摘 要：本文利用功能強(qiáng)大的PROTEUS仿真軟件設(shè)計(jì)以89C51單片機(jī)系統(tǒng)為核心的RLC智能測(cè)量儀。設(shè)計(jì)過程簡單，方便，大大提高了設(shè)計(jì)的效率，降低了設(shè)計(jì)成本，并且設(shè)計(jì)的RLC智能測(cè)量儀能實(shí)現(xiàn)RLC參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量和顯示，結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便，測(cè)量精度高、響應(yīng)快、測(cè)量范圍寬。 關(guān)鍵詞：單片機(jī)，PROTEUS，RLC 1、引言 　　目前，測(cè)量電路參數(shù)R,L,C的儀表種類多種多樣，其方法也不盡相同。這些方法都有其實(shí)用性，但是隨著工程技術(shù)要求的提高，它們的弊端也越來越明顯。 　　電容的測(cè)量方法較多，如電橋法、陰抗法等。電橋法精度高，但電路復(fù)雜且測(cè)量時(shí)還需要調(diào)節(jié)電橋平衡，不利于實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)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，而且計(jì)算較為復(fù)雜。電阻的測(cè)量方法有電流法、分壓法等，這些方法的精度變化大。若要較高的精度，必需較大的量程，且電路復(fù)雜。同樣，在測(cè)量電感時(shí)電橋法和相位法也不宜采用。數(shù)字RLC測(cè)量儀的數(shù)字化程度并不高 ,其參量分離是靠同步檢波器實(shí)現(xiàn)的[1]。 　　Proteus是英國Labcente公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件，具備主要特點(diǎn): （1）可以仿真、分析各種模擬器件和集成電路，其最大的特點(diǎn)是可以支持許多型號(hào)的單片機(jī)仿真，該軟件的單片機(jī)仿真庫里有51系列、PIC系列、AVR系列、摩托羅拉的68 MH11系列和ARM7等，他也能像其他的EDA軟件那樣進(jìn)行電路分析，如模擬分析、數(shù)字分析、混合信號(hào)分析、頻率分析等等。（2）提供了虛擬示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、電表等虛擬儀器儀表供選用。（3）能夠進(jìn)行SCH（原理圖）與PCB（印制板）的設(shè)計(jì)。（4）能和Keil, Matlab等軟件整合使用，以求達(dá)到更好的仿真效果[2]。借助PROTEUS軟件可以使從事該行業(yè)的專業(yè)技術(shù)人員加快電路系統(tǒng)開發(fā)的速度，縮短開發(fā)時(shí)間，節(jié)約開發(fā)成本，提高電子產(chǎn)品開發(fā)的效率。 　　本文所設(shè)計(jì)的RLC測(cè)量儀是用555構(gòu)成的多諧振蕩器和由MC1648構(gòu)成的振蕩器把R、L、C作為諧振電路中的一個(gè)元件，當(dāng)阻抗值變化時(shí)諧振電路的輸出頻率將隨著改變，先用Proteus軟件分別用555和MC1648構(gòu)成了振蕩器測(cè)量不同RLC值產(chǎn)生的不同頻率，在MCU內(nèi)部建立頻率阻抗對(duì)照表數(shù)據(jù)庫，從測(cè)得的頻率值直接查表可獲得元件的阻抗值并顯示。利用Proteus軟件強(qiáng)大的仿真功能，把各個(gè)分部分仿真無誤并建立頻率阻抗對(duì)照表后，再總體仿真，然后直接用Proteus軟件和總體仿真圖進(jìn)行設(shè)計(jì)PCB，最后硬件測(cè)試，建立的頻率阻抗對(duì)照表數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，效率高。RLC智能測(cè)量儀用對(duì)小阻抗元件和大阻抗元件能進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)測(cè)量檔位的自動(dòng)切換和準(zhǔn)確測(cè)量。 [align=center] 圖1 555構(gòu)成的測(cè)頻電路圖[/align] 2、RLC智能測(cè)量儀的設(shè)計(jì)原理 　　用555構(gòu)成的多諧振蕩器和由MC1648構(gòu)成的振蕩器與MCU組成系統(tǒng)，將被測(cè)元件放于測(cè)量電路中，經(jīng)過振蕩電路和處理電路產(chǎn)生一定頻率的矩形波并送至單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)所選測(cè)試元件通道，根據(jù)所測(cè)頻率查表判斷是否轉(zhuǎn)換量程，并從數(shù)據(jù)庫讀取頻率所在范圍的兩端頻率和相應(yīng)的RLC值，把數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，送LCD顯示相應(yīng)的參數(shù)值。 3、PROTEUS的各部分設(shè)計(jì) 　　3.1 RC電路部分的設(shè)計(jì) 　　通過改變R:和C的參數(shù)就可以改變振蕩頻率。被測(cè)電阻R或被測(cè)電容C作為由555構(gòu)成的R、C振蕩電路的元件，根據(jù)阻值范圍或電容范圍自動(dòng)選擇匹配電容或電阻產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩頻率，用Proteus軟件強(qiáng)大的仿真CPU的功能在仿真時(shí)就可以建立RC的頻率阻抗對(duì)照表數(shù)據(jù)庫。 　　3.2 LC振蕩電路的設(shè)計(jì) [align=center] 圖2 壓控振蕩器特性曲線[/align] 　　壓控振蕩器VCO就是在振蕩電路中采用壓控元件作為頻率控制器件，它的特性可用瞬時(shí)振蕩頻率ωV與控制電壓VC之間的關(guān)系曲線來表示，如圖4所示，在一定范圍內(nèi)ωV與VC之間是線性關(guān)系，這一線性曲線可用公式表示： 　　 　　KV是特性曲線的斜率， 稱為VCO的增益或靈敏度， 量綱為rad/s·V，它表示單位控制電壓所引起的振蕩角頻率變化的大小[3]。 [align=center] 圖3 VCO電路部分子圖[/align] 　　對(duì)電感的測(cè)量則采用壓控振蕩器構(gòu)成振蕩電路，在Proteus軟件中沒有我們所需要的VCO元件，根據(jù)Proteus軟件強(qiáng)大的功能，我們根據(jù)VCO的原理用Proteus軟件制作了VCO[4]，我們制作的VCO元件的部分子圖如圖3 所示，被測(cè)電感L作為由VCO構(gòu)成的L、C振蕩電路的元件，根據(jù)電感L的大小自動(dòng)選擇不同的匹配電容，產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩頻率，用Proteus軟件強(qiáng)大的仿真CPU的功能在仿真時(shí)就可以建立L的頻率阻抗對(duì)照表數(shù)據(jù)庫。 [align=center] 圖4 RLC測(cè)試儀結(jié)構(gòu)原理圖[/align] 　　3.3總圖的系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真部分 　　總體方框圖如圖4所示，把設(shè)計(jì)的軟件和建立的頻率阻抗對(duì)照表加載到單片機(jī)中，分別變換RLC的各參數(shù)進(jìn)行仿真測(cè)試，并在LCD上查看結(jié)果與RLC的參數(shù)值對(duì)比。 　　3.4 PCB的設(shè)計(jì) 　　經(jīng)過總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真無誤后用Proteus軟件先進(jìn)行原理圖的后處理，再進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。 4、軟件設(shè)計(jì) 　　4.1建立頻率阻抗對(duì)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構(gòu)成了振蕩器輸出的頻率的引腳分別聯(lián)接到MCU的P3.4引腳,把上述程序經(jīng)Proteus軟件編譯并加載到MCU中,然后分別變換RLC的阻抗,讀取20H和21H內(nèi)部單元的數(shù)據(jù),就可以建立頻率阻抗對(duì)照表. 　　4.2 總體軟件設(shè)計(jì) 　　設(shè)計(jì)的軟件結(jié)構(gòu)按它的功能可分為:準(zhǔn)備程序、測(cè)量程序、查表程序、自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換程序、運(yùn)算程序、顯示程序和系統(tǒng)控制程序。準(zhǔn)備程序應(yīng)該完成系統(tǒng)操作之前的準(zhǔn)備工作。它包括初始化和系統(tǒng)測(cè)試2部分。初始化程序極為簡單，主要是設(shè)堆棧指針，對(duì)于定時(shí)計(jì)數(shù)器的設(shè)置，分別在各測(cè)量模塊進(jìn)行。測(cè)試程序是用來檢查應(yīng)用系統(tǒng)軟硬件是否處于正常狀態(tài)。測(cè)量程序?qū)τ谛≈芷诓扇?duì)頻率計(jì)數(shù)對(duì)于大周期采用的是通過門控位在外界電平轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生中斷來測(cè)量正脈沖的寬度。查表程序是在測(cè)量到頻率或周期后通過查表找到相應(yīng)的RLC所在的范圍。自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換程序通過軟件功能來完成自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換。運(yùn)算程序采用多位數(shù)的浮點(diǎn)運(yùn)算和插值運(yùn)算，顯示程序用的是LCD動(dòng)態(tài)顯示接口電路的控制程序。 5、結(jié)束語 　　利用PROTEUS軟件強(qiáng)大的仿真功能設(shè)計(jì)了RLC智能測(cè)量儀，提高了系統(tǒng)開發(fā)的速度，縮短開發(fā)時(shí)間，節(jié)約開發(fā)成本。且此RLC測(cè)量儀具有功能強(qiáng)、性能可靠、體積小、電路簡單等特點(diǎn)，加上自行設(shè)計(jì)的RLC參數(shù)與頻率計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)庫對(duì)照表、浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算、自動(dòng)切換檔位等，使測(cè)量儀表具有較高的智能化水平。為實(shí)現(xiàn)集示波、存儲(chǔ)、任意信號(hào)發(fā)生、頻率特性分析、邏輯分析、RLC測(cè)量、程序在線更新等于一體的多功能測(cè)量儀的RLC測(cè)量部分提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是利用PROTEUS軟件強(qiáng)大的仿真功能設(shè)計(jì)了RLC智能測(cè)量儀，在仿真過程中建立了準(zhǔn)確的頻率阻抗對(duì)照表數(shù)據(jù)庫，并直接根據(jù)仿真無誤的原理圖制作PCB。提高了系統(tǒng)開發(fā)的速度，縮短開發(fā)時(shí)間，節(jié)約開發(fā)成本。此RLC測(cè)量儀具有功能強(qiáng)、性能可靠、體積小、電路簡單等特點(diǎn)，并且對(duì)小阻抗元件和大阻抗元件進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)測(cè)量檔位的自動(dòng)切換和準(zhǔn)確測(cè)量、顯示。與傳統(tǒng)的伏安法、電橋法比較測(cè)量快速、準(zhǔn)確、方便。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 朱繼軍，鄭永明，單片機(jī)控制的RLC測(cè)量儀研制[J], 中國民航學(xué)院學(xué)報(bào),2003,21（7）:47-48 　　[2] 左宇翔,錢劍敏.UC/GUI在MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)移植的仿真實(shí)現(xiàn)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息,2006,22（3-2）:98-100 　　[3] 張肅文主編.高頻電子線路[M]. 北京：高等教育出版社，2004. 　　[4] 周潤景，張麗娜編著?；赑ROTEUS的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2006年1月