RLC测试仪设计

电子产品中,电阻(Ｒ)、电容(Ｃ)和电感(Ｌ)是最基本的元器件,也是使用最多的元器件。在充满激烈竞争的电子行业中,要求电子产品必须具有越来越高的性能、质量及性价比,从而对所使用的元器件提出了更高、更严格的要求。元器件在不同的信号频率、不同的信号电平下,其性能和技术指标会发生变化。尤其在高频段,元器件参数以及元器件所表现出的特性变化更大。此外,元器件虽然能满足出厂时的技术指标,但装入实际电路中会表现出不同的特性。因此,了解元器件在实际工作条件下的性能特性,有助于设计出高质量的电路,提高产品的性能和可靠性。

总之,RLC测试仪在产品设计、研发、生产和维护的过程中必不可少。

1 方案选择

RLC参数的测量方法主要有电桥法、谐振法和伏安法。

1.1电桥法 

电桥法是能同时测量电器元件R、L、C最典型的方法，如图1.1所示。电阻R可用直流电桥测量，电感L、电容C可用交流电桥测量。电桥平衡的条件为

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图1.1 RLC测量电桥 

通过调节阻抗Z1、Z2使电桥平衡，这时电表读数为零。根据平衡条件及一些已知的电路参数就可以求出被测参数。用这种测量方法，参数的值还要通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥平衡的判别亦难以用简单的电路实现。这样，电桥法不易实现自动测量。

1.2谐振法 

谐振法可以用来测量L、C值，如图1.2所示。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，这种测量方法要求的频率连续可调，直至谐振。因此它对震荡器要求较高，另外，和电桥法一样，调节和平衡判断很难实现智能化。

图1.2 谐振法测量L、C原理图

1.3伏安法 

伏安法是测量电阻的最基本方法，如图1.3所示。分别用电流表和电压表测出通过电阻的电流和电压，根据公式R=U/I求得电阻。这种测量方法要同时测出两个模拟量，不易实现自动化。而指针式万用表欧姆挡是把被测电阻与标准电阻及电池串联，用电流表测出电流，由于被测电阻与电流一一对应，由此就可读出被测电阻阻值，如图1.4所示。这种测量的方法的精度变化大，若要较高的精度，必须较多的量程，电路复杂。

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图1.3 伏安法测量电阻原理图 图1.4 万用表测量阻原理图

以上各种方法都难以实现智能化，因此没有被本仪表采用。很多仪表都是把较难测量的物理量转变精度较高且较容易测量的物理量。基于此思路，我们把电子元件的集中参数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的值 ，并显示，转换的原理分别是RC震荡和LC三点式振荡。其实，这种转换就是把模拟量近似地转化为数字量，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。

1.4系统原理框图

系统原理框图如图1.5所示。

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图1.5 系统原理框图 

2 单元电路设计

2.1 测电阻 的RC振荡电路

图2.1是一由555电路构成的多谐振荡电路。它的振荡周期为

即 (2.1)

式中,

为了避免直接采用式(2.1)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 、 …… ，记下测得相应的周期 、 ……Tn，得到基准点（ ， ）、（ ， ）……（ ，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 

(2.2)

用式（2.2）计算 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。

2.2 测量电容 的RC振荡电路

如图2.2所示，测量 的RC振荡电路与测 的振荡电路完全一样。取 ，则

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2.1 测电阻Rx的RC振荡电路

图2.2 测量电容Cx的RC振荡电路

2.3 测量电感 的电容三点式振荡电路

如图2.3所示，在电容三点振荡电路中，C1、C2分别采用1000pF和2200pF的独石电容，其电容值远大于晶体管极间电容，可以把极间电容忽略。这样根据振荡频率公式:

(2.3)其中

对于10uH的电感

由于单片采用12MHz晶振晶,最快只能计几百kHz的频率,因此在测电感这一档时,应分频后再送单片机计数。

由式(2.3)得

其中

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

(2.4) 

图2.3 测量电感Lx的电容三点式振荡电路

3软件设计

图3.1 主程序流程图

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仪表的精度。频率或周期的测量可以利用单片的计时和计数功能来实现。

3.1 频率的测量方法和误差分析

设在时间t内检测到n个脉冲，则

脉冲周期 (3.1)

T对t和n的全微分 (3.2)

T的相对误差 (3.3) 

测量脉冲周期的测量，有定时计数和定数计时两种方法，利用ATC51单片机里的T0和T1两个定时器/计数器可以实现，下面分别讨论这两种方法的测量精度。

3.1.1 定时计数法 

定时计数法的具体做法是：

a. 将 设为定时器， 设为计数器。

b. 设定 的定时中断时间t并允许中断，将 清0。

c. 同时启动 和 ，等待 中断。

d. 在 的中断服务子程序中读出 的计数值n。

e. 将t和n代入式(3.1)求出脉冲周期T。

采用定时计数法时，计时误差t可忽略，可认为dt=0,最大计数误差为一个脉冲，即 ，代入式(3.3)得，

(3.4)

若要保证其相对误差不超过0.1%，即 ，则有

或 (3.5)

若 设为50ms中断，则由式(3.1)得

或 (3.6) 

上式表明，定时计数法宜用在被测频率较高的场合。

3.1.2 定数计时法 

a. 将 设为定时器， 设为计数器。

b. 设定 的计数中断次数n并允许中断，将 清0。

c. 同时启动 和 ，等待 中断。

d. 在 的中断服务子程序中读出 的计时值t。

e. 将t和n代入式(3.1)求出脉冲周期T。

采用定数计时法时，计数误差dn=0,最大计时误差为一个机器周期，本系统采用了12M晶振，机器周期为1us，故 us，代入式(3.3)得，

(3.7)

若要保证其相对误差不超过0.1%，即 ，则有

或 us=1ms (3.8)

由式(3.1)得

(ms)或 (KHz) (3.9)

上式表明，定数计时法宜用在被测频率较低的场合。

频率的测量主要由 中断和 中断来完成，其流程图分别如图3.2和图3.3所示。

图3.2 中断子程序流程图 图3.3 中断子程序流程图

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。

为了增大本仪表的测量范围，应尽量增大频率的测量范围，本系统将频率测量范围定在1Hz-200KHz。为保证测量精度和缩短测量时间，应将频率测量范围进行分量程，在不同的量程内采用不同的测量方法。根据式(3.6)和式(3.9)，可将频率测量的范围分为以下几量程

量程1：1Hz-1KHz，采用1次定数计时法测量

量程2：1KHz-20KHz,采用20次次定数计时法测量

量程3：20KHz-200KHz，采用50ms定时计数法测量

3.2 稳定读数

要使振荡器输出的频率绝对不变是很难做到的，这将会使在测量的过程中读数不停地跳动而影响读数，待别是在某个整数附近跳动时（比如在5000 跳动时，读数就会在4999至5001中不停地跳动，每一位数字都是在变化的）读数就更难看清楚了，因此很有需要去使读数稳定下来。

在模拟电路中，用RC低通滤波电路可以使输出信号的波动减小，若用软件的方法模拟RC低通滤波电路，同样可以使输出的数值变得稳定一些，这就是数字惯

性滤波法。RC低通滤波电路如图3.5所示，Ui为输入信号，Uo为输出信号。

图3.4 RC低通滤波电路

总 结

本系统可灵活地在各种不同条件下测试元器件,以模拟实际的电路条件,能使研发人员全面了解器件的性能和参数,更确切地了解产品的设计质量。通过对标准电阻、标准电容、7ｍｍ空气线标准高频电容的测试,本系统的基本测量精度可达到0.1%。此外,元器件的出厂技术指标中未包括的性能特性也往往会影响→电路的性能,所以本系统除可测量和显示电感Ｌ、电容Ｃ、电阻Ｒ外,还可显示其它的参数:Ｚ(阻抗)、Ｘ(电抗)、θ(相位角)、Ｄ(损耗因子)、Ｑ(品质因子)、Ｙ(导纳)、Ｇ(电导)、Ｂ(电纳)。

随着科学的发展,技术的不断进步,RLC测试仪会有更大的改进,例如在智能、价格、操作简单，测量精确方面，而且可以扩大量程、再减小体积，例如做成像电笔一样大可以随身携带，非常方便，也可以在RLC上加上语音心片，你叫它帮你测什么。它会自动转换成你要的状态，而且你把元件放入以后，它自动说出元件的参数。由于使用单片作为控制器和计算器件,本仪表有功能强、性能可靠、电路简单的特点，还可以方便地扩展其他功能，如频率计等。在频率测量时，对不同的频率段采用了不同的测量方法，从而提了测量精度。

参考文献

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