智能仪器课程设计——LC测试仪.doc

电容电感测试仪设计
根据要求完成以下各项设计:
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。
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。
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?
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。
根据设计选用器件,并说明选用该器件的理由。
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?
画出设计系统的元件原理图(用Protel、Proteus等),有条件(选做)可对该系统进行仿真(用multisim、Proteus等),看是否能达到设计要求。
分析该系统软件应具有的功能,画出软件总体结构图。
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。
画出设计系统的电路布线图(用Protel等)(选做)。
编写设计报告。
设计任务分析
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。
设计要求
采用LC振荡法测量电容、电感值。
电感测量范围:~2H,分辨率:,精度5%。
电容测量范围:10pF~10μF,分辨率:10pF,精度5%。
测量速度:>1次每秒。
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。
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。
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。
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。
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。
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:
放大电路:供能,放大
反馈电路:形成正反馈,满足相位条件
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:AF>1,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: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。
LC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。
测量电路
LC振荡电路需要一个原始电容,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:
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:
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U和电容C之间满足Q=CU的关系。U由直流电压表测出,Q由电容器放电测量。由C=Q/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。