基于振荡的单片机RLc测试仪的设计

徐仲意 何建强 陈垚 邵昱博

摘 要：为克服传统的外加交流测量法电源波动易引起偏差和文氏电桥测量法参数调节复杂等问题，文章设计了以89C51单片机系统为核心的RLC测试仪，实现RLC参数的自动测量和显示，该测试仪具有自动量程转换、实时显示等功能。通过Multisim软件，对电阻、电容以及电感所组成的振荡电路进行仿真设计，系统结构合理、操作便捷，且测量准确度高、响应速度快、测量范围广

关键词：振荡；单片机；RLC测试仪

随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，在实际使用过程中，我们要对一些电感、电阻、电容值进行测量。因此，设计出一款安全、便捷、可靠、精度高的无线链路层控制协议（Radio Link Control，RLC）测试仪，具有很大的实际意义。常见的电路参数数字化测量装置都是先将被测参数进行转化，例如转换成直流电压或频率，然后再进行测量。谐振法和电桥法是测量电容值常用的两种方法。谐振法电路结构简单，测量速度快，但精度低；电桥法精度高，但测量速度慢。目前，随着技术的不断进步，数字化测量装置在精度和测量速度上有了很大的提高，恒流法和比较法是现在常用的电容测量方法，时间常数和同步分离法是电感测量常用的方法。

综上所述，目前测量电阻、电容、电感的测量方法较多，并且相对复杂。所以本文以555振荡器为基础，利用555振荡器将被测参数转化为频率，利用等精度数字频率计完成频率的计数，然后再将结果送单片机运算，再通过该频率计算出各个参数。

1 整体设计

本设计中利用RC振荡电路和LC电容三点式振荡电路，先将R，L，C转换为频率信号，然后根据单片机所选通道，发送两路地址信号给模拟开关，将获得的振荡频率作为单片机的时钟源。通过计数器即可获取被测频率，由该频率就能计算出各个参数。是否转换量程也可根据所测频率来进行判断，或者是把数据处理后，把R，L，C的值送数码管显示相应的参数值，利用编程实现量程自动转换。系统测量原理框如图1所示。

2 RLC的测量原理

在数字电子技术基础中，由555定时器构成的多谐振荡器最简单的电路及电路工作波形如图2所示。

以t=t7为起始点，可得充电时间Z为：

（l）

若以t为起始点，可得电容C的放电时间为：

（2）

由此可得，方波的周期为T=Tl+T2，频率为：

（3）

所以，选择标准电阻R，和标准电容C后，该电路就能够用来测量电阻，R2就是被测电阻。也就是将被测电阻Rx接在R.位置上。这样，通过所测振荡器的输出频率就可以通过上述公式计算出Rx。

当测量电容C时，Ri和R2接标准电阻，原电路中C用被测电容Cx代替。同理，通过所测量的输出频率，利用上式算出Cx的值。

电容三点式振荡电路的振荡频率为：

由公式可知，振荡频率f0大小由电感L和电容C的值来决定，因此，改变电容C即可调节振荡频率。当用该电路来测量电感值时，只需选择标准电容C1和C2，L就是被测电感。这样，利用所测振荡器的输出频率通过上述公式就可以计算

3硬件电路设计

CPLD测量频率模块逻辑设计中在调试软件Quartusll5.0中进行逻辑电路的写入，然后进行编译，生成代码，经JTAG下载至芯片中。

输入信号调理电路由D触发器、反相器和过零比较器构成，经过过零比较器后输入信号变为方波信号，为了改善方波的上升沿和下降沿，增加了两个斯密特反向器构成整形电路，整形后的信号作为预置闸门的同步信号。

4 软件设计

在本测试仪的设计中，以单片机为核心，通过数码管对被测参数进行显示，测试仪的软件设计总流程如图3所示。

该测试仪中无论是对电阻、电容还是电感的测量，都是先将被测信号转换为频率后再测量，因此，频率的测量是本设计中软件设计的核心，其测量精度会直接影响测试仪的测量精度。

5 测试结果

根据原理图焊接CPLD底座及相关电路，檢查准确无误后，插入CPLD，给CPLD内写入片选逻辑代码，用Quartusll5.0写入CPLD，调试LED[7]。在Kei151平台上，对单片机程序进行调试、编译，通过ISP烧录入单片机中，并运行。

当参数选择C=0.5nF时，测得f=477 kHz。选取100 yH-10 mH之间的若干电感标称值进行测试，测试结果如表1所示。

6 结语

本测试仪利用RC振荡电路和电容三点式振荡电路，将RLC参数信号转换为脉冲频率信号，通过CD4052模拟开关送入单片机进行计数，然后显示被测参数的测量值。本设计充分利用AT89S52单片机能够精确控制采样脉冲频率信号的优势，有效地提高了测试精度，并简化了硬件结构。软件采用C语言进行编程，根据实际情况控制被测参数的相应程序，实现被测参数档位的灵活切换。经过测试，系统测量精度高、响应快、测量范围宽，克服了传统的外加交流测量法电源波动易引起偏差和文氏电桥测量法参数调节复杂等问题。