电阻电容的测量方法用于测量仪的制作

2.4.1电阻测量模块方案的比较与选择
电阻测量模块的基本思路是将电阻值变换为相应的电压值或频率值，基于以
上考虑，电阻测量模块有以下三个方案可以实现：
方案一：采用串联分压原理。原理图如图2.2所示，即一个已知阻值的电阻
与待测电阻串联后接到电源的两端。单片机内部AD转换器对电阻XR两端的电
压测量，再进行相应的运算，即可测出待测电阻的阻值。

图2.2 串联分压测量电阻原理图
Figure2.2 Series Points Pressure Resistance Measurement Principle Diagram
由串联电路的分压原理可知，串联电路的电压与电阻成正比关系。由公式
（2-1）

X
XXUURUR0
（2-1）

可知，只需测量电阻XR的电压，就可以计算出待测电阻XR的阻值。
本方案虽然简单易行，但是由于AD转换器的输入电压不高，因此测量的范
围很小，此外AD转换器的精度不够高，也影响了电阻测量的准确性。
方案二：使用ADVFC32芯片作为电阻测量模块的主芯片[6]。原理图如图2.3
所示：

图2.3 电阻测量原理
Figure2.3 Resistance Measurement Principle
该芯片功能是将电压转换为随电压线性变化的频率。待测电阻XR和已知电
阻0R是串联关系，当XR发生改变时，XR两端电压XU就会随之改变。电压XU接
入ADVFC32的电压输入端后，ADVFC32会输出一个频率随输入电压线性变化
的脉冲波Xf。脉冲波频率的范围是0Hz-80KHz，然后将脉冲波Xf接入单片机频
率测量端口，单片机测量频率并且经过相应的运算，即可测出待测电阻的阻值。
本方案的测量精度取决于ADVFC32芯片的转换精度。
方案三：利用RC充电原理，根据电路原理电容充电的时间常数τ=RC[7]。
通过选择适当的参考电容，以及选择测量充电到一个固定电压时所需的时间，即
可测量出相应的电阻值。此方案中当电阻值过小时，充电时间很短，普通的微处
理器难以测量。同时通过实际测试发现，电阻大到3兆欧姆时，充电时间和电阻
值之间的线性度变差，这将导致测量误差增大。
综合考虑以上三个方案，选择方案二进行电阻测量，作为电阻测量模块。
2.4.2电容测量模块方案的比较与选择
电容测量模块的基本思路是将电容值的变换量转换成电压的变化量或者频
率的变化量，通过单片机测量电压或者频率的变化量，计算出电容值。电容测量
模块有以下三个方案：
方案一：采用串联分压原理。原理图如图2.4所示：

图2.4 串联分压测电容原理图
Figure2.4 Series Points the Capacitance Pressure Principle Diagram
在图2.4所示电路中，待测电容与一个已知电阻串联，接到电源两端，电容
跟已知电阻分压，只要测量电容两端的电压值，再通过相应的公式就可以算出待
测电容的值。本方案虽然简单易行，但是由于AD转换器的输入电压不高，因此
测量的范围很小。此外AD转换器的精度不够高，也影响了电容测量的准确性。
方案二：由NE555构成的多谐振荡器作为电容测量模块[8]。如图2.5所示：
图2.5 NE555多谐振荡器
Figure2.5 Multivibrator of NE555
其振荡周期为：
CRRTTT)2)(2(ln2121
(2-2)
图2.5中，1R、2R的阻值相等，则有：

CRf1)2(ln3
1

(2-3)

改变1R、2R的阻值可得到不同的量程。该电路的振荡频率稳定度非常高，输出
方波的幅度稳定，单片机能够直接测量其频率，只需将多谐振荡器的输出波形接
到单片机的频率测量端口，就能够测量出振荡器输出波形的频率。通过公式（2-3）
就可以算出待测电容C的值。
方案三：利用RC充电原理，通过测量充电时间，再用相关公式来计算电容
大小。此方案下测量大电容较准，但在电容容量较小时，电容在极短的时间内就
能充满，使得单片机不能够准确地测量充电时间，测量误差很大。
通过比较以上三个方案，方案二比较适合作为电容测量模块。因此，设计采
用方案二，用NE555构成的多谐振荡器作为电容测量模块。
2.4.3电感测量模块方案的比较与选择
电感测量模块的思路是将电感量转换为频率，再使用单片机测量频率就可换
算出电感值。电感测量模块有以下二种方案：
方案一：采用平衡电桥法测量电感。将待测电感和已知标准电阻、电容组成
电桥。单片机调节电阻参数使电桥平衡，此时，电感的大小由电阻和电桥的本征
频率即可求得。虽然该方案测量精准，同时也可以测量电容和电阻的大小，但其
电路复杂，实现起来较为困难。
方案二：采用电容三点式振荡器电路[7]。电容三点式振荡器的振荡频率只和
电容值和电感值有关，它们之间的关系为：
LCf2
1

(2-4)

利用这个公式，只需令C已知，通过测量频率f就可以求出L的值。
综合考虑，本设计采用方案二，用电容三点式振荡器作为电感测量模块。
2.4.4主控单片机模块方案的比较与选择
设计对于主控单片机的要求主要有以下几个方面：
1、能够准确、稳定地测量频率为1Hz-2MHz的方波（电感测量模块的波形
最大输出频率为1.9MHz）。
2、具有较强的运算能力，能够快速的进行数据处理。
3、能够驱动继电器及12864液晶屏。
基于以上要求，主控单片机主要有以下三种方案：
方案一：采用AT89S52单片机作为系统的主控单片机[9]。AT89S52单片机简
单易懂，比较好运用。但是AT89S52单片机的工作速率比较低，不能够快速的
进行相应的测量及运算。外部输入频率仅为500KHz，即AT89S52单片机能够测
量的频率为500KHz。
方案二：采用ATmega128单片机作为系统的主控单片机。ATmega128单片
机速度快，系统运行非常稳定。它能够测量频率在2M以内的方波脉冲，满足了
本系统对频率测量的要求，也能够直接驱动继电器。
方案三：采用MSP430单片机作为系统的主控单片机[16]。MSP430单片机具
有低功耗、速度快等优点，但其输出电流较小，不能够直接驱动继电器。
综合考虑以上三个方案，设计选择方案二，采用ATmega128单片机作为主
控单片机模块。
2.4.5显示模块方案的比较与选择
设计要求显示模块能够显示待测元件的类型名称、参数等信息，并提供人机
交互界面。显示模块的方案主要有以下三个：
方案一：采用数码管显示，数码管显示清晰，使人容易观察，但是数码管只
能显示数字及小数点，不能显示字母及汉字，不能够满足本系统的显示要求。
方案二：采用1602液晶显示，1602液晶体积小，功耗低，但1602液晶只能
够显示数字及字母，不能够显示汉字，不能满足本系统的显示要求。
方案三：采用12864液晶显示，12864液晶易于控制，能够显示数字、字母
及汉字，满足了本系统的显示要求。
综合考虑以上三个方案，设计选择方案三，采用12864液晶作为显示模块。
2.4.6量程切换模块方案的比较与选择
为了扩大系统的测量范围，需要进行量程的切换。量程切换模块主要有以下
方案：
方案一：采用拨码开关进行量程切换。拨码开关体积小，使用简单，但是必
须采用手动才能进行量程切换，不能实现自动切换量程，测量时显得比较麻烦。
方案二：采用供电电压为5V的继电器作为量程切换模块。该继电器体积较
小，使用简单，ATmega128单片机能够直接驱动，不需要再加三极管进行电流
放大，实现了自动切换量程。
综合考虑以上两个方案，为了能够实现自动测量，设计选择方案二，采用继
电器作为量程切换模块。