震荡器工作原理设电容的初始电压U=0,t=0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以c高、低触发端v=V=0错误！未找到引用源。比较器A输出为高电平，A输THTL12出为低电平，即错误！未找到引用源。=1，错误！未找到引用源。=0（1表示高电位，0表示低电位），R—S触发器置1,定时器输出u=l此时错误！未找到引0用源。定时器内部放电三极管截止，电源V经R，R向电容C充电，u逐渐升cc12c高。当u上升到错误！未找到引用源。时，A输出由0翻转为1，这时错误！未c2找到引用源。=错误！未找到引用源。=1，R--S触发顺保持状态不变。所以0<t<t1期间，定时器输出u为高电平1。0错误！未找到引用源。时刻，u上升至U错误！未找到弓|用源。，比较器A的c1输出由1变为0,这时错误！未找到引用源。=0,错误！未找到引用源。=1，R--S触发器复0，定时器输出u=0。0错误！未找到引用源。期间，错误！未找到弓I用源。放电三极管T导通，电容C通过R放电。u按指数规律下降，当错误！未找到引用源。时比较器A输2c1出由0变为1，R--S触发器的错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。=1，Q的状态不变，u的状态仍为低电平。0错误！未找到引用源。时刻，u下降至U错误！未找到弓|用源。比较器A输c2出由1变为0,R--S触发器的错误！未找到弓|用源。=1，错误！未找到弓|用源。=0，触发器处于1，定时器输出u=1。此时电源再次向电容C放电，重复上述过0程。通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出u=l，电容放电时，u=0，电00容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。振荡周期由图(D)可知，振荡周期T=T+T。T为电容充电时间，T为电容放电时间。1212充电时间：错误！未找到引用源。(3-2)放电时间：错误！未找到引用源。 (3-3)矩形波的振荡周期：错误！未找到引用源。 (3-4)因此改变R、R和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。12对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比q，q=(脉宽t)/(周期T)，t指输出一个周期内高电平所占的时间。图(C)所示电路输ww出矩形波的占空比：错误！未找到引用源。 (3-5)2.3.2测量电阻电路的设计定时器555是一种用途很广的集成电路，只需外接少量R、C元件，就可以构成多谐、单稳及施密特触发器。电阻的测量采用“脉冲计数法”，由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电阻的大小。555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：错误！未找到引用源。 (3-6)

得出：错误！未找到引用源。(3-7)即：错误！未找到引用源。(3-8)电路分为2档：1、 100<R<1000Q:按下电阻测试建Sr，闭合开关Srd,R=330Q,C=0.22uF：x22错误！未找到引用源。 (3-9)2、 1000<R<1MQ:按下电阻测试建Sr,闭合开关Srg,R=20KQ,C=103pF：x 1 3错误！未找到引用源。 (3-10)电阻测试电路见图3-8所示。图2-8电阻测试电路图2-8电阻测试电路Ri20K2.3.3测量电容电路的设计电容的测量同样采用“脉冲计数法”，由555电路构成的多谐振荡电路，通过计算振荡输出的频率来计算被测电容的大小。555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为：(3-11)错误！未找到引用源。我们设置R=R,12得出：错误！未找到引用源。(3-12)即：错误！未找到引用源。(3-13)电路分为1档：R=510KQ,R=R；446错误！未找到引用源。(3-14)电容测试电路见图3-9所示。

图2-9电容测试电路R451GK寸图2-9电容测试电路R451GK寸TRIGVOUT2.4测量电感电路的设计及仿真测量电感电路的设计电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的。电容三点式振荡电路又称考毕兹振荡电路，三点式振荡电路是指：LC回路中与发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的，另外一个电抗元件必须为异性质的，而与发射级相连的两个电抗元件同为电容式的三点式振荡电路，也就是"射同基反"的构成原则成为电容三点式振荡电路。其振荡频率为：错误！未找到引用源。(3-15)即：错误！未找到引用源。(3-16)错误！未找到引用源。(3-17)电感测试电路见图2-10所示。

2.5多路选择开关电路的设计利用CD4052实现测量类别的转换，CD4052是差分四通道数字控制模拟开关器件，有A和A两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的01截止电流。当INH输入端=“1”时所有通道截止，二位二进制输入信号选通四对通到中的一通道。当选择了某一通道的频率后，Y输出频率通过T1送入单片机进行计数，通过计算得到要被测值，多路选择开关控制如表2-1所示。表2-1多路选择开关控制P1.4P1.3测量类别00Y0-R01Y1-C10Y2-L11*表3-1中*表示未定义此功能。多路选择开关硬件电路如图2-13所示。

图2-13多路选择开关VDD图2-13多路选择开关VDDYCY1¥Y2¥3A1INHVSSVEE3T110P1.39P1.47电阻、电容、电感测试仪的软件设计I/O口的分配P1.0R测量程序的选择P1.1C测量程序的选择P1.2L测量程序的选择P1.3-P1.4多路选择开关控制选择Pl.O、P1.1和Pl.2按键输入及测量指示灯在本设计的模块中，模块是以单片机为核心，再通过按键控制测量的被测参数在数码管显示，按键主流程图如3-l所示。

初始化无 有执彳丁键功能结束

图3-1按键主程序流程图3.2主程序流程图在电阻、电容、电感测试仪的设计中，便于直观性，在数码管上显示被测参数的选择，被测参数各个灯的选择以及具体设置。通过三个按键Sr,Sc,SL来进丁灵活控制，具体操作流程如3-2所示。

YesCRL测测测试试试状状状态态态结束健分析，置状态通道及指示灯的设置开中断采值并计算定时器设置显示初始化键扫描YesCRL测测测试试试状状状态态态结束健分析，置状态通道及指示灯的设置开中断采值并计算定时器设置显示初始化键扫描图3-2RLC测试仪的软件流程图首先插入被测元件，开关打开以后，按下SET键，进行复位，然后进行按键选择，选择被测参数类别，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。3.3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可对外触发电路产生的脉冲频率的测量，再通过对测量数据的校正来完成。单片机对频率测量的原理如下图3-3所示。说明：图3-3中t1时刻检测到高电平开定时器1,开始计数；t2时刻等待检测低电平；t3时刻第二次检测到高电平时关定时器停止计数。利用GATE=1,TR1=1,只有=引脚输入高电平时，T1才允许计数，利用此，将外部输入脉冲经匸引脚上输入，等待高电平的到来，当检测到高电平时开定时器开始计数，然后检测低电平，当检测到低电平时已经测得脉冲的脉宽，但我们测得是频率，故在程序中药继续检测等待下一个高电平的到来，此时关定时器停止计数，用此计数值乘以机器的周期数（晶振频率已知），得出触发电路产生的周期，然后再经过数据处理便得到输入信号的频率。系统调试与系统测试系统软件调试系统软件部分主要是单片机的应用，所以这里我主要简述一下单片机的软件应用。单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境(uVision)将这些部份组合在一起。5结论(1)回顾起此次集成电路课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。(2)由于使用单片机作为中央控制器和计数器，本仪器具有功能强，性能可靠，体积小，电路简单的特点，加上自行设计的BCD码浮点数运算，计算频率功能等，使它的可以方便地扩展其他功能，如频率计等。我们设计的这种把元件参数转化成频率后测量的方法也有不足之处，主要是必须保证电路起振，并且振荡要稳定，否则会增加误差。参考文献申忠如.MCS-51单片机原理及系统设计.西安交通大学出版社，2008年3月第1版申忠如．现代测试技术与系统设计．西安：西安交通大学出版社，2006.2．付家才.单片机控制工程实践技术[M].北京化学工业出版社，2004夏继强.单片机实验与实践教程.北京航空航天大学出版社，2001付晓光.单片机原理与使用技术.清华大学出版社，ISBN7-81082-169-5TPJ.C.Whitaker.ThermalDesignofElektronicEquipment,CRCPressLLC.London2001Resist