電阻電容在線測試及LCD顯示

分類：解決方案日期：2007-01-31 00:00:00

從在線電阻電容測試的基本原理入手，介紹一種單片機控制的智能電阻電容在線測試方法，利用電壓負反饋和在線測試的“電隔離”原理,給出系統的軟、硬件設計，可對電阻電容進行準確、有效的測量

電阻電容的參數測試在電子設計中是至關重要的，目前其測試基本上都采用直接測量的方式，即用萬用表直接測試元件的兩端以測得元件參數。但通常設計者們在電路設計初期只能通過理論分析計算需要的電子元件的參數，在實際的設計中，需要測試更換一些電路板上的電子元件。但此時元件已經焊接在電路板上，特別像電阻電容往往都不是分立的元件，而是和其他的元件或并、或串聯在一起，直接測試兩端的話將會造成極大的誤差。傳統的做法是焊開原器件再測量，以避免受板上其他元器件的影響。這不僅麻煩，測試速度低，甚至可能損傷印制板和元件。如果能夠在不焊開其他元件的情況下準確的測試元件的參數大小，則可以避免以上問題。本文介紹一種單片機控制的在線電阻電容測試儀，采用在線測試的“電隔離”技術，使旁路電阻、電容忽略不計，無須焊開元件便可直接在印制板上測試元件的參數，既保持了印制板和元件的完整性，又大大提高了測試速度。

系統結構

本系統設計所要完成的主要功能是電阻電容的在線測試與顯示，總體設計思想為：將電阻電容的參數值轉換成與之成正比關系變化的電壓輸出，經A/D轉換，然后送單片機進行數據處理，最后顯示。硬件電路主要由以下幾個模塊組成：C_x／V_o轉換電路、R_x／V_o轉換電路、信號發生電路、濾波電路、Av/Dv轉換電路、A/D轉換及單片機接口電路、量程自動轉換電路、LCD接口電路。各個模塊關系及系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

系統硬件設計

RX/VO轉換電路

圖2 Rx/Vo轉換電路

RX/VO轉換的原理圖如圖2所示，圖中RX為待測電阻，R1和R2為RX兩端旁路的等效電阻，VREF為基準電壓，Rr1～Rr3為基準電阻。由開關K來選擇不同的量程。現以K1閉合為例：由圖可得：

V_REF/R_r1=-V_O/R_X,即V_O=-R_X/R_r1* V_REF。當K2閉合時：V_O=-R_X/R_r2* VREF；當K3閉合時：V_O=-R_X/R_r3* V_REF。

CX/VO轉換電路

C_X／V_O轉換的原理圖如圖3所示：核心部分C_X／V_O轉換器采用簡單有源RC電路，該方法的被測電容C_x與激勵源頻率無關，且C_x／V_o轉換電路的輸出電壓V_o與被測電容C_x為線性關系。該原理構成的電容測試不僅可用于在線電容測試，也可對分立的電容進行測試(即不在線時電容的測試)和電容量增量的測量(測量電容傳感器的電容變化量)。在線和分立電容測試時，開關K斷開。

圖3 CX/VO轉換電路

由圖3可知，在線、分立電容測試時，C_x/V_o轉換電路實質上由反相積分器和微分器兩部分組成。眾所周知，當交流周期信號V_i(t)激勵C_x/V_o電路時，反相積分器的輸出電壓V′_o(t)瞬時值為：

而后接的微分器輸出電壓為：

式中：為C_x/V_o轉換電路的轉換系數。可見，C_x/V_O轉換電路在正弦波信號V_i(t)激勵下，只要合適選擇C_x/V_o電路中的R1、C1、Rr以及Vi(t)的數值就可以得到正比于被測電容Cx的輸出電壓Vo(t)，從而實現了Cx/Vo的轉換。

測試增量電容時，將開關K合上，這時C_x/V_o電路的輸出電壓V_o(t）：

式中，C_x為被測電容的初始值。式中，若滿足R₁/R₃=C_x/C₁(通過改變R₃的阻值實現)，就可使輸出電壓V_o(t)為零。這時可以認為被測電容有一個很小的變化量△C，其值為：

式中，變換系數K′=R₁C₁/R_r V_i(t);可見增量電容△C也是與輸出電壓V_o(t)成線性關系的。
通過對有源RC電路的分析可知有以下兩個重要特性：

在線、分立、增量電容測試時變化不會影響C_x/V_o轉換的精度；

通過改變R_r/R₁的比值，可以方便地調節變換系數，從而可以在很寬的范圍內測試電容。

信號發生電路設計

常用的信號發生器是RC正弦波振蕩電路（也稱文氏橋振蕩電路），其通常由放大電路、電阻、電容構成的反饋網絡組成，在運放為理想運放的情況下，只要滿足自激條件，就可能產生振蕩，但是通常運放都不是理想的，R、C的參數不好設置，給調試帶來一定困難。所以在本設計中，采用集成芯片ICL8038（只需接少量外部元件）來獲得所需信號。ICL8038應用及接口電路如圖4所示。

圖4 信號發生器電路

電路說明：兩個100kΩ電位器（1、12腳）對正弦波進行線性調節；1kΩ電位器（4、5腳）調節正弦波的占空比；10kΩ電位器（8腳）調節正弦波頻率；因為ICL8038輸出正弦波的幅度大概只有1.5～2.5V，所以在輸出端外接一個運算放大器，通過運放輸出端的電位器調節輸出波形的幅度，使其有效值為1V（以方便后續電路設計及計算）。

濾波電路設計

濾波電路的功能是讓指定頻率范圍內的信號通過，而將其余頻率的信號加以抑制，或使其急劇衰減。濾波器可以只用一些無源元件（R、L、C）組成，稱為無源濾波器；也可以用無源元件與有源器件組成，稱為有源濾波器。本設計就用RC網絡和集成運放組成的有源濾波器。

在本設計中，一定頻率的正弦波經積分和微分電路后，產生了諧波，使波形發生了變化，從而需要濾掉。此處使用二階有源帶通濾波電路。其電路圖如圖5所示。

圖5 濾波電路

由圖5可求出該電路的頻率特性為：

=

式中：A_f(ω)`稱為濾波電路增益或電壓傳遞函數；ω₀=1/RC；Q=1/（3-Af）稱為阻尼系數；A_bw=A_f/(3-A_f)稱為通帶電壓放大倍數，A_f=1+R₅/R₄。注意Abw不同于A_f，A_f應小于3，否則電路不能正常工作。同時由上式可知：Q值越大，通帶濾波器寬度越寬，選擇性就越好。

Av/Dv轉換電路

AD637是一塊高精度單片TRMS／DC轉換器，可以計算各種復雜波形的真有效值。采用了峰值系數補償，在測量峰值系數高達10的信號時附加誤差僅為1% 。頻帶寬度在2V輸入時可達8MHz。在實際應用中唯一的外部調整元件為絕對值平方的平均電容CAV、其影響到求平均值時間、低頻精度、輸出波紋水平及輸出穩定時間。使用前需利用外部調整元件來減小有源整流器的非線性誤差．電路圖如圖6所示。

圖6 Av/Dv轉換電路

A/D轉換及單片機接口電路設計

本系統采用的ADC0809是一種8路模擬輸入逐次逼近型A／D轉換器，由于價格適中，與單片機的接口、軟件操作均比較簡單，目前在8位單片機系統中有著廣泛的使用。ADC0809由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、8位A／D轉換器和三態輸出鎖存緩沖器組成。ADC0809與單片機的接口電路由于接口簡單。在此不再占用篇幅。

量程自動轉換電路設計

在實際應用中，由于模擬開關本身存在一定的壓降，所以實際應用起來較難，所以在這里電路中必須進行一定的補償，采用繼電器作為開關，以控制進行量程轉換。電路原理圖如圖7所示。

圖7 量程自動轉換電路

LCD接口電路設計

作為測試儀器，顯示是不可或缺的。在本設計中，采用EDM1602模塊以實現單位的LCD顯示。模塊的內部結構主要由LCD 顯示屏（LCD PANEL）、控制器、列驅動器和偏壓產生電路組成。EDM1602與單片機的接口電路如圖8所示。

圖8 LCD接口電路