简易RLC测量仪报告

设计报告

         题目：简易RCL测量仪（A）

         队号：09037

摘要

本作品基于MSP430F149单片机为控制和处理平台，实现了简易RCL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R、C、L转换成频率信号F，经过多路选择开关，然后用单片机计数后再运算求出R、C、L，并送入显示。频率转换原理分别是RC振荡和LC三点式振荡。

Abstract

Based on the control of MSP430F149 single-chip processing platform，this work achieves a simple function of RCL meter with high measurement accuracy, and the advantages of automatic identification devices. The measuring instrument can change the parameters R, C, L of the electronic components into the frequency signal F, after a multi-way selector switch, and then is used to derive single-chip count after the operation R, C, L, and sent to indicate. This frequency principles are the RC oscillation principle and LC  three-point oscillation.

一、方案设计与论证

   测量电子元器件集总参数R、C、L的仪表种类较多，方法也更有不同，但都有其优缺点。一般的测量方法都存在计算复杂、不易实现自动测量。

   我们的测量仪是把电子元件的参数R、C、L转换成频率信号F，然后用单片机计数后再运算求出R、C、L，并送入显示器。频率转换原理分别是RC振荡和LC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R、C、L值。

2、系统硬件电路的设计

2.1系统原理图及说明

  系统分三大部分，即测量电路、通道选择和控制电路，如图1所示。

图1系统原理框图

2.2各部分电路设计

2.2.1电阻测量电路

   电阻的测量采用“脉冲计数法”，如图2所示由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。

即                                        （1）

式中                        

为了避免直接采用式(1)来计算时由于某种原因引起的非线性误差,本仪表引入了直线插值算法,做法如下：

用本仪表去测量标准电阻R0、R1……Rn，记下测得相应的周期T0、T1……Tn，得到基准点（R0，T0）、（R1，T1）……（Rn，Tn），则有

            (i=0,1,……n)

测量未知电阻Rx时，测得的周期为T，若,则

    ，， 

联立以上三式，得

                                            （2）

用式（2）计算Rx时，结果与电路中的元件参数无关，这样可以避免电路元件带来的误差。

通过选用高精度的基准电阻和增加基准点的个数，便可使测量结果的误差在允许的范围内。

图2测电阻RX的RC振荡电路

2.2.2电容测量电路

电容的测量采用“脉冲计数法”，如图3所示由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，R10=R11。

式中                        

与测量电阻的过程相似，通过标准电容的测量可以得到基准点，……，当测量未知电容得到相应的脉冲周期为T时，有

图3测电容CX的RC振荡电路

2.2.3 电感测量电路

 电感的测量时采用电容三点式振荡电路来实现的。三点式电路是指：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是异性的，而与发射极相连的两个电抗元件同为电容三点式电路，C14、C15分别是采用1000PF和2200PF的独石电容。

通过对一些标准电感的测量,可得到一些基准点,……，当测量未知电容得到相应的脉冲周期的平方为时，由直线插值法可得

图4 测电感LX的电容三点式振荡电路

2.2.4 多路选择开关电路

利用CD4052实现测量类别的转换，CD4052是双4选1的模拟开关。当选择了某一通道的频率后，输出频率通过IOB4作为CPU定时器的时钟源并开始计数，当计数到3秒后读出计数器的值，除以3就得到了被测R/C/L所对应产生的频率，通过计算得到被测值。

图5 程序流程图

不管是电阻、电容还是电感，都是转为频率后再测量的，因此频率或周期的测量是本软件的核心，其精度会直接影响到本意表的精度。频率或周期的测量可以利用单片机的计时和计数功能来实现。

频率的测量采用定时计数法，主要由T0中断和T1中断来完成，其流程图分别如图6和图7所示。

图6  T0和T1中断流程图

量程自动转换原理：单片机在某次测量频率后，若发现频率不在本次测量的量程内，就根据所测量到的频率所在的范围选择相应的测量方法，达到自动转换量程的目的。

四 测试结果

五 结论

本系统达到预期的要求、操作方便、精确度较高，误差保持在%5以内。在调试方面，经过这几天的测试操作，稳定的性能得到了认可。同时此系统通过软件设计，减少误差的存在，大大提高了系统的精度。