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1、电容电感测试仪设计根据要求完成以下各项设计：1. 简述该电容电感测试仪的测量原理，并与其它测量方法做比较。2. 分析设计要求，画出所设计的智能仪器的总体结构图，并简述各部分功能、作用。3. 分析影响系统精度的指标有哪些，要提高系统精度最重要的措施有哪些？4. 分析整个系统的每部分要完成的功能，并说明每部分需要达到的技术指标。分析各部分对总体性能（精度、分辨率、速度等）的影响。5. 根据设计选用器件，并说明选用该器件的理由。6. 除设计的主要功能外，该系统是否需要其它辅助功能部件（如电源、抗干扰措施等）？如何实现？7. 画出设计系统的元件原理图（用Protel、Proteus等），有条件（选做）
2、可对该系统进行仿真（用multisim、Proteus等），看是否能达到设计要求。8. 分析该系统软件应具有的功能，画出软件总体结构图。9. 画出各软件模块流程图并编写对各硬件操作的软件，数据处理软件。有条件可对软件进行仿真，看执行情况。10. 画出设计系统的电路布线图（用Protel等）（选做）。11. 编写设计报告。1、 设计任务分析1.1设计内容与目的内容：设计一款简易电容电感测试仪。说明：设计出的电容电感测试仪可对常见电容、电感值进行测量，测量数据传到上位机（计算机）进行统计。1.2设计要求a. 采用LC振荡法测量电容、电感值。b. 电感测量范围：0.1H2H，分辨率：0.1H，精度5
3、%。c. 电容测量范围：10pF10F，分辨率：10pF，精度5%。d. 测量速度：1次每秒。e. 采用7位以上数码管或LCD等显示，显示内容包括：测量的内容（L、C）、数值、单位、不同位置的小数点、当前测量状态等。f. 能通过小键盘或上位机完成测量类型选择（L、C）、分度值设定、标定等工作。g. 能与上位机（计算机）通讯，报告当前测量值。能设置、更改系统基本参数，如分度值、通讯速度、通讯格式等，每次开机后都采用设置好的基本参数作为当前值。h. 系统要具有较高的可靠性，能完成开机自检，错误报告，错误恢复等功能。1.3测量原理分析根据设计题目要求，本电容电感测试仪设计采用LC振荡法原理。1.3.
4、1振荡电路振荡电路是将电源的直流电能，转变成一定频率的交流信号的电路。作用是产生交流电振荡，作为信号源。最基础与最简单的振荡电路是正弦波振荡电路。从模型上分析，正弦波振荡电路是一个没有输入信号的正反馈放大电路（即自激振荡）。为使电路产生持续振荡，需满足两个条件，即：振幅平衡条件：相位平衡条件：振荡电路的组成：（1） 放大电路：供能，放大（2） 反馈电路：形成正反馈，满足相位条件（3） 选频电路：保证产生单一频率的正弦波振荡电路的过程：（1）起振：满足条件：AF1，即（2）稳幅：当信号幅度增大到一定值时，进入三极管或运放的非线性区，放大倍数降低，幅度自动稳定在某一值上，进入稳定状态。（3）稳频：
5、稳频是由选频网络决定的。特定频率的信号将从接通直流电源瞬间产生的点冲击中选出来并持续输出。1.3.2LC选频网络每一个选频网络都会选出一个特定的输出频率（或称为谐振频率）。根据题目要求，本设计中采用LC并联谐振电路作为选频网络。LC并联网络由一个C与一个L并联组成。如图2、3所示，LC选频网络的谐振频率可由公式： （1）得到。当为实际网络时，电路存在一个品质因数Q（与电感损耗电阻R有关），其输出信号为一频带，且Q越大，输出曲线（谐振曲线）越尖锐，选择性越好。当网络为理想电路时（用于设计的仿真电路既是如此），R=0，Q趋近于无穷大，则电路输出频率为单一值。1.3.3测量电路LC振荡电路需要一个原
6、始电容，当进行测量时只需要将待测电容、待测电感接入电路，再利用公式求得新的频率即可。为便于计算，设计中在测量电感时与串联（电感串联其值相加），测量电容时与并联（电容并联其值相加），并用一个单片机引脚信号驱动的继电器来控制一个双刀双掷开关实现不同测量类型的转变。电路实现见图4：1.4测量方案论证与比较本设计采用的LC振荡法，相对于其它电容、电感测量而言，LC振荡法具有电路简单、速度快、适用性广等优点，但其突出的缺点为精度较低，若想提高精度，对硬件电路的要求将大大提高。现将其它测量电容、电感的方法罗列如下：1.4.1其它测量电容的方法a. 利用电容器放电测电容电容器充电后，所带电量Q与两极板间电压
7、U和电容C之间满足QCU的关系。U由直流电压表测出，Q由电容器放电测量。由CQ/U可求出电容器的电容值。b. 利用放电时间比率测电容测量原理是把被测电容和基准电容连接到同一电阻上，构成RC网络。通过测量两个电容放电时间的比率，就可以求出被测电容的电容值。测量范围从pF(10-12F)到几十个nF(10-9F)，并且在寄生电容的抑制和温度稳定性方面具有很大的优势。c. RC振荡法计算电容测量原理是把被测电容和电阻串联，构成RC网络，做成振荡器后，调好振荡信号的波形然后开始计数脉冲值或输出频率一定的信号。通过计算周期T或频率F求得电容值。1.4.2其它测量电感的方法a. 将一个电阻与被测电感串连，
8、然后在电路两端加上交流电，测量电感上的电压和通过的电流，由欧姆定律计算电感的感抗，然后按照公式推算出电感值，就是感抗，是交流发电机运转的角速度，单位为弧度/秒，是频率，L是线圈电感。b. 使用电感测试仪测试加一个正弦波电压，测通过它的电流的幅值和相位。矢量除以频率，就可以得到电感值。2、 智能仪器总体设计2.1智能仪器概念及功能所谓智能仪器，是指含微型计算机的电子仪器。其拥有对数据的存储、运算、逻辑判断、自动化操作及与外界通信的功能，具有一定智能作用，并具有模糊判断、故障判断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测等功能。根据题目要求，本设计中需要与上位机通讯，并完成开机自检、错误报告等功能，是一
9、个典型的智能仪器系统。2.2智能仪器通用结构框图2.3智能仪器典型结构分析智能仪器实际上是一个专用的微型计算机系统，它由硬件和软件两大部分组成。硬件部分主要包括主机电路、模拟量输入/输出通道、人机接口电路、通信接口电路。其中主机电路用来存储程序、数据并进行一系列的运算和处理，通常由微处理器、ROM、RAM及I/O接口电路组成；模拟量输入/输出通道用来输入/输出模拟信号，主要由A/D转换器、D/A转换器和有关的模拟信号处理电路组成；人机接口电路的作用是沟通操作者和仪器之间的联系，主要由仪器面板中的键盘和显示器组成；通信接口电路用于实现仪器与计算机的联系，以便使仪器可以接受计算机的程控命令。智能仪
10、器的软件分为监控程序和接口管理程序两部分。监控程序是面向仪器面板键盘和显示器的管理程序，内容包括：通过键盘输入命令和数据；根据仪器设置的功能和工作方式，控制I/O接口电路进行数据采集、存储；按照仪器设置的参数，对采集的数据进行相关的处理；以数字、字符、图形等形式显示测量结果、数据处理的结果及仪器的状态信息。接口管理程序是面向通信接口的管理程序，其内容是接收并分析来自通信接口总线的远控命令；进行相关的数据采集与数据处理；通过通信接口送出仪器的测量结果、数据处理的结果及仪器的现行工作状态信息。2.4智能仪器典型处理功能智能仪器的主要特征是以微处理器为核心进行工作，因而智能仪器具有强大的控制和数据处
11、理功能，使测量仪器在实现自动化，改善性能，增强功能以及提高精度和可靠性方面有着巨大的优势。智能仪器的这些处理功能是通过执行某种专门程序所规定的测量算法来实现的。根据设计要求，在此次设计中主要应完成开机自检、错误报告、错误恢复等功能。所谓自检就是利用事先编制好的检测程序对仪器的主要部件进行自动检测，并对故障进行定位。智能仪器的自检方式：（1） 开机自检：开机自检在仪器电源接通或复位之后进行。自检中如果没发现问题，就自动进入测量程序，在以后的测量中不再进行自检；如果发现问题，则及时报警，避免仪器带病工作。（2） 周期性自检：周期性自检是指在仪器运行过程中，间断插入的自检操作，这种自检方式可以保证仪
12、器在使用过程中一直处于正常状态。周期性自检不影响仪器的正常工作，只有当出现故障给予报警时，用户才会察觉。（3） 键控自检：当用户对仪器的可信度发出怀疑时，便通过该键来启动一次自检过程。智能仪器一般都借用本身的显示器，以文字或数字的形式显示“出错代码”，即向使用人员给出错误报告。智能仪器的自检项目与仪器的功能、特性等因素相关。一般来说，自检内容包括ROM、RAM、总线、显示器、键盘以及测量电路等部件的检测。（1） ROM检测ROM故障的测量算法常采用“校验和”方法，具体作法是：在将程序机器码写入ROM的时候，保留一个单元（一般是最后一个单元），此单元不写程序机器码而是写“校验字”，“校验字”应能
13、满足ROM中所有单元的每一列都具有奇数个1。自检程序的内容是：对每一列数进行异或运算，若ROM无故障，各列的运算结果应为“1”，即校验和等于FFH。（2） RAM检测数据存储器RAM是否正常的测量算法是通过检验其“读/写功能”的有效性来体现的。选用一个特征值对RAM每一个单元进行先写后读的操作。判别读/写内容是否相符的常用方法是“异或法”，即把RAM单元的内容求反并与原码进行“异或”运算，如果结果为FFH，表明该RAM单元读/写功能正常，否则，说明该单元有故障。最后再恢复原单元内容。（3） 总线的自检此次设计结构较简单，微处理器直接与各I/O器件和插件相连接，并未用到总线，故此部分省略。（4）
14、 显示与键盘的检测键盘检测的方法是，CPU每取得一个按键闭合的信号，就反馈一个信息。如果按下某单个按键后无反馈信息，则该键接触不良或扫描软件有误（通过ROM自检判定）。因本设计按键电路较为简单，且为自锁键，一般不会出现接触不良的状况（每一个按键状态对应一段程序，若按键存在故障，会在LCD上出现明显的显示，故不用再特意编写检测软件）。显示器的检测一般有两种方式，第一种是让各显示器全部发亮，第二种方式是让显示器显示某些特征字，几秒钟后自动进入其他操作。此次设计中采用第二种方式。3、 硬件电路结构分析3.1硬件电路总体设计硬件设计是整个系统的基础，要考虑的方面很多，除了实现此设计基本功能以外，主要考
15、虑如下几个因素：1) 系统稳定度2) 器件的通用性或易选购性3) 软件编程的易实现性4) 系统其它功能及性能指标硬件设计至关重要，主要设计包括以下五部分：单片机主控模块：本设计仍然采用应用广泛的AT89C52作为系统控制核心，完成数据处理、转换、传输等功能，并对整个仪器实现宏观控制。LC测量模块：如前文所述，LC测量模块主要包括振荡电路和LC选频网络。同时，为实现单片机信号的输入与处理，该模块还应具有放大、整形、滤波等功能。通信接口模块：通信接口电路用于实现仪器与计算机的联系，以便使仪器可以接受计算机的程控命令。显示模块：通过LCD驱动程序对AT89C52处理的结果进行稳定显示，并能对测量的内容（L、C）、单位、不同位置的小数点、当前测量状态等进行输出显示。按键控制模块：通过按键对单片机下达命令，实现测量类型选择（L、C）、分度值设定、当前测量状态的转换等功能。3.2系统电路总体框图3.3AT89C52简介AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和256B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度
