Howland 恒流源
AD637
1
设计任务与要求 1.1 基本要求 （1）测量范围：电阻 100Ω～1MΩ；电容 100pF～10000pF；电感 100μH～10mH。 （2）测量精度：±5% 。 （3）制作 4 位数码管显示器，显示测量数值，并用发光二极管分别指示 所 测 元件的类型和单位。也可用液晶显示屏显示。 1.2 发挥部分 （1）扩大电阻、电容或电感的其中一种的测量范围：测量上限或者下限扩 10 倍。 （2）提高测量精度，电阻、电容或者电感其中一种的测量精度提高到 1%。 （3）测量量程自动转换。 方案比较与论证
电压降
求真有效值 芯片 AD637
数模转换芯片 AD 压降有效值
求得待测 元件大小
图（1） 方案框图
我们选择方案二， 因为方案二电路结构简单， 测电阻电感和电容都统一在一个主电路中， 电路可靠性高、 成本低。 硬件档位少， 因为电流值大小可以通过切换输入信号的频率来改变，
输入信号由AD9850产生，其频率可以由单片机控制。 3 系统硬件组成
表（3）电容测量档位的划分 档位
信号源频率 10 KHz 1 KHz 100 Hz
标准电容 Co 470K 47K 4.7K
信号源幅值 1Vpp
10pF--260pF 260pF--26nF 26nF--2.6uF
Vo
2.7V
0 10pF 4.4.3测电感电路 4.4.3.1 测电感主电路
260pF
2
方案一：谐振法。将待测L/C/R接入振荡电路中，通过测量RC或LC振荡频率来计算L/C/R值。 将被测元器件参数转换成频率后， 频率易于实现高精度测量。 但此方案在振荡频率 低于1MHz时，很难保证频率稳定度，故测量误差比较大。 方案二：电压法。通过 AD9850 芯片和 Howland 电流泵产生交流恒流源，交流恒流源流过 待测元件两端产生与待测量呈线性关系的电压值。 在待测电 待测电阻和待测电感， 容两端加交流电压， 产生的电流流过与电容串联的取样电阻产生与电容量呈线性关 系的电压值。根据欧姆定律求得待测元件的大小。方案框图如下图（1） AD9850 芯片 频率可调的正弦信号 Howland 电流泵 恒流源 待测元件
硬件设计主要分为六部分：第一部分是主控制模块,采用低功耗的 MSP430F149微处理器对 整个系统进行控制、运算和处理，同时其自带12位数模转换芯片AD。当AD的基准电压为2.5V 时,其精度达到0.06%。 第二部分是 DDS(AD9850芯片)产生正弦波信号模块， 通过单片机可以 实现频率由1~100kHz(实际需要的范围)连续变化的正弦波信号，频率稳定、失真小。第三部 分是电阻电容电感测量电路模块。第四部分利用AD637芯片进行有效值转换模块，使其工作 在精度为1%的情况下， 第五部分是4*4独立键盘和12864液晶显示模块。 第六部分是继电器开 关模块。采用模块化电路有益于调试电路和资源重复利用。系统硬件总体框图如下图（2） ： 4*4 矩阵键盘 12864 液晶屏
26nF
2.6uF
Cx
图（9）电容量和电容两端电压关系曲线
图（10）测电感电路
待测电感的阻抗为：
Z
2VoRo fVi
Z
(4)
设V与Vi的相位差为 ， 待测电感的内阻为r， 则有
2fLx 2 r 2
r Z
（5） (6)
cos
由（4） 、 （5） 、 （6）三式知，
Lx
2VRo sin fVi
图（12）过零比较器原理图 表（3）电感测量档位的划分
测量档位 10uH--260 uH 260uH--26mH 26mH--2.6H 2.6H--260H
信号源频率 10 KHz 1 KHz 1 KHz 100 Hz
标准电阻Ro 22 Ω 22 Ω 220 Ω 2 K
信号源幅值 1Vpp
图（13）
AD 637 频率与输出有效值关系曲线
由上面的讨论可知，频率f的精度对测量精度有很大影响，本设计方案中频率的上限主 要受制于有效值转换芯片 AD 637 ,如图（13）所示。频率很高而输出有效值电压又很小的 情况下就会影响测量精度，例如频率为10K Hz，输出电压有效值不低于10mV时，精度为1%。 当频率为10KHz，而输出有效值电压小于10mV,精度将劣于10% 。 5 系统软件设计 开始 系统初始化
(7)
4.4.3.2 测相位差电路 4.4.3.2.1 脉冲计算法测相位差框图
Vo
过零比较器 1 R--S 触发器 与门 计数 译码显示 NhomakorabeaVi
过零比较器 2 标准脉冲 发生器
图（11）脉冲计算法测相位差
输入电压 Vi 和输出电压 Vo 先经过过零比较器,将正弦波转化为占空比为1:2的方波, 利用波形的上升(或下降)沿来触发MSP430单片机的计数器来计数,将相应测量值保存至寄存 器.然后进行计算得出相位差。 4.3.3.2.2 过零比较器原理图
编号: 中南民族大学第五届大学生电子设计竞赛
C 题: 简易电阻、电容和电感测试仪
指导老师：尹建新
参赛学生：
* * *
* * *
系 专
院: 电子信息工程学院 业： 电子信息工程
2012 年 5 月
简易电阻、电容和电感测试仪
摘要：本系统以低功耗 MSP430F149 单片机为控制核心，以键盘和 12864 液晶屏为人机交 换界面。 采用 DDS 信号发生器产生 1Vpp 的正弦信号， 通过单片机控制实现输出频率可调。用 Howland 电流泵产生交流恒流源，流过负载（电阻、电容、电感）时产生压降，用 MSP430F149 单片机自带的数模转换芯片 AD 对真有效值转换芯片转换后的电压进行采 样，根据欧姆定律可求出待测元件的阻抗大小，从而求得待测元件的值。 关键词： RCL 测量 DDS 技术(AD9850) MSP430F149
待测元件
标称值/Ω
值 294.9Ω 1.969K 19.85K 202.0K 50.66Ω 196.3pF 10.57nF 49.4pF 44.76nF 99.8uH 10.92mH 50.0uH 83.16mH
300Ω 2K 电阻 要求部分 20K 200K 发挥部分 51Ω 200pF 要求部分 电容 发挥部分 10nF 51pF 47nF 100uH 要求部分 电感 发挥部分 10mH 51uH 100mH
表（4）测电阻数据记录表
标准仪器测量
相对标准仪器 本仪器测量值 296.2Ω 1.998K 19.7K 202.9K 50.8Ω 195.9pF 10.75nF 50.7pF 46.2nF 98.4uH 11.13mH 48.7uH 87.2mH 测量误差 0.44% 1.47% 0.76% 0.45% 0.28% 0.20% 1.7% 2.63% 3.22% 1.4% 1.92% 2.6% 4.92%
Io
Vi 2 2R
(1）
Vi为用AD9850芯片作正弦信号发生器产生的1Vpp，频率连续可调的正弦信号。
图（3） Howland 电流泵
4.2 电压采样电路 我们采用电压跟随器和AD637作电压采样， 电压跟随器起隔离作用， 避免给测量电 路引入负载。
图（4）电压采样电路
4.3 继电器开关电路
表（2）电阻测量档位的划分 档位
信号源频率 10 KHz 1KHz 10KHz 1KHz 100Hz
标准电容 Co 470nF 470nF 4.7nF 4.7nF 4.7nF
信号源幅值
26Ω--260Ω 260Ω--2.6K 2.6K--26K 26K--260K 260K--2.6M Vo 2.7V
MSP430F149 单片机（及自带数模转换芯片 AD）
有效值转换模块 AD637
继电器开关模块
DDS 模块
RCL 测量电路
电感测量端口
电阻测量端口
图（2）系统硬件组成框图
电容测量端口
4
单元硬件电路设计 4.1 Howland 恒流源电路 如图（3）所示， 当 R1 R 2 R3 R 4 时，有：
1Vpp
0 26Ω
260Ω
2.6K
26K
260K
2.6M
Rx
图（7）电阻值和电阻两端电压关系曲线
4.4.2 测电容电路
图（8）测电容电路
Cx
2Vo fRoVi
（3）
此时同样可以通过改变频率 f 和Ro,使得电流呈现阶梯方式递减，得到电容量与电压量之间 的关系如下图（4）所示,电容测量档位的划分如下表（3）:
图（5）继电器开关电路
4.4 RCL测量电路 RCL测量电路其实是同一个电路，只不过通过继电器开关的控制可以转变为测电 阻、侧电感和侧电容电路。 4.4.1 测电阻电路
图（6）测电阻电路
Rx
2Vo fCoVi
（2）
从上式中我们可以看到我们既可以通过改变频率 f ，也可以改变 Co ,使 Rx 两端的电压呈 阶梯方式递减，相应的就将电阻测量分为了若干个档位。电阻测量档位的划分如下表（2） ：
6
系统电路存在的不足和改进的方向 测量时，电阻测量范围很难调高，电容值非常小时会有谐波。
测小电阻时，我们可以采用给待测电阻串联合适的已知标准电阻的方法，来提高测量精 度；测电感时，给待测电感串联合适的已知标准电感。
参考文献 [1]童诗白 华成英 主编.《模拟电子技术基础》第三版 .高等教育出版社，2001年3月 [2]彭其圣 尹建新 主编《模拟电子技术实验》.科学出版社 ,2010年9月
提示信息
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切换 DDS 频率或者切换 继电器开关
AD 采集数据 AD_value
Umin<AD_value <Umax Y 对数据进行运算分析
N