摘要:介绍了在单片机控制下的一种测量仪器.利用电压负反馈和电隔离技术,实现电阻电容在线测试;它可以进行数据采集、A,D转换、自动转换量程及显示等,具有较高的测试精度.
在电子仪器、仪表的制造及使用行业,有大量的印刷电路板需要调试、测量与维修,对电阻电容的数值进行测试.传统的做法是把线路板上的电阻电容焊开后再测量,以避免其它元件的影响,这样做不仅麻烦、效率低,还极易损伤线路板和元器件.采用单片机控制的阻容在线测试仪,应用了在线测试的“电隔离”技术,在无需焊开元器件的条件下,便可直接对电阻、电容进行测量.系统在8031单片机的控制下,可以进行数据采集,自动转换量程,数据处理和显示等,实现了测试过程的智能化.
图1是电阻在线测试原理图.其中Rx是待测电阻,R1、R2是Rx两端的旁路等效电阻,VR为基准电压,Rr为基准电阻.根据理想运算放大器的“虚地”原理,U+≈U-,R1上的电压为0,即R1上没有电流通过;又根据深度电压负反馈时,其输出电阻为0的特性,负载电阻R2对输出电压无影响.
当基准电压VR和基准电阻Rr确定后,V0只与Rx有关,而与Rx的旁路电阻R1、R2均无关,即对Rx实现了“电隔离”,由此将被测电阻Rx转换成相应的输出电压V0.单片机系统对V0进行处理后,即可得出被测电阻Rx的阻值.
同电阻在线测试原理一样,根据理想运算放大器的特性,在电容的测试过程中,同样可以消除待测电容Cx两端的旁路等效阻抗Z1、Z2的影响,实现对Cx和Rx并联阻抗Zx的“电隔离”.在图2中,Cx为印刷电路板上的待测电容,Rx是Cx的并联电阻,Z1、Z2为Cx两端旁路的总
在印刷电路板上,Cx两端通常并有电阻Rx,为在并联电路中单独测得Cx值,必须设法提高正弦波发生器的频率f,使得Cx的容抗1,ΞCxRx,则可以忽略Rx的影响,使并联阻抗Zx近似等于Cx的容抗.即:
其中f、Rr、VR为已知,Cx只与V0有关,单片机系统对V0进行处理后,即可得出Cx值.
该系统由8031单片机、8155扩展器、A,D转换器、多路转换开关和数字显示电路构成一个智能检测系统,实现阻容元件在线测试过程的自动化.
测试过程:被测电阻Rx或被测电容Cx通过电阻,电压或电容,电压转换电路转换为电压信号后,经A,D转换器送入单片机系统,单片机根据输入的数据,选择最佳量程,并控制量程转换开关,自动实现量程转换.选择好最佳量程后,测量系统对Rx或Cx值进行多次采样测试,对采得的数据进行处理后,送到显示器显示测得的数值.
为获得较高的测量精度,选用高精度的运算放大器(OP—07).由V0=VRRx(Rr)所以当Rr和VR确定后,Rx由V0来求出.在实际测量时,Rx是不确定的,为满足测量范围的需要,设置Rr1,Rr4四档基准电阻,控制系统根据读到的Rx值,通过多路模拟开关CD4051自动选出合适的基准电阻Rr1(Rr4)实现量程的自动转换.下面是一个实用的测试电路.
图中由T1、T2组成的射极输出器,可以进一步减小输出电阻R2对V0的影响.输出电压V0经比较器(TA75041)得到所需的逻辑电平后进入A,D转换器进行数据转换.
在实际测量中,电容量的范围很广,Rx值也有很大的差别,所以为了选择合适的信号频率,将信号源的频率按5倍频分档.并使各档信号VR的幅度相等.测量时,由低向高逐档增高信号频率,同时测量相应的输出电压V0,并计算相邻两档低频输出电压V01和高频档输出电压V0h,当V01,V0h≥316时,则可取V0=V0h,将此时的f、VR和V0代入Cx=VR,(2ΠfRrV0),便可得出Cx的值.输出电压在送入A,D转换器前,需经整流、滤波和稳压处理,最后经过比较器送到A,D转换器转换成数字量,送至单片机.
图5是一个测试电容的实际电路.电路中的E1648是高频集成正弦波振荡器,外接的LC振荡电路决定了它的振荡频率,正弦波电压由3脚输出.在电路设计中为改变E1648的输出振荡频率,设置了7组LC振荡回路,以实现测电容的需要.根据信号源频率按5倍频分档的需要,设正弦波的频率分别为:100Hz(500Hz)2500Hz,1125×104Hz,6125×104Hz,31125×105Hz,115625×106Hz七个频率档.由式f0=1,(2ΠL(C+Ci)可分别确定出各档的L、C值,七组频率档确定后,单片机通过8选1模拟多路开关CD4051,控制正弦波信号发生器的振荡频率,实现对电容的自动测量.
本测试仪显示部分采用串行口静态显示,8031的串行口工作于方式0,为同步移位寄存方式.利用74LS164串行输入并行输出锁存从串行口发出的BCD码.8031的TXD作为74LS164的时钟脉冲输
本文所介绍的阻容在线测试系统,具有较高的测量精度,使用起来方便、高效,可靠.经理论分析说明,在实际测试中如采取一些有效措施,如用双线结构的测试笔、测电容时选择好最佳测试频率等,均可提高测试精度,可证明它具有一定的实用价值.
[1 ]王福瑞单片机测控系统设计[M]北京:北京航空航天大学出版社, 1998
[2]张友德单片微型机原理应用与实验[M]上海:复旦大学出版社, 1992