数字式电参数测试仪.docVIP

PAGE  PAGE 7 数字式电参数测试仪（E题） 摘要：本系统以AT89S52单片机为核心控制器，采用高速运放和高精度的A/D转换器实现了电阻、直流电压、直流电流、频率等电参数的测量；采用自制5V直流电源作为供电电源，实现了整个系统的自制化；采用键盘控制实现了测量不同参数的选择，采用液晶显示器显示所有的测量值。由于采用模块化设计，本仪表硬件系统具有良好的可升级性和可扩展性。 关键词：A/D转换器，继电器，单片机 方案比较与论证 1、电阻测量方案比较 方案一：采用“变换法”测量电阻，采用CD40106为核心芯片，由CD40106构成多谐振荡电路，通过计算测得的振荡输出频率来计算被测电阻的大小，但由于它的电压传输特性在实际中不是线性变化，比例系数不确定，所以，用该方案测得的电阻有较大误差。 方案二：采用电阻-电压变换电路，结合高速运放，直接将测电阻转变为测电压，方案简单，且精度较高。 综合比较方案一和方案二，我们采用方案二为电阻测量方案。 2、电压测量方案比较 方案一、采用LM324作为跟随器和AD0809为模数转换器，此方案成熟简单但是精度不够。 方案二、输入直流电压经过AD620电压跟随器，接入12位高速A/D模数转换器MAX144，保证了对输入直流电压的准确量化。 通过两方案的比较，我们选择了方案二。 3、频率测量方案比较 方案一、采用频率 /电压可逆变换器 LM331N芯片、CD4069、TL061芯片来实现测量频率的功能，该方案的缺点是电路复杂。 方案二、采用CD40106六施密特触发器将正弦波整形成方波，然后利用单片机计数器测量信号周期，得到一个周期内计数值，然后求倒数，从而实现频率测量。该方案简单易实现满足题目的要求。 通过比较两方案，我们选择方案二。 图1为系统的总体框图。 模 拟 开 关 前级 处理 电压 信号 单 片 机 键盘 控制 12位 高速 A/D 模数 转换 液晶 显示 前级 处理 电流 信号 前级 处理 50mV 正弦波 自制5V直流电源 图1：系统总体框图 基本测量原理与方案实现 1、电压测量基本原理 输入直流电压经过AD620电压跟随器，接入12位高速A/D模数转换器MAX144，保证了对输入直流电压的准确量化。MAX144是新型双通道12位串行模数转换器，它具有自动关断和快速唤醒功能，且内部集成有时钟电路，采样／保持电路；同时具有转换速率高、功耗低等优点。为了减小误差，电压测量范围分两档量程，即100mV-2.5V和2.5V-10V两档。由TL431提供稳定且精准的2.5V基准电压。 2、频率测量基本原理 由于设计要求输入信号为50mV的正弦交流信号，故加入前级处理环节，将50mV电压提升至5V，使用了CD40106六施密特触发器将正弦波整形成方波，然后利用单片机计数器测量信号周期，得到一个周期内计数值，然后求倒数，从而实现频率测量。 图2为CD40106整形示意波形。 图2: CD40106整形示意 图3: 频率测量电路 3、电流测量基本原理 对电流的测量一般是通过电流转换器将电流转换成电压，简单的方法是电阻压降法：被测电流Ix流过一个阻值已知的标准电阻R，则标准电阻两端的电压为U=IxR，测出这个电压便能计算出被测量的电流。但值得注意的是，R的阻值不能太大，否则对被测电路参数影响大，不能反映被测电路的电流；但R也不能太小，否则电流的分辨能力会降低。对于这种情况，应采用不同的电流档，选用不同阻值的R，实现测量准确性的提高。 原理图如图4所示，R1、R2为测量转换电阻，分为两档： 1mA~10mA档时，使用R1=10?，最大压降为U=10?*10mA=0.1V；100uA~1mA档时，使用R1+R2=100?，最大压降为U=100?*1mA=0.1V。对于量程的切换采用继电器进行切换，因为继电器的导通阻抗非常小，驱动电流大，对电流测量负影响较小，控制状态如下：（继电器状态：1为吸合） 继电器K1测量档位11mA~10mA档0100uA~1mA档由于输出电压U最大为0.2V，要进行放大后方可进行AD转换及显示。运算放大电路的放大倍数为20倍。 图4: 电流测量电路 4、电阻测量基本原理 基准电压2.5V接入固定电阻（已知阻值）和待测电阻，读出两端电压。则由公式即可得到待测电阻阻值。 若待测电阻值小，则将实测基准电压值代入上式。 图5: 电阻测量电路 系统软件部分 图6: 软件设计流程图 系统硬件部分 1、显示模块 显示模块由单片机AT89S52、12864液晶屏组成 2、键盘控制模块 键盘由4个键分别控制电阻测量、电流测量、电压测量及频率测量功能。