梁貴謙，張 旭，李雨微，趙君垚，于明軍，韓 錚

（赤峰學(xué)院 物理與智能制造工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

0 引言

對電阻、電容及電感參數(shù)的測量，關(guān)系到工程研究的許多方面?，F(xiàn)在國內(nèi)外對此的研究主要集中在某些特定系統(tǒng)、場景情況下對元件參數(shù)的測量，具體有：由這些元器件構(gòu)成的各種類型傳感器中元件參數(shù)的測量，如微電感傳感器電感測量、MEMS 電容薄膜真空計微電容測量等［1-2］；特定場景下電阻、電容和電感參數(shù)的測量，如共面波導(dǎo)傳輸線電容準(zhǔn)確測量，多導(dǎo)體靜電獨立系統(tǒng)中電容的測量等［3］；使用不同技術(shù)手段增大測量范圍和提升測量精度的研究，如高動態(tài)范圍的電容測量，基于Network Analyzer 技術(shù)、基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高精度電容測量等［4-5］。大量的工程實踐中，對電阻、電容、電感等元器件的參數(shù)測量要求并不高。從日常應(yīng)用來看，多數(shù)情況下只需進行驗證性測量即可。因此，快速、便捷的測量變得很重要。隨著微處理器性價比的不斷提高，傳統(tǒng)測量方法逐漸向低功耗、高性能、應(yīng)用簡單的嵌入式測量技術(shù)方向發(fā)展。通過頻率法進行R，L，C參數(shù)值測量，能夠很好地將測量系統(tǒng)數(shù)字化，可以讓測量操作非常迅速?；诖?，本文以stm32f103c8t6 單片機為控制核心，設(shè)計了一個能夠?qū)，L，C參數(shù)值進行快速測量的系統(tǒng)。

1 方案整體設(shè)計框架

本設(shè)計由4個部分組成，分別是測量電路部分、通道選擇部分、控制電路部分以及人機接口部分。設(shè)計總體框圖如圖1 所示。其中，測量電路是以電容、電阻、電感為測量對象，由555 定時器組成的振蕩電路。將待測元件的參數(shù)值轉(zhuǎn)換為振蕩電路的頻率值進行輸出，如圖1 中的Fc，F(xiàn)r，F(xiàn)l為三路頻率信號；為了對不同測量電路進行切換，通道選擇模塊由CD4501B 多路選擇器構(gòu)成，在測量電容、電阻和電感時進行軟件控制切換，方便測量；控制電路主要由stm32f103c8t6 單片機最小系統(tǒng)構(gòu)成，它是一款低功耗、高性能的32 位可在線編程的單片機，有較強的信號實時捕獲能力，可實時進行參數(shù)值的計算［6］，同時與人機接口部分進行交互；人機接口模塊由LCD1602 顯示器和3 個按鍵組成，系統(tǒng)工作時，分別用于顯示輸出測量結(jié)果和選擇測量電路通道。

圖1 總體設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 電阻測試電路設(shè)計

電阻測試電路如圖2 所示。該電路由555 定時器、電阻元件及電容元件組成多諧振蕩電路。其中，除待測電阻外，其余各部分元件參數(shù)已經(jīng)確定。根據(jù)不同的待測電阻值，振蕩電路將輸出不同頻率的FR信號。該信號通過控制部分的單片機進行脈沖計數(shù)，最后利用推導(dǎo)公式（1）計算得出所測電阻的值。

圖2 電阻測試電路

根據(jù)多諧振蕩電路的振蕩周期，可推導(dǎo)得出待測電阻的計算公式［7］：

2.2 電感測量電路的設(shè)計

電感測量電路使用電容三點式振蕩電路，如圖3 所示。該電路能進行高頻的電感測量，其振蕩頻率為

圖3 電感測試電路

則有：

式中：C是C4和C12的并聯(lián)值。

2.3 電容測量電路

電容的測量同樣采用由555 定時器、電阻元件及電容元件組成的振蕩電路，如圖4 所示。通過測量振蕩電路的頻率，間接測量電容值。使用“脈沖計數(shù)法”，得到振蕩電路的頻率后，通過式（4）計算得出所測電容的值。多諧振蕩電路的振蕩周期公式推導(dǎo)出：

圖4 電容測試電路

式中：R8=1 kΩ，R12=10 kΩ。

3 軟件設(shè)計

在主程序設(shè)計中，通過對按鍵S1，S2，S3 的操作來設(shè)置按鍵值，選擇對應(yīng)的電阻、電感、電容測量的電路通道。在單片機stm32f103c8t6 中具體設(shè)置計算參數(shù)，最后由LCD 進行數(shù)據(jù)顯示。具體操作流程如圖5 所示。當(dāng)被測元件接入電路，按下復(fù)位鍵進行復(fù)位，通過按鍵掃描，進行按鍵分析，判斷被測元件的類型。判斷出具體類型之后，根據(jù)對應(yīng)類型的測量方法進行測量和計算，在更新LCD 液晶屏顯示之后再次進行鍵盤掃描，如此往復(fù)循環(huán)執(zhí)行。

圖5 程序主流程圖

設(shè)計中使用到兩個中斷，分別是外部中斷和定時器中斷。外部中斷用于計數(shù)，定時器中斷用于計時。當(dāng)測試電路輸出頻率進入到單片機中，當(dāng)前頻率是方波信號，下降沿觸發(fā)中斷，計數(shù)變量加一；在定時器中斷程序中，每隔200 ms 采集一次頻率。最后通過計數(shù)變量的值和定時器的值算出最終結(jié)果。

4 實驗與結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計完成了實物樣機的制作與調(diào)試，對系統(tǒng)進行了實驗測試。實物如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)實物圖

測試過程中，選用了常見阻值的7 種電阻、6種電感和6 種電容，分別進行10 次測量。各種元器件在測試時，每次手動對系統(tǒng)進行斷電重啟后，記錄測試結(jié)果并保留1 位小數(shù)。對測量結(jié)果進行了統(tǒng)計分析，統(tǒng)計出均值、標(biāo)準(zhǔn)差和均值真值之間的誤差百分比。測量結(jié)果如表1、表2、表3 所示。

表1 電阻測試結(jié)果

表2 電感測試結(jié)果

表3 電容測試結(jié)果

可見，對以上元件的測量結(jié)果中，電阻測量的結(jié)果誤差約在2%～9%，電感測量誤差在2%～12%，電容的測量結(jié)果誤差在4%～10%?？傮w來說，測量結(jié)果精度誤差都在10%左右，滿足鑒別元器件參數(shù)值的要求。本實驗設(shè)計的系統(tǒng)綜合考慮成本與測量精度，使用成本較低的方案進行系統(tǒng)設(shè)計，可滿足日常實驗需要。

5 結(jié)語

針對電子電路實驗中經(jīng)常需要對元器件參數(shù)進行鑒別測定的問題，本文利用振蕩電路將待測元器件的參數(shù)值測量轉(zhuǎn)換為振蕩電路輸出信號的頻率測量，設(shè)計了以單片機為核心的檢測系統(tǒng)，能夠快速、準(zhǔn)確地完成參數(shù)的測量工作。如果想進一步降低測量誤差，擴大測量范圍，得到更精確的測量結(jié)果，可從兩個方面進行改進：其一，選擇主頻更高的單片機，能夠使頻率的測量更精確；其二，進行更多的測量分析，使用軟件方法進行數(shù)據(jù)矯正，能夠提高測量精度。