开题报告 LCRAT89C51 电容 电感 电阻测量开题报告.docx
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开题报告LCRAT89C51电容电感电阻测量开题报告
毕业设计(论文)开题报告
院系
专业
学号
学生姓名
指导教师
开题报告日期2012年3月14日
1.选题的背景和意义
1.1选题的背景
A)精确评价元器件的性能,保证元件在使用条件下满足要求。
为作出元件的精确评价,需要仪器能提供高准确度、强大功能,能对元件与多种条件的相关性作出准确评价。
如新元件的开发与研究,计量鉴定部门检测、量值传递等。
B)元件生产线快速测试或进货检验。
这种目的对于仪器的测量条件是特定的。
如提供快速的分选以提高效率,特定的频率、电平及其他一些所需要的功能。
C)大致估计使用元件的性能。
我们日常使用或工厂生产的元件(主要指各种电源、电容、电阻)均有一定的数值,从使用的角度已确定了该元件的数值(标称值),实际上存在下列三个因数需要对元件进行测量。
1.工厂生产的元件均标有一定的偏差,使用元件是否满足该偏差要求,需要进行测量方能获得准确数值
2.工厂生产的元件是在某种特定的条件下获得的(如测试频率、测试电平等),与使用条件不尽相同,而使用者需了解的是实际条件下元件的数值。
3..实际上,所有元件并非理性元件,包含各种寄生参数,因此还需要对元件的寄生情况进行测量,这对元件的正确使用来说是极为重要的.
LCR数字电桥的测量目的不仅是测量电感(L)、电容(C)、电阻(R),还需获得描述元件的各种参数:
阻抗Z、电抗X、导纳Y、电导G、电纳B、损耗D、品质因素Q、相位角θ。
仪器测量时并不直接测量某单个参数,而是测量复阻抗,然后按照其相互关系转换成所需测量参数。
近年来随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入,同时带动传统控制检测日新月益更新。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往是作为一个核心部件来使用。
随着电子行业的发展,电感电容在在电路中引用非常广泛,而电容值和电感值的选择直接关系到整个电路设计的稳定性,如果测量电容,电感误差太大,将引起整个电路工作。
因此作为电子设计工程师,在电路参数选择过程中极其需要一个能够准确测量电感电容值的仪器—电容电感测量仪。
因此设计开发一个电容电感测量仪器具有很好的意义。
元件参数主要取决于上述几种条件。
然而,以下的环境条件也是不能忽略的。
如:
时间(元件参数随时间的变化)、温度、湿度、压力、磁场。
上所述,进行元件的测量不仅要考虑所需测量的参数,正确考虑测量这些参数时所使用的相关条件是极为重要的,往往会由于测量条件选择不当而获得错误的结果。
本课题所涉及的内容有一定的理论难度和使用转化方面的问题,将本着理论与使用并重,以使用为主的原则,力争理论与实际相结合,使本课题的研究工作既有理论创新,更具有实用价值。
1.2国内外研究现状
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
随着我国LCR测量仪市场的发展,LCR测量仪的技术的研发和市场状况成为业内企业关注的焦点。
了解国内外LCR测量仪技术发展和市场状况对于企业提高市场竞争力十分关键。
目前国内这类产品种类繁多。
生产厂家数十家,可以看出此类产品还是非常有市场前景的。
不过国内技术还是相对于国外差距很大,在中低档产品方面,生产能力过剩,而在中高档产品方面又与先进国家产品技术水平有差距,不能完全满足国内市场需求,需要进口。
这就要我们加快技术的脚步,迎头赶上国外的先进水平,也适度的向先进水平学习。
项目提出单位:
厦门大学
LCR全自动闭环检测系统是一套以计算机控制为核心的LCR温度特性、频率特性的多通道测试系统。
可实现温度控制、频率变化、通道切换、数据处理的全自动化。
克服了传统手工测试方式费时、重复性差、数据统计分析困难、测试环境难以控制的缺点,达到了价廉物美的国产化目的。
LCR全自动闭环检测系统是利用自行设计的集成控制模块将一台程控型LCR测试仪和一台程控高低温箱连接起来,由数字计算机统一控制来测量电子元件在不同温度和频率下的特性。
各部分主要功能为:
1.高低温箱:
根据计算机的控制信号调节箱内温度达到特定值。
2.LCR测试仪:
从计算机的控制信号中获得待测频率值,它将测量电容和电感的频率及损耗并把数据返回计算机。
3.集成控制模块:
提供16个样品通道,根据计算机控制信号,自动转换测量通道,使得仪器能够对一批电子器件进行一次性自动测量。
4.数字计算机:
系统控制中心及数据管理、分析中心。
本项目已研制出样机,投入试用一年。
从试用效果来看能够达到国外同类产品水平。
该检测系统具有全自动温度频率控制、使各独立设备协同工作、各通道自动切换进行数据采集和处理全自动的特点,技术上已基本成熟。
应用范围:
本项目适用于电子元器件性能的测定和分析,能广泛应用于科研、检测、工厂等部门的电子元器件研制和生产。
目前,该系统的研制属于国产化的急需产品,可替代国外的低成本产品,有一定的预期需求量,其投入可获得可观的回报。
1.3发展趋势
随着技术的发展,未来的电容电感测量方法讲会进一步提升。
目前大多采用接触性测量电感电容值。
新一代电感电容的测试仪器,它能根据不同型号的电力变压器自动选择测试,以最快的速度显示测试结果,误差很小。
并且具有存储、时钟、打印、放电指示等功能,可以长期保存所测得数据,液晶显示的采用使得人机界面良好,操作简单方便,是电容电感测试的比较好的设备。
2.研究的基本内容
2.1基本框架
电容
电感
产生频率
产生频率
AT89C51
计数
显示
2.2研究的重点和难点
当不同的电感或者电容接入电路后将产生不同的频率,通过T0或者T1接入单片机,单片机开启一个基准定时器,再经过一段时间后所采集的脉冲数与时间的比值就是输入的频率;然后通过换算转化成电容电感的值进行显示。
如果设计采用8位7段LED进行显示的话,将遇到I/O口不够的限制,
解决I/O口的不足,可以采用串并转换芯片,进行7段LED进行显示,或者根据人们的视觉只要达到每秒传送20张相片,就不感觉他在闪这个特点,采用片选扫描的方式。
公共断口可以采用共地通过138译码进行片选扫描。
解决调整报警最大量程可以通过按键进行修改设计。
并让7段LED显示目前最大量程设定的值。
2.3拟解决的关键问题
具有测量可选输入,设计一个电路发生频率与电感,电容之间存在一个比较稳定的关系。
从而降低测量误差。
3.研究的方法及措施
研究的方法是根据不同的电容,电感值,在电路中产生不同的频率,根据这个频率特性从而计算出电感电容的值。
并加以显示。
被测电感
被测电容
RC振荡电路
电容三点式振荡电路
分频电路
多路选择开关
按键选择测量电路
指示灯
7段数码管
AT89C51
计数器
选择通道
片选显示
4.预期研究成果
当不同的电容电感接入设计好的相应放置端口后,通过按键选择测量电感还是电容后,将在数码管上显示相应的值。
误差控制在+/-20%.
5.研究工作进度计划
(1)阅读相关的参考资料,并进行整体模型原理的设计(2009.3.1-3.20)
(2)建立测量电容电感的电路设计,并进行硬件可靠性分析(2009.3.20-4.1)
(3)在现有电路的基础上进行程序的编写,并进行PROTEUS模拟调试仿真
(2009.4.1-4.15)
(4)提高部分的工作及51单片机控制的性能测试并焊接电路实现设计功能(2009.4.16-4.30)
(5)完成毕业设计的论文写作工作(2009.5.1-5.10)
(6)论文提交与答辩阶段(2009.5.12-6.8)
毕业设计(论文)
文献综述
(包括国内外现状、研究方向、进展情况、存在问题、参考依据等)
电感电容测量仪文献综述
1.国内外研究现状
我们日常使用或工厂生产的元件(主要指各种电感、电容、电阻)均标有定的数值,从使用的角度说已确定了该元件的数值(标称值).实际上存在下列三个因素需要对元件进行测量:
1.工厂生产的元件均标有一定的偏差,使用元件是否满足该偏差要求,需要进行测量方能获得准确数值。
2.工厂生产的元件是在某特定条件下获得的(如测试频率、测试电平等),与使用条件不尽相同,而使用者需了解的是实际使用条件下元件的数值。
3.实际上,所有元件并非理想器件,包含有各种寄生参数,因此还需对元件的寄生情况进行测量.这对元件的正确使用来说是极其重要的。
以电容器C为例,包括引线电阻Rs和电感Ls.材料的绝缘电阻Rpl,电容器两端的分布电容Cp和电阻Rp2。
有些寄生参数在使用条件下可以忽略.但有些是绝对不能忽略的。
以上述电容器为例.当容量C较大时,引线电阻Rs是主要发热部件,该值过大.在高频大电流使用时可能会产生炸裂的严重后果。
.单片机是嵌入式系统的独立发展之路,向MCU阶段发展的重要因素,就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决;因此,专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展,基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。
因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
2.研究方向
实际电容器的等效状态
阻抗的矢量表示及转换式图
阻抗Z表示为在对某一电子装置或电路施加某一定频率的正弦交流电时所遇到的总阻力。
其在复数平面上以矢量表示。
也可以阻抗的倒数导纳Y(Y=1/Z)表示。
元件阻抗是一复杂的量值,且随施加其上的信号频率和电压的变化而变化,LCR数字电桥的测量目的不仅是测量电感(L)、电容(C)、电阻(R),还需获得描述元件的各种参数
阻抗Z、电抗×、导纳Y、电导G,电纳B、损耗D、品质因素Q相位角θ。
仪器测量时并不直接测量某单个参数,而是测量复阻抗Z,然后按照其相互关系转换成所需测量参数。
二.元件量值与特定要素的相关性
一般LCR数字电桥均给出特定的测量条件,如测量频率信号电平、直流偏置等,这些条件的设定规定了仪器的适用范围.由于被测元件在各种使用条件下呈现不同的特性,因此极为重要的是正确认识元件与使用条件的相互规律-----相关性。
仪器的测量条件应尽可能真实地反映元件的使用条件。
1.测试信号频率相关性
所有元件均与信号频率有相关性。
其变化的大小主要取决于元件寄生(杂散)参数的大小.使用仪器时可能仅考虑了串联和并联两种等效方式,大多数情况下该两种等效方式已基本能描述原件的实际情况。
L、C、R元件的频率特性
2.测试信号电平相关性
所有元件均存在信号电平的相关性。
即在规定测试频率下,元件数值与信号电平的大小有关。
有些元件数值对电平的变化不敏感,然而有些元件对信号电平具有极强的敏感性,如高K(高介电常数)值的陶瓷电容器,高导磁率的电感器等。
因此,对此类器件规定其测量信号电平(电压或电流)是非常重要的。
元件与信号电平的相关性
3.直流偏置相关性
元件与施加其上的直流偏置电压或偏置电流存在相关性。
在元件的各种使用场合,交流与直流信号叠加使用是极为普遍的。
如二极管,三极管的结电容,高K的陶瓷电容器,电解电容器,带瓷芯的电感器或变压器等。
其上所叠加的直流电压或电流的不同便会引起参数的变化,某些器件参数可能会产生剧烈的变化。
4.与其它因素的相关性
元件参数主要取决于上述几种条件:
然而,以下的环境条件也是不能忽略的:
如时间(元件参数随时间的变化)、温度湿度,压力、磁场等。
综上所述,进行元件的测量不仅要考虑所需测量的参数,正确规定测量这些参数时所使用的相关条件是极为重要的,往往会由于测量条件选择不当而获得错误的结果
三.选择合适的LCR数字电桥
1.选择LCR数字电桥的目的
一般地,LCR数字电桥用于三个方面的目的
A)精确评价元件的性能.保证元件在使用条件下满足要求.为作出元件的精确评价需要仪器能提供高准确度强大的功能,能对元件与多种条件的相关性作出准确的评价.如新元件的研究与开发,计量检定部门检测、量值传送等.
B)元件生产线快速检测或进货检验。
这种目的对于仪器的测量条件是特定的。
如提供快速的分选以提高效率、特定的频率、电平及其它一些所需要的功能等:
C)大致估计使用元件的性能。
与B)所要求的低一些,仅需了解元件的般性能。
2.选择LCR数字电桥关心的主要方面
A)测量准确度
测量准确度是反映仪器性能的主要指标之。
确切了解所需仪器的准确度是准确评价元件优劣的关键。
一般地,仪器准确度应比测量元件的技术指标高3—5倍。
更为重要的是.通常仪器样本或其它宣传资料给出的是在某种条件下的最高准确度,这是最能产生混淆之处,应了解被测量元件在测量频率下呈现的阻抗在对应该测量条件下的仪器准确度是否满足测量要求。
B)测试信号频率与电平
测试频率、电平是元件检测需确定的首要参数,也是反映元件要素相关性的最重要内容,对正确选择LCR电桥是极为重要的,
C)仪器价位
购买仪器前,应确定需要仪器的性能和功能,将购买预算进行估算。
一般地,仪器定价是根据频率准确度、性能等要素综合确定的。
经过近几年的努力,国产LCR电桥的技术和工艺水平与国外先进水平的差距已大大缩短。
相同档次的国产仪器与进口相比价格相差2-6倍。
3.进展情况
LCR数字电桥的测量目的不仅是测量电感(L)、电容(C)、电阻(R),还需获得描述元件的各种参数:
阻抗Z、电抗X、导纳Y、电导G、电纳B、损耗D、品质因素Q、相位角θ。
仪器测量时并不直接测量某单个参数,而是测量复阻抗,然后按照其相互关系转换成所需测量参数。
2.选择LCR数字电桥关心的主要方面
SeveralAspectsofSelectingLCRMeter
A) 测量准确度MeasurementAccuracy
测量准确度是反映仪器性能的主要指标之一。
确切了解所需仪器的准确度是准确评价元件优劣的关键。
一般地,仪器准确度应比测量元件的技术指标高3—5倍。
更为重要的是,通常仪器样本或其它宣传资料给出的是在某种条件下的最高准确度,这是最能产生混淆之处,应了解被测量元件在测量频率下呈现的阻抗及对应测量条件下的仪器准确度是否满足测量要求。
充分了解仪器的测量准确度是极为重要的,而且准确度与所给定的测试条件密切相关,如电平、速度、温度等。
以下试举一例来加以说明即使在产品样本上给定基本准确度相同,实际是有很大区别的,我们以TH2818、TH2828两款产品加以说明。
TH2818:
频率20Hz—300KHz,基本准确度0.05%
TH2828:
频率20Hz—1MHz,基本准确度0.05%
假定仪器测试条件均为慢速、电平1Vrms、温度20ºC,对100pF、10nF电容器进行测试,评估其在不同频率下的测量准确度:
表一.典型频率准确度比较表
容量
型号
100Hz
1kHz
10kHz
40KHz
100pF
TH2818
4.06
0.59
0.13
0.11
TH2828
0.3
0.15
0.05
0.05
10nF
TH2818
0.08
0.05
0.05
0.10
TH2828
0.05
0.05
0.05
0.05
容量
型号
100kHz
200kHz
300kHz
500kHz
1MHz
100pF
TH2818
0.10
0.25
0.65
------
------
TH2828
0.05
0.05
0.05
0.10
0.10
10nF
TH2818
0.10
0.25
0.65
------
------
TH2828
0.05
0.05
0.05
0.10
0.10
从表一可以看出,相同基本准确度的仪器,在不同量值被测件和不同频率下其准确度是有很大区别的。
B)测试信号频率与电平TestSignalFrequencyandLevel
测试频率、电平是元件检测需确定的首要参数,也是反映元件要素相关性的最重要内容,对正确选择LCR电桥是极为重要的。
C)仪器附件和选件InstrumentsAccessories&Optional
同惠仪器出厂时给定了附件的标准配置。
有时需测定元件的形状与尺寸与标准配置不符,这便需要另外选择符合要求的测试夹具,有时可能需自己制造测试夹具。
合理适用的测试夹具是进行元件准确测量的保证。
D)仪器价位Instrument’sPrice
购买仪器前,应确定需要仪器的性能和功能,将购买预算进行估算。
一般地,仪器定价是根据频率、准确度、性能等要素综合确定的。
经过多年的努力,同惠低频(≤2MHZ)LCR电桥的技术水平已具备了替代国外先进产品的能力。
相同档次的国产仪器与进口产品相比,价格相差2—6倍。
我们的忠告是:
选择性能先进,技术保障能力强,信誉及服务良好的国产名牌。
LCR数字电桥的其它功能
OtherFunctionsofLCRMeter
一般地,LCR数字电桥尚有其它功能,特别是随着测量技术和微处理技术的飞速发展,LCR数字电桥在不断地给用户发展各种新的性能和功能。
准确灵活地使用这些功能,往往在测量时会起到事半功倍的效果。
1.开路OPEN/短路SHORT清“0”OpenandShortClearing“0”
在第三节叙述了元件的分布参数是检测元件必须考虑的问题,在测试时,测试夹具也存在许多分布参数,这些均会影响测试结果的准确性。
解决此问题的方法便是进行开路OPEN/短路SHORT清“0”。
首先将测试夹具的分布参数看作一线形网络,其存在的分布参数综合为集中参数分析,
a)测试引线引起的参数,该参数使用短路清“0”消除;
b)测试端间的分布参数,该参数使用开路清“0”消除。
图5表示了仪器测试端等效图。
2.负载校准LoadCalibration
负载校准是一种高级的仪器校准方法。
可以使仪器在高于仪器原有准确度的基础上测量元件,主要使用于下述两种情况:
a)当有更准确的元件并需对同规格元件进行更高准确度的测量;
b)统一现场所有LCR数字电桥的测试数据。
3.测试信号检测TestSignalMonitoring
施加于被测件的电平是十分重要的。
实际施加于被测件上的电平(电压或电流)与仪器信号源阻抗有关,虽然仪器电平相同,若信号源阻抗不同,实际施加于被测件上的电平就不同。
同惠有多个品种具有被测件电流、电压监视功能。
4.自动电平控制AutoLevelControl
根据三.2的论述,对某些与信号电平相关性强的器件,保持施加恒定的测试信号电平(电压或电流)是非常重要的。
TH2818、TH2819、TH2828/A/S具备了电平的自动控制功能,这对相关性强的元件的测量是极为有用的。
5.信号源输出阻抗SignalSourceOutputImpedances
传统LCR电桥的信号源阻抗随着量程的变化而变化的,这样,不同的元件测量时的实际电平变化极大,这对某些器件的测量是不合理的。
国际先进及认可的输出阻抗方法为100Ω如Agilent4284A、Agilent4980A、Agilent4263B等。
为兼顾与传统仪器的一致性,同惠大多产品可由用户键盘选择输出阻抗。
6.列表扫描ListSweep
鉴于元件对频率、电平、直流偏置电压、直流偏置电流的相关性。
同惠有多个品种仪器可对上述参数进行列表扫描(见《同惠LCR测试仪器选择指南》)。
即对多点频率(或电平、偏压、偏流)扫描测量,并将测量值同时显示,还可对测试值进行比较判别。
偏流的列表扫描需与同惠的电感偏流源配合使用。
7.测试端配置MeasurementTerminalsDisposal
传统的LCR数字电桥提供了五端测试端配置。
这种配置有效解决了引线电阻对测试结果的影响及测试端子对地的分布电容。
然而,五端配置阻抗测试下限为10mΩ,且不能解决测试线间相互电磁藕合的影响,表现为低阻抗测试时使用开而文测试电缆时引线位置的移动便会造成测试结果的变化。
TH2828/A/S的四端对配置方法不仅阻抗测试下限达到1mΩ,且有效解决测试线间电磁耦合的影响。
(参见《用于元件测试的端接技术》一文)
8.元件的图形分析能力Component’sGraphicsAnalysisAbility
TH2818/TH2828S可提供频率响应分析、交流电压特性分析、直流偏置电压/电流特性分析等诸多分析能力。
建立在10mHz/1mHz频率分辨率基础上,TH2818/TH2828S自动元件分析仪提供了功能强大的元件频率响应分析功能。
此功能可在任意频率范围进行元件主、付参数的频率响应分析,并以图形方式进行显示,这对于元件的研发、元件全性能的评估无疑有重要的意义。
尤其对压电器件的分析提供了极为重要的手段,参见《压电器件测试的超值解决方案》一文。
9.测量范围、最大显示范围、显示位数
MeasurementRange,Max.DisplayRange,DisplayDigits
多测量频率、多测量参数的元件测试仪器在其技术说明书或产品样本上是很难准确描述某参数的测量范围的。
表示仪器测量范围的因素主要决定于:
a)被测件阻抗大小,这是影响测量范围的主要原因;b)实际被检测电平的大下;c)仪器A/D转换器的分辨率,测量速度的加快必然使分辨率降低而影响测量范围;d)电磁干扰、温度、湿度等的影响。
在此情况下,技术参数中表示的测量范围并不能在所有情况均适用,有时便表示为最大显示范围。
测量范围与最大显示范围的概念是不同的。
显示位数表明仪器可提供稳定读数的能力,位数多但读数不稳定是无意义的。
10.变压器测量功能TransformMeasuringFunction
变压器是一种多参数的电子元件,包含有初/次级电感、互感、漏感、圈数比,初/次级电容、直流电阻等。
同惠有多种LCR数字电桥提供变压器测试能力,TH2818XA/XB/XC作为专用的自动变压器测试系统提供了变压器测试的完整解决方案。
11.接口功能InterfaceFunction
仪器的接口是其重要的功能。
一般地,接口可分为两类:
a)通讯接口。
主要有IEEE-488通用并行接口和RS-232C通用串行接口两种。
当前LAN通讯接口与USB通讯接口逐渐成为仪器通讯能力的新的选择。
同惠产品直流TH2826(5MHz电桥)和TH2826A(2MHz电桥具有LAN接口。
通讯接口为数据的交换、仪器的远程控制、自动测试系统的组成、测试数据的统计与分析提供了手段。
针对仪器的通讯接口,同惠还可提供计算机操作控制界面,并可根据客户需求研发专门的统计分析
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