【正文】 視，以及中國自主應(yīng)用標準研究的快速進展，都在為該產(chǎn)業(yè)提供前所未有的動力和機遇。從中國電子信息產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計年鑒中可以看出，中國的測試測量儀器每年都以超過 30%以上的速度在快速增長。在此快速增長的過程中，無疑催生出了許多測試行業(yè)新創(chuàng)企業(yè)，也催生出了一批批可靠性和穩(wěn)定性較高的產(chǎn)品 。 本設(shè)計所做的工作 本設(shè)計是以 555 為核心的 振蕩電路 ，將 被測參數(shù)模擬轉(zhuǎn)化為頻率 ，并利用ARM 實現(xiàn)計算頻率 ，所以，本次設(shè)計需要做好以下工作： (1)學(xué)習(xí) ARM 原理等資料。 (2)學(xué)習(xí) CodeWarrior HJTAG 等工具軟件的使用方法。 (3)設(shè)計 測量電阻，電容，電感的振蕩電路 。 (4)設(shè)計 測量 LED 動態(tài)顯示 電路。 (5)設(shè)計 測量頻率 程序，設(shè)置程序。 (6)用 Multisim 軟件仿真電路。 (7)用 DXP 軟件繪制電原理圖和印刷電路版圖。 (8)制作好測試儀電路板。 (9)安裝和調(diào)試，并進行實際測試，記錄測試數(shù)據(jù)和結(jié)果。 (10)撰寫項目 論文。 5 第二章 電阻 、 電容 、 電感測試儀設(shè)計方案比較 電阻 、 電容 、 電感測試儀 的設(shè)計可用 多 種方案完成， 例如 利用模擬電路，電阻可用比例運算器法和積分運算 器法，電容可用恒流法和比較法，電感可用時間常數(shù)發(fā)和同步分離法等 、 使用 可編程邏輯控制器 (PLC)、 振蕩電路與 單片機 結(jié)合或 CPLD 與 EDA 相結(jié)合等等 來實現(xiàn)。 在設(shè)計前對各種方案進行了比較： 1)利用純 模擬 電路 雖然 避 免了編程的麻煩，但電路復(fù)雜，所用器件較多 ，靈活性差，測量精度低，現(xiàn)在已較少使用。 2)可編程邏輯控制器 (PLC) 應(yīng)用廣泛，它能夠非常方便地集成到工業(yè)控制系統(tǒng)中。其速度快，體積小，可靠性和精度都較好，在設(shè)計中可采用 PLC 對硬件進行控制，但是用 PLC 實現(xiàn)價格相對昂貴，因而成本過高。 3)采用 CPLD 或 FPGA 實現(xiàn) 應(yīng)用目前廣泛應(yīng)用的 VHDL 硬件電路描述語言，實現(xiàn) 電阻，電容，電感測試儀 的設(shè)計，利用 MAXPLUSII 集成開發(fā)環(huán)境進行綜合、仿真，并下載到 CPLD或 FPGA 可編程邏輯器件中，完成系統(tǒng)的控制作用。但 相對而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜 。 4)利用 振蕩電路與 ARM 結(jié)合 利用 555 多諧振蕩電路將電阻，電容參數(shù)轉(zhuǎn)化為頻率，而電感則是根據(jù)西勒電路也轉(zhuǎn)化為頻率，這樣就能夠把模擬量近似的轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而頻率 f 是 ARM很容易處理的數(shù)字量，一方面測量精度高，另一方面便于使儀 表實現(xiàn)自動化，而且 ARM 構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性。系統(tǒng)擴展、系統(tǒng)配置 靈活。 容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)， 且 應(yīng)用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。 ARM 具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實現(xiàn)，而且設(shè)計時間短，成本低，可靠性高。 綜上所述，利用振蕩電路與 ARM 結(jié)合實現(xiàn)電阻 、 電容 、 電感測試儀更為簡便可行，節(jié)約成本。所以，本次設(shè)計選定以 ARM 為核心來進行。 6 第三章 系統(tǒng)的原理框圖 本設(shè)計中， 考慮到 ARM 具有物美價廉、功能強、使用方便靈活、可靠性高等特點，擬采用 PLC2103 系列的 ARM 為核心 來實現(xiàn) 電阻、電容、電感測試 儀的控 制。系統(tǒng)分四大部分：測量電路、控制電路、捕獲頻率 和顯示電路。通過 口捕獲 ，取得相應(yīng)的振蕩頻率，然后根據(jù)所測頻率判斷是否轉(zhuǎn)換量程，或者是把數(shù)據(jù)進行處理后，得出相應(yīng)的參數(shù)值。系統(tǒng)設(shè)計框圖如 圖 三 1 如下所示。 框圖各部分說明如下 ： 1)控制部分 ：本設(shè)計以 ARM 為核心， 采用 PLC2103，利用其定時器的捕獲 功能以及所具備的中斷系統(tǒng) ，鍵盤顯示板 和 LED 顯示功能等。 LED 燈：本設(shè)計中，設(shè)置了 3 盞 綠色指示 燈， LED1 為電容測試電路， LED2 為電阻測試電路， LED3 為電感測試電路。 數(shù)碼管 顯示 ： 本設(shè)計中有 2 個 74HC598 個按鍵和 6 個數(shù)碼管， 采用共陽極方式 連接構(gòu)成動態(tài)顯示部分，降低功耗 。鍵盤：本設(shè)計中 有 KEY1， KEY2， KEY3 三個按鍵，可靈活控制 不同測量參數(shù)的切換，實現(xiàn)一鍵測量 。 2)通道選擇：本設(shè)計通過 ARM控制的定時器 1 來捕獲被測頻率的自動選擇 。 3)測量電路： RC 震蕩電路是利用 555 振蕩電路實現(xiàn)被測電阻和被測電容頻率化。西勒振蕩電路是利用西勒振蕩電路實現(xiàn)被測電感參數(shù)頻率化 。 通過ARM 強大的運算功能，實現(xiàn)自動測量。 被測電阻 被測電容 被測電感 RC 振蕩電路 RC 振蕩電路 西勒電路 產(chǎn) 生 振 蕩 頻 率 ARM PLC— 2103 口 捕獲 LED 燈 數(shù)碼管顯示 按鍵選擇 圖 三 1 7 555定時器簡介 555 定時器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，它性能優(yōu)良，適用范圍很廣，外部加接少量的阻容元件可以很方便地組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，以及不需外接元件就可組成施密特觸發(fā)器。因此集成 555 定時被廣泛應(yīng)用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制等方面。 1)555 定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 555 定時器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路 ,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如 圖 三 2(A)部分 及管腳排列如圖 (B)部分 所示。 圖 三 2 555 定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 它由分壓器、比較器、基本 RS 觸發(fā)器和放電三極管等部分組成。分壓器由三個 5KΩ的等值電阻串聯(lián)而成。分壓器為比較器 A A2提供參考電壓，比較器 A1的參考電壓為 ，加在同相輸入端，比較器 A2的參考電壓為 ，加在反相輸入端。比較器由兩個結(jié)構(gòu)相同的集成運放 A A2組成。高電平觸發(fā)信號加在 A1的反相輸入端，與同相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本 RS觸發(fā)器 端的輸入信號；低電平觸發(fā)信號加在 A2的同相輸入端，與反相輸入端的參考電壓比較后，其結(jié)果作為基本 RS 觸發(fā)器 端的輸入信號?；?RS 觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器 A A2的輸出端控制。 2)多諧振蕩器工作原理 由 555 定時器組成的多諧振蕩器如 圖 三 3(C)部分 所示，其中 R R2和電容 C 為外接元件。其工作波如圖 (D)部分 所示。 8 圖 三 3 振蕩器工作原理 設(shè)電容的初始電壓 Uc＝ 0， t＝ 0 時接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端 VTH＝ VTL＝ 0 ，比較器 A1輸出為高電平， A2輸出為低電平，即 =1， =0(1 表示高電位， 0 表示低電位 )， RS 觸發(fā)器置 1，定時器輸出 u0=1此時 ，定時器內(nèi)部放電三極管截止，電源 Vcc經(jīng) R1， R2向電容 C 充電， uc逐漸升高。當(dāng) uc上升到 時， A2輸出由 0 翻轉(zhuǎn)為 1，這時 = =1， RS 觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以 0tt1期間，定時器輸出 u0為高電平 1。 時刻， uc上升到 ，比較器 A1的輸出由 1 變?yōu)?0，這時 =0， =1，RS 觸發(fā)器復(fù) 0，定時器輸出 u0=0。 期間， ，放電三極管 T 導(dǎo)通，電容 C 通過 R2放電。 uc按指數(shù)規(guī)律下降 ,當(dāng) 時比較器 A1輸出由 0 變?yōu)?1， RS 觸發(fā)器的 = =1，Q 的狀態(tài)不變， u0的狀態(tài)仍為低電平。 時刻， uc下降到 ，比較器 A2輸出由 1 變?yōu)?0， RS 觸發(fā)器的 =1，=0，觸發(fā)器處于 1，定時器輸出 u0=1。此時電源再次向電容 C 放電，重復(fù)上述過程。 通過上述分析可知，電容充電時，定時器輸出 u0=1，電容放電時， u0=0，電容不斷地進行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號輸入，卻能 輸出矩形波，其實質(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔堋? 3)振蕩周期 由圖 (D)可知，振蕩周期 T=T1+T2。 T1為電容充電時間， T2為電容放電時間。 9 充電時間 ： (32) 放電時間 ： (33) 矩形波的振蕩周期 ： (34) 對于矩形波，除了用幅度，周期來衡量外，還有一個參數(shù)：占空比 q， q=(脈寬 tw)/(周期 T)， tw指輸出一個周期內(nèi)高電平所占的時間。圖（ C）所示電路輸出矩 形波的占空比 ： (35) 測量電阻電路的設(shè)計 定時器 555 是一種用途很廣的集成電路，只需外接少量 R、 C 元件，就可以構(gòu)成多諧、單穩(wěn)及施密特觸發(fā)器。 電阻的 測量采用“脈沖計數(shù)法”，由 555 電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計算振蕩輸出的頻率來計算被測電阻的大小。 圖 三 4 電阻測試電路仿真圖 10 555 接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為： (36) 得出： (37) 即 ： (38) 電容測試電路 電 容 的 測量同樣采用“脈沖計數(shù)法”，由 555 電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計算振蕩輸出的頻率來 計算被測電容的大小。 圖 三 5 電容測試電路 555 接成多諧振蕩器的形式，其振蕩周期為： 11 (311) 我們設(shè)置 R1=R2, 得出： (312) 即： (313) 測量電感的電路設(shè)計 電感 的測量是采用電容三點式振蕩電路來實現(xiàn)的。 電容 三點式振蕩 電路 又稱考畢茲振蕩 電路 ，三點式振蕩電路是指： LC 回路中與發(fā)射極相連的兩個電抗元件必須是同性質(zhì)的，另外一個電抗元件必須為異性質(zhì)的，而與發(fā)射級相連的兩個電抗元件同為電容式的三點式振蕩電路，也就 是 射同基反 的構(gòu)成原則 成為電容三點式振蕩電路。其振蕩頻率為： 12 圖 三 6 電容三點式振蕩電路 由于電容三點式振蕩 電路（考畢茲電路）不易起振，頻率不易調(diào)整，所以采用并聯(lián)改進型電容三點式振蕩電路（西勒電路），西勒電路易起振，易調(diào)整，頻率穩(wěn)定，實際應(yīng)用較多。 13 圖 三 7 電感測試電路 電阻 、 電容 、 電感測試儀的軟件設(shè)計 KEY1 C 測量程序的選擇 KEY2 R 測量程序的選擇