圖1 系統(tǒng)總體框圖

RX/VO轉(zhuǎn)換電路

圖2 Rx/Vo轉(zhuǎn)換電路

RX/VO轉(zhuǎn)換的原理圖如圖2所示，圖中RX為待測電阻，R1和R2為RX兩端旁路的等效電阻，VREF為基準(zhǔn)電壓，Rr1～Rr3為基準(zhǔn)電阻。由開關(guān)K來選擇不同的量程。現(xiàn)以K1閉合為例：由圖可得：

V_REF/R_r1=-V_O/R_X,即V_O=-R_X/R_r1* V_REF。當(dāng)K2閉合時：V_O=-R_X/R_r2* VREF；當(dāng)K3閉合時：V_O=-R_X/R_r3* V_REF。

CX/VO轉(zhuǎn)換電路

C_X／V_O轉(zhuǎn)換的原理圖如圖3所示：核心部分C_X／V_O轉(zhuǎn)換器采用簡單有源RC電路，該方法的被測電容C_x與激勵源頻率無關(guān)，且C_x／V_o轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓V_o與被測電容C_x為線性關(guān)系。該原理構(gòu)成的電容測試不僅可用于在線電容測試，也可對分立的電容進(jìn)行測試(即不在線時電容的測試)和電容量增量的測量(測量電容傳感器的電容變化量)。在線和分立電容測試時，開關(guān)K斷開。

圖3 CX/VO轉(zhuǎn)換電路

由圖3可知，在線、分立電容測試時，C_x/V_o轉(zhuǎn)換電路實質(zhì)上由反相積分器和微分器兩部分組成。眾所周知，當(dāng)交流周期信號V_i(t)激勵C_x/V_o電路時，反相積分器的輸出電壓V′_o(t)瞬時值為：

而后接的微分器輸出電壓為：

式中：為C_x/V_o轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換系數(shù)。可見，C_x/V_O轉(zhuǎn)換電路在正弦波信號V_i(t)激勵下，只要合適選擇C_x/V_o電路中的R1、C1、Rr以及Vi(t)的數(shù)值就可以得到正比于被測電容Cx的輸出電壓Vo(t)，從而實現(xiàn)了Cx/Vo的轉(zhuǎn)換。

測試增量電容時，將開關(guān)K合上，這時C_x/V_o電路的輸出電壓V_o(t）：

式中，C_x為被測電容的初始值。式中，若滿足R₁/R₃=C_x/C₁(通過改變R₃的阻值實現(xiàn))，就可使輸出電壓V_o(t)為零。這時可以認(rèn)為被測電容有一個很小的變化量△C，其值為：

式中，變換系數(shù)K′=R₁C₁/R_r V_i(t);可見增量電容△C也是與輸出電壓V_o(t)成線性關(guān)系的。
通過對有源RC電路的分析可知有以下兩個重要特性：

1. 在線、分立、增量電容測試時變化不會影響C_x/V_o轉(zhuǎn)換的精度；
2. 通過改變R_r/R₁的比值，可以方便地調(diào)節(jié)變換系數(shù)，從而可以在很寬的范圍內(nèi)測試電容。

信號發(fā)生電路設(shè)計

常用的信號發(fā)生器是RC正弦波振蕩電路（也稱文氏橋振蕩電路），其通常由放大電路、電阻、電容構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)組成，在運放為理想運放的情況下，只要滿足自激條件，就可能產(chǎn)生振蕩，但是通常運放都不是理想的，R、C的參數(shù)不好設(shè)置，給調(diào)試帶來一定困難。所以在本設(shè)計中，采用集成芯片ICL8038（只需接少量外部元件）來獲得所需信號。ICL8038應(yīng)用及接口電路如圖4所示。

圖4 信號發(fā)生器電路

電路說明：兩個100kΩ電位器（1、12腳）對正弦波進(jìn)行線性調(diào)節(jié)；1kΩ電位器（4、5腳）調(diào)節(jié)正弦波的占空比；10kΩ電位器（8腳）調(diào)節(jié)正弦波頻率；因為ICL8038輸出正弦波的幅度大概只有1.5～2.5V，所以在輸出端外接一個運算放大器，通過運放輸出端的電位器調(diào)節(jié)輸出波形的幅度，使其有效值為1V（以方便后續(xù)電路設(shè)計及計算）。

濾波電路設(shè)計

濾波電路的功能是讓指定頻率范圍內(nèi)的信號通過，而將其余頻率的信號加以抑制，或使其急劇衰減。濾波器可以只用一些無源元件（R、L、C）組成，稱為無源濾波器；也可以用無源元件與有源器件組成，稱為有源濾波器。本設(shè)計就用RC網(wǎng)絡(luò)和集成運放組成的有源濾波器。

在本設(shè)計中，一定頻率的正弦波經(jīng)積分和微分電路后，產(chǎn)生了諧波，使波形發(fā)生了變化，從而需要濾掉。此處使用二階有源帶通濾波電路。其電路圖如圖5所示。

圖5 濾波電路

由圖5可求出該電路的頻率特性為：

=

式中：A_f(ω)`稱為濾波電路增益或電壓傳遞函數(shù)；ω₀=1/RC；Q=1/（3-Af）稱為阻尼系數(shù)；A_bw=A_f/(3-A_f)稱為通帶電壓放大倍數(shù)，A_f=1+R₅/R₄。注意Abw不同于A_f，A_f應(yīng)小于3，否則電路不能正常工作。同時由上式可知：Q值越大，通帶濾波器寬度越寬，選擇性就越好。

Av/Dv轉(zhuǎn)換電路

AD637是一塊高精度單片TRMS／DC轉(zhuǎn)換器，可以計算各種復(fù)雜波形的真有效值。采用了峰值系數(shù)補償，在測量峰值系數(shù)高達(dá)10的信號時附加誤差僅為1% 。頻帶寬度在2V輸入時可達(dá)8MHz。在實際應(yīng)用中唯一的外部調(diào)整元件為絕對值平方的平均電容CAV、其影響到求平均值時間、低頻精度、輸出波紋水平及輸出穩(wěn)定時間。使用前需利用外部調(diào)整元件來減小有源整流器的非線性誤差．電路圖如圖6所示。

圖6 Av/Dv轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換及單片機接口電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用的ADC0809是一種8路模擬輸入逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，由于價格適中，與單片機的接口、軟件操作均比較簡單，目前在8位單片機系統(tǒng)中有著廣泛的使用。ADC0809由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、8位A／D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出鎖存緩沖器組成。ADC0809與單片機的接口電路由于接口簡單。在此不再占用篇幅。

量程自動轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

在實際應(yīng)用中，由于模擬開關(guān)本身存在一定的壓降，所以實際應(yīng)用起來較難，所以在這里電路中必須進(jìn)行一定的補償，采用繼電器作為開關(guān)，以控制進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換。電路原理圖如圖7所示。

圖7 量程自動轉(zhuǎn)換電路

LCD接口電路設(shè)計

作為測試儀器，顯示是不可或缺的。在本設(shè)計中，采用EDM1602模塊以實現(xiàn)單位的LCD顯示。模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由LCD 顯示屏（LCD PANEL）、控制器、列驅(qū)動器和偏壓產(chǎn)生電路組成。EDM1602與單片機的接口電路如圖8所示。

圖8 LCD接口電路

圖9 軟件主程序流程圖