摘 要 介紹了一種新穎的單片機(jī)控制電阻電容在線測(cè)試系統(tǒng)，并詳細(xì)論述了系統(tǒng)組成，電阻、電容在線測(cè)試原理以及系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思想。
關(guān)鍵詞 電阻電容 在線測(cè)試 單片機(jī) 電隔離
1 引 言
在線測(cè)試是一種新穎的電子測(cè)量技術(shù)。在調(diào)試維修印刷電路板時(shí)，往往需要測(cè)量印刷電路板上的電阻或電容值。傳統(tǒng)的做法是焊開元件再測(cè)量，以避免受板上其他元件的影響。這不僅麻煩，測(cè)試速度低，甚至可能損傷印刷板和元件。為此，我們采用“電隔離”技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種用單片機(jī)控制的電阻電容在線測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)無需焊開元件便可直接在印刷板上測(cè)量各元件的參數(shù)，即保持了印刷板和元件的完善無損，又大大提高了測(cè)試速度。
2 系統(tǒng)組成
單片機(jī)電阻電容在線測(cè)試系統(tǒng)原理如圖1所示�！ �
為了實(shí)現(xiàn)電阻電容在線測(cè)試過程的自動(dòng)化，由8031單片機(jī)、2732EPROM、鎖存器和8155擴(kuò)展器構(gòu)成控制部分；為了拓寬測(cè)試范圍，系統(tǒng)設(shè)置了自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程；為了進(jìn)一步提高測(cè)試精度，采用了軟件抗干擾措施。
3 電阻在線測(cè)試原理
電阻—電壓轉(zhuǎn)換電路原理如圖2所示。
圖中Rx是印刷板上的待測(cè)電阻，R1和R2是Rx兩端旁路的等效電阻，Uref為基準(zhǔn)電壓，Rx為基準(zhǔn)電阻。測(cè)試時(shí)用三根測(cè)試筆，其中一根將R1和R2的接點(diǎn)接地；第二根將Rx與R1的接點(diǎn)接至運(yùn)算放大器的反相輸入端；第三根將Rx與R2的接點(diǎn)接至運(yùn)算放大器的輸出端。由圖2不難看到：根據(jù)理想運(yùn)算放大器的“虛短”原理，R1上的電壓為零，因而沒有電流通過；又根據(jù)深度電壓負(fù)反饋時(shí)其輸出電阻為零的特征，作為負(fù)載電阻R2的數(shù)值大小，不會(huì)影響其輸出電壓Ur。
由圖2得Ur＝－Uref Rx／Rx
可見在基準(zhǔn)電壓Uref和基準(zhǔn)電阻Rx確定后，Ur只取決于Rx，而與R1與R2旁路電阻均無關(guān)，即對(duì)R2實(shí)現(xiàn)了“電隔離”。這就將印刷電路板上的被測(cè)電阻Rx直接轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸出電壓Ur。為了擴(kuò)大測(cè)量范圍，引進(jìn)了基準(zhǔn)電阻Rr1～Rr4和相應(yīng)的開關(guān)S1～S4來轉(zhuǎn)換量程，如圖3所示。單片機(jī)根據(jù)Rx選擇合適的Rr，通過控制S1～S4自動(dòng)轉(zhuǎn)化量程。若選用高精度的運(yùn)算放大器（如OP07等），可以進(jìn)一步提高測(cè)量精度。為了減少R2的影響，輸出級(jí)采用T1和T2復(fù)合管組成的射級(jí)輸出器，可進(jìn)一步減小輸出電阻，并為R2提供所需的電流。為了減小接觸電阻的影響，三根測(cè)試筆均用雙線結(jié)構(gòu)，將通電流的導(dǎo)線（圖3中用粗T1線表示）和測(cè)電壓的導(dǎo)線（圖3中細(xì)線）分開。理論和實(shí)踐都指出：在測(cè)量小電阻時(shí)，這種測(cè)試能有效地提高測(cè)試精度。
4 電容在線測(cè)試原理
電容在線測(cè)試原理電路如圖4所示。
圖中Cx為印刷板上被測(cè)電容，Rx為板上與Cx并聯(lián)的電阻，Z1和Z2為板上Cx兩端旁路的總等效阻抗，Uref為基準(zhǔn)的正弦波信號(hào)源，Rr為基準(zhǔn)電阻。如同上述電阻在線測(cè)試所分析的那樣，根據(jù)理想運(yùn)算放大器的“虛短”原理及深度電壓負(fù)反饋輸出電阻為零的特征，可消除Z1和Z2的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)Cx和Rx并聯(lián)阻抗Zx的“電隔離”。由圖4不難看出：
Uc＝－Uref Zx／Rx
在印刷電路板上，電容Cx通常與Rx之間并聯(lián)，如何從并聯(lián)電路中單獨(dú)測(cè)得Cx值，這是電容在線測(cè)試的關(guān)鍵。為此，我們提高正弦波發(fā)生器Uref的頻率F，使Cx的容抗1／（ωCx）＜＜Rx，則可忽略Rx，使并聯(lián)阻抗Zx近似等于Cx的容抗。即
式中Rr，Uref和頻率F均為已知，測(cè)得Uc，便可用上式求出Cx。我們稱此法為“高頻近似法”。分析可知，若Rx大于被測(cè)電容Cx的容抗Zc的5倍，即若Rx≥5Cx，那么，按式Cx＝Uref／（2лFRr
Uc）求出Cx的誤差不大于2％�？紤]到測(cè)量中因其它因素引起的誤差，整個(gè)誤差總和也不大于5％。對(duì)于一般要求這種誤差已經(jīng)滿足了。在實(shí)際電路中，電容量的范圍很廣，與電容器并聯(lián)的電阻值差別也很大。為實(shí)現(xiàn)高頻近似法測(cè)試Cx，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的信號(hào)頻率。為了便于測(cè)量控制，又不使正弦波信號(hào)發(fā)生器過于復(fù)雜，采取的措施是將信號(hào)源的頻率按5倍頻分檔，并使各檔信號(hào)Uref的幅度相等。由低向高按5倍關(guān)系逐檔增高信號(hào)頻率，同時(shí)測(cè)量響應(yīng)的輸出電壓Uc，并計(jì)算相鄰兩檔低頻輸出電壓Ucl和高頻輸出電壓Uch的比值。分析證明，若該比值Ucl／Uch≥3．6時(shí)，則可以用這個(gè)高檔頻率的信號(hào)測(cè)量Cx，此時(shí)的輸出電壓Uc＝Uch。將此時(shí)的f，Uref和Uc代入Cx＝Uref／（2лfRrUc），便可求得Cx。而Ucl／Uch≥3．6則可作為“高頻近似法”選擇測(cè)試頻率的依據(jù)。
5 系統(tǒng)軟件
該在線測(cè)試系統(tǒng)的軟件，采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、若干子程序和中斷程序組成，并且采用了數(shù)字濾波等軟件抗干擾技術(shù)，提高了測(cè)試精度。系統(tǒng)主程序的流程圖如圖5所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，先初始化，然后判斷測(cè)試Cx還是Rx，則分別進(jìn)入各次的測(cè)試程序，開始在線測(cè)試。電阻在線測(cè)試過程為：被測(cè)電阻Rx通過Rx／Ur轉(zhuǎn)換電路，將Rz轉(zhuǎn)換為直流輸出電壓Ur，送入A／D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，輸入單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)國家輸入得數(shù)據(jù)，選擇最佳量程，并控制量程轉(zhuǎn)換開關(guān)，選擇合適的基準(zhǔn)電阻Rr，實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)化。在單片機(jī)控制下，進(jìn)行多次（如8次）采樣測(cè)試，并對(duì)各次測(cè)得的Ur求取平均值，然后計(jì)算出電阻Rx，最后送顯示器顯示。
電容在線測(cè)試過程為：將Cx／Uc轉(zhuǎn)換電路，在正弦波信號(hào)發(fā)生器的作用下將Cx的數(shù)值轉(zhuǎn)換為交流輸出電壓Uc，送入A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送至單片機(jī)。單片機(jī)開展量程轉(zhuǎn)換開關(guān)，選擇最佳量程，獲得與Cx相應(yīng)的Uc值。單片機(jī)通過頻率轉(zhuǎn)換開關(guān)，控制正弦波信號(hào)發(fā)生器的振蕩頻率，從最抵擋頻率開始，按5倍頻逐級(jí)增頻率。同時(shí)讀入各檔的相應(yīng)Uc值，并對(duì)相鄰兩檔頻率的數(shù)據(jù)Ucl和Uch求商Ucl／Uch，判斷Ucl／Uch是否大于3．6，若不大于此值，則繼續(xù)讀入求商，直到Ucl／Uch≥3．6，單片機(jī)就根據(jù)最后這次Fh和Uch，按式Cx＝Uref／（2лfhUch）求Cx值，并送顯示器顯示被測(cè)的電容量數(shù)值。
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