【正文】 國 1997 年 05 月 21 日中國航空工業(yè)總公司 研究出 一種 電阻、電容、電感在線測(cè)量方法及裝置 等電位隔離方法，用于對(duì)在線的電阻、電容、電感元件實(shí)行等電位隔離，其特征在于， (1)將一個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端與其反相輸入端直接連接， 形成一個(gè)電壓跟隨器； (2)將基準(zhǔn)精密電阻 (R)的一端與被隔離的在線元件 (Z↓ [x])的一端通過導(dǎo)線連接，基準(zhǔn)精密電阻 (R)的另一端與信號(hào)源 (V↓ [i])或者地連接，被隔離的在線元件(Z↓ [x])的另一端通過導(dǎo)線與地或者信號(hào)源 (V↓ [i])連接，基準(zhǔn)精密電阻 (R)與被隔離的在線元件 (Z↓ [x])連接的一端同時(shí)與運(yùn)算放大器的同相輸入端連接； (3)通過導(dǎo)線將運(yùn)算放大器的輸出端與線路板上所有的隔離點(diǎn) (C)連接，隔離點(diǎn) (C)的確定方法是：在線路板上凡是與被隔離的在線元件 (Z↓ [x])靠近信號(hào)源 (V↓ [i])的一端 (A)相連的電阻、電容、電感元件的另一端均為隔離端 (C)。 盡管本土測(cè)試測(cè)量產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，但客觀地說中國開發(fā)測(cè)試測(cè)量?jī)x器還普遍比較落后。實(shí)際上，這些都還是表面現(xiàn)象，真正影響中國測(cè)量?jī)x器發(fā)展的瓶頸為： 。關(guān)于這一點(diǎn)，在幾乎所有的研究機(jī)構(gòu)部門配置上即可窺其一 斑。實(shí)際上，即便是研發(fā)隊(duì)伍本身，對(duì)測(cè)試的重視度以及對(duì)儀器本身的研究也明顯不夠。 本土儀器設(shè)備廠商只是重研發(fā)，重視生產(chǎn)，重視狹義的市場(chǎng)，還沒有建立起一套完整的現(xiàn)代營銷體系和面向應(yīng)用的研發(fā)模式。所以，為了快速縮小與國外先 進(jìn)公司之間的差距，國內(nèi)儀器研發(fā)企業(yè)應(yīng)加速實(shí)現(xiàn)從面向仿制的研發(fā)向面向應(yīng)用的研發(fā)的過渡。 。雖然目前已有較大的改觀，但距離整個(gè)產(chǎn)業(yè)的要求還有一定距離。還有，在技術(shù)水平?jīng)]有達(dá)到的條件下，一味地追求精 度或追求高指標(biāo)，而沒有處理好與穩(wěn)定性之間的關(guān)系。 近年來 我 國測(cè)量?jī)x器的可靠性和穩(wěn)定性問題得到了很多方面的重視，狀況有了很大改觀。隨著模塊化和虛擬技術(shù)的發(fā)展，為中國的測(cè)試測(cè)量?jī)x器行業(yè)帶來了新的契機(jī)，加上各級(jí)政府日益重視，以及中國自主應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)研究的快速進(jìn)展，都在為該產(chǎn) 業(yè)提供前所未有的動(dòng)力和機(jī)遇。在此快速增長(zhǎng)的過程中，無疑催生出了許多測(cè)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 。 (2)學(xué)習(xí) PROTEL99E, 等工具軟件的使用方法。 (4)設(shè)計(jì) LCD 電路。 (6)用 PROTEL 軟件繪制電原理圖和印刷電路版圖。 (8)撰寫畢業(yè)論文。 本論文的結(jié)構(gòu)安排 本論文的結(jié)構(gòu)安排為：第 1 章 前言，第 2 章 電阻 、 電容 、 電感測(cè)試儀 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，第 3 章 電阻 、 電容 、 電感測(cè)試儀 的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，第 4 章 電阻 、 電容 、 電感測(cè)試儀 的軟件設(shè)計(jì)，第 5 章 PCB 板的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)的調(diào)試，第六章 結(jié)論與展望。 在設(shè)計(jì)前對(duì)各種方案進(jìn)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(cè)量精度低，現(xiàn)在已較少使用。其速度快，體積小，可靠性和精度都較好，在設(shè)計(jì)中可采用 PLC 對(duì)硬件進(jìn)行控制，但是用 PLC 實(shí)現(xiàn)價(jià)格相對(duì)昂貴，因而成本過高。但 相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜 。系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置 靈活。單片機(jī)具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實(shí)現(xiàn)，而且設(shè)計(jì)時(shí)間短，成本低，可靠性高。所以，本次設(shè)計(jì)選定以單片機(jī)為核心來進(jìn)行。系統(tǒng)分四大部分：測(cè)量電路、控制電路、通道選擇和顯示電路。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖 21 如下所示。在本設(shè)計(jì)中，設(shè)置了1 盞電源指示燈，采用 LCD1602 液晶顯示：本設(shè)計(jì)中有 1 個(gè) CD450 3 個(gè) LM553 個(gè)測(cè)量選擇按鍵和 3 個(gè)指示燈。 2)通道選擇：本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)控制 CD4052 模擬開關(guān)來控制被測(cè)頻率的自動(dòng)選擇。電容三點(diǎn)式振蕩電路是利用電容三點(diǎn)式振蕩電路實(shí)現(xiàn)被測(cè)電感參數(shù)頻率化。 還 具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實(shí)現(xiàn) 。在硬件設(shè)計(jì)中，選用 MS51 系列單片機(jī)，其各個(gè) I/O 口分別接有按鍵、 LED 燈、 LCD 液晶屏等，通過軟件進(jìn)行控制。 2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)： 內(nèi)部有 128 個(gè) 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和 128 個(gè)專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的 RAM 只有 128 個(gè)，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 4)定時(shí) /計(jì)數(shù)器 (ROM)： 有兩個(gè) 16 位的可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。 6)全雙工串行口： 內(nèi)置一個(gè)全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。 8)時(shí)鐘電路 ： 內(nèi)置最高頻率達(dá) 12MHz 的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈 沖 時(shí)序。該電路簡(jiǎn)單，工作可靠 。 RC 電路的時(shí)間常數(shù)計(jì)算公式： T=RC (31) 即： T=RC=*10k=33ms。 顯示電路與按鍵電路的設(shè)計(jì) 隨著智能儀器設(shè)備的快速發(fā)展，液晶顯示器的使用越來越普遍。目前，液晶顯示器主要可分為點(diǎn)陣字符式和點(diǎn)陣圖形式。點(diǎn)陣字符型液晶顯示器專門用于顯示數(shù)字字母圖形符號(hào)及少量自定義符號(hào)的顯示器。 本設(shè)計(jì)中采用常用的 2 行 16 列的字符型的 LCD1602 液晶模塊來顯示電容值。 第 5腳： R/W為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。 第 6 腳： E 端為使能端，當(dāng) E 端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。 第 15腳：背光電源正極 第 16腳：背光電源負(fù)極 LCD1602 液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（ CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了 160 個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，如表 1所示，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“ A”的代碼是 01000001B（ 41H），顯示時(shí)模塊把地址 41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“ A” 。 D0~D7 為 LCD1602 液晶模塊的 8位雙向數(shù)據(jù)線，分別與 STC89C52RC 單片機(jī)的 ~ 相連，用于傳輸數(shù)據(jù)。 圖 顯示電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中設(shè)置了 R,C,L 三個(gè)按鍵，利用單片機(jī)的 、 和 口直接和按鍵相連接，控制程序放在 MCS51 單片機(jī)的 ROM 中用于啟動(dòng)各個(gè)被測(cè)參數(shù)程序的調(diào)整。 測(cè)量電阻、電容電路的設(shè)計(jì) 555 定時(shí)器簡(jiǎn)介 555 定時(shí)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。 1)555 定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 555 定時(shí)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 36(A)部分及管腳排列如圖 (B)部分所示。分壓器由三個(gè) 5KΩ 的等值電阻串聯(lián)而成。 ，加在同相輸入端，比較器 A2 的參考電壓為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。比較器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的集成運(yùn)放 A A2 組成。 端的輸入信號(hào)；低電平觸發(fā)信號(hào)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 錯(cuò)誤 !未找到引用源。基本 RS 觸發(fā)器的輸出狀態(tài)受比較器 A A2 的輸出端控制。其工作波如圖 (D)部分所示。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =1， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，定時(shí)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。 時(shí)， A2輸出由 0 翻轉(zhuǎn)為 1，這時(shí) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =1， RS 觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，比較器 A1 的輸出由 1 變?yōu)?0，這時(shí) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =1， RS觸發(fā)器復(fù) 0，定時(shí)器輸出 u0=0。 期間， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 uc按指數(shù)規(guī)律下降 ,當(dāng) 時(shí)比較器 A1 輸出由 0 變?yōu)?， RS 觸發(fā)器的 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =1， Q 的狀態(tài)不變， u0 的狀態(tài)仍為低電平。 時(shí)刻， uc 下降到 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =1， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。此時(shí)電源再次向電容 C 放電，重復(fù)上述過程。多諧振蕩器無外部信號(hào)輸入，卻能輸出矩形波，其實(shí)質(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔堋?T1 為電容充電時(shí)間， T2 為電容放電時(shí)間。 (34) 因此改變 R R2 和電容 C 的值，便可改變矩形波的周期和頻率。圖（ C）所示電路輸出矩形波的占空比： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。電阻的測(cè)量采用“脈沖計(jì)數(shù)法”，由 555 電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計(jì)算振蕩輸出的頻率來計(jì)算被測(cè)電阻的大小。 TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U5NE555D+5R161KR171KRxC12GNDC13GNDFR 圖 38 電阻測(cè)試電路 電阻、電容、電感測(cè)試儀的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 17 測(cè)量電容電路的設(shè)計(jì) 電容的測(cè)量同樣采用“脈沖計(jì)數(shù)法”，由 555 電路構(gòu)成的多諧振蕩電路，通過計(jì)算振蕩輸出的頻率來計(jì)算被測(cè)電容的大小。 TRIG2OUT3RST4CVOLT5THR6DISC7VCC8GND1U3NE555D+5R1430KR15CxC10GNDFC 圖 39 電容測(cè)試電路 測(cè)量電感電路的設(shè)計(jì)及仿真 測(cè)量電感電路的設(shè)計(jì) 電感的測(cè)量是采用電容三點(diǎn)式振蕩電路來實(shí)現(xiàn)的。其振蕩頻率為： (315) 即： (316) (317) 電感測(cè)試電路見圖 310 所示。當(dāng) INH 輸入端 =“ 1”時(shí)所有通道截止，二位二進(jìn)制輸入信號(hào)選通四對(duì)通到中的一通道。 表 31 多路選擇開關(guān)控制 測(cè)量類別 0 0 Y0L 0 1 Y1R 1 0 Y2C 1 1 * 表 31 中 *表示未定義此功能。 Y22Y01Y3Y34VCC16Y15EN6X13VEE7GND8X012B9A10X311X215X114U4CD4052BCMGND+5FCFRFL 圖 313 多路選擇開關(guān) 4 電阻 、 電容 、 電感測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì) I/O 口的分配 R 測(cè)量程序的選擇 C 測(cè)量程序的選擇 L 測(cè)量程序的選擇 多路選擇開關(guān)控制選擇 、 和 按鍵輸入及 測(cè)量指示燈 在本設(shè)計(jì)的模塊中，模塊是以單片機(jī)為核心，再通過按鍵控制測(cè)量的被測(cè)參數(shù)在數(shù)碼管顯示，按鍵主流程圖如 41 所示。通過三個(gè)按鍵 Sr,Sc,SL 來進(jìn)行靈活控制，具體操作流程如 42 所示。 頻率 參數(shù)計(jì)算的原理 本設(shè)計(jì)頻率的計(jì)算采用單片機(jī)外部中斷 ，對(duì)外觸發(fā)電路產(chǎn)生的脈沖頻率的測(cè)量，再通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的校正來完成。 圖 43 測(cè)頻率原理圖示 說明：圖 43 中 t1 時(shí)刻檢測(cè)到高電平開定時(shí)器 1，開始計(jì)數(shù)； t2 時(shí)刻等待檢測(cè)低電平； t3 時(shí)刻第二次檢測(cè)到高電平時(shí)關(guān)定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。程序流程圖如圖 44 所示。 一、 Protel 99 SE 的系統(tǒng)組成 按照系統(tǒng)功能來劃分， Protel99se 主要包含以下兩大部分和 6 個(gè)功能模塊。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路原理圖；更新和修改電路圖零件庫；查看和編輯有關(guān)電路圖和零件庫的各種報(bào)表。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路板；更新和修改零件封裝；管理電路板組件。 電路仿真與 PLD 部分 (1)電路模擬仿真系統(tǒng) (Advanced SIM 99)：電路模擬仿真系統(tǒng)包含一個(gè)數(shù)字 /模擬信號(hào)仿真器，可提供連續(xù)的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，以便對(duì)電路原理圖進(jìn)行信號(hào)模擬仿真，從而驗(yàn)證其正確性和可行性。本系統(tǒng)的主要功能是；對(duì)邏輯電路進(jìn)行分析、綜合；觀察信號(hào)的波形。 (3)高級(jí)信號(hào)完整性分析系統(tǒng) (Advanced Integrity 99）：信號(hào)完整性分析系統(tǒng)提供了一個(gè)精確的信號(hào)完整性模擬器，可用來分析 PCB 設(shè)計(jì)、檢查電路設(shè)計(jì)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)超調(diào)量、阻抗和信號(hào)諧波要求等。機(jī)器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C(jī)器碼，用于 MCS51 單片機(jī)的匯編軟件有早期的 A51，隨著單片機(jī)開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級(jí)語言開發(fā)，單片機(jī)的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展， Keil 軟件是目前最流行開發(fā) MCS51系列單片機(jī)的軟 件，這從近年來各仿真機(jī)廠商紛紛宣布全面支持 Keil 即可看出。運(yùn)行 Keil 軟件需要 Pentium 或以上的 CPU， 16MB或更多 RAM、 20M 以上空閑的硬盤空間、 WIN9 NT、 WIN202 WINXP