RLC元件参数测量仪的设计
实验题目：RLC 元件参数测量仪的设计
1. 课程简要信息
课程名称：电子线路综合设计实践
课程学时： 32 学时
项目学时：课内 28、课外 0
适用专业：电子信息类
学生年级：大三学年上学期
- 实验内容与任务（限 500 字，可与“实验过程及要求”合并）
任务：设计并制作一个能自动测量电阻、电感、电容元件参数的装置。
要求：
（1）测量范围：电阻测量范围：100 Ω~1 MΩ；电感测量范围：22 uH~10 mH；电容测量范围：100 pF~470 uF。
（2）测量精度： 采用数据拟合等软件措施保证测量精度在±5%以内。
（3）量程：能自动切换量程。
（4）显示：采用 LCD 或数码管显示。
3. 实验过程及要求（限 300 字）
（1）调研分析
通过查阅文献、调研元器件参数测量仪器（万用表、LCR 测试仪）等，结合“电子测量技术基础”课程中的基本测量原理，思考电阻、电感、电容的参数测量方法和各自的特点。
（2）方案论证与优化
各小组分析讨论电桥法、谐振法、伏安法等 RLC 测量方法的原理，论证各自的优缺点，分析不同测量方法的误差来源，针对设计任务选择合理的测量方案。在课堂上同指导老师交流与讨论。
（3）电路设计与器件选型
确定设计总体方案后，从性能指标、成本等角度，对主要器件进行选型，例如，振荡电路的器件、量程切换采用的模拟开关或者继电器、主控制器的型号等等。
（4）电路设计、计算与仿真
采用 Altium Designer 或立创 EDA 软件设计具体电路，计算电路的关键技术指标，推导参数的测量公式，分析计算电路参数对量程的影响、误差的来源等。在Multisim 中对电路进行仿真测试。
（5）程序编写与仿真
确定测量装置嵌入式软件的主要功能，编写软件代码。包括主程序、量程切换、显示等关键子程序。利用仿真软件检验程序功能。
（6）PCB 设计
电路原理图和仿真完成后，设计PCB 并完成网上投递加工，采购器件，为系统调试做好准备。
（7）电路调试与数据记录
制订详细的测试方法。在实验室完成测量装置的焊接，确保系统电源稳定可靠后，下载并调试软件程序，利用台式或手持式万用表对基本RLC元件进行比对测量，记录各自的测量数据。
（8）数据分析及软件补偿
利用Matlab或Excel软件分析测试数据。采用数学方法对测量值进行函数拟合，并在软件中对系统的测量数据进行校准补偿。
（9）作品测试、验收与答辩
对作品进行现场测试，学生提交设计和测试报告，并通过 PPT 答辩，对系统的性能指标进行分析总结。
4. 相关知识及背景（限 150 字）
全国大学生电子竞赛中经常出现 RLC 元件参数测量、阻抗分析等相关知识点的赛题。电子信息类专业学生对电阻 R、电感 L、电容 C 十分熟悉，但不少同学并没有思考过其参数的测量方法。
2021年团队获批教育部教指委研究课题“高阶电子技术实验课程建设研究与实践”，围绕课题，注重课赛融合，对“电子线路课程设计”的实验项目进行了梳理，“RLC 元件参数测量仪的设计”是其中的一个实验项目。
项目基于电子测量的基本原理、运用模拟和数字电子技术设计简易测量仪器。是综合课本和大学生电子设计竞赛相关知识的设计性实验项目。
项目需要运用谐振法、伏安法测量，NE555 或三点式振荡电路，DDS 信号源，时间参数测量等相关知识点。涉及仪器的软件校准等工程设计技巧。
5. 实验环境条件
实验设备：信号源、示波器、万用表、稳压电源等。
实验装置：面包板、单片机核心板等。
设计软件：Multisim，Keil, Altium Designer，MATLAB,Excel 等。
电子器件：NE555,LM311,继电器，模拟开关 CD4052，AD9850，单片机，电阻电感电容等。
6. 教学目标与目的（限 150 字）
该实验项目贯彻了“两性一度”的课程建设，注重知识能力素质的有机融合、工程设计意识的融入、现代设计工具的使用等。
以简单测量仪器的设计为项目载体，通过查阅 RLC 元件参数测量的相关论文、调研实验室万用表的技术指标，掌握RLC元件参数的不同测量方法。结合振荡电路、DDS 信号源、单片机控制、继电器或模拟开关切换等电路知识，利用面包板、基本电子测量仪器或虚拟仪器进行调试和数据分析，设计一个具有实际应用功能的 RLC元件参数测量仪。提高学生综合运用专业知识进行电路设计、数学工具分析处理测试数据、软件平台进行调试仿真等工程实践能力。
（1）培养学生综合运用专业知识解决问题的综合能力和高级思维能力。
分析实验任务，针对指标要求，通过查阅 RLC 元件参数测量方法的相关文献，结合仿真软件提出解决思路。
实验项目涉及电路原理、模电、数电、单片机等课程知识，综合运用 NE555 单稳态触发器、LC 振荡电路、DDS 信号源、单片机、虚拟仿真、PCB 设计等专业技能，提高专业知识融会贯通的能力。
（2）培养学生器件选型、校准补偿等工程技巧。
培养学生根据测量方法，合理选择器件，利用基本测量仪器对电路进行调试，分析数据误差，利用数学和软件工具对系统进行校准补偿等仪器开发的工程能力。
（3）培养学生对测量方案、技术指标不断改进，精益求精的精神。
通过对电路测试数据的分析，思考误差来源，采用硬件或软件的方案提高测量精度，培养学生精益求精的精神。
7. 教学设计与实施进程
本实验项目来源于电子设计竞赛中仪器仪表类赛题的背景，支撑我校电子信息工程专业认证目标。也是教育部教指委研究课题“高阶电子技术实验课程建设研究与实践”的产出。设计过程贯穿指标分析、实际产品电路解剖、比对测试、数据校准，具有较完整的工程实践过程。
通过方案论证、器件选型、电路设计、仿真调试、数据分析、校准补偿等环节设计RLC 元件参数测量系统。在实验教学环节，在以下几个方面进行引导：
（1）设计电路前
$\textcircled{1}$ 安排任务，文献阅读和产品调研
让学生查阅文献资料，熟悉 RLC 元件参数测量方法的种类，调研测量装置的技术指标及测量方案。
$\textcircled{2}$ 原理分析与讲解
在学生调研汇报的基础上，分析不同测量方法的异同点，指导学生分析测量误差的来源，从硬件或软件着手考虑提高精度的措施。讲解电子设计竞赛中相关知识，谐振法、伏安法等测量原理。
（2）设计电路过程中
$\textcircled{1}$ 指导关键模块电路设计
指导学生采用NE555单稳态触发器、LC 正弦波振荡电路、DDS 信号源、LC 谐
振电路、模拟开关或继电器等设计测量电路、量程自动切换电路等，采用 AltiumDesigner或立创在线 EDA软件设计规范的电路原理图。
$\textcircled{2}$ 指导学生对电路进行仿真和计算
要求学生根据设计方案，在 Multisim 软件中仿真电路，分析 RLC 元件参数的计算公式，分析可能引入的误差。
$\textcircled{3}$ 引导学生分析不同器件对测量精度的影响
学生通过查阅电子器件资料，分析器件关键特性对测量的影响。例如，继电器和模拟开关的接触电阻对测量的影响等等。
$\textcircled{4}$ 检查学生 PCB 设计的规范性
学生在对PCB 打样前，对整个PCB 的布局布线规范性和合理性给出建议，让学生不断优化提高。
（3）调试过程中
$\textcircled{1}$ 指导硬、软件联调
指导学生采用调试工具观察程序执行结果，利用调试工具完成程序编写；
$\textcircled{2}$ 指导学生规划好系统测试方案
要求学生利用实验室的电源、示波器、高精度台式万用表对自己设计的系统进行测试和误差分析，观测振荡信号波形和时间参数，与单片机测量数据进行对比，思考进一步提高精度的措施。
$\textcircled{3}$ 引导采用软件补偿等措施改进
引导学生分析系统的测量数据，考虑函数拟合、零满度校准等软件补偿措施，编写对测量值进行补偿校准的子程序，观测校准后RLC 测量精度的改善情况，直至满足技术指标要求。
（4）实验结束后
要求学生认真撰写设计报告，注重不同电路方案的比较和思考、电路的参数计算、测量数据的误差分析。同时注意报告的规范性、全文结构的逻辑性。
组织学生进行答辩演示，汇报各小组电路方案和设计亮点。
8. 实验原理及方案
RLC 元件参数的测量广泛应用于电子测量、生物医学阻抗分析等领域。常见的测量方法有电桥法、谐振法及伏安法。电桥法能取得较高的测量精度，但需要不断调节电桥的平衡，测量时间长，操作复杂，很难实现快速自动测量。
基于频率的谐振法，可利用元器件构成振荡回路，利用振荡特性计算元件参数。伏安法的测量原理来源于阻抗的定义，即若已知流经被测阻的矢量电流并测得被测阻抗两端的电压，则通过比率便可得到被测阻抗的矢量。根据阻抗矢量的虚实关系可以判断出元件的属类别，再根据电阻、电容和电感元件的阻抗计算公式即可计算出元件的具体参数。
图 1 为基于振荡电路的 RLC 参数测量方案。单片机的外部按钮用来选择测量电路的功能，测量电阻 R 和电容C 时，采用NE555构成的单稳态触发电路，当单片机提供触发信号时，NE555 进入暂稳态，由单片机计算暂稳态的持续时间，当充放电电路中电阻已知时，根据暂稳态持续时间，可计算出电容值。同样，当电容值已知时，可计算电阻值。测量电感 L 时，选择电容三点振荡电路，产生的正弦波通过整形后变为脉冲信号，利用单片机对脉冲进行频率测量。振荡电路的电容值已知，根据振荡频率和电感、电容参数的关系计算电感值。
图 1 基于振荡的 RLC 测量方案
基于鉴相的伏安法 RLC 测量系统构成如图 2 所示，主要由正弦信号源、前置放大电路、相敏检波器、信号调理电路、A/D转换器、单片机、人机交互装置等模块构成。
正弦信号源为阻抗网络提供激励信号，可采用直接数字频率合成信号源 DDS 实现， ZS是标准电阻， $Z _ { \mathrm { x } }$ 为被测阻抗，前置放大电路为高输入阻抗、高增益放大器，测量时，开关S 通过程控置于 $\mathrm { U _ { x } }$ 或 $\mathrm { U } _ { \mathrm { S } }$ 端。由于 $Z _ { \mathrm { S } }$ 的阻抗已知，可通过比例关系计算被测阻抗。
图 2 基于相敏检波的伏安法测量方案
9. 实验报告要求
提交的实验报告主要包含以下工作：
（1） 背景调研与测量方法分析
调研RLC 元件参数测量的应用领域、常用的万用表测量 RLC 的精度等。
分析 RLC 元件参数不同测量方法的特点。
（2） 方案论证
根据实验任务的指标要求，结合 RLC 测量方法的分析结果，给出电路实现的总体方案；
（3） 电路设计和仿真
设计的电路原理图、仿真电路图、仿真的波形等。
（4） 参数分析与计算
分析电路关键节点电信号与 RLC 参数的关系，推导 RLC 计算公式，分析误差来源。
（5） 功能分析与软件设计
制定软件实现的功能，给出主程序、量程切换控制、参数显示等关键程序流程图。
（6） 电路调试与信号观测给出电路调试使用的测量仪器、调试方法，观测到的信号波形。
（7） 数据分析与校准
分析测量数据的偏差，给出软件校准方法。提高系统的测量精度。
（8） 总结和展望
对设计过程、系统的功能和指标进行总结，指出存在的问题，并展望可能进一步优化的思路。
10.考核要求与方法（限 300 字）
（1） 调研预习 $( 1 0 % )$
是否完成RLC 元件参数测量方法、万用表测量 RLC 参数的技术指标等背景知识的调研。
（2） 电路设计与仿真 （ $20 %$ ）是否独立完成电路原理图的设计、功能仿真，关键信号的分析和计算。
（3） 电路制作与调试 $( 2 0 % )$ PCB设计的规范性，电路连接和基本测量仪器使用的熟练程度等。
（4） 功能指标与工艺 $( 2 0 % )$ )作品实现的功能、技术指标是否满足要求、接口的工艺等。
（5） 数据分析与计算 $( 1 0 % )$
能全面记录和分析作品测试数据，针对测试数据，给出合理的校准补偿措施，并完成校准程序编写。
（6） 拓展创新 $( 1 0 % )$
作品能实现更高的技术指标或功能，例如：测量范围更宽，精度更高，无线互联等功能；
（7） 实验报告 $( 1 0 % )$
实验报告的规范性与完整性。
11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）
（1） 强化实验内容的高阶性
实验项目来源于电子设计竞赛中仪器仪表类赛题的背景，培养学生综合运用专业知识解决问题的综合能力和高级思维能力。项目是教育部教指委研究课题“高阶电子技术实验课程建设研究与实践”的产出。
（2） 注重方案的多样性和技巧性
可采用不同的测量方案完成实验项目，将软件校准等仪器设计技巧融入到实验项目中，培养学生的工程设计能力。
（3） 很强的操作性和推广性
设计的作品的测量对象是学生经常用到的基本元器件，学生对项目具有浓厚的兴趣，采用的实验仪器为常规电子测量仪器。实验装置和电子器件成本也较低，项目具有强的操作性和推广性。
附件
目录
1.引言
1.1研究背景和意义
1.2国内外发展的现状和特点
1.3设计任务
2．RLC的测量原理及分析， 3
2.1电阻描述. 3
2.2电容描述， 4
2.3电感描述. 5
2.4智能RLC测量仪选用的测量方案 6
3．RLC测量仪系统的硬件设计 8
3.1系统总体结构 8
3.2 STC89C51 8
3.3频率转换电路设计 9
3.3.1555定时器 .9
3.3.2电阻Rx测量电路 .9
3.3.3电容 $\mathbb { \mathrm { c x } }$ 测量电路 10
3.3.4电感Lx测量电路 11
第4章系统软件设计. 12
4.1编程软件 12
4.2软件设计的模块， 12
4.3主程序 12
4.4电阻电感电容测量模块
4.4.1电阻测量模块 .14
4.4.2电容测量模块 .14
4.4.3电感测量模块 .14
5．系统测试与数据分析. 15
5.1系统调试与测试， 15
5.1.1 系统软件调试 .15
5.1.2系统硬件调试 .. 15
5.2系统测试结果 16
2、学生调试作品
3、设计的RLC测量电路板
4、部分测量值及曲线
5、学生设计的PCB
6、仿真电路图
