单片机测试

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1 引 言

在线测试是一种新颖的电子测量技术。在调试维修印刷电路板时,往往需要测量印刷电路板上的电阻或电容值。传统的做法是焊开元件再测量,以避免受板上其他元件的影响。这不仅麻烦,测试速度低,甚至可能损伤印刷板和元件。为此,我们采用“电隔离”技术,设计了一种用单片机控制的电阻电容在线测试系统,该系统无需焊开元件便可直接在印刷板上测量各元件的参数,即保持了印刷板和元件的完善无损,又大大提高了测试速度。

2 系统组成

单片机电阻电容在线测试系统原理如图1所示。

为了实现电阻电容在线测试过程的自动化,由8031单片机、2732EPROM、锁存器和8155扩展器构成控制部分;为了拓宽测试范围,系统设置了自动转换量程;为了进一步提高测试精度,采用了软件抗干扰措施。

3 电阻在线测试原理

电阻—电压转换电路原理如图2所示。

图中Rx是印刷板上的待测电阻,R1和R2是Rx两端旁路的等效电阻,Uref为基准电压,Rx为基准电阻。测试时用三根测试笔,其中一根将R1和R2的接点接地;第二根将Rx与R1的接点接至运算放大器的反相输入端;第三根将Rx与R2的接点接至运算放大器的输出端。由图2不难看到:根据理想运算放大器的“虚短”原理,R1上的电压为零,因而没有电流通过;又根据深度电压负反馈时其输出电阻为零的特征,作为负载电阻R2的数值大小,不会影响其输出电压Ur。

由图2得Ur=-Uref Rx/Rx

可见在基准电压Uref和基准电阻Rx确定后,Ur只取决于Rx,而与R1与R2旁路电阻均无关,即对R2实现了“电隔离”。这就将印刷电路板上的被测电阻Rx直接转换为相应的输出电压Ur。为了扩大测量范围,引进了基准电阻Rr1~Rr4和相应的开关S1~S4来转换量程,如图3所示。单片机根据Rx选择合适的Rr,通过控制S1~S4自动转化量程。若选用高精度的运算放大器(如OP07等),可以进一步提高测量精度。为了减少R2的影响,输出级采用T1和T2复合管组成的射级输出器,可进一步减小输出电阻,并为R2提供所需的电流。为了减小接触电阻的影响,三根测试笔均用双线结构,将通电流的导线(图3中用粗T1线表示)和测电压的导线(图3中细线)分开。理论和实践都指出:在测量小电阻时,这种测试能有效地提高测试精度。

4 电容在线测试原理

电容在线测试原理电路如图4所示。

图中Cx为印刷板上被测电容,Rx为板上与Cx并联的电阻,Z1和Z2为板上Cx两端旁路的总等效阻抗,Uref为基准的正弦波信号源,Rr为基准电阻。如同上述电阻在线测试所分析的那样,根据理想运算放大器的“虚短”原理及深度电压负反馈输出电阻为零的特征,可消除Z1和Z2的影响,实现对Cx和Rx并联阻抗Zx的“电隔离”。由图4不难看出:

Uc=-Uref Zx/Rx

在印刷电路板上,电容Cx通常与Rx之间并联,如何从并联电路中单独测得Cx值,这是电容在线测试的关键。为此,我们提高正弦波发生器Uref的频率F,使Cx的容抗1/(ωCx)<<Rx,则可忽略Rx,使并联阻抗Zx近似等于Cx的容抗。即

式中Rr,Uref和频率F均为已知,测得Uc,便可用上式求出Cx。我们称此法为“高频近似法”。分析可知,若Rx大于被测电容Cx的容抗Zc的5倍,即若Rx≥5Cx,那么,按式Cx=Uref/(2лFRr

Uc)求出Cx的误差不大于2%。考虑到测量中因其它因素引起的误差,整个误差总和也不大于5%。对于一般要求这种误差已经满足了。在实际电路中,电容量的范围很广,与电容器并联的电阻值差别也很大。为实现高频近似法测试Cx,应根据实际情况选择合适的信号频率。为了便于测量控制,又不使正弦波信号发生器过于复杂,采取的措施是将信号源的频率按5倍频分档,并使各档信号Uref的幅度相等。由低向高按5倍关系逐档增高信号频率,同时测量响应的输出电压Uc,并计算相邻两档低频输出电压Ucl和高频输出电压Uch的比值。分析证明,若该比值Ucl/Uch≥3.6时,则可以用这个高档频率的信号测量Cx,此时的输出电压Uc=Uch。将此时的f,Uref和Uc代入Cx=Uref/(2лfRrUc),便可求得Cx。而Ucl/Uch≥3.6则可作为“高频近似法”选择测试频率的依据。

5 系统软件

该在线测试系统的软件,采用模块化结构,由主程序、若干子程序和中断程序组成,并且采用了数字滤波等软件抗干扰技术,提高了测试精度。系统主程序的流程图如图5所示。系统启动后,先初始化,然后判断测试Cx还是Rx,则分别进入各次的测试程序,开始在线测试。电阻在线测试过程为:被测电阻Rx通过Rx/Ur转换电路,将Rz转换为直流输出电压Ur,送入A/D转换器将模拟电压转换为数字量,输入单片机系统。单片机国家输入得数据,选择最佳量程,并控制量程转换开关,选择合适的基准电阻Rr,实现量程自动转化。在单片机控制下,进行多次(如8次)采样测试,并对各次测得的Ur求取平均值,然后计算出电阻Rx,最后送显示器显示。

电容在线测试过程为:将Cx/Uc转换电路,在正弦波信号发生器的作用下将Cx的数值转换为交流输出电压Uc,送入A/D转换器转换为数字量,送至单片机。单片机开展量程转换开关,选择最佳量程,获得与Cx相应的Uc值。单片机通过频率转换开关,控制正弦波信号发生器的振荡频率,从最抵挡频率开始,按5倍频逐级增频率。同时读入各档的相应Uc值,并对相邻两档频率的数据Ucl和Uch求商Ucl/Uch,判断Ucl/Uch是否大于3.6,若不大于此值,则继续读入求商,直到Ucl/Uch≥3.6,单片机就根据最后这次Fh和Uch,按式Cx=Uref/(2лfhUch)求Cx值,并送显示器显示被测的电容量数值。

参考文献

1 朱锡仁.电路测试技术与仪器.北京:清华大学出版社,1989

2 张卫平,张英儒.现代电子电路原理与设计.北京:原子能出版社,1997

3 何立民.MCS—51系列单片机应用系统设计.北京航空航天大学出版社,1990

4 王福瑞.单片机微机测控系统设计大全.北京航空航天大学出版社,1998

5 李华.MCS—51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社,1993

6 涂时亮,张友德,陈章龙.单片微机软件设计技术.重庆:科学技术文献出版社重庆分社,1988



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