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目前RLC 电抗测试类设备基本工作原理为电阻器电阻值变化量，电容器电容值的变化以及电感器电感值的变化量均转换为电压变化或频率，通过高精度AD 采集或频率检测等方法获得确定的电抗数值，确定相应器件的具体参数^[1]。

在现代电子信息科学研究中，需要对电阻、电容或电感的电抗参数进行测量，万用表以其简单易用、功耗低等优点被大部分人所采用。然而万用表存在局限性，如不能测量电感与大容量电容。因此，研制一种简单易用的RLC 电抗参数测量仪器十分必要，存在巨大的市场空间。

*基金项目：阿坝州应用技术研究与开发重点项目（19YYJSYJ0091）；四川省教育信息技术“十三五”规划课题（川教馆2019-142）。阿坝师范学院自然科学重点项目（ASA19-17）

1   系统结构设计

测试系统采用MCU 作为电阻、电容、电感的电抗参数测试中心控制器，实现对其电抗参数的测试。系统分为参数测量模块、通道选择模块、控制电路模块和显示模块四个部分，通过输入输出端口向模拟开关发送两位地址信号，得到相应的振荡频率，根据输出频率切换测试量程，同时进一步处理电抗参数输出值，系统结构框图如图1。

控制电路模块以STC89C52 为核心，具有中断、定时、计数等功能模块。系统设计中，采用LCD1602 作为显示器，CD4502 作为模拟开关、NE555 与3 个测量模式控制按键分别为SR、SC、SL，切换不同参数测量模式，实现智能选择并测量。通道选择由MCU 控制CD4052 模拟选择开关完成档位切换。测量电路中RC震荡电路采用555 振荡器与电容三端式振荡电路，实现电抗参数的间接测量^[2]。

作者简介：曹新敏（2001—），四川成都，阿坝师范学院本科在读，主要研究方向：单片机嵌入式系统软硬件设计。

通信作者：晏勇（1983—），四川成都，副教授，硕士，主要研究方向：嵌入式系统软硬件协调设计，无线传感器网络。

2   硬件电路设计

2.1 STC89C52单片机电路设计

基于MCU 的RLC 电抗参数测试系统采用STC89C52中心控制器，最小系统包括电源模块、复位模块、晶振时钟模块、串口下载模块^[3]，单片机最小系统如图2 所示。

图2 单片机最小系统

2.2 显示电路及按键电路设计

在RLC 电抗参数测试过程中，LED 用于显示电抗参数类别和电源状态指示，方便直观。系统MCU 的I/O与LED 采用共阳方式连接，控制程序放在STC89C52的ROM 中，I/O 口输出低电压，相连的状态显示LED被点亮；I/O 口输出高电压，状态显示LED 熄灭，LED接口电路如图3 所示。

图3 LED接口电路

在LED 电路中，每个LED 与MCU 的I/O 之间都必须串联限流电阻，而且阻值至少为180 Ω 。按照电源电压2.3 V 时正常发光工作电流为15 mA 计算，分去5 V 电源电压中的2.7 V 电压，则得到

且电阻功率应为

系统设计中设置了SR、SC、SL 模式按键，分别与单片机P1.3、P1.4 和P1.5 直接相连，按键电路如图4所示。

图4 按键电路

2.3 电阻测量电路设计

555 时基电路是一种应用广泛的时基发生器，外接电阻与电容即可组成多谐振荡器[4]。电抗参数测量采用“脉冲计数法”，由555 电路组成多谐振荡器，通过555 输出振荡频率计算被测R 阻值^[5]，测量原理如图5。

555 时基电路构成的多谐振荡器，振荡周期为：

得：

即：

其中， R5 = 1 kΩ ， R6 = 1 kΩ ， C5 = 0.1 μF。

图5 电阻测量原理图

2.4 电容测量电路设计

电容电抗参数测量方法也是采用“脉冲计数法”，由555 时基电路构成多谐振荡电路^[6]，通过计算振荡器输出频率计算被测电容的大小^[7]，电容测量原理如图6。555 电路多谐振荡器振荡周期为：

设： ，得：

即：

其中： R3 = 200 kΩ，R4 =1 MΩ，C4 = 0.1 μF

图6 电容测量原理

2.5 电感测量电路设计

电感电抗参数测量采用电容三端式振荡器，电容三端式振荡器也称为考毕兹振荡电路^[8]，采用“射同余异”的组成原则^[9]，电感测量原理如图7 所示，振荡频率为：

即：

图7 电感测量电路

3   软件设计

系统软件设计，以单片机作为控制器，控制按键选择参数测量模式，通过LCD 显示测量结果，模式控制按键处理流程如图8。

RLC 电抗参数测试系统设计中，为了操作方便、直观，LED 显示被测参数的模式，通过按键SR、SC、SL来进行控制，按键子程序操作流程如图9。

测试中放入待测元器件，开启电源，选择测量参数模式。首先选择被测元件电抗参数的类别，MCU 控制器根据模式开启不同的测试模块程序，测试完成后结果通过LED 显示。

系统设计中频率计算通过MCU 外部中断INT1 实现，对外触发产生的脉冲频率进行测量，通过MCU 对测量数据校正计算完成对频率^[10]。MCU 频率测量原理如图10。

当t1 时刻检测到高电平，开定时器同时计数； t2 时刻等待检测低电平；在t3 时刻第二次检测到高电压，关闭定时器并停止计数^[11]。

GATE =1，TR1 =1 , 当INT1引脚的输入为高电压时， t1 开始计数。外部输入脉冲经过INT1 引脚，当检测到高电压时，打开定时器开始计数；当检测到低电平时，记录脉冲的脉宽，但需要的参数是频率，所以在程序中要继续检测，等待下一个高电压的到来；再次检测到高电压时，关闭定时器停止计数，用此计数据乘以机器周期，得出触发电路产生周期，最后通过计算得到输入信号频率f ^[12]，测频程序流程如图11。

4   实验与测试

4.1 液晶显示电路调试

显示电路分别与MCU 的P1.0、P1.1、P1.2 相连接，显示测量结果。接通电源，用示波器测试输出波形，输出显示为方波，电路焊接无误工作正常，否则硬件电路存在故障，应断电检查。改变电源输出电压，输出方波频率会随之发生变化。经测试，当Vcc 为3.25 V 左右时误差较小。

4.3 实验数据

5   结束语

系统采用STC89C52 为核心，便于携带，稳定性强，调试和维护简便。通过555 振荡器与电容三端式振荡器产生不同振荡频率，测试频率通过CD4052 模拟开关输入单片机计数，显示电路显示被测参数的测量值。根据按键选择情况，控制被测参数所对应的子程序，灵活控制被测参数档位切换。经测试，RLC 参数测试系统精度高、响应快、抗干扰能力强，具有很强的使用价值。

参考文献：

[1] 瓮嘉民,蒋威,陈孝宗.电感电容频率—体化简易测量仪设计[J].电子器件.2019,38(09):148-152.

[2] 刘福星,任全会.便携式电容电感测试系统设计[J].郑州铁路职业技术学院学报, 2019,34(08):67-70.

[3] 王剑,王党朝,黄永超,等.基于Labview的仿真暂态过程测量仪开发[J].内江师范学院学报,2019,34(08）:48-52.

[4] 于柏,费腾,只德瑞.一种简易RLC测量系统的研制[J].实验室研究与探索,2021,40(01):130-134.

[5] 王韦刚,张云伟,田龙彬.一种谐振频率的简便求解与测量[J].国外电子测量技术,2019,42(23):25-29.

[6] 东忠阁.基于LabVIEW的RLC测量仪设计[J].电子科学技术,2017,04(05):28-31.

[7] 吴勇,汪树青.电LCR测量仪校准方法研究[J].电子世界,2020,(23):95-97.

[8] XU M, ZHU L.Ferro-resonance Overvoltage Identification Using Earth Capacitance and Excitation Inductance of Ratio Method[C].Proceedings of 2017 International Conference on Advances in Materials,Machinery,Electrical Engineering(AMMEE 2017),2017.

[9] 赖瑞镪.基于Arduino的RLC测量仪的研究与设计[J].科技创新导报,2019,16(18):121-124.

[10] 王杰.基于51单片机的电容电感测量仪设计[J].科技创新与应用,2019(24):32-33.

[11] 王勇,王梨英.高精度测量仪的研究与设计[J].电子世界,2018,(06):140-160.

[12] 黄江.基于STM32 的高精度电容测量仪设计[J].科技创新导报,2017(27):139-141.

（本文来源于必威娱乐平台 杂志2021年6月期）

关键词： RLC 单片机 NE555 模拟开关 多谐振荡

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