筆者大學(xué)里一個(gè)模擬電賽的題目，做完之后閑著沒事就傳到這，希望和大家學(xué)習(xí)交流。
摘要
本電路能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)識(shí)別電阻電感電容，并對(duì)它們的阻抗值進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)分別接入電阻電感電容時(shí)，對(duì)應(yīng)的小燈泡會(huì)發(fā)光，指示使用者查看相應(yīng)的萬用表。電阻測(cè)量范圍為0.1 - 1k歐姆，電容測(cè)量范圍為0.1u - 100u，電感測(cè)量范圍為100u~100m，若允許調(diào)節(jié)電位器，則測(cè)量范圍將會(huì)更大。電路可分為元件類型識(shí)別和元件數(shù)值測(cè)量?jī)刹糠帧?/p>
元件識(shí)別部分運(yùn)用了信號(hào)分析的思想，根據(jù)電阻電感電容兩端電壓具有固定相位差的原理，將待測(cè)元件與一個(gè)一千歐的參考電阻串聯(lián)，將二者兩端電壓通過相乘器相乘，根據(jù)相乘結(jié)果中有無直流分量以及直流分量的正負(fù)判斷元件類型。將相乘后的結(jié)果通過一個(gè)低通濾波器，若原結(jié)果中含有直流分量和交流分量，則濾波器會(huì)將交流分量濾除，輸出一個(gè)較大的直流分量。使用比較器、74LS138、小燈等元件輔助元件類型判斷。
數(shù)值測(cè)量部分，對(duì)于電感和電容，使串聯(lián)的電阻與待測(cè)元件兩端的信號(hào)通過放大器和整流濾波電路將交流量轉(zhuǎn)化為直流量后，根據(jù)歐姆定律通過除法器計(jì)算出相應(yīng)的值。對(duì)于電阻，直接將電阻與參考電阻兩端電壓相除，由于二者相位完全相同，相除的結(jié)果為比較穩(wěn)定的直流量，再通過一個(gè)穩(wěn)壓電路就可以獲得非常精確的電阻數(shù)值。
關(guān)鍵詞：相干解調(diào) 相位分析 全自動(dòng)測(cè)量 整流濾波電路 電感電阻電容
1 設(shè)計(jì)要求
- 未使用單片機(jī)；
- 測(cè)量電阻范圍：0.1Ω～1KΩ；
- 測(cè)量電感范圍：100μH～100mH；
- 測(cè)量電容范圍： 0.1μF～100μF；
- 測(cè)量的電阻、電感數(shù)值可直接在直流數(shù)字電壓表上顯示；
- 具有自動(dòng)識(shí)別電阻、電感元件的功能；
- 測(cè)量?jī)x電路可在Multisim軟件上進(jìn)行仿真、演示。
注：若允許調(diào)節(jié)變壓器，則可以測(cè)量更大范圍內(nèi)的元件數(shù)值
2 整體方案設(shè)計(jì)流程圖
電路流程圖及整體電路圖如圖所示，流程圖省略了各部件間的電壓跟隨器。
?圖2.1元件識(shí)別電路部分流程圖
?圖2.2 測(cè)量電路流程圖
?圖2.3 整體電路圖
3模塊電路設(shè)計(jì)
3.1 元件識(shí)別電路設(shè)計(jì)
以正弦波作為信號(hào)源，將待測(cè)元件與參考電阻串聯(lián)，通過相乘器和移相電路的分析，判斷待測(cè)元件類型。該部分包含兩種相乘電路、低通濾波電路、移向電路、邏輯分析電路等。
3.1.1 未移相相乘電路
待測(cè)元件為電阻時(shí)，設(shè)參考電阻兩端電壓為 msin(wt) ,則可設(shè)待測(cè)元件兩端電壓為 nsin(wt)?， 將二者電壓通過相乘器相乘得到的結(jié)果則為 mn2-cos(2wt)2?，經(jīng)過一個(gè)低通濾波器后，交流分量將被濾除至接近0，只剩下直流分量 mn2.
待測(cè)元件為電感或電容時(shí)，可設(shè)其兩端電壓為 ±ncos(wt)，則與參考電阻電壓相乘的結(jié)果為 ± sin(2wt)2 ，通過低通濾波器后該分量將接近于0，兩種情況的波形如圖所示（電容波形和電感類似，只是濾波后的正負(fù)不同）。
??
?圖3.1 放置電阻時(shí)波形? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖3.2 放置電感時(shí)波形
3.1.2 移相九十度相乘電路
該電路與3.1.1電阻元件相乘電路基本相同，只是相乘前需要先使參考電阻兩端電壓通過一個(gè) 90°的移相電路。相乘后的結(jié)果與3.1.1電路相反，若待測(cè)元件為電阻，相乘結(jié)果為接近于0的直流分量，若為電感，結(jié)果為負(fù)的直流分量，若為電容，則為正的直流分量。移向電路如圖所示。
?圖3.3 90°移相電路
根據(jù)虛短虛短及其他電路知識(shí)可得：
ui-1jwC4I1=R6I2
ui-1jwC4I1=R1I1
uo-ui=-(R6+R5)I2
聯(lián)立三式可得：uo+ui1-2116jwC4+1=0?,當(dāng) C4 取1nF,R1取16kΩ時(shí),uo=-jui
? ?
?? 圖3.4 放置電阻時(shí)波形 ????????????????????????圖3.5 放置電感時(shí)波形
3.1.3 邏輯分析電路
上述兩個(gè)相乘電路將得到來自電阻電感電容的三個(gè)輸出，取三個(gè)比較器，一個(gè)比較器“+”極接電阻輸出，“-”極接電感輸出，記為A；一個(gè)比較器“+”極接電感輸出，“-”極接電阻輸出，記為B；一個(gè)比較器“+”極接電容輸出，“-”極接電阻輸出，記為C.三個(gè)比較器輸出結(jié)果記為A,B,C，根據(jù)其真值表通過74138輔助識(shí)別元件，并使相應(yīng)的小燈泡亮。其真值表如表3.1所示。
| A |
B |
C |
R |
L |
C |
||
| 1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
||
| 0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
||
| 1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
表 3.1 比較器輸出與元件類型真值表
3.1.4 識(shí)別結(jié)果分析
分別放置電阻電感電容，發(fā)現(xiàn)該電路識(shí)別效果較好，得益于比較器和74138的輔助作用，即使元件數(shù)值相差極大，也能成功的識(shí)別元件種類。測(cè)量結(jié)果如圖所示，放置電阻時(shí)，藍(lán)燈亮，放置電感時(shí)，橙燈亮，放置電容時(shí)，綠燈亮，可根據(jù)亮燈情況查看相應(yīng)的直流電表。
?圖3.6 放置電阻時(shí)亮燈情況圖
3.2 數(shù)值測(cè)量電路
3.2.1 電容電感測(cè)值電路
3.2.1.1 測(cè)量原理
運(yùn)用串聯(lián)分壓的原理測(cè)量元件的阻抗值：對(duì)電容：UxU1=1jwC1R4?, 變換后可得：C=U12πfR4Ux?；
對(duì)電感：UxU1=jwLR4?? ，變換后可得：L=UxU12πfR4?. 使待測(cè)元件和參考電阻兩端的電壓信號(hào)放大后通過橋式整流濾波電路得到穩(wěn)定的直流量，并通過調(diào)整除法器的K值進(jìn)行計(jì)算得到代表元件阻抗值的直流電壓值，由直流電表讀出。
3.2.1.2 硬件電路設(shè)計(jì)
除法電路如圖所示，根據(jù)虛短及相關(guān)電路知識(shí)可得：
uo=-R37R38ui1?, uo=Kuoui1，聯(lián)立兩式可得除法輸出電壓 uo=-R37KR38ui1ui2?, 其中K為乘法器的參數(shù)。乘法器原理不再贅述，調(diào)整合適的K值就能使輸出電壓的值等于相應(yīng)元件的值。
在本電路中測(cè)量電容時(shí)，K=Au2Au12πfR4≈ 9.2 測(cè)量電感時(shí)，K=Au1Au22πfR4?≈ 6.28，其中，Au1和Au2?分別為待測(cè)元件和參考電阻兩端的電壓放大倍數(shù)。
?圖3.7 除法電路圖
同時(shí)，考慮到橋式整流濾波電路輸出的直流電壓值與其內(nèi)電容串聯(lián)的電阻值有關(guān)，阻值越大，電容放電越慢，當(dāng)該電阻足夠大時(shí)，輸出的直流電壓值前面系數(shù)將趨近于1.2，在本電路中該電阻值取決于除法器內(nèi)的兩個(gè)電阻R38和R37，如果在整流濾波電路后直接串聯(lián)電壓跟隨器，雖然可以使輸出直流電壓倍數(shù)穩(wěn)定，但是除法器的除法系數(shù)將發(fā)生復(fù)雜難以計(jì)算的改變，因此本電路選擇將兩個(gè)電阻調(diào)至500kΩ，在不影響除法器倍數(shù)的前提下穩(wěn)定了直流輸出倍數(shù)。該部分電路圖如圖所示。
另外，當(dāng)電容電感兩端電壓較低時(shí)，橋式整流濾波電路中二極管的分壓將不可忽略，因此在仿真文件中筆者對(duì)該電路的輸出使用加法器抬升了0.3V，將在一定程度上緩解二極管分壓帶來的影響。
圖3.7 電容電感阻抗值測(cè)量電路
?
?
3.2.2 電阻阻值測(cè)量電路
電阻的測(cè)量同樣使用了串聯(lián)分壓原理：UxU1=RR4?, 即 R=UxU1R4?
考慮到當(dāng)待測(cè)元件為電阻時(shí)，其相位與參考電阻完全相同，設(shè)參考電阻兩端電壓為 msin(wt) ,待測(cè)元件兩端電壓為 nsin(wt)，可將二者直接相除，則共有的交流量 sinwt將被直接消去，再乘上R4?就可以得到十分精確的阻值。對(duì)比上述電感電容的整流測(cè)量電路，電阻測(cè)量電路在待測(cè)電阻較小時(shí)也不用擔(dān)心二極管分壓不可忽略而導(dǎo)致的誤差較大的問題，簡(jiǎn)易、精度高測(cè)量范圍廣，唯一美中不足是輸出電壓在實(shí)際情況下可能會(huì)突變，后期可以通過串聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓電路優(yōu)化，該部分電路圖如圖所示。
?圖3.8 電阻測(cè)量電路
4 測(cè)試結(jié)果及分析
?表4.1 參考電阻為1k時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
可見，電阻阻值的測(cè)量比較精確，而電感電容的測(cè)量則有一定誤差，誤差的主要原因是橋式整流濾波電路中的二極管對(duì)輸入電壓的分壓作用在感抗值特別小的時(shí)候?qū)o法忽略。因此，本電路可以通過調(diào)整參考電阻的阻值將測(cè)量范圍左移或者右移，將參考電阻調(diào)至10k時(shí)擴(kuò)大的結(jié)果如表4.2所示，理論測(cè)量范圍只受參考電阻限制。
?表4.2 參考電阻為10k時(shí)新增的測(cè)量結(jié)果
5 結(jié)語文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-623219.html
本電路一大創(chuàng)新點(diǎn)是在待測(cè)元件識(shí)別電路引入了信號(hào)分析中相干解調(diào)的思想，不同之處是濾除的交流分量而非直流分量，且結(jié)合了數(shù)電中譯碼器等知識(shí)，使得識(shí)別電路不再受元件數(shù)值大小的影響，理論上不存在出錯(cuò)可能。測(cè)量方面，電感和電容的測(cè)量使用了整流濾波電路搭配除法器進(jìn)行測(cè)量，精度并非很高，但勝在電路穩(wěn)定。電阻的測(cè)量使參考電阻與待測(cè)元件直接相除從而達(dá)到消除正弦函數(shù)的目的，相比電容電感測(cè)量而言不需要考慮二極管分壓對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-623219.html
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