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[电工测试] 电阻电容在线测试及LCD显示

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发表于 2007-10-26 20:24:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
USB-6009数据采集卡首发
作者:东华理工学院核技术应用研究所 张怀强 何为民、成都理工大学应用核技术与自动化工程学院 金仁高 陆坤   
+ Y2 T5 f: d5 e! x/ h6 c    从在线电阻电容测试的基本原理入手,介绍一种单片机控制的智能电阻电容在线测试方法,利用电压负反馈和在线测试的“电隔离”原理,给出系统的软、硬件设计,可对电阻电容进行准确、有效的测量' z" ?2 Q- k! _7 r# J
电阻电容的参数测试在电子设计中是至关重要的,目前其测试基本上都采用直接测量的方式,即用万用表直接测试元件的两端以测得元件参数。但通常设计者们在电路设计初期只能通过理论分析计算需要的电子元件的参数,在实际的设计中,需要测试更换一些电路板上的电子元件。但此时元件已经焊接在电路板上,特别像电阻电容往往都不是分立的元件,而是和其他的元件或并、或串联在一起,直接测试两端的话将会造成极大的误差。传统的做法是焊开原器件再测量,以避免受板上其他元器件的影响。这不仅麻烦,测试速度低,甚至可能损伤印制板和元件。如果能够在不焊开其他元件的情况下准确的测试元件的参数大小,则可以避免以上问题。本文介绍一种单片机控制的在线电阻电容测试仪,采用在线测试的“电隔离”技术,使旁路电阻、电容忽略不计,无须焊开元件便可直接在印制板上测试元件的参数,既保持了印制板和元件的完整性,又大大提高了测试速度。
- ~5 N2 j5 M7 ^5 Y/ F系统结构2 g) v2 C( L) h! W! h
本系统设计所要完成的主要功能是电阻电容的在线测试与显示,总体设计思想为:将电阻电容的参数值转换成与之成正比关系变化的电压输出,经A/D转换,然后送单片机进行数据处理,最后显示。硬件电路主要由以下几个模块组成:Cx/Vo转换电路、Rx/Vo转换电路、信号发生电路、滤波电路、Av/Dv转换电路、A/D转换及单片机接口电路、量程自动转换电路、LCD接口电路。各个模块关系及系统总体框图如图1所示。
* n/ M6 @/ \# Z
( n* |0 @1 Z3 Z7 X: {# c
                               
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" B0 J  u1 A; D9 v9 V% T, U图1 系统总体框图
系统硬件设计
1 h, N6 T/ f' f- I
RX/VO转换电路( W) O& k3 n, h5 r# i
2 ]& f% K- r: a+ [6 X
                               
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% f" x$ T( r2 V, v/ a7 U图2 Rx/Vo转换电路
RX/VO转换的原理图如图2所示,图中RX为待测电阻,R1和R2为RX两端旁路的等效电阻,VREF为基准电压,Rr1~Rr3为基准电阻。由开关K来选择不同的量程。现以K1闭合为例:由图可得:
8 N" s0 k/ z8 y% m* Z3 eVREF/Rr1=-VO/RX,即VO=-RX/Rr1* VREF。当K2闭合时:VO=-RX/Rr2* VREF;当K3闭合时:VO=-RX/Rr3* VREF。6 I* i/ H' }4 V2 i
CX/VO转换电路
0 ?8 T! ^# m6 j7 l8 uCX/VO转换的原理图如图3所示:核心部分CX/VO转换器采用简单有源RC电路,该方法的被测电容Cx与激励源频率无关,且Cx/Vo转换电路的输出电压Vo与被测电容Cx为线性关系。该原理构成的电容测试不仅可用于在线电容测试,也可对分立的电容进行测试(即不在线时电容的测试)和电容量增量的测量(测量电容传感器的电容变化量)。在线和分立电容测试时,开关K断开。
1 J4 h0 Z' q" R) i- ^

2 l" L5 W- \& T8 X9 y! o  Z                               
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0 }' }& Z- A+ j2 J/ z; z' V' Z
图3 CX/VO转换电路
由图3可知,在线、分立电容测试时,Cx/Vo转换电路实质上由反相积分器和微分器两部分组成。众所周知,当交流周期信号Vi(t)激励Cx/Vo电路时,反相积分器的输出电压V′o(t)瞬时值为:
$ z2 j8 H: j; v& U/ p3 |( l
3 U, {( y. b9 s. {* |  Y
                               
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3 p( h- O$ u* e3 j4 H9 s
而后接的微分器输出电压为:. f4 f: B( X# b  _8 K; A4 R/ v; Z0 @
# O+ T4 [8 k; e8 m
                               
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' w  P0 \& y4 I5 v
                               
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( U) P8 U& ?- ^: }% x& [式中:

. n- m3 R/ h0 g. m( s% ~; C                               
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为Cx/Vo转换电路的转换系数。可见,Cx/VO转换电路在正弦波信号Vi(t)激励下,只要合适选择Cx/Vo电路中的R1、C1、Rr以及Vi(t)的数值就可以得到正比于被测电容Cx的输出电压Vo(t),从而实现了Cx/Vo的转换。3 l: v# n% }5 ]* @0 _( ^# R3 I! U
测试增量电容时,将开关K合上,这时Cx/Vo电路的输出电压Vo(t):
4 c0 F' J6 k6 b8 }% x/ Z
8 ~( X  j. I% q9 I4 j8 i
                               
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$ W& A! o* X$ v" l6 k式中,Cx为被测电容的初始值。式中,若满足R1/R3=Cx/C1(通过改变R3的阻值实现),就可使输出电压Vo(t)为零。这时可以认为被测电容有一个很小的变化量△C,其值为:+ w5 X" c5 S/ e9 z

3 y& a9 T! w9 ~# F8 Y( l/ N8 @                               
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& K# d* q+ s, \# K  p9 I
式中,变换系数K′=R1C1/Rr Vi(t);可见增量电容△C也是与输出电压Vo(t)成线性关系的。& X& w) C7 O4 A2 b! Y- o
通过对有源RC电路的分析可知有以下两个重要特性:7 d% u1 k- m0 a: x4 v! J
  • 在线、分立、增量电容测试时变化不会影响Cx/Vo转换的精度;
  • 通过改变Rr/R1的比值,可以方便地调节变换系数,从而可以在很宽的范围内测试电容。
信号发生电路设计8 p! v: d9 Z. u
常用的信号发生器是RC正弦波振荡电路(也称文氏桥振荡电路),其通常由放大电路、电阻、电容构成的反馈网络组成,在运放为理想运放的情况下,只要满足自激条件,就可能产生振荡,但是通常运放都不是理想的,R、C的参数不好设置,给调试带来一定困难。所以在本设计中,采用集成芯片ICL8038(只需接少量外部元件)来获得所需信号。ICL8038应用及接口电路如图4所示。
6 h; A& I5 v- n
1 j8 D; N, q2 g7 J
                               
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# n9 h% O# G7 L' [4 O9 K图4 信号发生器电路
电路说明:两个100kΩ电位器(1、12脚)对正弦波进行线性调节;1kΩ电位器(4、5脚)调节正弦波的占空比;10kΩ电位器(8脚)调节正弦波频率;因为ICL8038输出正弦波的幅度大概只有1.5~2.5V,所以在输出端外接一个运算放大器,通过运放输出端的电位器调节输出波形的幅度,使其有效值为1V(以方便后续电路设计及计算)。
) d  |! x. L' R0 ]滤波电路设计' P3 o( c5 u, j8 y" Z
滤波电路的功能是让指定频率范围内的信号通过,而将其余频率的信号加以抑制,或使其急剧衰减。滤波器可以只用一些无源元件(R、L、C)组成,称为无源滤波器;也可以用无源元件与有源器件组成,称为有源滤波器。本设计就用RC网络和集成运放组成的有源滤波器。& Q5 a) q9 M# m( a" P$ v+ G. u
在本设计中,一定频率的正弦波经积分和微分电路后,产生了谐波,使波形发生了变化,从而需要滤掉。此处使用二阶有源带通滤波电路。其电路图如图5所示。
0 n+ d- l& ^0 q. X/ }

" x. ~9 @/ h) Z6 R9 F                               
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' a( j6 q0 Z* [3 S) [: }图5 滤波电路
由图5可求出该电路的频率特性为:4 l% x, _1 A! \6 l# H2 j4 m

6 t( _6 m0 h+ r8 i9 `                               
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, N) S. a) D4 p- G' F) Y: e- t
                               
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! y/ ?, N2 S$ }8 e: o" X) k
式中:Af(ω)`称为滤波电路增益或电压传递函数;ω0=1/RC;Q=1/(3-Af)称为阻尼系数;Abw=Af/(3-Af)称为通带电压放大倍数,Af=1+R5/R4。注意Abw不同于Af,Af应小于3,否则电路不能正常工作。同时由上式可知:Q值越大,通带滤波器宽度越宽,选择性就越好。, _' f5 i0 q$ p& I6 l; O. ?
Av/Dv转换电路; O) o0 G& L. t. r0 B* C6 a
AD637是一块高精度单片TRMS/DC转换器,可以计算各种复杂波形的真有效值。采用了峰值系数补偿,在测量峰值系数高达10的信号时附加误差仅为1% 。频带宽度在2V输入时可达8MHz。在实际应用中唯一的外部调整元件为绝对值平方的平均电容CAV、其影响到求平均值时间、低频精度、输出波纹水平及输出稳定时间。使用前需利用外部调整元件来减小有源整流器的非线性误差.电路图如图6所示。* m5 M! w' g+ O- H
$ Q  ]; i  V% ~* J6 U: F
                               
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! f# @5 U: P1 M8 L% `$ w
图6 Av/Dv转换电路
A/D转换及单片机接口电路设计$ W& u# A0 O$ j5 G% C8 I& V
本系统采用的ADC0809是一种8路模拟输入逐次逼近型A/D转换器,由于价格适中,与单片机的接口、软件操作均比较简单,目前在8位单片机系统中有着广泛的使用。ADC0809由8路模拟开关、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲器组成。ADC0809与单片机的接口电路由于接口简单。在此不再占用篇幅。1 ]/ K3 W  F( a
量程自动转换电路设计! O4 y% }, ?& f
在实际应用中,由于模拟开关本身存在一定的压降,所以实际应用起来较难,所以在这里电路中必须进行一定的补偿,采用继电器作为开关,以控制进行量程转换。电路原理图如图7所示。2 ?5 L! f0 u) c" i* \: s  ?7 i' Z1 W
& x+ \! }, g) U: y0 w
                               
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图7 量程自动转换电路
LCD接口电路设计
- b+ ^6 K, P, h; v作为测试仪器,显示是不可或缺的。在本设计中,采用EDM1602模块以实现单位的LCD显示。模块的内部结构主要由LCD 显示屏(LCD PANEL)、控制器、列驱动器和偏压产生电路组成。EDM1602与单片机的接口电路如图8所示。 & k7 \+ Z/ }  j: k0 w5 Z
) l' z9 D9 H5 T: L8 P. m
                               
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- N" s  M. e6 ^+ c
图8 LCD接口电路
系统的软件设计/ M2 c! }7 X% p/ |1 }' a8 [
该在线测试系统的软件主程序流程如图9所示。
+ B9 L+ ~2 j# K0 I6 x* A/ z
! m3 M0 C% n5 i' ?& J% O
                               
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图9 软件主程序流程图
结语
: x  N2 ~% k- k, x/ C通过以上的设计,系统能准确而有效实现电阻电容的在线测量与显示,当然系统还可以加上自动补偿电路,利用软、硬件结合抗干扰。在软件编程中可采用去极值平均滤波法,可达到更好的测量效果。
IDAQ-USB-6009数据采集卡
发表于 2008-1-23 15:05:38 | 显示全部楼层
在线课堂
学习中,谢谢楼主分享!!!
发表于 2011-7-9 13:20:33 | 显示全部楼层
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