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PROTEUS在智能RLC测量仪研制中的应用
日期：2013-07-16
来源：九游会J9
摘 要：
本文利用功能强大的PROTEUS仿真软件设计以89C51单片机系统为核心的RLC智能测量仪。设计过程简单，方便，大大提高了设计的效率，降低了设计成 本，并且设计的RLC智能测量仪能实现RLC参数的自动测量和显示，结构紧凑、操作方便，测量精度高、响应快、测量范围宽。
关键词：单片机，PROTEUS，RLC
1、引言
目前，测量电路参数R,L,C的仪表种类多种多样，其方法也不尽相同。这些方法都有其实用性，但是随着工程技术要求的提高，它们的弊端也越来越明显。 电容的测量方法较多，如电桥法、阴抗法等。电桥法精度高，但电路复杂且测量时还需要调节电桥平衡，不利于实现全自动的智能化控制，阻抗法需要低失真的 正弦波和高精度的A/D，而且计算较为复杂。电阻的测量方法有电流法、分压法等，这些方法的精度变化大。若要较高的精度，必需较大的量程，且电路复杂。同 样，在测量电感时电桥法和相位法也不宜采用。数字RLC测量仪的数字化程度并不高 ,其参量分离是靠同步检波器实现的[1]。
Proteus是英国Labcente公司开发的电路分析与实物仿真软件，具备主要特点:
（1） 可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路，其最大的特点是可以支持许多型号的单片机仿真，该软件的单片机仿真库里有51系列、PIC系列、AVR系列、摩托 罗拉的68 MH11系列和ARM7等，他也能像其他的EDA软件那样进行电路分析，如模拟分析、数字分析、混合信号分析、频率分析等等。
（2）提供了虚拟示波器、逻辑分析仪、信号发生器、计数器、电表等虚拟仪器仪表供选用。
（3）能够进行SCH（原理图）与PCB（印制板）的设计。
（4）能和Keil, Matlab等软件整合使用，以求达到更好的仿真效果[2]。借助PROTEUS软件可以使从事该行业的专业技术人员加快电路系统开发的速度，缩短开发时间，节约开发成本，提高电子产品开发的效率。
本文所设计的RLC测量仪是用555构成的多谐振荡器和由MC1648构成的振荡器把R、L、C作为谐振电路中的一个元件，当阻抗值变化时谐振电路的输出频 率将随着改变，先用Proteus软件分别用555和MC1648构成了振荡器测量不同RLC值产生的不同频率，在MCU内部建立频率阻抗对照表数据库， 从测得的频率值直接查表可获得元件的阻抗值并显示。利用Proteus软件强大的仿真功能，把各个分部分仿真无误并建立频率阻抗对照表后，再总体仿真，然 后直接用Proteus软件和总体仿真图进行设计PCB，最后硬件测试，建立的频率阻抗对照表数据准确，效率高。RLC智能测量仪用对小阻抗元件和大阻抗 元件能进行自动识别，实现测量档位的自动切换和准确测量。
2、RLC智能测量仪的设计原理
用 555构成的多谐振荡器和由MC1648构成的振荡器与MCU组成系统，将被测元件放于测量电路中，经过振荡电路和处理电路产生一定频率的矩形波并送至单 片机。单片机根据所选测试元件通道，根据所测频率查表判断是否转换量程，并从数据库读取频率所在范围的两端频率和相应的RLC值，把数据进行处理后，送 LCD显示相应的参数值。
3、PROTEUS的各部分设计
3.1 RC电路部分的设计
通过改变R:和C的参数就可以改变振荡频率。被测电阻R或被测电容C作为由555构成的R、C振荡电路的元件，根据阻值范围或电容范围自动选择匹配电 容或电阻产生稳定的振荡频率，用Proteus软件强大的仿真CPU的功能在仿真时就可以建立RC的频率阻抗对照表数据库。
3.2 LC振荡电路的设计
压控振荡器VCO就是在振荡电路中采用压控元件作为频率控制器件，它的特性可用瞬时振荡频率ωV与控制电压VC之间的关系曲线来表示，如图4所示，在一定范围内ωV与VC之间是线性关系，这一线性曲线可用公式表示：
KV是特性曲线的斜率， 称为VCO的增益或灵敏度， 量纲为rad/s·V，它表示单位控制电压所引起的振荡角频率变化的大小[3]。
对电感的测量则采用压控振荡器构成振荡电路，在Proteus软件中没有我们所需要的VCO元件，根据Proteus软件强大的功能，我们根据VCO的 原理用Proteus软件制作了VCO[4]，我们制作的VCO元件的部分子图如图3 所示，被测电感L作为由VCO构成的L、C振荡电路的元件，根据电感L的大小自动选择不同的匹配电容，产生稳定的振荡频率，用Proteus软件强大的仿 真CPU的功能在仿真时就可以建立L的频率阻抗对照表数据库。
3.3总图的系统设计仿真部分
总体方框图如图4所示，把设计的软件和建立的频率阻抗对照表加载到单片机中，分别变换RLC的各参数进行仿真测试，并在LCD上查看结果与RLC的参数值对比。
3.4 PCB的设计
经过总体系统设计仿真无误后用Proteus软件先进行原理图的后处理，再进行PCB设计。
4、软件设计
4.1建立频率阻抗对照表部分程序
ORG 0000H START: MOV TMOD,#15H MOV TH1,#03CH MOV TL1,#0B0H MOV TL0,#000H MOV TH0,#000H MOV PCON,#80H SETB TR1 SETB TR0 LOOP2: JBC TF1,LOOP1 SJMP LOOP2 LOOP1: CLR TR0 CLR TR1 MOV 20H,TH0 MOV 21H,TL0 SJMP START END
把由用555和MC1648构成了振荡器输出的频率的引脚分别联接到MCU的P3.4引脚,把上述程序经Proteus软件编译并加载到MCU中,然后分别变换RLC的阻抗,读取20H和21H内部单元的数据,就可以建立频率阻抗对照表.
4.2 总体软件设计
设计的软件结构按它的功能可分为:准备程序、测量程序、查表程序、自动量程转换程序、运算程序、显示程序和系统控制程序。准备程序应该完成系统操作之前的准 备工作。它包括初始化和系统测试2部分。初始化程序极为简单，主要是设堆栈指针，对于定时计数器的设置，分别在各测量模块进行。测试程序是用来检查应用系 统软硬件是否处于正常状态。测量程序对于小周期采取对频率计数对于大周期采用的是通过门控位在外界电平转换时产生中断来测量正脉冲的宽度。查表程序是在测 量到频率或周期后通过查表找到相应的RLC所在的范围。自动量程转换程序通过软件功能来完成自动量程转换。运算程序采用多位数的浮点运算和插值运算，显示 程序用的是LCD动态显示接口电路的控制程序。
5、结束语
利用PROTEUS软件强大的仿真功能设计了RLC智能测量仪，提高了系统开发的速度，缩短开发时间，节约开发成本。且此RLC测量仪具有功能强、性能可 靠、体积小、电路简单等特点，加上自行设计的RLC参数与频率计数的数据库对照表、浮点数的运算、自动切换档位等，使测量仪表具有较高的智能化水平。为实 现集示波、存储、任意信号发生、频率特性分析、逻辑分析、RLC测量、程序在线更新等于一体的多功能测量仪的RLC测量部分提供了坚实的技术保障。
本文作者创新点是利用PROTEUS软件强大的仿真功能设计了RLC智能测量仪，在仿真过程中建立了准确的频率阻抗对照表数据库，并直接根据仿真无误的原理 图制作PCB。提高了系统开发的速度，缩短开发时间，节约开发成本。此RLC测量仪具有功能强、性能可靠、体积小、电路简单等特点，并且对小阻抗元件和大 阻抗元件进行自动识别，实现测量档位的自动切换和准确测量、显示。与传统的伏安法、电桥法比较测量快速、准确、方便。
参考文献：
[1] 朱继军，郑永明，单片机控制的RLC测量仪研制[J], 中国民航学院学报,2003,21（7）:47-48
[2] 左宇翔,钱剑敏.UC/GUI在MCS51系列单片机系统移植的仿真实现[J]. 微计算机信息,2006,22（3-2）:98-100
[3] 张肃文主编.高频电子线路[M]. 北京：高等教育出版社，2004.
[4] 周润景，张丽娜编著。基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京航空航天大学出版社，2006年1月
本文利用功能强大的PROTEUS仿真软件设计以89C51单片机系统为核心的RLC智能测量仪。设计过程简单，方便，大大提高了设计的效率，降低了设计成 本，并且设计的RLC智能测量仪能实现RLC参数的自动测量和显示，结构紧凑、操作方便，测量精度高、响应快、测量范围宽。
关键词：单片机，PROTEUS，RLC
1、引言
目前，测量电路参数R,L,C的仪表种类多种多样，其方法也不尽相同。这些方法都有其实用性，但是随着工程技术要求的提高，它们的弊端也越来越明显。 电容的测量方法较多，如电桥法、阴抗法等。电桥法精度高，但电路复杂且测量时还需要调节电桥平衡，不利于实现全自动的智能化控制，阻抗法需要低失真的 正弦波和高精度的A/D，而且计算较为复杂。电阻的测量方法有电流法、分压法等，这些方法的精度变化大。若要较高的精度，必需较大的量程，且电路复杂。同 样，在测量电感时电桥法和相位法也不宜采用。数字RLC测量仪的数字化程度并不高 ,其参量分离是靠同步检波器实现的[1]。
Proteus是英国Labcente公司开发的电路分析与实物仿真软件，具备主要特点:
（1） 可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路，其最大的特点是可以支持许多型号的单片机仿真，该软件的单片机仿真库里有51系列、PIC系列、AVR系列、摩托 罗拉的68 MH11系列和ARM7等，他也能像其他的EDA软件那样进行电路分析，如模拟分析、数字分析、混合信号分析、频率分析等等。
（2）提供了虚拟示波器、逻辑分析仪、信号发生器、计数器、电表等虚拟仪器仪表供选用。
（3）能够进行SCH（原理图）与PCB（印制板）的设计。
（4）能和Keil, Matlab等软件整合使用，以求达到更好的仿真效果[2]。借助PROTEUS软件可以使从事该行业的专业技术人员加快电路系统开发的速度，缩短开发时间，节约开发成本，提高电子产品开发的效率。
本文所设计的RLC测量仪是用555构成的多谐振荡器和由MC1648构成的振荡器把R、L、C作为谐振电路中的一个元件，当阻抗值变化时谐振电路的输出频 率将随着改变，先用Proteus软件分别用555和MC1648构成了振荡器测量不同RLC值产生的不同频率，在MCU内部建立频率阻抗对照表数据库， 从测得的频率值直接查表可获得元件的阻抗值并显示。利用Proteus软件强大的仿真功能，把各个分部分仿真无误并建立频率阻抗对照表后，再总体仿真，然 后直接用Proteus软件和总体仿真图进行设计PCB，最后硬件测试，建立的频率阻抗对照表数据准确，效率高。RLC智能测量仪用对小阻抗元件和大阻抗 元件能进行自动识别，实现测量档位的自动切换和准确测量。
图1 555构成的测频电路图
2、RLC智能测量仪的设计原理
用 555构成的多谐振荡器和由MC1648构成的振荡器与MCU组成系统，将被测元件放于测量电路中，经过振荡电路和处理电路产生一定频率的矩形波并送至单 片机。单片机根据所选测试元件通道，根据所测频率查表判断是否转换量程，并从数据库读取频率所在范围的两端频率和相应的RLC值，把数据进行处理后，送 LCD显示相应的参数值。
3、PROTEUS的各部分设计
3.1 RC电路部分的设计
通过改变R:和C的参数就可以改变振荡频率。被测电阻R或被测电容C作为由555构成的R、C振荡电路的元件，根据阻值范围或电容范围自动选择匹配电 容或电阻产生稳定的振荡频率，用Proteus软件强大的仿真CPU的功能在仿真时就可以建立RC的频率阻抗对照表数据库。
3.2 LC振荡电路的设计
图2 压控振荡器特性曲线[/align]
压控振荡器VCO就是在振荡电路中采用压控元件作为频率控制器件，它的特性可用瞬时振荡频率ωV与控制电压VC之间的关系曲线来表示，如图4所示，在一定范围内ωV与VC之间是线性关系，这一线性曲线可用公式表示：
图3 VCO电路部分子图
对电感的测量则采用压控振荡器构成振荡电路，在Proteus软件中没有我们所需要的VCO元件，根据Proteus软件强大的功能，我们根据VCO的 原理用Proteus软件制作了VCO[4]，我们制作的VCO元件的部分子图如图3 所示，被测电感L作为由VCO构成的L、C振荡电路的元件，根据电感L的大小自动选择不同的匹配电容，产生稳定的振荡频率，用Proteus软件强大的仿 真CPU的功能在仿真时就可以建立L的频率阻抗对照表数据库。
图4 RLC测试仪结构原理图
3.3总图的系统设计仿真部分
总体方框图如图4所示，把设计的软件和建立的频率阻抗对照表加载到单片机中，分别变换RLC的各参数进行仿真测试，并在LCD上查看结果与RLC的参数值对比。
3.4 PCB的设计
经过总体系统设计仿真无误后用Proteus软件先进行原理图的后处理，再进行PCB设计。
4、软件设计
4.1建立频率阻抗对照表部分程序
ORG 0000H START: MOV TMOD,#15H MOV TH1,#03CH MOV TL1,#0B0H MOV TL0,#000H MOV TH0,#000H MOV PCON,#80H SETB TR1 SETB TR0 LOOP2: JBC TF1,LOOP1 SJMP LOOP2 LOOP1: CLR TR0 CLR TR1 MOV 20H,TH0 MOV 21H,TL0 SJMP START END
把由用555和MC1648构成了振荡器输出的频率的引脚分别联接到MCU的P3.4引脚,把上述程序经Proteus软件编译并加载到MCU中,然后分别变换RLC的阻抗,读取20H和21H内部单元的数据,就可以建立频率阻抗对照表.
4.2 总体软件设计
设计的软件结构按它的功能可分为:准备程序、测量程序、查表程序、自动量程转换程序、运算程序、显示程序和系统控制程序。准备程序应该完成系统操作之前的准 备工作。它包括初始化和系统测试2部分。初始化程序极为简单，主要是设堆栈指针，对于定时计数器的设置，分别在各测量模块进行。测试程序是用来检查应用系 统软硬件是否处于正常状态。测量程序对于小周期采取对频率计数对于大周期采用的是通过门控位在外界电平转换时产生中断来测量正脉冲的宽度。查表程序是在测 量到频率或周期后通过查表找到相应的RLC所在的范围。自动量程转换程序通过软件功能来完成自动量程转换。运算程序采用多位数的浮点运算和插值运算，显示 程序用的是LCD动态显示接口电路的控制程序。
5、结束语
利用PROTEUS软件强大的仿真功能设计了RLC智能测量仪，提高了系统开发的速度，缩短开发时间，节约开发成本。且此RLC测量仪具有功能强、性能可 靠、体积小、电路简单等特点，加上自行设计的RLC参数与频率计数的数据库对照表、浮点数的运算、自动切换档位等，使测量仪表具有较高的智能化水平。为实 现集示波、存储、任意信号发生、频率特性分析、逻辑分析、RLC测量、程序在线更新等于一体的多功能测量仪的RLC测量部分提供了坚实的技术保障。
本文作者创新点是利用PROTEUS软件强大的仿真功能设计了RLC智能测量仪，在仿真过程中建立了准确的频率阻抗对照表数据库，并直接根据仿真无误的原理 图制作PCB。提高了系统开发的速度，缩短开发时间，节约开发成本。此RLC测量仪具有功能强、性能可靠、体积小、电路简单等特点，并且对小阻抗元件和大 阻抗元件进行自动识别，实现测量档位的自动切换和准确测量、显示。与传统的伏安法、电桥法比较测量快速、准确、方便。
参考文献：
[1] 朱继军，郑永明，单片机控制的RLC测量仪研制[J], 中国民航学院学报,2003,21（7）:47-48
[2] 左宇翔,钱剑敏.UC/GUI在MCS51系列单片机系统移植的仿真实现[J]. 微计算机信息,2006,22（3-2）:98-100
[3] 张肃文主编.高频电子线路[M]. 北京：高等教育出版社，2004.
[4] 周润景，张丽娜编著。基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京航空航天大学出版社，2006年1月
