一种LCR自动测量系统*

张秀再　黄建松　张方方

(1.南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京 210044；2.南京信息工程大学江苏省气象传感网技术工程中心，南京 210044；3.南京信息工程大学大气物理学院，南京 210044；4.徐州市气象局，徐州 221002)

0　引言

目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中常常要测定电阻、电容、电感的大小。电阻测量依据产生恒流源的方法[1]分为电位降法、比例运算器法和积分运算器法[2]。比例运算器法测量误差稍大，积分运算器法适用于高电阻的测量[3]。传统的测量电容方法有谐振法[4]和电桥法[5]两种。前者电路简单，速度快，但精度低；后者测量精度高，但速度慢。电感测量可依据交流电桥法[6]，这种测量方法虽然能较准确的测量电感但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量Q值确定电感的方法误差较大。因此，设计可靠，安全，便捷的电阻、电容、电感测试仪具有很大的必要性。

由于测量电阻，电容，电感的方法较多并具有一定的复杂性，为了方便于测定电阻、电容、电感的大小，本文设计了一种基于555振荡器和LC振荡电路的电阻、电容、电感自动检测的仪器。该LCR自动测量仪可以将电阻、电容和电感加在对应的振荡电路上转化为频率信号，再将频率信号送入AT89S52的计数端口，通过定时和计数可以计算出振荡信号频率，通过频率大小和待测参数的关系反演出被测参数。

1　LCR测量原理

1.1　测量电阻

555定时器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[7]。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如图1所示，通过计算振荡输出的频率来计算被测电阻的大小。振荡电路输出的信号频率为

(1)

图1　多谐振荡电路

即被测电阻为

(2)

1.2　测量电容

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[7]，通过计算振荡输出的信号频率来计算被测电容的大小。由555接成的多谐振荡电路如图1所示，若将图中的RX、C分别改为R2、CX，则振荡电路输出的信号频率表示为

(3)

即被测电容为

(4)

1.3　测量电感

电感的测量是采用电容三点式振荡电路[8]来实现的。电容三点式振荡电路如图2所示，输出信号为正弦信号，其振荡频率为

(5)

(6)

图2　电容三点式振荡电路

2　系统硬件电路结构及测量电路设计

2.1　系统硬件电路结构

系统硬件电路结构框图如图3所示。系统分四大部分：测量电路、控制电路、通道选择和显示电路。通过单片机的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，然后根据所测频率来判断是否转换量程，或者是把数据进行处理后，得出相应的参数值。系框图各部分说明如下：

图3　系统硬件电路结构框图

1)控制部分：以AT89S52单片机为核心，利用其管脚的特殊功能以及所具备的中断系统，定时/计数器和显示功能等。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：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：R、C测量电路是利用555振荡电路实现被测电阻和被测电容的频率化。电感测量电路是利用电容三点式振荡电路实现被测电感参数的频率化。通过单片机的IO口自动识别量程切换，实现自动测量。

2.2　电阻测量电路

如图4所示，电阻测量电路是由555芯片及测试电阻构成的多谐振荡器，其振荡频率信号从端口3输出接入单片机的P1.0口。该测量电路可分为2档：

1)当100≤Rx<1000 Ω：按下电阻测试建Srg，闭合开关Srd，R2=330Ω，C2=0.22μF：则测量电阻可以根据式(7)计算得出。

图4　电阻测量电路图

(7)

2)1000≤Rx<1M Ω：断开开关Srd，闭合开关Srg、Sw1，R1=20kΩ，C3=0.01F：则测量电阻可以根据式(8)计算得出，测量结果可以由单片机显示电路显示。

(8)

2.3　电容测量电路

电容测量电路如图5所示，是由555芯片及测试电容构成的多谐振荡器，其振荡频率信号从端口3输出并接入单片机的P1.1口，单片机进行频率测量，由测量的频率值并且根据表达式(9)计算出所测量的电容值，测量结果可以由单片机显示电路显示。

(9)

图5　电容测量电路图

2.4　电感测量电路

电感测量电路采用电容三点式振荡电路如图6所示，其振荡信号为正弦信号，振荡输出的正弦信号再通过由555芯片构成的施密特电路转换为同频率的方波，方波从端口3输出接入单片机的P1.2口，由单片机测量信号频率并由表达式可以计算出所测量的电感值。

(10)

图6　电感测量电路图

3　软件设计

在LCR测试仪的设计中，为便于直接观察测试的参数值，由单片机控制通过数码管显示被测参数值，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来进行灵活控制，具体操作流程如图7所示。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，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。

图7　LCR测试的软件流程图

4　测试结果

实验测试数据是反映系统性能的重要依据，选择不同数值的电阻、电容和电感分别进行5次测试实验取平均值，具体数据如表1所示。

表1　电阻、电容、电感测试数据表

根据表1实验数据，结合系统测量原理及测试计算公式可知：测量误差的主要原因是所测量的频率值存在误差，因此，计算出的元件参数存在误差；所测量的元件标称值越小则测量误差越小；电感的测量误差相对于电容、电阻的测量误差较大，是由测量频率值计算电感时表达式中存在频率的平方率造成。

5　结论

LCR自动测量仪采用单片机为核心控制部分可提高系统的可靠性和稳定性,利于调试和维护。采用555振荡器实现了被测电阻和被测电容参数的频率化，电容三点式振荡电路实现了被测电感参数的频率化，被测频率信号通过CD4052模拟开关送入单片机进行计数，由执行软件计算被测参数，再经过显示电路显示被测参数的值。程序可以用C语言在线编程，根据具体情况启动被测参数的执行程序,能灵活控制被测参数的档位切换。该设计能够实现对电阻、电感和电容的自动测量，使用方便，有一定的实际意义。

[1]蒋献丰，费国斌，赵玲玲.一种用于低电阻测量的直流精密恒流源[J].计量技术，2008(12)

[2]李建新.基于恒流源的电阻测量[J].现代电子技术，2004，19(9)

[3]陶蓓，朱静，刘玉涛.高精度电阻测量方法及其应用[J].计量与测试技术，2011，38(10)

[4]张少谦，马辰，李恩全，赵睿.一种基于DDS与单片机的自动电容测量系统设计[J].科学技术与工程，2010，10(25)

[5]鹿桂兰.利用电桥法测量电容[J].中国教育技术装备，2009(23)

[6]王敦庆.一种基于微控制器的半平衡电桥法测量电容、电感、电阻[J].火炮发射与控制学报，2000(1)

[7]余孟尝.数字电子技术基础简明教程[M].北京：高等教育出版社，2010

[8]沈伟慈.通信电路[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011