河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王 彪 婁學(xué)輝

1.引言

在對電子元器件使用時，必須首先了解它的參數(shù)，電阻有阻值、電容有容值。這就要求能夠?qū)υ骷膮?shù)進行精確的測量。電阻的阻值相對比較容易測量，用伏—安法就可以精確的測量出來。但是對電容的測量就比較麻煩了，最初人們還是通過萬用表來對電容值進行估算，這種方法不但麻煩而且測量精度也比較低。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)的快速發(fā)展及其在電子測量技術(shù)與儀器上的應(yīng)用，新的測試?yán)碚?、新的測試方法、新的測試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)。人們對儀器的要求也在逐漸提高，本文設(shè)計了一款更智能化、體積更小、功能強大的便攜式RC測量儀。

2.硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)

總體硬件電路主要包括四部分：正弦信號電路、前端控制電路、單片機控制電路、LCD顯示電路。

2.1 主控芯片

本系統(tǒng)采用PIC16F877單片機作為控制核心，PIC16F877單片機是PIC系列單片機的中級產(chǎn)品，采用RISC指令系統(tǒng)，一共只有35條單字指令，簡單易用；工作速度快，可接收DC-20MHz時鐘輸入，指令周期可達(dá)到200ns；存貯空間大，具有高達(dá)8K字的FLASH程序存儲器和368字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器。除此之外，它具有14個內(nèi)部/外部中斷源和8級硬件堆棧，便于編程；帶有片內(nèi)RC振蕩器的監(jiān)視定時器，保證其可靠工作；可根據(jù)不同需要選擇不同的振蕩器工作方式以減小功耗，同時在保持低價的前提下增加了A/D、內(nèi)部EEPROM存儲器、比較輸出、捕捉輸入、PWM輸出、SP1接口、異步串行通信(USART)接口、模擬電壓比較器、LCD驅(qū)動等許多功能。

2.2 正弦信號電路設(shè)計

測量儀是以正弦波做為測量信號供單片機進行正交采樣，正弦波的頻率直接影響到測量的精度，要求正弦波頻率精度高，并且頻譜純度和穩(wěn)定度也要高。因此本系統(tǒng)采用DDS合成芯片AD9850來產(chǎn)生正弦波。AD9850是美國AD公司生產(chǎn)的高集成度的DDS合成芯片。它采用32位相位累加器，截斷成14位，輸入正弦查詢表，查詢表輸出截斷成10位，輸入到DAC。DAC輸出兩個互補的模擬電流，接到濾波器上。但是AD9850直接產(chǎn)生的信號幅度只有2V左右，而且是單極性的。而測試的時候需要的是雙極性的正弦信號，因此DDS輸出的信號還要經(jīng)過隔直和放大。AD9850輸出的信號經(jīng)過RC高通濾波器，將直流分量濾除，輸出交流信號，再經(jīng)放大器放大，電壓跟隨，輸出幅度適當(dāng)、帶載能力較強的信號源。電路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)電路原理圖一

2.3 前端電路模塊

前端電路主要是實現(xiàn)量程電阻的切換，增益控制。本方案采用電阻分壓法，量程電阻與待測元件進行分壓，再由單片機控制模擬開關(guān)分別選通量程電阻和待測元件的信號通道，將它們分壓所得到的信號分別送入差分式放大電路。將由差分式放大電路出來的正弦波經(jīng)過電位提升電路后，再由單片機采集，在此過程中，量程電阻的自動切換，以及減小模擬開關(guān)對測試過程帶來的誤差是設(shè)計的難點。前端電路是影響系統(tǒng)測量范圍和測量精度的關(guān)鍵。

圖2 系統(tǒng)電路原理圖二

圖3 軟件流程圖

2.3.1 量程電阻選擇方案設(shè)計

量程電阻R的切換是通過單片機控制模擬開關(guān)CD4052來實現(xiàn)。模擬開關(guān)存在導(dǎo)通電阻和漏電流，如果太大會對測試精度產(chǎn)生很大影響。當(dāng)RS+Zx較小時，模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻就不可忽略。因此消除導(dǎo)通電阻對電路的影響十分重要。通過實驗，采用如圖2所示的原理電路。圖2中選用4X2的模擬開關(guān)，Ron(1,2,3,4)、Ron(1,2,3,4)是模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻；Rs(1,2,3,4)為標(biāo)準(zhǔn)電阻；Z為被測元件。采用該電路減小了導(dǎo)通電阻對測試精度的影響。

2.3.2 增益控制

在測量時，如果由于某種原因使得正弦信號幅度變小，那么在分壓的時候就有可能出現(xiàn)某個元件分壓得到的信號非常微小的情況。由于單片機可以對0—5V的模擬信號進行8位的A/D轉(zhuǎn)換，所以A/D轉(zhuǎn)換的精度可以算得為5/256=0.02V，也就是說如果信號過于微小而低于0.02V時，A/D轉(zhuǎn)換就會產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差，所以我們需要對增益進行控制，以使測量儀在正弦信號的幅度變化時依然能正常工作。

增益控制電路如圖2所示，經(jīng)過分壓后的信號都會送入一個由集成運放所構(gòu)成的差分式放大電路。因為差分式放大電路是對兩個輸入端之間的差值進行放大，而且對干擾信號輸入的共模信號有很強的抑制作用，所以使用其做為放大電路可以有效的提高測量精度和測量儀的抗干擾性。

2.4 電位提升電路

本次設(shè)計采用的是PIC的ADC模塊實現(xiàn)模擬信號的數(shù)據(jù)采集，并選擇了電源電壓(5V)作為參考基準(zhǔn)電壓，所以單片機只能夠正確采集0到5伏之間的電壓，而正弦波輸入的是一個交流信號，在負(fù)半周期是負(fù)電位，使得單片機不能正確的采樣，所以在將信號送入單片機以前需要對交流信號進行電位提升，使整個正弦信號任意時刻的電位都大于或等于0，電位提升電路。

將輸入信號通過一個放大倍數(shù)為1的集成運放，在運放的信號輸入腳3上由R1和R3提供一個直流電位，通過改變R1的阻值將直流電位調(diào)節(jié)到的2.5V，這樣正弦信號就可以調(diào)節(jié)到如圖2所示的形狀，再供給單片機采樣。

單片機采樣經(jīng)過電位提升以后的信號所得到的值并不能直接進行計算，而還需要將這些值減掉2.5V的直流電位才可以計算。

2.5 LCD顯示電路

顯示電路選用的是LCD模塊RC1602，液晶顯示模塊主要由點陣式液晶顯示屏(LCD)、微控制器、驅(qū)動電路三部分組成。電路如圖1所示。

3.軟件設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)各部分功能要求，整個系統(tǒng)的軟件程序由初始化程序，量程電阻選擇程序，AD轉(zhuǎn)換程序，增益控制程序，數(shù)據(jù)處理程序，ASII碼轉(zhuǎn)換程序以及顯示程序等子程序組成。最后調(diào)用各模塊，將它們聯(lián)系起來，形成一個有機的整體，從而實現(xiàn)對儀器的全部管理功能。以上面所述的思路為基礎(chǔ)，通過研究最后得到整個軟件程序設(shè)計的流程圖，如圖3所示。

4.結(jié)語

本測量儀能自動的識別出待測元件是電阻還是電容。由單片機控制根據(jù)待測元件電抗值的大小自動轉(zhuǎn)換到合適的基準(zhǔn)電阻檔位，以實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換。解決了舊的測量儀器在測量前需要人工判斷待測元件參數(shù)范圍，然后再手動的選擇合適量程檔位的弊端。

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